статьи в журнал Болгарии / 12 - Ниверов статья Роготовского А.Н

К ВОПРОСУ О ЛИКВАЦИИ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТРУКТУРЕ ОДНОФАЗНОЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ

А.Н. Роготовский¹, Р. Петков², Т.В. Кравченко¹

¹Липецкий государственный технический университет, кафедра металлургии,

ул. Московская, 30, 398600 Липецк, Россия

²Университет химической технологии и металлургии, Бульвар Св. Климента Охридского, 8, 1756 София, Болгария

________________________________________________________________________________

АННОТАЦИЯ

Приводятся результаты исследования химического состава аустенитной стали по 12 элементам на образцах-деталях, полученных методом литья.

Ключевые слова: сталь, элементы, ликвация, аустенит

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что сталь 12Х18Н9Т и ее аналоги (например, 12Х18Н10Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, и даже 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н9Л) применяется в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной кислотой и в некоторых органических кислотах средней концентрации, органических растворителях, агрессивных атмосферных условиях. Конструкционная криогенная сталь 12Х18Н9Т преимущественно применяется как коррозионностойкий материал, иногда как жаростойкая и жаропрочная сталь. Изготавливают емкостное, теплообменное оборудование, детали печной арматуры, теплообменники, муфели, детали выхлопных систем, листовые и сортовые детали. Изготавливают аппараты и сосуды, работающие при температуре от -196 до 600°С под давлением, а при наличии агрессивных сред до температуры 350 °С. По микроструктуре сталь однофазная, аустенитного класса. Химический состав стали согласно ГОСТ 5632 – 72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки» представлен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав стали

Марка	C н.б.	Si н.б.	Mn н.б.	S н.б.	P н.б.	Ni	Cr	Ti	Cu, н.б.
12Х18Н9Т	0,12	0,8	2,0	0,02	0,035	8-9,5	17-19	0,2-0,8	0,3
12Х18Н10Т	0,12	0,8	2,0	0,02	0,035	9-11	17-19	0,2-0,8	0,3
12Х18Н9ТЛ	0,12	0,2-1,0	1-2	0,02	0,035	8-11	16-20	н.б. 0,6	0,25

Литейная марка аустенитной стали отличается средним содержанием никеля, хрома, более широкими допусками на интервал концентраций марганца и кремния, и обладает менее значительными эксплуатационными свойствами по сравнению с классическими марками 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т.

Комплекс свойств аустенитной стали достигается верным выбором режима термической обработки (отпуск, закалка и отпуск и пр.), который стабилизует размер зерна аустенита и препятствует при необходимости образованию сложных карбидов. Никель выполняет роль стабилизатора аустенита при нормальных условиях эксплуатации стали, а хром придает высокую стойкость к агрессивным средам и замедляет рост зерна при высоких температурах.

Существует 5-6 способов выплавки высоколегированной стали, но все они сводятся к получению однородного расплава никеля и хрома в железе, непосредственно перед выпуском плавки. В расплавленном состоянии ввиду значительного содержания хрома сталь агрессивна к основной футеровке сталеплавильных агрегатов и ковшей. Марганец присутствует в марке постольку он присутствует в металлической части шихты и может быть использован при первичном раскислении стали на выпуске плавки. Кремний также используется для раскисления расплава и/или наследуется из металлошихты при получении стали методом переплава с последующим смешением расплавов в стальковше. Титан стабилизирует свойства микроструктуры при продолжительной эксплуатации стали в условиях агрессивных сред, нивелируя эффект «старения» структуры. В некоторых марках литейной «нержавейки» присутствует ванадий и алюминий, однако появление первого грозит эффектом «ситовидной «пористости при отливке даже в ХТС-формы, а ванадий уступает титану в силе связывания растворенного азота в прочные нитриды. Однако этот прием позволяет существенно уменьшить себестоимость стали даже при концентрациях титана от 0,2 (0,5*С,%) до 0,8% по массе.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кафедрой металлургии ЛГТУ были проведены исследования химического состава стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т и 12Х18Н9ТЛ и в виде мелкогабаритного литья (масса детали 140-160 гр.) на атомно-эмиссионном спектрометре «Искролайн-100». Результаты серии измерений химического состава сталей представлены в табл. 2 и 3.

Содержание титана во всех образцах составило менее 0,01% и нами не учитывалось. Необходимо отметить, что в некоторых образцах различных партий плавок обнаружено достаточно большое содержание вольфрама (до 0,0077%), который можно рассматривать как некоторую «технологическую» примесь от остатков плавки комплексно легированной стали на этой же печи (футеровка печи, стальковша). Нестабильное, но повышенное содержание алюминия говорит об его использовании в качестве раскислителя в печи и на выпуске плавки, без применения операций внепечного рафинирования расплава.

