Вопрос выбора конструкционных материалов, необходимых для длительной безотказной работы машин и конструкций, приобретает особую актуальность при добыче углеводородного сырья в зоне морского шельфа, поэтому к таким материалам предъявляются повышенные требования. В статье приведена информация о новой литейной стали аустенитного класса, разработанной в ИМЕТ РАН. Сталь нечувствительна к надрезам, превосходит применяющиеся в РФ литейные аустенитные стали по пределу текучести, ударной вязкости и твердости, что позволяет уменьшать толщину сечений отливок без ущерба для надежности и долговечности.
Материалы, используемые в конструкциях для работы на северном шельфе, подвергаются воздействию высоких статических, циклических, а зачастую и ударных нагрузок, коррозионному воздействию морского воздуха и воды; иногда – трению, приводящему к износу; большую часть времени они эксплуатируются при низких и очень низких температурах.
Последний фактор, действуя совместно со всеми перечисленными, может привести к достаточно быстрому разрушению материала узлов и конструкций. Это связано с хорошо изученной закономерностью: с понижением температуры прочность сталей, независимо от их структурного класса, возрастает, однако характеристики вязкости и трещиностойкости значительно снижаются [1], т.е. стали охрупчиваются. Неправильный выбор материала чреват тем, что, например, ударное воздействие на конструкцию при низкой температуре вызовет быстрое катастрофическое распространение трещины, зародившейся в материале в критическом сечении под воздействием предшествующих циклических нагрузок. Особенно важен учет возможности низкотемпературного охрупчивания для изделий сложной формы, изготавливаемых методом литья, с крупными зернами, вытянутыми в направлении теплоотвода, где трещина может очень быстро распространяться именно по таким границам.
Сочетания свойств коррозионной и износостойкости с высокой прочностью при наличии аустенитной структуры можно достичь за счет легирования сталей азотом [2 – 4]. Говоря о литейных сталях именно аустенитного класса, как наиболее коррозионностойких, следует отметить следующее. Зарубежными стандартами предусмотрено производство по крайней мере пяти литейных марок сталей аустенитного класса с содержанием азота 0,1 – 0,4 % [4]. Это Cr-Mn-Ni, Cr-Mn-Ni-Mo, Cr-Ni-Mo стали с высоким содержанием никеля (от 9 до 25 %), в структуре которых допускается до 20 % феррита, с величиной эквивалента питтингостойкости ЭСП = PREN = % Cr + 3,3 · % Mo + 16 · % N до 30 – 34. (У обычной «нержавейки», легированной только 18 % Cr, из числа указанных в этой формуле элементов, этот индекс равен соответственно лишь 18). Эти марки сталей способны обеспечить предел текучести 0,2 вплоть до 290 МПа (против 196 МПа у стали 12Х18Н9ТЛ) за счет легирования азотом и повышения доли феррита в структуре стали, увеличивающего долю границ зерен в литом материале. В нашей стране известны разработанные к 1969 году марки литейных Cr-Mn-Ni-сталей аустенитного класса 0Х20Н4АГ10 (НН-3) и 0Х18Г11Н4АФ (НН-3Ф), с концентрацией азота 0,4 – 0,55 %, обеспечивающие предел текучести от 345 МПа, но с ЭСП ≤ 26 [5]. В стандарт РФ [6] на литейные стали данные марки сталей не включены, литье из них производится по специальным заказам, на основании выпущенной технической документации.
В статье приведена информация о новой литейной стали 05Х21АГ15Н8МФЛ с ~0,5 % N, аустенитного класса, разработанной в ИМЕТ РАН [7]. По комплексу свойств она отличается от аустенитных азотосодержащих сталей, описанных в [4, 5] и аустенитных сталей, описанных в [6]. Исследования, проведенные в 2018 – 2020 гг., показали, что эта сталь обладает не только высокой прочностью, коррозионной и износостойкостью, что нами было показано ранее, но и является свариваемым, хладостойким материалом. На наш взгляд, такое сочетание свойств у стали аустенитного класса является уникальным и делает сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ перспективным материалом для литых изделий сложной формы, с переменными сечениями и концентраторами напряжений, для длительной безотказной службы в регионах с температурами вплоть до нижнего порога климатических температур (принято считать, что это минус 70 °С). В статье содержатся, в т.ч., ссылки на собственные работы авторов в связи с необходимостью подтвердить методическую и научную достоверность приводимых данных.
