Механизмы дополнительного упрочнения и повышения коррозионной стойкости стали 06х23н18м5, микролегированной иттрием

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

6. Эфрон Л.И. Влияние режимов контролируемой прокатки на измельчение структуры и комплекс механических свойств низкоуглеродистых микролегированных сталей / Л.И. Эфрон, Ю.Д. Морозов, Е.А. Голи-Оглу // Сталь. - 2011. - № 5. - С. 67-72.

7. Ткаченко І.Ф. Розвиток наукових і методологічних основ прогнозування і оптимізації складів і технологій термічного зміцнення комплексно-легованих сталей : автореф. дис. ... д.т.н. : 05.16.01 / І.Ф.Ткаченко; ПДТУ. - Маріуполь, 2007. - 40 с.

Bibliography:

1. Marchenko V. Modem trends in development and production of steel and pipes for gas and oil pipelines / V. Marchenko, B. Zinko // Metallurgist - 2008. - № 3. - р. 49-55.

2. Laukhin D. Polygonization of austenite during controlled rolling: monograph / V. Bolshakov, D. Laukhin. - Kiev : «Svidler, AL», 2011. - 242 p.

3. Efron L. Effect of controlled rolling on the structure and properties of microlite-doped steels for large diameter pipes / L. Efron, J. Morozov, E. Goli-Oglu // Metallurg. - 2011. - № 1. - Р. 69-74.

4. Duke B. Data Mining: Training Course / B. Duke, A. Samoilenko. - St. Peter, 2001. - 368 р.

5. Tkachenko J. Multi-purpose optimization technology of thermal hardening of welded high strength steels rolled using computer technology «Data Mining» / J. Tkachenko // News Priazov. hold. Technical. University-To : ST. Sciences. Pratzen / PDTU. - Mariupol, 2004. - VIP. 14. -Р. 111-117.

6. Efron L. Effect of controlled rolling on the structure refinement and com-plex mechanical properties of low carbon microalloyed steels / L. Efron, J. Morozov, E. Goli-Oglu // Steel. -2011. - № 5. - Р. 67-72.

7. Tkachenko J. Development of scientific and methodological basis of prediction and optimization of storage and thermal technologies strengthening complex-alloy steels: Abstract. degree. ... Dr. : 05.16.01 / J. Tkachenko; PSTU. - Mariupol, 2007. - 40 p.

Рецензент: Л.С. Малінов

д-р техн. наук, проф. ДВНЗ «ПДТУ»

Стаття надійшла 01.04.2012

УДК 621.791.92:669.018.25

©Патюпкин А.В.1, Грешта В.Л.2, Солидор Н.А.3, Рудычев А.С.4

МЕХАНИЗМЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛИ 06Х23Н18М5, МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ ИТТРИЕМ

В статье изучено влияние микролегирования иттрием на дисперсионное упрочнение и повышение коррозионной стойкости стали 06Х23Н18М5.

Ключевые слова: наплавленная сталь, кавитационно-коррозионная стойкость, микролегирование, иттрий, и-фаза, дисперсионное упрочнение, коррозионная стойкость.

1 канд. техн. наук, ст. преподаватель, ГВУЗ «Запорожский национальный технический университет», г. Запорожье

2 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Запорожский национальный технический университет», г. Запорожье

3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

4 инженер, директор ООО «Производственно-научное объединение «Трубопроводы гидротранспорта»

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

Патюпкін А.В., Грешта В.Л., Солідор Н.А., Рудичев А.С. Механізми додаткового зміцнення і підвищення корозійної стійкості сталі 06Х23Н18М5, що мікроле-гована ітрієм. В статті вивчено вплив мікролегування ітрієм на дисперсійне зміцнення і підвищення корозійної стійкості сталі 06Х23Н18М5.

Ключові слова: наплавлена сталь, кавітаційно-корозійна стійкість, мікролегування, ітрій, u-фаза, дисперсійне зміцнення, корозійна стійкість.

A.V. Patupkin, V.L. Greshta, N.A. Solidor, A.S. Rudichev. The mechanisms of additional hardening and increase of corrosion firmness of l 06X23H18M5 steel micro-alloyed by yttrium. In this article the influence of micro-alloying with yttrium upon dispersion of solid and increasing of corrosion resistance of 06Х23Н18М5 steel was investigated.