Таблица 2. Средний химический состав аустенитной стали (партия №1)

Элемент	Образец №1	Образец №2	Средняя концентрация, %	СКО, ед.	Отн. СКО, %
Al	0,01583	0,00121	0,01583	0,0061	18,9
C	0,0713	0,09846	0,08488	0,01921	22,6
Cr	17,62	17,16	17,39	0,33	1,9
Cu	0,1296	0,1362	0,1329	0,0047	3,5
Mn	1,003	1,044	1,024	0,029	2,8
Mo	0,0536	0,05189	0,05274	0,00121	2,3
Ni	9,178	9,319	9,249	0,1	1,1
P	0,0398	0,03119	0,03549	0,00609	17,2
S	0,008832	0,008833	0,008833	0,000001	0,0
Si	0,8044	1,078	0,9412	0,1935	20,6
V	0,07879	0,07415	0,07647	0,00328	4,3
W	0,02097	<0,01	0,02097	0	0

Содержание ванадия в образцах партии плавок №2 достаточно стабильное, и при использовании «переплавных» технологий говорит в случае применения индукционных печей с основной или нейтральной футеровкой, вероятнее всего, о введении в печь феррованадия непосредственно перед выпуском плавки. Вольфрам в образцах партии №2 не обнаружен. На основании проведенных анализов нами была идентифицирована марка аустенитной стали как 10Х18Н9Л (без титана, но с алюминием и ванадием). Это может быть допустимо, если предприятие-потребитель деталей из данной стали обговаривает содержание основных элементов с предприятием-изготовителем.

Таблица 3. Средний химический состав аустенитной стали (партия №2)

Элемент	Образец №1	Образец №2	Образец №2	Образец №2	Средняя концентрация, %	СКО, ед.	Отн. СКО, %
Al	0,0202	0,0217	0,03052	0,0194	0,02403	0,00812	39,0
C	0,0801	0,08093	0,06619	0,07813	0,07508	0,00783	10,4
Cr	16,39	17,02	17,06	17,26	16,93	0,38	2,2
Cu	0,1099	0,1273	0,1281	0,1198	0,1213	0,0085	7,0
Mn	0,9321	1,003	1,04	1,134	1,027	0,084	8,2
Mo	0,06463	0,06208	0,08444	0,1133	0,08111	0,02367	29,2
Ni	8,99	9,538	9,512	9,792	9,41	0,623	6,7
P	0,02883	0,03294	0,03151	0,03363	0,03173	0,00212	6,7
S	0,01152	0,009022	0,009406	0,008912	0,009715	0,001222	12,6
Si	0,8696	0,7107	0,6544	0,746	0,7452	0,0911	12,2
V	0,06879	0,07697	0,07366	0,07556	0,07375	0,00357	4,8

Эскиз деталей-образцов из аустенитной стали представлен на рисунке 1. Изменения среднего коэффициента условной ликвации элементов К_ус.л. представлены на диаграммах рис. 2, 3. Наибольшее отклонение концентрации от среднего содержания в стали наблюдается по алюминию, фосфору и молибдену. Наиболее нестабильный химический состав стали наблюдался в партии деталей №2 по алюминию, молибдену, сере, углероду и кремнию. В двух разных пробах из партии деталей №2 обнаружено значительное отклонение по содержанию алюминия (до 80% относ.) и молибдену (до 22% относ.), рис. 3. Несмотря на значительное содержание никеля (до 10% мас.) и хрома (до 19% мас.) их относительные коэффициенты ликвации составили не более 5% относ. в обеих партиях деталей (рис. 2-3).

Рис. 1. Эскиз деталей-образцов аустенитной стали: красным кругами помечены зоны спектрального анализа, черной стрелкой указано место подвода питания отливки (питатель)

Рис. 2. Значения К_ус.л. для элементов в партии деталей №1

Рис. 3. Значения К_ус.л. для элементов в партии деталей №2

Иными словами, полученные значения коэффициентов говорят о равномерном распределении легирующих элементов в аустенитной структуре, а значительные колебания концентраций иных элементов обусловлены особенностями процесса плавки (шихтовки плавок) и/или применяемой технологией получения отливок (например, в зоне вероятного питателя на верхней грани образца-детали содержание никеля и алюминия несколько выше, чем на боковых гранях (см. рис. 1).

Подобные выпады по химическому составу стали нами объясняются нестабильностью металлургической технологии их получения, а именно применением алюминия как основного раскислителя и использованием переплавной технологии на шихте нестабильного качества.