Тамбов, Тамбовская область, Россия
Осуществлен выбор эффективной методики выявления микроструктуры дуплексной стали X2CrNiMoCuN25-6-3. Проведены металлографические исследования стали после различных режимов ее термической обработки. Выбран режим, при котором формируется структура с равным количеством феррита и аустенита, что позволяет сформировать оптимальный комплекс физико-механических свойств стали.
аустенит, феррит, металлографический анализ, дуплексная сталь, термообработка
Сталь X2CrNiMoCuN25-6-3 является аустенитно-ферритной нержавеющей сталью с повышенной коррозионной и химической стойкостью. Благодаря своей высокой кислотоустойчивости эта сталь нашла применение в судостроении, а также при производстве оборудования по переработке серной, фосфорной, азотной, уксусной и других кислот. К преимуществам дуплексных сталей относится также их высокая прочность, что позволяет уменьшить вес изделий.
Требуемый комплекс физико-механических свойств стали формируется путем ее термической, либо термомеханической обработки, в результате которой происходит переход ферритной фазы в аустенитную. Наиболее устойчивым является состояние микроструктуры, в которой содержится 50 % аустенита и 50 % феррита, что определяет повышенный комплекс свойств дуплексных нержавеющих сталей.
Наряду с преимуществами при использовании дуплексных сталей возникает ряд трудностей, к которым, прежде всего, следует отнести возникновение существенной микроструктурной неоднородности при тепловой обработке и склонность к ухудшению свойств.
Ухудшение механических свойств стали связано с ее старением, вызванным высоким содержанием азота. Азот в составе дуплексных сталей необходим для подавления образования s-фазы, однако, выделяющиеся по кристаллографическим плоскостям дисперсные включения нитридов железа препятствуют перемещению дислокаций и вызывают охрупчивание металла [1].
Формирование микроструктурной неоднородности, как правило, происходит при сварке сталей и особенно заметно в околошовной зоне. Особенностью тепловых процессов обработки большинства высоколегированных сталей является формирование в структуре интерметаллических соединений, негативно влияющих на их прочность и коррозионную стойкость. Температурно-временные режимы формирования фаз Лавеса, s-фазы и c-фазы носят нелинейный характер и зависят от действительного содержания легирующих элементов в стали.
Согласно имеющимся данным для высоколегированных сталей характерна 475-градусная хрупкость, которая связана с формированием по границам зерен хрупкой
a¢-фазы. Время возникновения этой фазы достаточно мало – формирование происходит уже через 5…6 мин выдержки стали при этой температуре. При температурах 500…650 °С для формирования интерметаллидов требуется время от 1 до 10 ч, а при температурах 700…1000 °С время их возникновения уменьшается до 1…20 мин.
Таким образом, при разработке и реализации технологий неразъемного соединения аустенитно-ферритных сталей с использованием источников нагрева, а также при разработке технологий их термической обработки, необходимо знать и учитывать происходящие структурные изменения для получения требуемого комплекса физико-механических свойств.
В настоящей работе проведены микроструктурные исследования влияния температуры отжига стали X2CrNiMoCuN25-6-3 на ее структуру и физико-механические свойства. Время изотермической выдержки составляло 15 мин, размеры экспериментальных образцов ‒ 15´8´50 мм.
В табл. 1 представлены результаты анализа химического состава изучаемой стали.
1. Химический состав стали X2CrNiMoCuN25-6-3
|
Элемент |
C |
Cr |
Ni |
Mn |
Si |
Mo |
Cu |
N |
P |
S |
|
Содержание, % |
0,023 |
24,656 |
6,296 |
0,978 |
0,321 |
3,594 |
1,617 |
0,238 |
0,026 |
0 |
Исследование микроструктуры образцов после различных режимов термической обработки осуществлялось с применением металлографического анализа в режиме светлопольного освещения на металлографическом микроскопе ММР-2Р.
Подготовка образцов для металлографического анализа осуществлялась путем шлифования, полировки их поверхностей, и последующего выявления микроструктуры. Наиболее широко в металлографии применяют методики химического и электролитического травления [2, 3].
Высокая коррозионная и химическая стойкость стали X2CrNiMoCuN25-6-3 делает неэффективным применение большинства реактивов, которые традиционно применялись для нержавеющих сталей. В результате проведенных экспериментальных исследований по оценке эффективности различных способов и составов для металлографического травления изучаемой стали, выбраны реактивы, рецептура которых приведена в табл. 2.
2. Способы и составы травления стали X2CrNiMoCuN25-6-3
|
№ реактива |
Способ травления |
Время травления, мин |
Плотность тока, А/дм2 |
Состав реактива (электролита) |
|
1 |
Химическое |
10 |
¾ |
CuCl2 – HCl – 10 мл; C2H5OH – 10 мл; H2O – 10 мл |
|
2 |
Электролитическое |
1 |
0,6 |
13,5%-ный водный раствор HCl |
|
3 |
5 |
0,2 |
Ba(OH)2 – H2O – 200 мл |
На рис. 1 представлены микроструктуры стали X2CrNiMoCuN25-6-3, выявленные путем травления составами, приведенными в табл. 2.