Keywords: weld steel, cavitations-corrosive firmness, microalloying, yttrium, u-phase, dispersion hardening, corrosive firmness.

Постановка проблемы. При восстановлении гидротехники, подверженной кавитационному воздействию агрессивной жидкости, к металлу предъявляются все более высокие и разносторонние требования. Однако главными критериями качества остаются прочностные, пластические, кавитационные и коррозионные характеристики. Получение наплавленного слоя с необходимыми служебными свойствами возможно при условии понимания процессов, в результате которых происходит повышение износостойкости стали. Данная статья посвящена изучению механизмов дополнительного повышения служебных свойств стали 06Х23Н18М5, микролегированной иттрием.

Анализ последних исследований и публикаций. Поскольку кавитационное разрушение развивается на поверхности детали, альтернативой объемному легированию является создание кавитационно-корозионностойких наплавочных материалов с рациональной системой макро- и микролегирования, которые одновременно обладают повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Проведенные исследования [1-3] в Украине и за рубежом (Богачевым И.Н., Малиновым Л.С., Минцем Р.И., Чернегой С.М., Погодаевым Л.И., Разико-вым М.И., Векслером Ю.Г. и др.) по разработке и использованию сплавов и наплавочных материалов для защиты металлических изделий от воздействия кавитации, коррозии и абразивного изнашивания, свидетельствуют о перспективности поиска в данном направлении.

Цель статьи - более глубокое изучение влияния микролегирования иттрием на дисперсионное упрочнение и повышение коррозионной стойкости стали 06Х23Н18М5.

Изложение основного материала. Согласно теории дисперсионного твердения металлических систем [4] на уровне субструктуры действуют механизмы упрочнения сталей за счет торможения дислокаций частицами других фаз. Необходимым условием для образования эффекта упрочнения является высокая твердость частиц, что способствует торможению движению дислокаций. Когда частицы не перерезаются дислокациями, последние при увеличении напряжений образовывают дислокационные петли по механизму Орована [4]. Оптимальными условиями с точки зрения торможения дислокаций является расстояние между частицами D < 0,1 мкм и размер частиц d < 0,01 мкм. Согласно данным, полученным на электронном микроскопе путем экстрагирования одноступенчатой углеродной репликой, в образцах из стали 06Х23Н18М5 с остаточным содержанием 0,02% Y обнаружены мелкодисперсные частицы о фазы, равномерно расположенные в матричном аустените. Размер этих частиц не превышал 0,01 мкм, а расстояние между ними не более 0,1 мкм. Данные показатели свидетельствуют о том, что микролегирование данной стали иттрием способствует образованию в пластичной матрице мелкодисперсных частиц с высокой твердостью, способствующих дисперсионному упрочнению стали.

Благодаря модифицирующему эффекту иттрия на этапе первичной кристаллизации при появлении дополнительных центров кристаллизации в виде первичных оксисульфидно-иттриевых соединений, облегчается зародышеобразование интерметаллидной о-фазы, упрочняющей сталь.

В свою очередь, измельчение зерна способствует не только повышению предела текучести по теории Петча-Холла, но и способствует повышению износостойкости исследуемых ста-

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

лей. Объясняется это тем, что на границах аустенитных зерен сосредоточены вредные примеси, в частности, сера. Чем мельче зерно, тем больше общая протяженность границ зерен, соответственно, тем меньше влияние вредных примесей, расположенных на границах. Благодаря рафинирующему эффекту, возникающему при микролегировании иттрием, количество неметаллических включений в опытной стали значительно уменьшилось с одновременной их сферои-дизацией. Данные факты подтверждаются петрографическими исследованиями наплавленного металла.