Литейно-технологические свойства стали 05Х21АГ15Н8МФЛ
Сталь подтвердила свои свойства как литейного материала, способного при заливке в форму хорошо заполнять тонкие сечения [8]. Она обладает высокой жидкотекучестью, обусловленной наличием в ее составе марганца и азота. Она характеризуется температурами ликвидус tL =1385 °С и солидус tS = 1330 1340°С. На основе измерений температуры металла в процессе его кристаллизации и охлаждения в форме из ХТС был определен коэффициент затвердевания – К ≈ 7,5 мм/мин1/2, рассчитано время затвердевания металла в сечениях литейной формы разной толщины, построена графическая зависимость, позволяющая при разработке технологии литья оценивать время затвердевания прибыльной части, стенок и узлов отливок [8].
Структура и фазовый состав отливок
В ступенях плоской ступенчатой модельной отливки сечением от 1 – 2 до 40 мм была изучена структура отливок. Величина дендритного параметра (расстояния между осями дендритов второго порядка) в них изменялась от 5,56 до 47,5 мкм соответственно. Размер неравноосных литых зерен не оценивали, т.к., как правило, он был существенно больше 500 мкм (рис. 1). Наблюдали типичную крупнозернистую текстурированную структуру литого металла с характерными для строения слитков зонами. После гомогенизирующего отжига с охлаждением в воде в аустените присутствуют упрочняющие наноразмерные нитриды CrN (по данным просвечивающей электронной микроскопии), феррит (от ~0 до ~8 %) и неметаллические включения (НВ) (рис. 1). Количество феррита в стали регулируется термообработкой [9]. Далее в статье свойства стали описаны именно для термически обработанного состояния.
Статическая прочность. Чувствительность к надрезу и хладостойкость
В этом разделе уместно напомнить, что размер зерна металла оказывает влияние на предел текучести, сопротивление хрупкому разрушению и температуру вязко-хрупкого перехода; измельчение зерна способствует снижению критической температуры хрупкости [10]. Однако металл изученных отливок был крупнозернистым (см. выше), и в отношении него механизм упрочнения согласно закону Холла-Петча (предел текучести обратно пропорционален квадратному корню из величины размера зерна) не эффективен. (Специальные известные методы для измельчения размера зерна при кристаллизации не применялись.)
Испытания на растяжение и ударный изгиб проводили согласно действующим в РФ стандартам. Сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ имеет высокий уровень механических свойств благодаря твердорастворному упрочнению азотом [9], причем не только при + 20 °С (табл. 1). В таблице 1 приведены результаты ее испытаний на растяжение и ударный изгиб при температурах от + 20 до - 70 °С (хладостойкость принято оценивать по изменению ударной вязкости образцов с надрезом с понижением температуры испытаний). Следует отметить, что эта сталь практически не чувствительна к острому надрезу. По данным проведенных нами исследований, средний уровень KCV+20 = 240 Дж/ см2, при этом разница в значениях между KCU и KCV (по результатам не менее 10 испытаний на точку для каждого вида надреза) не превышает разброса значений, характерного для литой структуры. Построение температурной зависимости ударной вязкости стали 05Х21АГ15Н8МФЛ в интервале + 20…- 160 °С показало, что сталь характеризуется широким интервалом температур вязко-хрупкого перехода c температурой такого перехода, равной - 75 °C, при которой KCV = 120 ± 10 Дж/ см2 (т.е. 1/2 от KCV+20) [11]. Эта литейная сталь не подвержена хладноломкости и при охлаждении до -70 °С. Большую роль в этом играет повышенная прочность упрочненного азотом аустенита, обеспечивающего предел текучести вдвое более высокий, чем у традиционных аустенитных литейных сталей (табл. 1).
