Исследование растворимости азота в сталях 13%Cr- (0-2)%Mn,Mo-V,Nb и закономерностей его влияния на структуру, фазовый состав и свойства сталей при деформационном и температурном воздействии

Состояние вопроса. Как известно, эффект формирования в коррозионной среде защитной пассивирующей оксидной пленки на поверхности сталей возникает при наличии в их составе хрома в количестве не менее 12%. С учетом этого, весьма востребованы и широко используются стали марок 20Х13, 30Х13 и 40Х13. Они содержат 0,16-0,45%C, 12-14%Cr, до 0,8%Mn и являются, по сути, самым недорогим коррозионностойким конструкционным металлическим материалом. Из них изготавливают: режущий и мерительный инструмент; медицинский, в том числе и хирургический инструмент; элементы конструкций, работающих в слабых агрессивных средах, пружины, рессоры, крепёжные изделия, валы подшипники, способные работать в агрессивных средах, в том числе и при температурах до 450 ºC (30Х13, 40Х13); детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам, в т.ч. клапаны гидравлических прессов, изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и др.) (20Х13). Их структура может быть ферритнокарбидной, что обусловливает относительно невысокий уровень прочностных характеристик и хорошую пластичность (состояние поставки, в котором материал технологичен). Выдержка при 1050-1100°С в аустенитной области приводит к растворению карбидов хрома Cr23C6, переходу элемента-аустенитизатора - углерода – в твердый раствор. Это позволяет получить при охлаждении (закалка в масло) мартенситную структуру. Проведение низкого отпуска снимает закалочные напряжения. Именно в таком состоянии, после закалки с низким отпуском и обязательной полировки эти стали ведут себя как материал с эрозионной стойкостью 0,75 от таковой у нержавеющей стали 12X18H10T. В иных случаях их стойкость к коррозионным потерям может составлять не более 0,25 от стойкости стали 12X18H10T. Проблема. В коррозионностойком состоянии (закаленный и отпущенный при 200оС мартенсит) эти стали обладают высокой твердостью (HRC 52) и прочностью (предел текучести - 1620 МПа), но при этом имеют низкую пластичность и ударную вязкость (например, у стали 40Х13 относительное удлинение составляет 1%, ударная взкость КСU = 19 Дж/см2 при 20 °С). Это является существенным недостатком данного типа сталей. Еще один существенный недостаток - эти стали не допускаются к сварке, из них нельзя производить сварные стальные конструкции ввиду того, что в зоне термического влияния сварного шва материал будет содержать высокое количество карбидной фазы и будет подвержен коррозии. Налицо проблема отсутствия экономнолегированной (не содержащей никеля, кобальта, вольфрама, меди) коррозионностойкой стали, обладающей высокой прочностью, технологической пластичностью, свариваемостью. Решение этой проблемы является актуальной задачей материаловедения и невозможно без проведения фундаментальных научных исследований. Предлагаемый вариант решения проблемы. Система Fe-12-14% Сr является хорошей основой для создания такой стали с перечисленным комплексом свойств, при её дополнительном легировании, прежде всего азотом. Следует отметить, что к настоящему времени хорошо известны преимущества, обусловленные легированием сталей (аустенитного, мартенситного класса, дуплексных) азотом взамен углерода. В их числе: высокое твердорастворное упрочнение, повышение стойкости к износу и коррозии, стабилизация аустенита, либо образование мартенсита взамен феррита, в зависимости от исходного химического состава стали. Образующиеся в низкоуглеродистых коррозионностойких сталях, легированных азотом в равновесной концентрации, нитриды хрома (CrN или Cr2N, в зависимости от состава стали) равномерно распределяются в твердом растворе, не вызывают значительного обеднения твердого раствора хромом. Соответственно, такие стали поддаются сварке. Проведенный нами поиск не выявил опубликованных результатов систематических исследований влияния легирования азотом сталей типа Х13 на их структуру и фазовый состав при различных температурах; их функциональные и технологические свойства. В период с конца 90-х годов и до н.в. появляются отдельные научные публикации, посвященные исследованиям возможности повышения у хромистых сталей с 12-14%Cr жаростойкости и износостойкости за счет легирования азотом (Германия, Китай), прочности (Украина, ИЭС им. Патона, легирование азотом в сверхравновесной концентрации), повышения их корозионно-эрозионной стойкости за счет дополнительного легирования Mo, Ni, Cu (Япония). С учетом анализа литературных данных, авторы проекта предлагают использовать для решения указанной проблемы концепцию замены в сталях Fe-13%Cr углерода азотом в равновесной концентрации (не выше предела растворимости в стандартных условиях). Дополнительно предлагается оценить возможность повышения растворимости азота в этих сталях за счет дополнительного легирования небольшими количествами марганца и молибдена, ванадия. (Известно, что Cr, Mn и Mо способствуют повышению растворимости азота в твердых растворах на основе железа. Mo даже в небольших концентрациях, особенно в сочетании с хромом и азотом, повышает коррозионную стойкость. Ванадий способствует усвоению сталью азота, образует в сталях нитриды типа VN, сдерживающие миграцию границ зерен при нагреве, что тормозит их рост и способствует повышению прочности). Для металла композиций Fe-13%Cr-N-(Mn, Mo, V) будут проведены: расчеты растворимости азота, исследования структуры и фазового состава в зависимости от содержания легирующих элементов, деформационного, термического воздействия (в том числе - моделирующего термический цикл сварки), оценка обусловленных этими факторами свойств данных композиций, в том числе - склонности к пассивации в коррозионных средах; Предполагается выявить композицию, металл которой в определенном структурном состоянии обладает технологической пластичностью, способную обеспечить после проведения дополнительной термической обработки структуру высокопрочного, но не хрупкого азотистого мартенсита, характеризующегося повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью по сравнению с легированной углеродом сталью-прототипом.