Повышению кавитационно-коррозионной стойкости стали 06Х23Н18М5 с остаточным содержанием 0,02% Y способствует распределение a-фазы и карбидов непосредственно в аустенитном зерне, а не на границе и приграничной области. Такое распределение избыточных фаз экранирует поверхность металла в восстановительных и слабоокислительных средах и затрудняет ее растворение [5]. Таким образом, происходит повышение стойкости нержавеющей стали против общей коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением. Одновременно с этим следует учитывать, что одним из механизмов МКК является образование избыточных фаз с более низкой коррозионной стойкостью по сравнению с матрицей. В данном случае, образование a-фазы с большей коррозионной стойкостью может способствовать увеличению сопротивления МКК.

С целью изучения влияния модифицирования иттрием на коррозионную стойкость стали 06Х23Н18М5 выполнен потенциостатический анализ скорости коррозии образцов в растворах серной кислоты.

При анализе коррозионной стойкости сталей и сплавов необходимо учитывать, что в их состав входят легирующие и примесные элементы. Участие их в окислительновосстановительных процессах вызывает иногда значительное изменение коррозии.

Локальный характер активации пассивной поверхности в химических растворах обусловлен особенностью коррозии пассивирующихся металлов. Ранее считалось, что наружный пассивный слой представляет гомогенное образование. Выполненные позднее исследования процессов коррозии позволили пересмотреть и уточнить природу данного постулата. Было установлено, что образующаяся на металлах обычной или технической степени чистоты пассивная пленка представляет гетерогенную систему, т.е. в агрессивных средах на поверхности сталей формируются участки с различным защитным эффектом. Причиной этому является нестационарная активность состава, структуры и защитная функция пассивного слоя на поверхности конструкции.

Ведущим показателем гетерогенности является нестационарное распределение участков анодного процесса окисления металла пассивного слоя. Нестабильный характер рассредоточения анодного и катодного процессов на разрушающемся металле провоцирует наведение в системе локальных токов. Последние вызывают преимущественную миграцию анионов к участкам с повышенной анодной активностью, что увеличивает процесс депассивации.

При потенциодинамических исследованиях был проведен анализ коррозионной стойкости сплава ЭИ-943 (06Х23Н28М3Д3Т - эталон) [6] и нержавеющих сталей 06Х23Н18М5, 06Х23Н18М5 + остТ (рис. 1).

Область активного растворения сплава ЭИ-943 ограничена отрезком анодной кривой с координатами: Еі = - (0,03...0,013)В; i1 = -0,01...+0,67 А/м2, потенциал Фляде (т. I) отмечен при Еі = - 0,03В и i1 = 0,70 А/м2. С ростом потенциала происходит активно-пассивный переход сплава в пассивное состояние (т. I-II, Е2 = - 0,03...+0,2В; i2 = 0,18.0,70 А/м2). Пассивная область его ограничена потенциалами и токами анодного процесса: начало Е2 =-0,2В, i2=0,18А/м2; завершение - Е4 = 1,1В, i1 = 0,36 А/м2. На этом участке отмечены два пика (точки III и IV), обусловленные, вероятно, растворением Cu. Подтверждением правомерности образования первого пика является реакция Cu2O + 2H+ = 2Cu2+ + H2O + 2e- [6], поскольку при потенциале +0,511 В медь теряет электроны и в растворе H2SO4 выделяются ионы высшей валентности (Cu2+, раствор окрашивается в голубой цвет). По мере увеличения потенциала активизируется процесс депассивации (максимум отмечен при Е = 0,8 В). Второй пик расположен в области потенциалов Е = 1,0-1,06 В и i = 0,4 А/м2, этот фактор, вероятно, вызван развитием питтингообразова-ния. Положительнее Е > 1, 15 В отмечено интенсивное растворение сплава ЭИ-943.

Наплавленной стали 06Х23Н18М5, отличающейся системой легирования от стандартного сплава 06Х23Н28М3Д3Т, присущи потенциодинамические зависимости (рис. 1), в принципе,

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

повторяющие графическое описание процесса коррозии сплава. Наибольшие отклонения значений в характерных точках анодных кривых имеют образцы сталей без иттрия (рис. 1): критический потенциал (Еі = 0,08 В) и анодный ток растворения (/'і = 0,93 А/м2) возросли в 1,6 и 1,4 раза, соответственно.

Рис. 1 - Анодные потенциодинамические кривые растворения сталей и сплавов в 42,5% H2SO4, температура раствора 60°С, скорость развертки потенциала 0,04 В/мин. Данные по сплаву ЭИ-943 согласно [6]. Для сталей 06Х23Н18М5 без иттрия и с иттрием приведены экспериментальные данные. I-IV - переходные участки коррозионного поведения сталей

Участок активно-пассивного перехода нержавеющих сталей существенно отличается от данного участка сплава ЭИ-943. Переход его в пассивную область имеет координаты: т.П, Е2 = =0,32 В; /2 = 0,25 А/м2, что несколько хуже, чем у стали с остаточным содержанием иттрия - 0,02%. Это согласуется и с гравиметрическими данными скорости коррозии (сталь 06Х23Н18М5 без иттрия имеет К= 1,71 г/(м2-ч), в то время как сплав ЭИ-943 - 1,61 г/(м2-ч)). Сократилась и область пассивного состояния анодной кривой. На участке II-IV в области пассивного состояния зафиксирован один пик, обусловленный, видимо, развитием питтингообразова-ния.

Известно, что микролегирование иттрием благоприятствует увеличению коррозионной стойкости нержавеющих сталей. Так, сталь 06Х23Н18М5, с остаточным содержанием 0,02% Y (оптимум присадки иттрия; рис. 1), имеет лучшую стойкость при анодном ее растворении. В пассивной области данным образцам также присущ один пик на потенциодинамической кривой. Следует отметить, что пассивный участок кривой у стали с 0,02% ост^ обширнее, чем у сплава ЭИ-943. Потенциалы и токи коррозии расположены в области с координатами Е = 0,251,10 В; / = 0,12-0,32 А/м2.

С дальнейшим повышением значений электрохимических показателей (Е, /) формируется процесс перепассивации нержавеющей стали 06Х23Н18М5 + 0,02% ост^.

Увеличение остаточного содержания иттрия более 0,02 % вызывает эффект перемодифи-цирования наплавленной стали, что сопровождается резким снижением ее физико-химических характеристик. Картина электрохимического процесса также ухудшается (рис. 1).

Следующий этап анализа электрохимического поведения сталей 06Х23Н18М5 без иттрия (эталон) и с остаточным содержанием 0,02% Y включал в себя исследования их коррозионного поведения в растворе 92% H2SO4 при скорости развертки 0,05 В/мин и температуре среды 60°С

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

(рис. 2). Данные исследования показали существенное смещение критического тока пассивации и анодной кривой в область меньших плотностей тока, что свидетельствует о повышенной коррозионной стойкости стали 06Х23Н18М5 с остаточным содержанием 0,02% иттрия. Смещение потенциодинамической кривой микролегированной стали в область более высоких потенциалов (рис. 2, 0,02% ост^) подтверждает более медленное ее растворение. Повышение растворимости стали 06Х23Н18М5 + 0,03% ост^ обусловлено эффектом перемодифицирования.

Рис. 2 - Анодные потенциодинамические кривые нержавеющих сталей

06Х23Н18М5, 06Х23Н18М5 + 0,02 % Y и 06Х23Н18М5 + 0,03 % Y в 92 % H2SO4 при температуре 60°С

Выводы

В результате исследований установлено, что механизмы дополнительного упрочнения и повышения коррозионной стойкости стали 06Х23Н18М5 с остаточным содержанием 0,02% иттрия заключаются в следующем. Распределение мелкодисперсной интерметаллидной а-фазы преимущественно в аустенитном зерне способствует дисперсионному упрочнению стали и экранированию ее поверхности в восстановительных и слабоокислительных средах, что способствует не только повышению кавитационной стойкости наплавленного материала, но повышению его стойкости против общей коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением.

Электрохимические исследования показали, что во всем диапазоне электродных потенциалов ток коррозии микролегированной стали 06Х23Н18М5 + 0,02% ост^ ниже тока коррозии сплава 06Х23Н28М3Д3Т и стали без иттрия, что свидетельствует о повышении коррозионной стойкости материала. Повышение прочностных характеристик за счет измельчения зерна, реализации процессов выделения а-фазы и хромистых карбидов, очищения границ зерен от вредных примесей и повышение стойкости против общей коррозии и коррозионного растрескивания обеспечило высокую не только коррозионную, но и кавитационно-коррозионную стойкость микролегированной иттрием стали 06Х23Н18М5 + 0,02 % ост^.

