Оптимизация термической обработки высокопрочной коррозионностойкой азотсодержащей стали для получения бесшовных тонкостенных труб
Рассмотрена оптимизация термической обработки для получения тонкостенных труб холодной прокаткой из высокопрочной коррозионностойкой стали 15Х15Н4АГМ-Ш с прочностью после закалки (σв > 1700 МПа), затрудняющей деформацию. Установлено, что отжиг стали приводит к значительному охрупчиванию. Отпуск при температуре 600–700 °C формирует высокоотпущенный мартенсит, снижая прочность (σ0,2 ≈ 990 МПа при 600 °C) при сохранении пластичности (δ5 ≈ 19 %). Показано, что оптимальное снижение прочностных характеристик без значительного уменьшения пластичности происходит в интервале температур 630–660 °С.
Введение
В тяжелом машиностроении тонкостенные трубы выступают ключевым полуфабрикатом для создания легких, прочных и долговечных конструкций [1–4]. Использование тонкостенных труб позволяет снизить массу узлов на 20–40 % при сохранении несущей способности, что критически важно для авиации, автомобилестроения и робототехники.
В настоящее время основными материалами для производства тонкостенных труб являются:
– конструкционные стали перлитного класса [5, 6];
– коррозионностойкие стали аустенитного, мартенситного и дуплексных классов [7–13];
– биметаллические материалы с плакирующим слоем [14–16];
– высокопрочные сплавы специального назначения [17–19].
Основные методы производства труб из различных материалов включают [20]:
– горячее деформирование (прессование, прокатка);
– холодное деформирование (волочение, прокатка);
– комбинированные методы обработки давлением.
Для перспективных летательных аппаратов, в частности беспилотных, используют тонкостенные трубы в качестве тяжелонагруженных конструктивных элементов, а именно для трубчатых полозковых шасси. Широкое применение трубчатое полозковое шасси, изготавливаемое из конструкционной стали перлитного класса 30ХГСА, получило для вертолетной техники. При эксплуатации данного типа техники в различных регионах и климатических условиях проявляются недостатки тонкостенных труб из стали 30ХГСА: отсутствие коррозионной стойкости и недостаточная износостойкость в связи с необходимостью посадки летательного аппарата на абразивные поверхности.
В современных условиях развития промышленности особую актуальность приобретает производство тонкостенных труб из высокопрочных коррозионностойких сталей. Коррозионностойкие трубы находят широкое применение в атомной энергетике, химической промышленности, нефтегазодобывающем секторе и других высокотехнологичных отраслях.
Несмотря на высокое сопротивление коррозионно-агрессивным средам, коррозионностойкие стали аустенитного класса обладают недостаточным уровнем прочностных характеристик и меньшей износостойкостью по сравнению с конструкционной сталью 30ХГСА. В связи с этим необходимо использовать в качестве материала для изготовления тонкостенных труб высокопрочные коррозионностойкие стали мартенситного или мартенсито-аустенитного класса.
В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана широкая номенклатура высокопрочных коррозионностойких сталей [21–24], однако наиболее перспективными в данном направлении являются стали системы Fe–С–N–Cr–Ni–Mo–Mn с повышенным содержанием азота. Данные стали обладают высоким уровнем механических свойств, коррозионной стойкости и свариваемостью. Однако ввиду высоких прочностных характеристик после термической обработки (σв > 1700 МПа, σ0,2 > 1200 МПа) из-за высокого содержания элементов внедрения и легирующих элементов при производстве тонкостенных труб из высокопрочных коррозионностойких сталей системы Fe–С–N–Cr–Ni–Mo–Mn возникает ряд технологических проблем, в частности необходимость:
– обеспечения требуемой точности геометрических параметров ввиду высокого сопротивления стали пластическим деформациям;
– использования мощного прокатного оборудования;
– достижения высокого качества поверхности;
– минимизации прокатных и структурных дефектов.
Для получения качественных полуфабрикатов в виде тонкостенных труб из высокопрочной мартенсито-аустенитной коррозионностойкой стали необходимо обеспечить высокую технологичность при достаточном снижении уровня прочностных характеристик. Для большинства сталей, в том числе коррозионностойких, такой комплекс свойств достигается путем проведения отжига или высокотемпературного отпуска. Однако для сталей системы Fe–С–N–Cr–Ni–Mo–Mn с повышенным содержанием азота это осложнено выделением из твердого раствора избыточных карбидных и нитридных фаз легирующих элементов, снижающих пластичность и приводящих к растрескиванию во время контактно-деформационного воздействия. В связи с этим данная научно-исследовательская работа направлена на оптимизацию режима термической обработки высокопрочной коррозионностойкой азотсодержащей стали для получения бесшовных тонкостенных труб путем холодной пластической деформации.
