Разработка новых аустенитных нержавеющих конструкционных сталей, в том числе упрочненной дисперсными наночастицами, для работы при низких температурах в морской воде

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: № 14.575.21.0070

Приоритетное направление: Индустрия наносистем

Критическая технология: Технология получения и обработки конструкционных материалов

Период выполнения: 11.08.2014-31.12.2016

Плановое финансирование проекта: 21,5 млн. рублей, из них:

• Бюджетные средства 16,1 млн. руб.,
• Внебюджетные средства 5,4 млн. руб.

Руководитель: д.ф-м.н., А.Н. Беляков

Исполнитель: НИУ БелГУ

Индустриальный партнер: ООО «Вентрейд»

Ключевые слова: Аустенитная азотосодержащая нержавеющая сталь, механиче-ские свойства при криогенных температурах, ударная вязкость, хрупко-вязкий переход, усталость, теплая прокатка, деформационное упрочнение, зернограничное упрочнение, твердорастворное упрочнение, дисперсные частицы.

Полученные результаты на 1 этапе:

1) На основании аналитического обзора установлено, что аустенитные нержавеющие стали являются одними из наиболее оптимальных конструкционных материалов крайнего севера, однако основным недостатком этих сталей является низкая прочность. Эта проблема может быть решена в результате совместной разработки азотосодержащей аустенитной стали и технологии ее термомеханической обработки.

2) Были проанализированы описания изобретений к Российским и зарубежным патентам за последние 20 лет. В результате патентного поиска была выбрана следующая система легирования: 20÷23% Cr–6÷10%Mn–10 %Ni– 2%Mo–0,2÷0,4%Nb –0,4÷0,5%N.

3) Решением поставленных задач является создание двух аустенитных сталей, отличающихся микроструктурным дизайном: сталь на основе твердого раствора (0,03÷0,05С-0,4÷0,5N-20÷23Cr-10Ni-4÷6Mn-2Mo) и сталь матричного типа (0,03÷0,05С-0,4÷0,5N-20÷23Cr-10Ni-8÷10Mn-2Mo-0,2÷0,4Nb), содержащая дисперсные частицы.

4) Для получения нового поколения сталей были разработаны следующие методы:

• Горячая ковка заготовок при 1200-1100°С с последующей горячей прокаткой в интервале температур 1100-950°С при степенях обжатия не превышающих 70%. Данная термообработка позволит получить однородную структуру с размером зерна менее 5 мкм.
• Прокатка листов с мелкозернистой структурой в интервале 20 -800°С с целью деформационного упрочнения разрабатываемых сталей.

5) Из анализа современных тенденций в области разработки криогенных материалов, следует что хромоникельмарганцевые стали, содержащие азот, можно рассматривать как криогенные стали повышенной прочности.

6) Обоснованы требования:

• a) К химическому составу:
  Mn~6–10% и Ni~10% для получения стабильной аустенитной структуры; Cr~20–23% и Mo~2% для повышения коррозионной стойкости, включая питтинговую коррозию и коррозию в биоактивных средах; Nb~0,2–0,4% для измельчения аустенитного зерна, дополнительного повышения прочности в результате выделения дисперсных частиц.
• б) К фазовому составу:
  γ-фаза- матрица разрабатываемых сталей; нежелательно выделение фаз Мe₂₃C₆вдоль границ, так как они приводят к обеднению хромом границ зерен, что может привести к межкристаллитной коррозии; должна отсутствовать σ-фаза, так как она хрупкая и обладает высокой твердостью; нежелательно образование δ-феррита и образование мартенситной фазы, так как они ухудшают сопротивление хрупкости этих сталей.
• в) Требования к структурному состоянию:
  Структура должна состоять из аустенита, нежелательно образование аустенито-ферритной структуры. Аустенитная структура должна быть мелкозернистой для обеспечения заданных свойств разрабатываемых сталей. Сталь с десперсионным упрочнением должна содержать в своей структуре специальные карбонитриды.
• г) Требования к типу, количеству, размеру и морфологии выделений избыточных фаз:
  Желательно выделение круглых карбонитридов Me(C,N) размером 5-20нм в количестве 5-20%.