а)
б)
в)
Рис. 1. Микроструктура стали X2CrNiMoCuN25-6-3 (×1025):
а – химическое травление реактивом 1;
б, в – электролитическое травление реактивами 2 и 3
Характерной особенностью аустенитно-ферритных сталей является то, что формирование аустенитной фазы происходит при резком охлаждении, а присутствие в составе стали азота способствует стабилизации g-фазы. Первоначально структура стали преимущественно ферритная. Согласно диаграмме Шеффлера [4] после термической обработки структура исследуемой стали будет аустенитно-ферритная, причем феррита в ней ~70 %.
Травление реактивами 1 и 2, как видно из рис. 1, позволяет выявить границы фаз, однако, не является избирательным по отношению к какой-либо из них. На рис. 1, в показана микроструктура, полученная путем травления в электролите, представляющем собой водный раствор гидроксида бария. Как видно, данный раствор пригоден для избирательного травления фаз. При его использовании происходит вытравливание аустенитной фазы (темные участки), а ферритная контрастно проявляется на ее фоне в виде белых участков.
Таким образом, на основе изучения действия различных реактивов на аустенитно-ферритную сталь X2CrNiMoCuN25-6-3, выбран наиболее эффективный способ выявления ее структуры, который используется в дальнейших исследованиях образцов, подвергнутых различным тепловым воздействиям.
Согласно СТО 22452139-001-2014 «Сварка сосудов, аппаратов и трубопроводов из дуплексных сталей» для обеспечения стойкости к коррозионному растрескиванию, сварные соединения из дуплексных сталей подвергаются термической обработке в виде отжига для снятия напряжений с последующим охлаждением в воде или на воздухе. При этом для уточнения рекомендуемых режимов термообработки рекомендуется обращаться к производителю конкретной марки стали или его официальному представителю.
С целью выяснения механизма влияния режима термической обработки стали X2CrNiMoCuN25-6-3 на изменение ее микроструктуры авторами проведен комплекс исследований, при котором специально подготовленные образцы подвергались нагреву до температур 600, 800, 1050 °С в лабораторной муфельной печи СНОЛ 6/11, выдержке 15 мин и охлаждению в воде.
На рис. 2 представлены микроструктуры образцов при увеличении 500 крат. Светлые области на микроструктурах – феррит, темные – аустенит.
Анализ микроструктур (см. рис. 2) показывает, что изотермическая выдержка при температуре 600 °С (рис. 2, б) с последующим охлаждением в воде не изменяет структуру стали, которая изначально (рис. 2, а) является ферритной [4]. При нагреве до температуры 800 °С, выдержке и охлаждении в воде в структуре (рис. 2, в) начинает выделяться вторичный аустенит. Наряду с выделением из ферритной фазы аустенита, в ней происходит интенсивное формирование интерметаллидов (s-фазы, c-фазы и фаз Лавеса), которые на рис. 2, в имеют серый оттенок. Наличие данных фаз в микроструктуре ведет к охрупчиванию стали. Предотвратить образование интерметаллидов позволяет повышение температуры нагрева до 1050 °С (рис.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Микроструктура стали X2CrNiMoCuN25-6-3 без термообработки (а), после отжига при температурах 600 °С (б), 800 °С (в), 1050 °С (г)
Выводы
1. В результате проведенных исследований определена эффективность различных способов и составов для выявления микроструктуры дуплексной стали X2CrNiMoCuN25-6-3 и выбрано электролитическое травление в
5 %-ном растворе гидроксида бария.
2. Выбранная методика выявления структуры применена при проведении металлографических исследований образцов стали после различных режимов ее термической обработки. Доказано, что при нагреве стали до температуры 1050 °С, выдержке и охлаждении в воде формируется структура с равным количеством феррита и аустенита, что позволяет сформировать оптимальный комплекс физико-механических свойств стали (ударная вязкость, прочность), недостижимый при использовании аустенитных, мартенситных или ферритных нержавеющих сталей, а также получить коррозионную стойкость наивысшую, по сравнению с однофазными сталями.
1. Уманский, А.А. Исследование процессов формирования качества металлопродукции ответственного назначения на переделе сталь-прокат // Фундаментальные исследования. ‒ 2014. ‒ № 8-2. – С. 335-339.
2. Баранова, Л.В., Демина, Э.Л. Металлографическое травление металлов и сплавов: справочник - М.: Металлургия, 1986. ‒ 256 с.
3. Мордасов, Д.М., Зотов, С.В. Термоциклическая обработка штампов для работы в условиях горячего деформирования из стали Х12МФ // Вестник ТГТУ. ‒ 2016. ‒ № 3(22). ‒ С. 481-490.
4. Schaeffler, A.L. Constitution diagram for stainless steel weld metal // Metal Progress. ‒ 1949. ‒ V. 56. No. 5. ‒ Pр. 680-686.