Материалы и методы
В качестве объектов исследования использовали заготовки труб из высокопрочной коррозионностойкой азотсодержащей стали 15Х15Н4АГМ-Ш. Для исследования характеристик трубы подвергали термической обработке – закалке при температуре, достаточной для растворения избыточных фаз в твердом растворе и получения однородной мартенсито-аустенитной структуры, и последующему отпуску при различных температурах.
Металлографический анализ структур стали 15Х15Н4АГМ-Ш после термической обработки проводили на оптическом инвертированном микроскопе при увеличении ×500. Твердость HV1 определяли по методу Виккерса с помощью твердомера при нагрузке 1 кг (10 Н) в соответствии с ГОСТ 2999–75.
Механические свойства (σв, σ0,2, δ5) после термической обработки определяли путем испытания образцов, вырезанных из трубных заготовок, на статическое растяжение при температуре 20 °С в соответствии с ГОСТ 1497–2023 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» с применением разрывной машины. Скорость испытаний образцов составила 0,01 c–1.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.
Результаты и обсуждение
Для анализа структурно-фазовых изменений в высокопрочной коррозионностойкой стали 15Х15Н4АГМ-Ш расшифрована термограмма, полученная с применением дифференциальной сканирующей калориметрии (рис. 1). По результатам анализа определены основные точки температурных интервалов с экзо- и эндотермическими реакциями. Установлено, что в температурном интервале:
– 1–2 реализуется процесс старения (как и в большинстве коррозионностойких сталей такой системы легирования), сопровождающийся выделением карбидов Cr23C6 из мартенситной матрицы;
– 2–3 происходят дальнейшее перестаривание выделением карбидов Cr23C6 и нитридов (Cr, V)N (в связи с микролегированием стали ванадием) из твердого раствора, снижение тетрагональности мартенсита и подготовка микроструктуры к полиморфному превращению α → γ;
– 3–4 осуществляется смена кристаллической решетки мартенсита на аустенит;
– 4–5 происходят выравнивание теплового потока и подготовка микроструктуры к растворению части избыточных фаз в твердом растворе;
– 5–6 растворяются карбиды цементитного типа;
– 6–7 происходят выравнивание теплового потока и подготовка микроструктуры к дальнейшим структурно-фазовым изменениям;
– 7–8 растворяются карбиды Cr23C6;
– 8–9 происходит переход z-фазы (Cr, V)N в нитриды VN;
– 9–10 нитриды ванадия растворяются в твердом растворе;
– 10–11 осуществляются выравнивание теплового потока и подготовка микроструктуры к дальнейшим структурно-фазовым изменениям;
– 11–12 происходит частичная смена кристаллической решетки аустенита на мартенсит.
Для высокопрочной коррозионностойкой стали 15Х15Н4АГМ-Ш в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан режим закалки, обеспечивающий высокий уровень механических свойств (σв > 1700 МПа, σ0,2 > 1200 МПа, δ5 > 15 %). Однако для холодной прокатки труб полученные прочностные характеристики высокие, а пластичность удовлетворительная, в связи с чем большинство видов оборудования не позволит получить тонкостенные трубы с равномерной толщиной стенки. С учетом расшифровки термограммы дифференциальной сканирующей калориметрии структурно-фазовых превращений для исследований кинетики изменения механических свойств выбран температурный интервал отпуска 200–700 °С и реализовано ускоренное охлаждение образцов для закрепления структуры, а также использованы различные варианты отжига при температуре выше температуры полиморфного превращения.
Для оценки изменения свойств образцов определена твердость по Виккерсу после отпуска при различных температурах. Кинетика изменения твердости в зависимости от температуры отпуска (рис. 2) согласуется с результатами термограммы. После закалки формируется мартенсит с твердостью ~560 HV1, который в дальнейшем при температуре 300 °С из-за выделения карбидов цементитного типа обедняется углеродом с последующим снижением твердости. Увеличение температуры отпуска до 400–500 °С способствует повышению твердости из-за выделения карбидов легирующих элементов, в частности хрома, а также в результате образования z-фазы нитридов (Cr, V)N. Увеличение температуры отпуска до 600 °С привело к значительному снижению твердости (на 30 %) из-за формирования высокоотпущенного мартенсита. Обработка при температуре 700 °С из двухфазной области приводит к полиморфному превращению α → γ, что при ускоренном охлаждении в воде способствует образованию мартенсита и увеличению твердости.
