научная статья по теме СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ПЛАКИРОВАНИЯ КОРПУСНОГО МАТЕРИАЛА АЗОТИСТОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ПЛАКИРОВАНИЯ КОРПУСНОГО МАТЕРИАЛА АЗОТИСТОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ»

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.15.-194.56:539.374

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ПЛАКИРОВАНИЯ КОРПУСНОГО МАТЕРИАЛА АЗОТИСТОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ

© 2014 г. В. В. Сагарадзе*, Н. В. Катаева*, С. Ю. Мушникова**, О. А. Харьков**,

Г. Ю. Калинин**, В. Д. Ямпольский**

*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", Санкт-Петербург e-mail: vsagaradze@imp.uran.ru Поступила в редакцию 16.04.2013 г.; в окончательном варианте — 10.06.2013 г.

Выполнено плакирование образцов судостроительной корпусной стали 10Н3ХДМБФ азотсодержащей аустенитной сталью 04Х20Н6Г11М2АФБ с использованием различных режимов обработки, включающих горячую прокатку, аустенитную наплавку и сварку взрывом с последующей горячей прокаткой и термической обработкой. Между основным и плакирующим материалами выявлен промежуточный слой с изменяющейся концентрацией хрома, марганца и никеля, в котором обнаружено формирование мартенситной структуры. Прочность соединения плакирующего слоя и корпусной стали при испытании на сдвиг до разрушения почти во всех случаях оказалась достаточно высокой: стсд = = 437—520 МПа. Исключение составил образец с однонаправленной наплавкой без последующей горячей прокатки (стсд = 308 МПа), в котором были обнаружены "непровары" между наплавленными валиками нержавеющей стали.

Ключевые слова: корпусная сталь, азотсодержащая сталь, горячая прокатка, наплавка, сварка взрывом, промежуточный слой, мартенсит, световая микроскопия, дюрометрия, растровая электронная микроскопия.

DOI: 10.7868/S0015323014020156

1. ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения высокой коррозионно-эрози-онной стойкости корпусов судов ледового плавания и особенно мощных атомных ледоколов целесообразно использовать при их строительстве стали, устойчивые к воздействию морской воды и ледовых полей [1]. Так как коррозионный износ затрагивает только наружную поверхность обшивки корпуса, то экономически целесообразно повысить коррозионно-трибологическую стойкость не по всей толщине корпуса, а обеспечить ее в тонком плакированном поверхностном слое (до 5 мм), изготовленном из коррозионно-стойкой высоколегированной азотсодержащей нержавеющей стали. В месте контакта двух сталей могут возникать мартенситные и бейнитные структуры, которые вызывают появление значительных внутренних напряжений, способствующих образованию микротрещин и снижающих прочность соединения. Одной из важнейших задач получения таких двухслойных сталей является обеспечение оптимальной структуры и прочности переходных слоев в месте контакта плакирующей нержавеющей

стали с основной среднелегированной корпусной сталью.

В качестве плакирующего материала обычно используют широко распространенные аустенит-ные нержавеющие стали типа Х18Н10Т, которые имеют достаточно высокое сопротивление общей коррозии. Однако недостатком таких нержавеющих сталей является их пониженная износостойкость [2] и высокая склонность к питтинговой коррозии в морской воде. Более целесообразно использовать для плакирующего слоя азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали [3—8]. Азотистые стали обычно содержат 0.3—0.5 мас. % азота, что в значительной степени увеличивает показатель их питтингостойкости в морской воде по сравнению с традиционными нержавеющими Сг—№ сталями [8]. Кроме того, азот существенно повышает прочностные характеристики и связанное с ними сопротивление износу [2, 9—10]. Судостроительные аустенитные стали, предназначенные для плакирования высокопрочных корпусов ледоколов, также должны иметь высокое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) в морской воде при по-

Таблица 1. Химический состав исходных сталей

Массовая доля элементов, %

C N Cr Ni Mn Mo V Nb Si Cu S P

10Н3ХДМБФ 0.10 0.011 0.62 3.15 0.72 0.27 0.040 0.020 0.33 0.52 0.003 0.006

04Х20Н6Г11М2АФБ 0.04 0.38 19.20 7.07 11.03 1.42 0.174 0.12 0.43 0.003 0.003 0.009

вышенной прочности. Одним из методов упрочнения, слабо снижающим сопротивление КРН, является твердорастворное легирование аусте-нита азотом. В России разработана стойкая против КРН азотсодержащая неферромагнитная сталь 04Х20Н6Г11М2АФБ, которая имеет достаточно высокие прочностные характеристики [3, 11]. Упрочнение российской стали обеспечивается комплексным методом — в результате твер-дорастворного легирования азотом, высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) и гомогенного выделения нанонитридов [12].

В настоящей работе исследуются структурные и фазовые превращения в месте контакта слоев в двухслойном металлическом материале, полученном различными методами и состоящем из корпусной среднелегированной стали, плакированной азотсодержащей нержавеющей сталью.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При изготовлении плакированного материала ледокольных корпусов для основного слоя выбрали высокопрочную хладостойкую судостроительную корпусную сталь 10Н3ХДМБФ повышенной прочности (предел текучести не менее 620 МПа), а в качестве плакирующего слоя применили азотсодержащую коррозионно-стойкую сталь 04Х20Н6Г11М2АФБ (табл. 1). Плакированный двухслойный материал получали на опытном производстве ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей", применяя следующие методы обработки: пакетную прокатку, наплавку плакирующего слоя на основной, взрывное плакирование. Сварку взрывом осуществляли на опытном полигоне ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей".

