Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» совместно с ПАО «ММК» при поддержке Минобнауки России, разрабатывается опытно-промышленная технология производства ультрахладостойкого наноструктурированного листового проката для импортозамещения материалов, в том числе криогенных, используемых в условиях сверхнизких критических температур, повышенной коррозионной активности, а также в арктических широтах. Гарантией успешного достижения целей выполняемого проекта является использование оборудования, имитирующего реальные процессы производства стали и проката ООО «ИЦ Термодеформ-МГТУ» и центра коллективного пользования научным оборудованием «Научно-исследовательский институт Наносталей», позволяющие осуществлять поиск технологических режимов производства новых хладостойких сталей и листового проката, предназначенных для импортозамещения. Цель работы: исследование влияния режимов многостадийной термической обработки на особенности формирования микроструктуры листового проката криогенной конструкционной стали, обладающей повышенной хладостойкостью. Используемые методы: с применением оборудования лабораторного комплекса ООО «ИЦ Термодеформ-МГТУ» проведена выплавка слитков заданного химического состава, которые в последующем подвергались горячей деформации и термической обработке по различным режимам. Комплекс металлографических исследований выполнен с использованием оптического микроскопа Meiji с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO, а также растрового электронного микроскопа (РЭМ) JSM 6490 LV. Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК) проводились на приборе синхронного термического анализа STA (Iupiter 449 F3). Твердость определяли на микротвердомере Buchler Mikromet методом вдавливания алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями 136° в соответствии с ГОСТ 9450-60. Результат: Определены критические точки криогенной стали марки 0Н9А (9% Ni), которые снижены по сравнению с традиционными углеродистыми сталями и составляют: Ас1 ≈ 624°С и Ас3 ≈ 720°С. Выявлено, что после двойной закалки происходит обогащение аустенита легирующими элементами, что вызывает дополнительное понижение точки Ас1 на 20°С. Установлено влияние одинарной, двойной закалки и последующего высокого отпуска при температурах 500, 550, 600°С на формирование микроструктуры сплава. После одинарной закалки и последующего отпуска в исследуемом диапазоне температур формируется структура, состоящая из мартенсита отпуска, аустенита остаточного, α – фазы и карбидных частиц, выделяющихся преимущественно по границам зерен, что приводит к охрупчиванию стали. Данный факт подтверждается фрактографическими исследованиями. После двойной закалки и последующего отпуска в указанном диапазоне температур формируется дисперсная пластинчатая дуплексная структура, состоящая из α – фазы, реек «нового» мартенсита, участков со структурой отпущенного мартенсита и остаточного стабильного аустенита с объемной долей около 4%, что позволяет обеспечить сопротивление разрушению при криогенных температурах по вязкому механизму. Практическая значимость: выявленные закономерности представляют интерес не только с точки зрения общей картины процесса структурообразования ферритных никелевых сталей, но и в аспекте влияния полученных двухфазных дуплексных структур на особенности механизмов разрушения при криогенных температурах исследуемых сплавов, применяемых для изготовления резервуаров для хранения и транспортировки сжиженного газа. Использование полученных результатов новых научных данных позволит создавать и совершенствовать технологические режимы термической обработки сплавов указанного состава.
Ключевые слова
Листовой прокат, криогенная конструкционная сталь, одинарная закалка, двойная закалка, многостадийная термическая обработка, отпуск, хладостойкость, твердость.
1. Назначение и область применения ультрахладостойкого наноструктурированного листового проката / П.П. Полецков, К. Хакимуллин, Д.Г. Набатчиков и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2017. Т. 15. №2. С. 85–88.
2. Seok Su Sohn, Seokmin Hong, Junghoon Lee Effects of Mn and Al contents on cryogenic-temperature tensile and Charpy impact properties in four austenitic high-Mn steels. Acta Materialia, 2015, vol. 100, pp. 39–52.
3. Lu Y.Q., Hui H. Investigation on Mechanical Behaviors of Cold Stretched and Cryogenic Stretched Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels. Procedia Engineering, 2015, vol. 130, pp. 628–637.
4. Климатические испытания материалов, элементов конструкций, техники и оборудования в условиях экстремально низких температур / Е.Н. Каблов, М.П. Лебедев, О.В. Старцев и др. // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата Eurastrencold 2013. Якутск, 2013. С. 5–7.
5. Анализ технических требований, предъявляемых к ультрахладостойкому листовому прокату / М.В. Чукин, П.П. Полецков, Д.Г. Набатчиков и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2017. Т. 17. №2. С. 52–60.
6. Crismaru I.V., Dragomir-Stanciu D., Atanasiu M.V. The Behavior of a 1.4301 Stainless Steel Subjected to Cryogenic Temperatures. Procedia Technology, 2015, vol. 19, pp. 247–253.
7. Lu, Y.Q. Investigation on Mechanical Behaviors of Cold Stretched and Cryogenic Stretched Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels. Procedia Engineering, 2015, vol. 130, pp. 628–637.
8. Разработка перспективных образцов криогенных сталей для газовозов и стационарных танков-хранилищ сжиженного природного газа, предназначенных для использования в условиях Арктики / М.Ю. Матросов, В.Н. Зикеев, П.Г. Мартынов и др. // Арктика: экология и экономика. 2016. №4 (24). С. 80–89.
