Аустенитные стали, содержащие азот

Прогнозы показывают, что, несмотря на тенденцию к сокращению доли сплавов на основе железа среди других конструкционных материалов в обозримом будущем объем мирового производства стали сохранится на уровне более 750 млн. т в год [43]. При этом будут значительно возрастать требования к качеству сталей всех структурных классов. Повысится роль легированных сталей и в связи с этим обострится проблема рационального использования легирующих элементов [44].

Среди легирующих элементов, прежде всего, следует отметить азот, получаемый практически в неограниченных количествах из воздуха. Азот, как легирующий элемент, является привлекательным с позиций экологии. При расширении производства азотосодержащих сталей нет необходимости в увеличении объема добычи руд, нарушающей состояние земных недр [44].

Азот является элементом, стабилизирующим γ-железо, и в результате этого возможна экономия не только элементов γ-стабилизаторов, таких как никель и марганец, но и из-за особенностей воздействия азота на энергию дефектов упаковки также дорогих и дефицитных молибдена или вольфрама.

В высоколегированных коррозионностойких сталях с аустенитной или аустенитно-ферритной структурой азот нашел широкое применение, так как он позволяет улучшить коррозионные свойства и благоприятно влияет на механические свойства [44]. Так, по данным работы [45], легирование азотом в количестве до 0,3 % после обработки на пересыщенный твердый раствор повышает временное сопротивление в 1,5 раза, а предел упругости – почти в два раза. При этом пластичность и коррозионная стойкость сохраняются практически неизменными. Легирование азотом ведет к созданию аустенита с высокой концентрацией дефектов упаковки, сильно деформированной решеткой, низкой стоимостью и возможности создания структуры с высокой плотностью дислокаций после деформации, что позволило создать ряд высокоазотистых сталей аустенитного класса с высокими характеристиками прочности и пластичности [46].

В.Г. Гаврилюк провел сравнительный анализ характера влияния углерода и азота на эффективность деформационного упрочнения аустенита. Установлено, что в аустените, легированном никелем и марганцем, распределение углерода оказывается неоднородным и не устраняется даже при высокотемпературном нагреве. Распределение азота является более равномерным и обусловлено эффективным взаимодействием атомов азота с атомами железа. Пластическая деформация азотистого аустенита сопровождается интенсивным двойникованием, что наряду с высокой плотностью дислокаций способствует заметному деформационному
наклёпу [16].

При содержании хрома 21 % и азота более 1 % сплавы могут иметь стабильную аустенитную структуру. При меньшем содержании азота, вплоть до 0,5 %, формируется структура метастабильного аустенита [46].

К настоящему времени накоплен достаточный опыт создания и практического применения аустенитных сталей с азотом. Среди таких материалов получила промышленное использование сталь 18Х15Н5АМ3 (ВНС-9) [26]. Максимальное содержание азота в этой стали обычно ограничивается 0,1 %. Сталь относится к группе сплавов с нестабильной
γ-фазой и в процессе холодной пластической деформации в ней происходит заметное образование мартенсита. После закалки сталь находится в аустенитном состоянии. По технологии, предложенной в работе [47], обработка на высокую прочность осуществляется применением комбинированных режимов волочения, включающих использование тёплой и холодной деформации. Исходную горячекатаную заготовку сначала подвергают промежуточному теплому волочению при температурах выше 200ºС, исключающему возможность γ→α-перехода. Окончательная обработка – холодная деформация закаленной передельной проволочной заготовки с обжатием на 94..96 % и последующее старение при 450 ºС. В результате тонкая проволока конечного диаметра 0,15 мм имеет высокие механические свойства: σ_в = 4200 МПа, Р_узл = 55 %. Проволочные изделия из этой стали используют для производства композиционных материалов.

Известны модификации стали 18Х15Н5АМ3, отличающиеся от базовой композиции, в частности, добавками редкоземельных металлов. На проволоке диаметром 0,10..0,15 мм, полученной волочением при 450 ºС с обжатием на 90..96 %, может быть достигнуто значение σ_в, превышающее 3000 МПа.

Деформационно-стареющие немагнитные стали с азотом на основе системы Fe-Mn-Cr рассмотрены в работе [48]. За основу были взяты хромомарганцевые стали типа 13-17 с 0,04..0,37 % С и содержащие добавки азота (0,15..0,34 %), кремния (~ 2 %), ванадия (~ 1 %), кобальта (до 15 %). Все изученные стали характеризуются достаточно сильным деформационным наклепом. Кроме усиления дефектности структуры (интенсивного накопления дислокаций, роста количества деформационных микродвойников) и изменения фазового состава (образования α- и ε-фаз) упрочнение при пластической деформации дополнительно возрастает вследствие частичного распада γ-твёрдого раствора. Отмечено, что легирование кремнием способствует активизации распада аустенита в процессе пластической деформации.