Металлографический анализ микроструктуры (рис. 3) позволил установить, что после закалки и отпуска при температуре 200 °С формируется мартенсито-аустенитная структура, которая сохраняется до температуры 400 °С. Начиная с температуры 400 °С происходят активное выделение избыточных фаз (карбидов и нитридов) из твердого раствора и формирование четких контуров мартенситной структуры. Дальнейшее увеличение температуры отпуска до 500–700 °С интенсифицирует процесс выделения избыточных фаз, приводит к формированию высокоотпущенного мартенсита и подготовке микроструктуры к полиморфному превращению.
Результаты изучения механических свойств в зависимости от температуры отпуска (рис. 4) позволили установить, что при закалке без последующего отпуска реализуется высокий уровень механических характеристик с наибольшей прочностью (σв = 2160 МПа) и высоким относительным удлинением (δ5 = 19 %). Последующий отпуск при температуре до 300 °С приводит к снижению напряженности мартенситной структуры, в результате чего σв снижается до 1840 МПа, а δ5 увеличивается до 20–21,5 %. При температуре отпуска 500 °С за счет дисперсионного твердения (выделения карбидов и нитридов из твердого раствора) формируются наибольший предел текучести (σ0,2 = 1550 МПа) и высокий предел прочности (σв = 1990 МПа), при этом также достигается высокое относительное удлинение (δ5 = 20,5 %). Формирование высокоотпущенного мартенсита приводит к общему снижению механических свойств (σв = 1320 МПа, σ0,2 = 990 МПа, δ5 = 18,9 %). Благодаря достаточному уровню пластичности и значительному снижению прочностных характеристик после отпуска при данной температуре можно проводить прокатку трубных заготовок, однако не любое оборудование позволяет достичь необходимого усилия, чтобы продеформировать заготовку с пределом текучести >990 МПа для получения тонкостенной трубы с высоким качеством поверхности.
Помимо отпуска, для сталей различных классов возможно применение двухступенчатого отжига с целью снижения прочностных характеристик и формирования пластических свойств. Для стали 15Х15Н4АГМ-Ш данный отпуск сопровождается выделением большой доли избыточных фаз из твердого раствора, что может снижать пластичность. Анализ механических свойств стали после отжига (рис. 5) показал, что данная термическая обработка приводит к значительному снижению пластичности и увеличению степени охрупчивания, ввиду чего не рекомендована при подготовке труб под прокатку.
Проанализирован коэффициент Kσ – соотношение предела прочности σв к пределу текучести σ0,2 (рис. 6). Показано, что увеличение температуры отпуска до 500 °С приводит к уменьшению коэффициента, что свидетельствует о снижении деформируемости заготовок при холодной пластической деформации. В интервале температур 600–700 °С наблюдается значительное повышение Kσ, что может способствовать повышению деформируемости, а также дальнейшему снижению прочностных характеристик. В связи с этим проведено дальнейшее исследование влияния температуры отпуска в данном температурном интервале с изменением продолжительности выдержки.
В температурных интервалах отпуска 630–660 и 660–700 °С (рис. 7) с различной продолжительностью выдержки твердость стали варьируется от 350 до 430 HV1. Высокое значение твердости в температурном интервале 660–700 °С при выдержке 1 ч связано с обработкой в двухфазной области и частичным протеканием мартенситного превращения. Дальнейшее снижение твердости связано с выделением карбидов и нитридов легирующих элементов из твердого раствора и снижением дисперсности высокоотпущенного мартенсита.
Металлографический анализ микроструктуры образцов показал, что в температурном интервале 630–660 °С независимо от продолжительности выдержки формируется высокоотпущенный мартенсит, в то время как при температурах 660–700 °С реализуется превращение α → γ (рис. 8). При отпуске в температурном интервале 660–700 °С формируется микроструктура, благоприятная для достижения высокого качества поверхности при изготовлении тонкостенных труб из высокопрочной коррозионностойкой стали 15Х15Н4АГМ-Ш за счет образования аустенита, однако это также может приводить к увеличению механических характеристик.