Список использованных источников:

1. Богачев И.Н. Новые кавитационностойкие стали для гидротурбин и их термообработка / И.Н. Богачев, Л.С. Малинов, Р.И. Минц. - М. : НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1967. - 47 с.

2. Чернега С.М. Вплив структури та фізико-механічних характеристик на закономірності кавітаційного зношення евтектичних матеріалів / С.М. Чернега, О.І. Тріщун, О.В. Тісов // Проблеми тертя та зношування. - 2006. - Вип. 45. - С.97-106.

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

ISSN 2225-6733

3. Разиков М.И. Сварка и наплавка кавитационностойкой стали марки 30Х10Г10 / М.И. Разиков, С.Л. Миличенко, ВИ. Ильин. - М. : НИИМАШ, 1964. - 35 с.

4. Статистическая прочность и механика разрушения сталей / Под ред. В. Даля. - М. : Металлургия, 1988. - 346 с.

5. Исследование влияния a-фазы на коррозионную стойкость сплавов 03ХН28МДТ и сталей 03Х21Н21М4Б и 10Х17Н13М2Т / [Ю.С. Сидоркина и др.] // Защита металлов. - 1980. -Т. XVI. - № 5. - С. 589-594.

6. Поведение высоколегированных сталей в серной кислоте, насыщенной водородом. / [А.Н.Нефедов и др.] // Защита металлов. - 1989. - Т. IV. - С. 952-955.

Bibliography:

1. Bogachev I.N. The new cavitations firmness steels became for hydro-turbines and their heat treatment / I.N. Bogachev, L.S. Malinov, R.I. Mintz. - M. : NIIINFORMTYAZHMASH, 1967. -47 P.

2. Chernega S.M. Influencing of structure and physical-mechanical descriptions on conformity to the law of cavitation proof of eutectic materials / S.M. Chernega, O.I. Trischun, O.V. Tisov // Prob-lemy tertya ta znoshuvannya. - 2006. - V. 45. - P. 97-106

3. Razikov M.I. Welding and surfacing of cavitations proof steel of brands 30Х10Г10 / M.I Razikov, S.L. Milichenko, V.I. Ilyin. - M. : NIIMASH, 1964. - 35 p.

4. Statistical strength and mechanics of destruction of steel / Ed. V. Dal. - M. : Metallurgiya, 1988. -346 p.

5. Investigation of the influence of a-phase on the corrosion resistance of alloys 03Х21Н2Ш4БТ and 10Х17Н13М2Т / [Y.S. Sidorkina etc.] // Zashita metallov. - 1980. - T. XVI. - № 5. - P. 589594 (Rus.).

6. The behavior of high-alloyed steels in sulfuric acid saturated with hydrogen / [A.N. Nefedov etc.] // Zashita metallov. - 1989. -T. IV. - P. 952-955 (Rus.).

Рецензент: Л.С. Малинов

д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 27.03.2012

УДК 621.785:669.15-194.2

©Ткаченко І.Ф.1, Уніят М.А.2

ВПЛИВ ПОПЕРЕДНЬОЇ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НА МІКРОСТРУКТУРУ НОРМАЛІЗОВАННОЇ СТАЛІ Е36

Вивчено фазово-структурний стан сталі Е36 після термічної обробки, що включала попередню ізотермічну витримку при субкритичних температурах та кінцеву нормалізацію. Встановлено, усунення ферито-перлітової смугастості та подрібнення мікроструктури сталі Е36 після проведеної дослідної термічної обробки в порівняні зі стандартною нормалізацією. Отримані результати пояснено розвитком процесу перерозподілу хімічних елементів завдяки їх інтенсивній дифузії вздовж меж зерен під час ізотермічної витримки при субкритичних температурах.

Ключові слова: низьколегована листова сталь, мікроструктура, субкритична температура.

1 д-р техн. наук, професор, ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет», м. Маріуполь

2 аспірант, ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет», м. Маріуполь