Критической температурой хрупкости для нее признана температура -110 °С [11], т.к. при дальнейшем снижении температуры испытаний ударная вязкость достигает значений: KCV-140 = 44 Дж/см2, KCV-160 = 25 Дж/см2.
В таблице 1 приведены литературные данные по хладостойкости сталей сравнения. Поскольку сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ – сталь аустенитного класса, логично сравнение ее механических свойств со свойствами традиционных аустенитных литейных сталей. Однако, если деформируемые аустенитные стали – это криогенный материал, то в литейном варианте они в качестве хладостойких не рассматриваются [6, 10]. У стали 12Х18Н9ТЛ низкими являются и прочность, и ударная вязкость [6]; у стали 12Х18Н10Т1, не входящей в стандарт [6], в литом состоянии ударная вязкость более чем в два раза ниже, чем у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ при +20 °С, и низкая при температуре -196 °С [10]; ее ЭСП = 18 против 33 у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ. Хорошее сочетание прочности, пластичности и вязкости, высоких литейных свойств и коррозионной стойкости имеет свариваемая сталь 07Х13Г28АНФЛ [10, 13], не входящая в стандарт. При -196 °С ее КСV = 90 Дж/см2, т.е. выше, чем у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ при -160 °С [11]. Однако сталь 07Х13Г28АНФЛ при +20 °С имеет предел текучести 300 МПа и КСV = 140 Дж/см2, уступая стали 05Х21АГ15Н8МФЛ по этим характеристикам. У нее также низкая питтингостойкость (ЭСП 14); она содержит очень много марганца (почти вдвое выше, чем у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ).
Если не требовать наличия у стали сравнения аустенитной структуры и удовлетвориться принадлежностью стали к числу коррозионностойких при наличии прочности и хладостойкости, то можно провести сравнение со сталью 08Х15Н4ДМЛ [10], относящейся к мартенситно- аустенитному классу. Она является хладостойкой при климатических температурах и превосходит в силу наличия мартенсита аустенитную сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ по пределу текучести (но не по пределу прочности), уступая ей по ударной вязкости и пластичности (таблица 1), а также по величине ЭСП ( 18). Кроме того, эта сталь имеет ограниченную свариваемость.
Влияние феррита и НВ в структуре стали 05Х21АГ15Н8МФЛ на механические свойства и хладостойкость
Следует отметить, что испытания на ударный изгиб при -160 °С в работе [11] были проведены на образце с максимальным количеством феррита, что негативно сказалось на полученном значении ударной вязкости. Было показано, что при этой температуре феррит в стали 05Х21АГ15Н8МФЛ находится ниже порога хладноломкости, трещины зарождаются в осях 1 и 2 порядка ферритных кристаллов. Поэтому резервом повышения хладостойкости новой стали 05Х21АГ15Н8МФЛ является получение литого металла без феррита, что возможно.
Негативного влияния частиц НВ в структуре этой литой стали на механические свойства не наблюдается, согласно результатам проведенного нами в 2020 – 2021 гг. исследования2.
Нами была также изучена циклическая прочность новой литейной стали 05Х21АГ15Н8МФЛ в диапазоне напряжений от 225 до 600 Мпа3 (рис. 2) [14]. В условиях малоцикловой усталости (до ~ N = 6 · 104 циклов) литая сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ не уступает горячедеформированному прототипу [15], а до ~ N = 5 · 105 циклов превосходит классические аустенитные деформируемые стали SUS 304N и SUS 304. Как видно из рис. 2, литейная сталь 12Х18Н10ТЛ не подлежит испытаниям на усталостную прочность ввиду начала пластического течения уже при 196 МПа, тогда как образцы азотосодержащей литейной стали при напряжении 225 МПа выдерживают 107 циклов повторного растяжения. Мартенситно-аустенитная сталь 08Х15Н4ДМЛ имеет более высокое значение предела усталостной прочности.
Твердость. Исследования твердости показали, что благодаря твердорастворному упрочнению азотом исследованная литейная сталь тверже традиционных аустенитных литейных сталей: HBср = 204 (180 213), тогда как для сталей 12Х18Н9ТЛ и 12Х18Н12М3ТЛ HBср = 156 (129 183).