Анализ механических свойств стали в температурных интервалах 630–660 и 660–700 °С (рис. 9) показал, что увеличение продолжительности выдержки с 2 до 4 ч приводит к снижению прочностных характеристик (σв, σ0,2), однако при этом повышается относительное удлинение δ5 с 12–16 до 18–19 %, что благоприятно влияет на технологическую пластичность. В обоих температурных интервалах продолжительность выдержки 4 ч позволяет достичь оптимального уровня характеристик для последующей холодной пластической деформации, однако в результате отпуска при 630–660 °С получен лучший уровень свойств.
Заключения
На основании проведенных исследований по оптимизации термической обработки высокопрочной коррозионностойкой азотсодержащей стали 15Х15Н4АГМ-Ш для производства тонкостенных труб методом холодной деформации можно сформулировать следующие ключевые выводы.
Стандартная закалка стали обеспечивает высокие прочностные характеристики (σв > 1700 МПа, σ0,2 > 1200 МПа), что делает невозможной ее эффективную холодную прокатку на различном трубопрокатном оборудовании для получения тонкостенных труб с требуемыми точностью геометрических параметров и качеством поверхности из-за чрезмерного сопротивления деформации.
Основным методом снижения прочности при сохранении приемлемой пластичности и коррозионной стойкости является отпуск. Анализ структурно-фазовых превращений методом дифференциальной сканирующей калориметрии и кинетики изменения свойств выявил четкую зависимость механических характеристик и микроструктуры от температуры отпуска:
– низкотемпературный отпуск (200–400 °C) приводит к умеренному снижению прочности при сохранении мартенсито-аустенитной структуры;
– отпуск при температуре 500 °C вызывает дисперсионное твердение (выделение карбидов Cr23C6 и нитридов (Cr, V)N), повышая предел текучести (σ0,2 = 1550 МПа) и сохраняя высокую прочность (σв = 1990 МПа);
– отпуск в ключевом интервале (600–700 °C) приводит к формированию высокоотпущенного мартенсита, значительному снижению прочности (σв = 1320 МПа, σ0,2 = 990 МПа при 600 °C) и сохранению достаточной пластичности (δ5 ≈ 19 %).
Двухступенчатый отжиг, применяемый для снижения прочности в других сталях, оказался неприемлемым для стали 15Х15Н4АГМ-Ш, так как приводит к резкому охрупчиванию и снижению пластичности из-за интенсивного выделения избыточных фаз.
Проведено детальное исследование температурных интервалов отпуска 630–660 и 660–700 °С с различной продолжительностью выдержки. Выявлено, что обработка в температурном интервале 630–660 °C с выдержкой 4 ч обеспечивает наиболее благоприятное сочетание следующих процессов:
– значительное снижение твердости (до ~350 HV1);
– отсутствие полиморфного превращения α → γ при последующем ускоренном охлаждении, вследствие чего не образуется мартенситная микроструктура;
– формирование микроструктуры, оптимальной для достижения высокого качества поверхности при холодной прокатке;
– достаточное снижение предела текучести (~990 МПа) для проведения деформации на промышленном оборудовании.
- Логинов Ю.Н., Шимов Г.В., Бушуева Н.И. К прогнозу развития мартенситного превращения при безоправочном волочении труб из аустенитной стали // Черные металлы. 2021. № 4. С. 25–31. DOI: 10.17580/chm.2021.04.05.
- Фролов А.В., Кравченко А.С. Разработка технологии сварки тонкостенных труб пульсирующей дугой // Мат. II Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых «Наука, инновации и технологии: от идей к внедрению»: в 2 ч. Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. ун-т, 2022. Ч. 2. С. 181–185.
- Смертин С.А., Земцов М.И. Анализ возможности изготовления полуфабрикатов – тонкостенных труб, загнутых на требуемый угол // Cб. мат. Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. «Общество, наука, инновации (НПК –2014)». Киров: Вятск. гос. ун-т, 2014. С. 1387–1391.
- Жителев Д.А., Поздняков Т.Д., Сулегин Д.А., Наумов В.Н. Исследование экспериментального и численного поведения тонкостенных труб при квазистатическом режиме нагружения // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2022. № 4 (139). С. 85–96.
- Приймак Е.Ю., Степанчукова А.В. Формирование структуры сталей для производства бурильных труб при сварке трением // XIII Междунар. науч.-техн. Уральская школа-семинар молодых ученых-металловедов. II Междунар. науч. школа для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов». Екатеринбург, 2012. C. 3–4.
- Пугачева Т.М., Михеев Д.А. Материаловедческое исследование замковых соединений бурильных труб после наплавки с использованием различных флюсов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2018. № 6. С. 97–102.
- Каблов Е.Н., Бакрадзе М.М., Громов В.И., Вознесенская Н.М., Якушева Н.А. Новые высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для аэрокосмической техники разработки ФГУП «ВИАМ» (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1 (58). С. 3–11. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-3-11.
- Банных И.О., Ашмарин А.А., Бецофен С.Я. и др. Оптимизация химического состава и параметров термомеханической обработки трип сталей на основе новых методов рентгеновской тензометрии, текстурного и фазового анализов // Металлы. 2022. № 6. С. 66–72.
- Удод К.А., Трофименко Н.Н., Романенко Д.Н., Севальнев Г.С. Перспективы развития конструкционных сталей, легированных алюминием // Авиационные материалы и технологии. 2019. № 3 (56). С. 9–13. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-3-9-13.
- Серебряков А.В. Исследования, разработка технологии и освоение производства прецизионных труб из коррозионностойкой стали: дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург: Урал. гос. техн. ун-т – УПИ, 2007. 160 с.
- Атанасов В.Р., Панченко С.А. Развитие научных основ и технологических методов повышения коррозионной стойкости труб из дуплексных сталей // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сер.: Стародубовские чтения. 2015. № 80. С. 18–26.
- Большаков В.И., Дергач Т.А., Сухомлин Г.Д., Панченко С.А. Применение зернограничного конструирования для повышения коррозионной стойкости труб из ферритно-аустенитных сталей // Коррозия: материалы, защита. 2014. № 7. С. 20–26.
- Филистеев В.Г., Стеклова Е.О., Березовский А.В. Свариваемость дуплексных сталей для транспорта агрессивных сред, содержащих сероводород и двуокись углерода // Экспозиция Нефть Газ. 2023. № 2. С. 70–75.
- Кондратенко Л.А., Терехов В.М., Миронова Л.И. Анализ некоторых проблем механического закрепления теплообменных биметаллических труб в энергетических установках // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2017. № 3. С. 83–88.
- Никитин К.Н., Осадчий В.Я., Сафьянов А.В. и др. Разработка и освоение импортозамещающей технологии производства бесшовных биметаллических труб для атомной энергетики // Сталь. 2017. № 7. С. 44–50.
- Комаров А.И., Никитин К.Н., Сафьянов А.В. и др. Совершенствование технологии производства бесшовных биметаллических труб для трубопроводов атомных энергетических установок // Черные металлы. 2017. № 9. С. 68–73.
- Красных В.И., Жданова А.С., Гаранжа Т.В. Прецизионные сплавы с заданными свойствами упругости: необходимость новой жизни // Сталь. 2015. № 7. С. 60–66.
- Король Р.М., Мироненко А.Ю., Мироненко М.А. Особенности технологии изготовления высококачественных прецизионных труб из зарубежного аналога молибденового сплава МЧВП // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2017. № 3. С. 43–47.
- Kravchenko O.V. Особенности основных технологических и конструктивных параметров стационарной клети стана ХПТР для прокатки прецизионных теплообменных труб // HERALD of the Donbass State Engineering Academy. 2019. № 2 (46). С. 64–67.
- Ушаков А.С., Кондратов Л.А. О производстве стальных труб // Сталь. 2018. № 7. С. 33–43.
- Севальнев Г.С., Климов В.С., Власов И.И., Мазалова Т.А. Исследование механических свойств синтезированных образцов из стали системы Fe–Cr–Ni–Co–Mo после различных видов обработки // Труды ВИАМ. 2025. № 6 (148). Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 22.06.2025). DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-6-3-12.
- Елисеев Э.А., Карпухин С.Д., Дружинина М.Э. Влияние никеля на структуру азотированного слоя низкоуглеродистых сталей мартенситного класса // Авиационные материалы и технологии. 2025. № 1 (78). Ст. 02. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 01.07.2025). DOI: 10.18577/2713-0193-2025-0-1-18-27.
- Закалашный А.В., Денисова В.С., Власова О.В., Солнцев С.С. Технологические аспекты получения фритты жаростойкой эмали для защиты коррозионностойких сталей // Труды ВИАМ. 2021. № 8 (102). Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 01.07.2025). DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-8-43-49.
- Алексеева М.С., Слободской П.А., Лукина Е.А., Якушева Н.А. Закономерности формирования структуры мартенситостареющей стали системы Fe–Cr–Ni–Mo–Ti в ходе термической обработки // Труды ВИАМ. 2024. № 2 (132). Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 01.07.2025). DOI: 10.18577/2307-6046-2024-0-2-3-12.