9. Горынин И.В., Легостаев Ю.Л., Осокин Е.П. Проблемы морской транспортировки сжиженного природного газа: Материалы для танков судов-газовозов // Судостроение. 2009. №5. С. 32–40.
10. Лавренченко Г.К., Копытин А.В. Криогенные комплексы производства и отгрузки СПГ, его приема, хранения и регазификации в системе международной торговли // Технич. газы. 2010. №3. С. 2–19.
11. Smith L., Craig B. Properties of Metallic Materials for LNG Service: Paper 57. Presented at 9th MECC, Bahrain, Febr. 12–14th 2001. http://www.intetech.com/images/ downloads/Paper57.pdf.
12. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др.; под общ. ред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
13. ASTM A553/A553M/ Standard Specifi cation for Pressure Vessel Plates? Alloy Steel Quenched and Tempered 7, 8 and 9% Ni // STANDARD by ASTM International. 2014.
14. EN 10028-4. Прокат плоский стальной для работы под давлением. Технические условия. Ч. 4. Никелевая легированная сталь с заданными свойствами при низких температурах.
15. Голованенко С.А., Фонштейн Н.М. Двухфазные низколегированные стали. М.: Металлургия, 1984. 206 c.
16. Горынин И.В., Хлусова Е.И. Наноструктурированные стали для освоения месторождений шельфа Северного Ледовитого океана // Вестник РАН. 2010. №12. С. 1069–1075.
17. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей: пер. с англ. М.: Металлургия, 1982.183 с.
18. Шаров Б.П., Зикеев В.Н., Гладштейн Л.И. Свойства стали 0Н9 для криогенной техники // Сталь. 1988. №3. С. 76–78.
19. Термоциклическая обработка низкоуглеродистых сталей с закалкой из межкритического интервала температур / Коноплева Е.В., Энтие Р.И., Баязитов В.М. и др. // МиТОМ. 1988. №8.
20. Научно-производственный комплекс «Термодеформ» для создания новых технологий / В.М. Салганик, П.П. Полецков. М.О. Артамонова и др. // Сталь. 2014. №4. С.104–107.
21. Коган, Матрохина Э.Ф., Энтин Р.И. Влияние аустенизации в межкритическом интервале температур на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей // ФММ. 1981. Т. 52. Вып. 5.
22. Koptseva N.V., Chukin M.V., Nikitenko O.A. Use of the Thixomet pro software for quantitative analysis of the ultrafine-grain structure of low-and medium-carbon steels subjected to equal channel angular pressing // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 54. №7–8. P. 387–392.
23. Счастливцев В.М., Копцева Н.В., Артемова Т.В. Электронно-микроскопическое исследование структуры мартенсита в малоуглеродистых сплавах железа // Физика металлов и металловедение. 1976. Т. 41. №6. С. 1251–1260.
24. Садовский В.Д., Чупракова Н.П. Влияние термической обработки на количество остаточного аустенита и распад его при отпуске в конструкционных хромоникелевых сталях // Тр. УФ АН СССР. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1941. Вып. 10. С. 139–151.
25. Калетин А.Ю. Влияние остаточного аустенита на структуру и свойства конструкционных сталей после высокого отпуска: дис. … канд. техн. наук. Свердловск, 1985. 199 с.
26. J.M. Zhang, H.Li, F. Yang, Q. Chi, L.K. Ji, Y.R. Feng. Effect of Heat Treatment Process on Mechanical Properties and Microstructure of a 9% Ni Steel for Large LNG Storage Tanks. Journal of Materials Engineering and Performance, December, 2013, vol. 22(12), pp. 3867–3871.
27. Штратман П., Хорнбоген Э. Механические свойства двухфазных дуплексных и дисперсных структур никелевых сталей // Черные металлы. 1979. №12. С. 35–40.
28. Nippes E.F., Balaguer J.P. A Study of the Weld Heat-Affected Zone Toughness of 9 % Nickel Steel. Welding research supplement. 1986.P. 237–243.
29. Erin Barrick. Fundamental Studies of Phase Transformations and Mechanical Properties in the Heat Affected Zone of 10 wt% Nickel Steel. A Thesis Presented to the Graduate and Research Committee of Lehigh University in Candidacy for the Degree of Master of Science, 2016, 134 p.
30. Производство высокопрочной стальной арматуры для железобетонных шпал нового поколения: монография / Чукин М.В., Корчунов А.Г., Бакшинов В.А. и др. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. 276 с.
31. Перспективы производства высокопрочного крепежа из заготовок из углеродистых сталей с ультрамелкозернистой структурой / М.В. Чукин, М.А. Полякова, Г.Ш. Рубин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. №1. С. 39–44.
32. Гун Г.С., Чукин М.В. Оптимизация процессов технологического и эксплуатационного деформирования изделий с покрытиями: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2006. 323 с.
33. Создание и развитие теории квалиметрии металлургии / Гун Г.С., Рубин Г.Ш., Чукин М.В. и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2003. №3. С. 67.
34. Гун Г.С., Пудов Е.А., Иванова Л.Б. Оптимизация процессов обработки металлов давлением по комплексному критерию качества // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1986. №12. С. 47.