Одной из наиболее оптимальных технологий производства сложнопрофильных изделий является газостатическое прессование (ГИП) порошка в формообразующем инструменте — капсуле. В статье показаны преимущества данного способа изготовления изделий из металла, разработан оптимальный режим термообработки высоколегированной коррозионностойкой аустенито-­ферритной стали типа 25Cr, полученных в условиях ООО «Гранком» — ООО «Газпром 335», оценено влияние фракционного состава порошка и остаточного содержания кислорода на служебные характеристики готовой продукции.

Авторы:

Демченко А.И.*, Андрейко А.И.*, Максимов А.А.*, Бураков А.П.**
*ООО «Гранком»
** ООО «Газпром 335»

Введение

Для успешного решения важнейших задач, поставленных приказом Министерства промышленности и торговли РФ от 5 мая 2014 г. № 839 «Об утверждении Стратегии развития черной металлургии России на 2014–2020 годы и на перспективу до 2030 года и Стратегии развития цветной металлургии России на 2014–2020 годы и на перспективу до 2030 года» металлургам и материаловедам необходимо создавать и осваивать новые, наиболее экономичные материалы, развивать и внедрять в производство новейшие методы упрочнения металлов и коренного улучшения качества металлопродукции. Важны дальнейшие углубление и конкретизация знаний о связях состава, структуры и свой­ств материалов, о механизмах фазовых превращений и других процессах, используемых для управления структурой, распределением компонентов и, следовательно, свой­ствами металлических материалов. В настоящее время острой проблемой для отечественной металлургии является освоение производства импортозамещающих дуплексных марок сталей, легированных азотом, для нефтегазовой и других отраслей промышленности.

В российской номенклатуре имеется достаточно широкий спектр нержавеющих марок сталей, которые в настоящее время используются для изготовления конструкций добывающих производств. Основным видом изделий из данных материалов, от которых зависит безаварийность и непрерывность добычи нефти и газа, являются бесшовные трубы. Данный вид металлопродукции должен выдерживать комплекс внешний воздействий, таких как морская и сероводородная коррозия, пониженные температуры окружающей среды и абразивный износ, без потери эксплуатационных свой­ств. Также предъявляются достаточно высокие требования к основным физико-­механическим свой­ствам материалов (предел прочности/текучести, относительное удлинение, ударная вязкость) ввиду особенностей их эксплуатации.

Широкое применение в качестве конструкционного материала при подводной добыче нефти и газа получила аустенитно-­ферритная (дуплексная) сталь марки 
UNS S32750 (Super Duplex 25Cr), что объясняется двумя причинами. Во-первых, Россия не является значимым игроком в мировой отрасли по производству коррозионностойкой стали (0,4% от общемирового показателя), а выпускаемый объем продукции (120 тыс. тонн в 2021 году) удовлетворяет не более 25% потребления общего количества стали различными отраслями промышленности, причем в самом массовом секторе холоднокатаного листового проката доля импорта достигает 98–99% вследствие отсутствия в России собственного конкурентоспособного производства данной продукции. Отечественные компании обеспечивают более половины внутренних потребностей только в нержавеющем сортовом прокате и в сварных трубах, правда, в основном с использованием импортного подката [1].

Состояние вопроса

Для получения комплекса необходимых коррозионных свой­ств сталей при снижении в них содержания никеля применяют легирование азотом. Легирование азотом приводит к образованию мелкодисперсных нитридов по границам зерен, препятствующих их росту. Нержавеющие стали, легированные азотом, превосходят по прочности, вязкости и коррозионной стойкости традиционные нержавеющие стали [2–6]. В настоящее время широкое применение нашли аустенитно-­ферритные стали, легированные в среднем 0,05–0,15 масс.% N [7–12]. Однако наибольший комплекс механических и эксплуатационных свой­ств позволяют достичь стали класса «супердуплекс» и «гипердуплекс» [13–18]. Данные стали отличаются от дуплексных повышенным содержанием хрома (до 29%), молибдена (до 7%) и азота (до 0,4%). Одной из таких сталей является Super Duplex 25Cr.

Традиционно для производства заготовок из стали Super Duplex 25Cr используют два вида технологий: во‑первых, традиционные металлургические технологии, базирующиеся на литье и горячей деформации слитков, а также дальнейший комплекс мер по повышению механических свой­ств, основанный на деформировании и термической обработке металла, а во‑вторых — технологию порошковой металлургии, основанную на газовой атомизации жидкого расплава и получении металлического порошка с последующим его спеканием в газостате в специальной оснастке — капсуле. При этом традиционные технологии в значительной мере себя исчерпали по причине неизбежности развития ликвационных процессов в слитке.

Технология порошковой металлургии основана на современном представлении материаловедения о том, что диспергирование структуры металла является одним из наиболее эффективных механизмов повышения прочностных характеристик при сохранении приемлемого уровня пластических свой­ств. Наиболее эффективное диспергирование структуры металла происходит при его быстрой кристаллизации со скоростью охлаждения до 106–107 °С/сек [19]. Высокая скорость охлаждения позволяет добиться глубокого переохлаждения расплава и формирования уникальных структур металла: нанокристаллических и аморфных.