7) Моделирование равновесного фазового состава проводили с использованием программы Thermo-Calc Software for Windows, v.5, и базы данных TCS Steel/Fe-alloys database, v.7 при температуре 20°С. Расчет равновеснового фазового состава проводился по двум вариантам:

• 0,04С-0.45N-21Cr-10Ni-5Mn-2Mo - гомогенная сталь;
• 0,04С-0.45N-21Cr-10Ni-9Mn-2Mo-0,3Nb – сталь с дисперсионным упрочнением.

8) Разработаны две программы и методики исследовательских испытаний :

• Программа и методики испытаний экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом до термомеханической обработки;
• Программа и методики испытаний экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом после термомеханической обработки.

9) На отчетном этапе были проведены работы по технологической подготовке гидравлического пресса DEVR4000 усилием 400 тонн. Гидравлический пресс был усовершенствован установкой прямой экструзии для проведения деформационно-термической обработки металлов.

10) За счет средств индустриального партнера ООО «Вентрейд» было закуплено технологическое оборудование, а именно оснастка для высокотемпературной обработки металла давлением. Цель закупки оборудования: оснастка для высокотемпературной обработки представляет собой байки для проведения горячей ковки при температурах от 950 до 1200°С. 

Полученные результаты на 2 этапе:

1. Описание химического и фазового состава отливок сталей в исходном состоянии;

2. Акты изготовления экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом, подвергнутой горячей ковке с последующей прокаткой и отжигом;

3. Протоколы исследований структуры и фазового состава экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом после горячей ковки, прокатки и отжига;

4. Протоколы исследований на растяжение, твердость и ударную вязкость образцов экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом после горячей ковки, прокатки и отжига;

5. Описание оптимальных режимов термомеханической обработки для получения в экспериментальных образцах сталей нового типа, легированных азотом однородной мелкозернистой структуры с размером зерен менее 5 мкм.

Полученные результаты на 3 этапе:

1. Проведена прокатка экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом с мелкозернистой структурой при различных температурах от 20 до 800°С.

2. Проведены исследовательские испытания структуры и фазового состава катаных экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом с мелкозернистой структурой.

3. Измерена твердость катаных образцов экспериментальной стали нового типа с мелкозернистой структурой.

4. Проведены механические исследовательские испытания экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом с мелкозернистой структурой, включая испытания на растяжение, циклические испытания, испытания на ударную вязкость при комнатной и криогенных температурах.

5. Проведены фрактографические исследования экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом после испытаний на ударную вязкость.

Полученные результаты на 4 этапе:

1. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом с мелкозернистой структурой на коррозионную стойкость, включая общую коррозию, межкристаллитную коррозию и питинговую коррозию

2. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом с мелкозернистой структурой на износостойкость

3. Проведен анализ влияния химического и фазового составов, структурного состояния, типа, количества, размера и морфологии выделений избыточных фаз на механические и коррозионные свойства экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом

4. Проведена оценка влияния термической и термомеханической обработки на структуру, фазовый состав, механические и коррозионные свойства экспериментальных сталей нового типа; установлена связь микроструктуры и свойств сталей; определены оптимальные режимы термомеханической обработки, обеспечивающие наилучшее сочетание прочности, ударной вязкости и коррозионной стойкости

5. Проведена оценка влияния химического и фазового состава на технологические свойства экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом

6. Установлены закономерности развития динамической и постдинамической рекристаллизации экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом

7. Разработаны лабораторные регламенты аргонно-дуговой или лазерной сварки из листов экспериментальных сталей нового типа, легированных азотом от 3 до 13 мм

За счет внебюджетных средств:

8. Проведена технологическая подготовка оборудования.

9. Закуплено необходимое технологическое оборудование.

Полученные результаты на 5 этапе:

1. Изготовлены листы экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом.
Резюме проекта, полученные результаты:  Результаты 1 этапа:  Загрузить / Результаты 2 этапа:  Загрузить / Результаты 4 этапа:  Загрузить