Следует заметить, что хотя изученная композиция типа Х13Г17АФ характеризуется достаточно активным термомеханическим упрочнением, это сопровождается заметным снижением пластичности. С целью сохранения требуемого сочетания прочностных и пластических свойств рекомендуется ограничивать деформацию прокаткой обжатием не более 70 %.

Эксперименты по разработке безникелевой азотсодержащей аустенитной стали Х17АГ14С2 описаны в работе [48]. После закалки от 1050..1100 ºС в структуре, кроме основной фазы – аустенита, присутствовало некоторое количество α-фазы. Деформационное упрочнение в процессе волочения протекает главным образом за счет наклепа аустенита. Низкая энергия д. у. (12 кДж/м²) стимулирует активное микродвойникование в аустените, формирование мощных дислокационных скоплений и образование новых порций α-фазы (свыше 50 % после обжатия на 90 %). Наилучшее сочетание прочностных и пластических характеристик достигается применением относительно умеренного суммарного обжатия (не более 60..70 %). Максимальный прирост пределов упругости и прочности в ходе заключительного старения достигается при 400..500 ºС. В результате релаксационных испытаний проволочных образцов стали Х17АГ14С2 при 200-300 ºС не обнаружено влияние различной степени деформации (30..90 %), но показано, что данная сталь имеет теплостойкость выше, чем сталь 12Х18Н10Т.

Исследование высокоазотистых сплавов с метастабильной и стабильной аустенитной структурой в качестве высокопрочного коррозионностойкого материала для изделий медицинской техники также представляет несомненный интерес.

Недостатком высокоазотистых аустенитных сталей, ограничивающим их практическое использование, является так называемый «прерывистый распад» аустенита, который пересыщен азотом [44]. Пересыщенный азотом γ-твердый раствор при тепловых выдержках в достаточно широком температурном интервале приходит в равновесное состояние, т. е. идет реакция образования γ-твердого раствора с равновесным содержанием азота и нитрида хрома. При этом образуется перлитоподобная структура сплава, что вызывает снижение пластичности и вязкости.

Аустенитно-ферритные стали

Преимущество сталей этой группы - повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонности к росту зерна при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость, меньшая склонность к МКК.

Повышенное сопротивление МКК объясняют более мелкозернистой структурой двухфазных сталей, что приводит к меньшей концентрации карбидных фаз по границам (выделением карбидов типа Me₂₃С₆ на границе d-g фаз). Поскольку условия проявления МКК в этих фазах разные, то концентрация хрома в приграничных участках не опускается ниже допустимого уровня. Так как концентрация углерода в аустените выше, чем в феррите, карбиды выделяются по границам, не образуя непрерывной сетки.

Принципиальное отличие сталей аустенитно-ферритного класса в том, что благодаря более высокому содержанию в них хрома аустенит становится более устойчивым по отношению к мартенситному превращению, хотя полностью исключить возможность образования мартенсита в этих сталях не всегда удаётся.

Аустенитно-ферритные стали весьма сложны по химическому составу, могут иметь в структуре различное соотношение аустенитной и ферритной фаз. В них могут происходить следующие основные фазовые превращения:

1. Изменение количества аустенита и феррита в зависимости от температуры нагрева.

2. Распад d-феррита с образованием σ-фазы и вторичного аустенита.

3. Выделение карбидных, нитридных и интерметаллидных фаз, которое может происходить как из аустенита, так и из феррита.

4. Мартенситные g-a_м - превращения при охлаждении или при деформации.

5. Процессы охрупчивания ферритной фазы, связанные с явлением упорядочения и расслоения (хрупкость 475°С).

Возможность протекания в аустенитно-ферритных сталях сложных фазовых превращений в различных интервалах температур накладывает существенные ограничения на режимы их технологии производства и области применения.

Постановка задачи

Цель данной работы сводилась к трём задачам:

1. Изучение влияния незначительного колебания химического состава в пределах марочного разработанной ранее метастабильной аустенитной стали 03Х14Н11К5М2ЮТ (129) на физико-механические и технологические свойства;

2. исследование сталей той же композиции, но с пониженным содержанием кобальта;

3. влияние изменения содержания алюминия от 0,5 до 2,0 % в сталях практически той же композиции на структуру.