Подобного рода структурные изменения в металле открывают перед металлургами новые возможности в производстве порошковых изделий, обладающих повышенными характеристиками в сравнении с литыми, имеющими подобный химический состав. В промышленности ускоренная кристаллизация металла нашла свое применение при производстве металлических порошков сталей и жаропрочных никелевых сплавов [20] с последующим спеканием их с помощью ГИП. Изделия из таких порошков обладают [21] повышенными физико-­механическими свой­ствами в сравнении с аналогичными из литого металла. Поэтому данная технология получила распространение при производстве сложнопрофильных изделий типа «тройник» из стали Super Duplex 25Cr (рис. 1).

Рис. 1. Капсула, прессовка после ГИП и механически обработанная заготовка

Компания ООО «Гранком» обладает всем необходимым набором оборудования для производства изделий по технологии порошковой металлургии.

Экспериментальная часть

Сталь Super Duplex 25Cr выплавляли в вакуумной индукционной печи емкостью 300 килограмм (рис. 2) на марочных отходах (до 60%) и чистых материалах (до 40%). После достижения требуемого химического состава и температуры расплав переливали в специальный промежуточный ковш. Распыление проводили аргоном при давлении 50 атмосфер. Температуру расплава поддерживали на уровне 1740°С.

Рис. 2. Установка газового распыления VIGA
 

Рис. 3. Процесс рассева порошка на фракции

Порошок классифицировали на установках ситового рассева в среде инертного газа. Рассев проводили на фракции 0–150 мкм, 50–150 мкм, 20–150 мкм и 63–200 мкм (рис. 3). Для каждой из полученных фракций определяли содержание кислорода. Анализ металла на содержание кислорода проводили на анализаторе ONH‑836, предназначенном для одновременного определения кислорода, азота и водорода в компактных образцах сталей и сплавов на основе железа, никеля, титана методом плавления в атмосфере инертного газа.

Полученные 4 вида порошка засыпали в стальные капсулы диаметром 200 мм и высотой 1000 мм. Предварительно капсулы проверяли на герметичность с помощью гелиевого течеискателя ULVAC HELIOT 901W1-F2E. При наличии несплошностей в капсулу при газовом изостатическом прессовании (ГИП) проникает газ под высоким давлением. В дальнейшем при выпуске газа из рабочей камеры газостата снижение давления в рабочей камере газостата происходит быстрее, чем в капсуле. В результате резко возрастает градиент давления, что может привести к разрушению капсулы или ее вздутию. Полученные капсулы подвергали вакуумно-­термической дегазации до полного отсутствия натекания внутри капсулы. Далее проводили ГИП при температуре 1130°С и давлении 1000 атмосфер и термическую обработку в соответствии техническими требованиями ООО «Газпром 335» 
335-D07-T‑022 рев. В. Контроль механических свой­ств осуществлялся согласно ГОСТ 1497‑84, работу удара измеряли по методике, описанной в ASTM A 370‑21.

Обсуждение результатов

Влияние фракционного состава на работу удара показано в таблице 1. Видно, что фракционный состав порошка не оказывает существенного влияния на работу удара.
Влияние остаточного содержания кислорода и термической обработки заготовок после ГИП на работу удара показано в таблице 2. Видно, что содержание кислорода оказывает существенное влияние на работу удара. Для получения нормативных значений работы удара необходимо поддерживать содержание кислорода в готовом изделии на уровне не выше 350 ppm.

Таблица 1. Влияние фракционного состава на работу удара

Таблица 2. Влияние остаточного содержания кислорода и 
термической обработки заготовок после ГИП на работу удара

Выводы

1. Фракционный состав металлического порошка оказывает несущественное влияние на механические свой­ства заготовок, полученных методом ГИП.
2. Правильно подобранный режим термической обработки в сочетании с полученным низким содержанием кислорода существенно влияет на механические свой­ства заготовок, полученных методом ГИП.
3. В условиях ООО «Гранком» имеется вся необходимая линейка оборудования для производства изделий методом ГИП из стали Super Duplex 25Cr.

ООО «Гранком»
Нижегородская обл., г. Кулебаки, ул. Восстания, 1/14, 607018
Тел.: +7 (831) 435 1754
info@grankom.com, https://grankom.com/

Литература

1. Волкова А. В. Рынок нержавеющего проката — 2021 / А. В. Волкова.  [Электронный ресурс]: ВШЭ, 2022. (https://dcenter.hse.ru/otrasli).
2. Matsunaga H. et al. Effect of nitrogen on corrosion of duplex stainless steel weld metal / H. Matsunaga, Y. S. Sato; H. Kokawa et al. // Science and Technology of Welding and Joining.  1998.  Vol. 3.  P. 225–232.
3. Fargas G.; Effect of the annealing temperature on the mechanical properties, formability and corrosion resistance of hot-rolled duplex stainless steel / G. Fargas, M. Anglada, A. Mateo // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209.  P. 1770–1982.
4. Son J. Effect of N addition on tensile and corrosion behaviors of CD4MCU cast duplex stainless steels / J. Son, S. Kim, J. Lee et al. // Metallurgical and Materials Transactions A. 2003. Vol. 34.  P. 1617–1625.
5. Житенев А. И. Литая структура и свой­ства дуплексных нержавеющих сталей / А. И. Житенев, А. С. Федоров, П. В. Ковалев и др. // Известия вузов. Черная металлургия. 2022. Т. 65. №. 5. С. 323–332.
6. Гальцов И. А. Применение дуплексной стали 1.4462 (Duplex) в современном судостроении / И. А. Гальцов, П. В. Корельская // Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении. 2022. № 2 (39). С. 76–82.
7. Казаков А. А. Прогнозирование перспективных составов дуплексных коррозионностойких сталей / А. А. Казаков, А. И. Житенев, А. С. Федоров и др. // Известия вузов. Черная металлургия. 2020.  Т. 63. №. 3–4. С. 254–260.
8. Kazakov A. A. Development of duplex stainless steels compositions / A. A. Kazakov, A. I. Zhitenev, A. S. Fedorov et al. // CIS Iron and Steel Review.  2019. Vol. 18. №. 2. P. 20–26.
9. Lee K. M. Effect of isothermal treatment of SAF 2205 duplex stainless steel on migration of δ/γ interface boun-dary and growth of austenite / K. M. Lee, H. S. Cho, D. C. Choi // Journal of Alloys and Compounds. 1999. Vol. 285. №. 1–2. P. 156–161.
10. Куницкая И. Н. Особенности структуры, свой­ств и технологической пластичности металлопродукции из коррозионностойкой дуплексной стали 03Х22Н5АМ3 / И. Н. Куницкая, Я. И. Спектор, А. С. Сальников и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 6 (780). С. 3–14.
11. Vinoth Jebaraj, A. Influence of microstructural chandes on impact toughness of weldment and base metal of duplex stainless steel AISI 2205 for low temperature applications / A. Vinoth Jebaraj, L. Ajaykumar // Procedia Engineering. 2013. Vol. 64. P. 456‑466.
12. Kazakov A. A. Basic Physicochemical Concepts for Controlling the δ-­Ferrite Content When Welding with Austenite-­Ferrite Materials / A. A. Kazakova, O. V. Fomina, A. I. Zhitinev et al. // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10. №. 6. P. 1325–1332. 4.
13. Kim S.-K. Low-temperature mechanical behavior of super duplex stainless steel with sigma precipitation / S.-K. Kim, K.-Y. Kang, M.-S. Kim et al. // Metals. 2015. Vol. 5(3). P. 1732–1745.
14. Tehovnik F. Microstructure evolution in SAF 2507 super duplex stainless steel / F. Tehovnik, B. Arzensek, B. Arh et al. // Materials and technology. 2011. Vol. 45.  №. 4. P. 339–345.
15. Tan H. Effect of annealing temperature on the pitting corrosion resistance of super duplex stainless steel UNS S32750 / H. Tan, Y. Jiang, B. Deng et.al. // Materials Characterization. 2009. vol. 61. Р. 1049–1054.
16. Jeon S.-H. Effect of Cu on the precipitation of deleterious phases and the mechanical properties of 27Cr‑7Ni hyper duplex stainless steels / S.-H. Jeon, J. Park, H.-J. Kim et al. // Materials transactions. 2014. Vol. 55. №. 6. P. 971–977.
17. Jeon S.-H. Effects of solution- annealing temperature on the precipitation of secondary phases and the associated pitting corrosion resistance in hyper duplex stainless steel / S.-H. Jeon, S.-T. Kim, S.-Y. Kim et al. // Materials Transactions.2013. Vol. 54. №. 8. P. 1473–1479.
18. Zhang, B. Effect of nitrogen on precipitation behavior of hyper duplex stainless steel S32707 / B. Zhang, H. Li, S. Zhang et al. // Materials Characterization. 2021. Vol. 175. #111096.
19. Процесс высокоскоростного затвердевания расплава жаропрочных сплавов и свой­ства дисперстных частиц / Б. С. Митин [и др.] // II Всесоюзная конференция по металлургии гранул. Тезисы докладов. М.: 1987.  С. 224–226.
20. Прессование заготовок из газораспыленных порошков быстрорежущей стали / Г. А. Баглюк // Порошковая металлургия. 1990. № 7. С. 9–12.
21. Формирование структуры порошковых быстрорежущих сталей Р6М5К5 и Р6М5Ф3 при спекании и термической обработке / Л. А. Поздняк [и др.] // Порошковая металлургия / 1991 г. № 9. С. 79–83.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2024