Твердость металлических слоев определяли с помощью микротвердомера ПМТ-5 при нагрузке 20 г. Прочность соединения плакирующего слоя и основного материала определяли по напряжению сдвига стсд слоев при испытании на срез в месте их контакта. Структуру изучали на световом микроскопе Neophot-21 и растровом электронном микроскопе Quanta 200 с ускоряющим напряжением ~30 кВ и системой PEGASUS, которая позволяет получать изображения в различных режимах и проводить химический элементный микроанализ. Для микроанализа состава сталей использовали рентгеновский энергодисперсионный спектро-

метр (EDS) фирмы EDAX. Максимально возможное разрешение составляло ~5 нм. Диаметр зонда регулировали от 100 нм до 1мкм.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Плакирование в результате горячей прокатки двухслойного пакета. Контактирующие поверхности пластин конструкционной стали толщиной 401 мм и плакирующей азотсодержащей стали толщиной 10 мм подвергали строжке, абразивной зачистке и обезжириванию. Пластины укладывали одну на другую и сваривали их по всему периметру. После сварки производили вакуумирова-ние пакета через просверленное отверстие в пластине плакирующего металла. Подготовленный таким образом пакет подвергали горячей деформации при температурах 1050—1200°C с последующим охлаждением на воздухе. Суммарная степень деформации составляла более 60%. После прокатки толщина основного слоя из стали 10Н3ХДМБФ составила 11 мм, плакирующего слоя из стали 04Х20Н6Г11М2АФБ - 4 мм. Далее полученную заготовку двухслойной стали подвергли термической обработке, заключающейся в проведении закалки и высокого отпуска по режиму, который предусмотрен для стали основного слоя 10Н3ХДМБФ. Закалку в воде проводили от 900°C с трехчасовой выдержкой в печи. Отпуск осуществляли при температуре 640-650°C в течение 5 ч с последующим охлаждением в воде.

На рис. 1а представлен общий вид образца двухслойной стали, полученной при горячей пакетной прокатке (1200°C) с последующей термической обработкой (закалкой и высоким отпуском). Видно, что структура плакирующего (аустенитного) слоя неоднородна. Наблюдается разнозернистость аустенита, претерпевшего рекристаллизацию как в процессе горячей прокатки, так и, возможно, при трехчасовом нагреве до 900°C перед окончательной закалкой. Мелкие рекристаллизованные зерна размером 7-15 мкм располагаются вблизи исходной контактной зоны и в приграничных областях крупных вытянутых аустенитных зерен с размерами до 150 мкм и больше. На рис. 1а-1в видна тонкая промежуточная зона контакта аустенитного плакирующего слоя с материалом подложки. В области этой тонкой переходной зоны выявлены кристаллы пла-

стинчатой морфологии, характерные для мартен-ситной структуры (рис. 1б, 1в). Толщина этого слоя составляет 5—7 мкм.

На рис. 1в представлено распределение относительного содержания легирующих элементов вдоль линии сканирования, проходящей через контактирующие стали и промежуточную зону. Видно, что в переходной концентрационно неоднородной зоне общей толщиной ~25 мкм, включающей мартен-ситный контактный слой и часть областей основного и плакирующего металла, наблюдается постепенное снижение содержания хрома, марганца и никеля в направлении от плакирующего материала (нержавеющей стали) к материалу подложки. В процессе горячей прокатки при 1200°С происходит диффузия Сг, Мп и N1 из аустенитной стали 04Х20Н6Г11М24АФБ в менее легированный основной конструкционный материал 10Н3ХДМБФ на глубину до 10—15 мкм. При этом прилегающий слой аустенитной стали обедняется этими же элементами на примерно таком же расстоянии (рис. 1в). Понятно, что азот, как подвижный элемент внедрения, также должен продиффундиро-вать из нержавеющей стали в конструкционную сталь.

Как показывает приближенный расчет по уравнению х = (Бт)1/2, за время нагрева под прокатку и непосредственно при горячей прокатке (с общей выдержкой т ~ 3 ч) диффузия N1 в железе может пройти на расстояние х ~ 14 мкм, что близко к полученным реальным результатам (коэффициент диффузии никеля в железе Б ~ 2 х 10-10 см2/с при 1300°С взят из работы [13]). Окончательная обработка плакированного образца включала закалку от 900°С и высокий отпуск (640—650°С) при сохранении градиентной концентрации легирующих элементов в контактном слое. Так как примыкающий к плакирующему материалу мартенситный слой термообработанной конструкционной стали (толщиной ~10 мкм) содержал повышенную концентрацию Сг, Мп и N1, то он имел другую трави-мость (по сравнению с отпущенной конструкционной сталью) и хорошо выявлялся в световом и электронном сканирующем микроскопах (см. рис. 1б, 1в). Микротвердость отпущенного мартенсита в промежуточном слое составляла 3360 МПа, что выше, чем в отпущенном мартенсите и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком