Высоколегированные коррозионностойкие сплавы

Ульянин Е.А., Свистунова Т.В., Левин Ф.Л.

Металлургия, 1987 г.

Сплав 06ХН28МДТ сваривается ручной и автоматической сваркой в защитном газе и с применением флюса марки АН-18. При ручной электродуговой сварке используют электроды ОЗЛ-17У со стержнем из проволоки 01ХН28МДТ. При автоматической электродуговой сварке, а также аргонно-дуговой сварке используют тот же присадочный материал. Сварные соединения сплава 06ХН28МДТ удовлетворительно противостоят действию серной кислоты в широком диапазоне концентраций при температуре до 80 °С.

Для толщин более 14—20 мм возможно применение электрошлаковой сварки с целью уменьшения склонности к горячим трещинам. Сварку проводят проволокой из сплава 03ХН28МДТ в сочетании с флюсами ΑΗΦ-Ι4 и АНФ-7.

Сплав 03ХН28МДТ также удовлетворительно сваривается электродуговой и аргонно-дуговой ручной и автоматической сваркой. Основную сложность при сварке сплава вызывает его склонность к образованию горячих трещин, которая увеличивается с ростом силы сварного тока, толщины свариваемого металла и величины зазора в стыке. Неправильно проведенная сварка может также привести к возникновению МКК шва или околошовной зоны, а у линии сплавления — ножевой коррозии. Согласно рекомендациям НИИхиммаша в случае ручной сварки аргонно-дуговой способ применяют, если толщина листа не превышает 20 мм; лист толщиной до 10 мм удовлетворительно сваривается электродуговой сваркой; при толщине более 10 мм при электродуговой сварке корневых проходов настоятельно рекомендуется применять электроды ВЛ-18УП без ниобия. Кроме того, при сварке листа толщиной более 10 мм применяют комбинированный метод (аргонно-дуговая и сварка электродами). Аргонно-дуговую сварку рекомендуют для заполнения корневых проходов.

Для автоматической сварки пригоден метод сварки под флюсом с металлическим порошком. Если невозможно применить флюсовую подушку или оставшуюся металлическую подкладку, то рекомендуется комбинированный метод. При нем первые проходы в разделке выполняют ручной аргонно-дуговой сваркой, а последующие — автоматической сваркой под флюсом с металлическим порошком. При всех видах сварки швы, обращенные к коррозионной среде, следует заваривать в последнюю очередь.

Сплавы 06ХН28МДТ и 03ХН28МДТ предназначены для работы в условиях производства серной кислоты различных концентраций при температуре до 80 °С, сложных минеральных удобрений, экстракционной фосфорной кислоты и др. Сплавы используют для изготовления сварной химической аппаратуры, в том числе реакторов, теплообменников, трубопроводов, емкостей, арматуры.

Из сплава 03ХН28МДТ изготовляют сварные экстракторы, работающие в условиях полугидратного процесса получения экстракционной фосфорной кислоты. В этом случае жидкая фаза пульпы содержит, %: Р2О5 35—49; S0₃ 0,9—1,2 и F1,6—2,1. Температура процесса 90—95°С, т:ж= 1,6:2,0.

Сплав 04ХН40МДТЮ на железоникелевой основе применяют для работы в растворах серной и фосфорной кислот. Отличительной характеристикой сплава является высокая прочность. Сочетание коррозионной стойкости и прочности достигается подбором легирующих элементов, обеспечивающих получение обоих свойств.

Химический состав сплава характеризуется следующим содержанием элементов, %: С<0,04; Мп«0,08; Сr 14,0—17,0; Ni39,0—42,0; Ti2,5—3,2; Αl0,7—1,2; Mo4,5—6,0; Си 2,7—3,3; S<:0,020; P<0,035.

После закалки с 1050—1100 °С в воду или на воздухе сплав 04ХН40МДТЮ имеет структуру γ-твердого раствора с включениями первичных карбонитридов титана. Для упрочнения после закалки сплав подвергают старению при 600—750 °С. Возможно проведение старения и непосредственно после горячей или холодной пластической деформации.

В результате старения в сплаве происходит выделение интерметаллической γ'-фазы типа Ni₃ (Ti, ΑΙ), имеющей Г.ц.к. решетку с параметром, равным 0,3601 нм. После обработки по режиму: закалка с 1050 °С 45 мин на воздухе+старение при 650°С, 5 ч с охлаждением на воздухе количество упрочняющей γ'-фазы составляет 14%. Как указывалось выше, кроме γ'-фазы, в структуру сплава входит карбонитрид Ti(С, N). Размер частиц упрочняющей γ'-фазы мало зависит от предшествующей старению обработки и составляет 24—29 нм, в то же время количество частиц существенно зависит от предшествующей обработки. Максимальное количество γ'-фазы наблюдается при проведении старения непосредственно после пластической деформации, при этом чем ниже температура конца деформации, тем больше диаметр частиц в пределах размеров, приведенных выше.

Максимальная прочность сплава 04ХН40МДТЮ достигается после старения, проводимого непосредственно после деформации. Режим, обеспечивающий наиболее высокие прочностные свойства, состоит в деформации при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации (820 °С), охлаждении на воздухе и изотермическом старении после нагрева до 600 °С в течение 5 ч с охлаждением на воздухе. После такой обработки сплав характеризуется следующими механическими свойствами: σ_Β=1600 МПа, σ_0.2=1400 МПа, 6 = 12%, ψ = 37%, KCU = 600Дж/м², НВ 430.

Сплав 06ХН40МДТЮ отличается высокой стойкостью против общей коррозии в растворах серной кислоты концентрацией до 60% при температуре до 80 °С. При этом минимальная скорость коррозии 0,15— 0,2 мм/год соответствует концентрации H₂S0₄ 20—30%.

Повышение концентрации H₂S0₄ от 20 до 50% приводит к снижению скорости коррозии. В указанных средах сплав корродирует в активном состоянии; если же он находится в пассивном состоянии, то при повышении концентрации серной кислоты более 50% скорость коррозии возрастает.

В растворах фосфорной кислоты при концентрации до 70% и температуре до 80°С скорость коррозии сплава 04ХН40МДТЮ не превышает 0,05 мм/год. Сталь мог жет быть использована в полифосфорной кислоте концентрацией ПО—115% при повышенных температурах (скорость коррозии при 135°С в газовой фазе менее 0,007 мм/год, в жидкой 0,15 мм/год; в 10%-ной HFпри 70°С скорость коррозии сплава составляет 0,11 мм/год).

Сплав применяют для аппаратурного оформления газоконденсатных месторождений с содержанием в природном газе до 6% H₂Sи до 6% С0₂. Скорость коррозии сплава в дистилляте, насыщенном сероводородом при температуре до 70 °С и давлении до 1,7 МПа, не превышает 0,0003 мм/год.

Сплав 04ХН40МДТЮ не склонен к КР в кипящем 42 % -ном растворе MgCl₂ при напряжениях, равных 0,75, и 1,2σο,₂и 0,92<т_в, а также в технологических растворах кислородных соединений хлора, содержащих 200 г/л NaCl +окислитель, при 90 °С.

Все указанные испытания коррозионной стойкости проводили на сплаве, получившем максимальное упрочнение, т. е. старение при 650 °С в течение 5 ч (с охлаждением на воздухе) непосредственно после горячей пластической деформации.

Сплав имеет удовлетворительную стойкость против-сульфидного растрескивания при испытании в насыщенной сероводородом дистиллированной воде и в растворе, содержащем 60 г/л хлористого натрия с добавкой уксусной кислоты до рН 2—3. Сплав испытывали в условиях периодического нагружения пружин (при максимальных напряжениях 70—90% предела текучести), изготовленных из проволоки диаметром 1—3,2 мм с σо,2= Ι250- 1850 МПа. Его можно использовать также в условиях воздействия криогенных температур.

Однако исследования показали, что из этого материала могут быть получены аргонно-дуговой сваркой соединения без образования горячих трещин при толщине сварных элементов до 6 мм. Наивысшую устойчивость против образования горячих трещин в околошовной зоне сплав получает после обработки по схеме: деформация + низкотемпературное старение (650 °С). Контактная шовная сварка сплава 04ХН40МДТЮ в толщинах 0,16—0,26 мм, а также со сталью 12Х18Н10Т и сплавом 03ХН28МДТ обеспечивает получение качественного сварного шва и высокой вакуумной плотности.

Высокопрочный коррозионностойкий сплав 03ХН40МТЮБР

Сплав 03ХН40МТЮБР представляет собой низкоуглеродистый высокопрочный дисперсионно-твердеющий немагнитный свариваемый материал аустенитного класса, устойчивый в пароводяных смесях высоких параметров и горячей морской воде при рабочих температурах эксплуатации до 350 "С в условиях воздействия напряжений. Он пригоден для работы в тропических условиях.
Ниже приведен химический состав сплава 03ХН40МТЮБР, % (по массе): С до 0,03; Siдо 0,20, Μn1—2; Sдо 0,020; Ρ до 0,030; Сr 15,5—17,5; Ni40— 42; Mo4,5—6,0; Ti2,0—2,7; Αl0,4—0,8; Nb0,4—0,7; В 0,002 (по расчету).
Особенность сплава — высокая чувствительность к термической обработке. Так, в зависимости от режима термической обработки предел текучести изменяется от 550'до 1000 МПа.
После закалки, заключающейся в гомогенизирующей выдержке и последующем быстром охлаждении, сплав характеризуется структурой γ-твердого раствора с незначительным количеством равномерно распределенных выделений фаз внедрения Nb(С, N) и Ti(С, N). Твердый раствор является пересыщенным, поскольку в нем растворены избыточные фазы, присутствующие в сплаве при пониженных температурах нагрева. Степень гомогенности такого структурного состояния определяется температурой закалки, которая может изменяться в широких пределах от 850 до 1200 "С. Чем выше температура закалки, тем однороднее структура сплава. Закаленный сплав характеризуется минимальными прочностными свойствами и максимальной пластичностью. При температурах закалки, близких к 850°С, не достигается состояние однородного γ-твердого раствора и сплав находится в упрочненном состоянии. При температурах закалки, превышающих 1200 °С, происходит интенсивный рост зерна: при температуре порядка 1250 °С и выше наблюдается оплавление границ зерна и возникновение элементов структуры, характерной для литого состояния.
Оптимальная термическая обработка сплава — закалка с 1100 °С с охлаждением в воде или на воздухе. Для толстостенных изделий желательно резкое охлаждение в воде или душирование. В результате такой обработки устраняется наклеп от предшествующей горячей пластической деформации, обеспечиваются сравнительно мелкозернистая структура, получение достаточно гомогенного γ-твердого раствора и разупрочненное состояние металла с пределом текучести 200—400 МПа при высоких показателях пластичности (6>50%).
Старение в интервале 600—850 °С сопровождается интенсивным упрочнением сплава, обусловленным в основном процессом выделения из твердого раствора интерметаллической γ'-фазы типа Nij (Ti, А1) глобулярной формы с г.ц.к. решеткой. Размер выделяющихся частиц ν'-фазы составляет 10—25 нм. Упрочнение сопровождается уменьшением пластичности сплава. На листе толщиной 0,2—1 мм после старения при 750 °С в течение 15 ч достигается следующий уровень свойств: σ=1200 МПа; σ0,2=1000 МПа; σ0,οο2=860 МПа; б = = 12%; HV480. В структуре состаренного сплава обнаружено около 15% упрочняющей γ'-фазы. В случае повышения температуры старения до 850 °С уже после старения продолжительностью 15 ч в структуре сплава! обнаружены выделения частиц интерметаллической η-фазы (типа NigTi) с г.ц.к. решеткой, что вызывает уменьшение достигнутого уровня свойств. Образование η-фазы свойственно перестаренному состоянию, характеризуемому неблагоприятными пластинчатыми выделениями этого интерметаллида.
Пластическая деформация существенно влияет на свойства сплава. В табл. 3 приведены свойства сплава, подвергнутого регламентированной горячей прокатке и быстрому охлаждению, т. е. по существу высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО). Прокатку выполняли в интервале 1100—950°С при ε=30%, охлаждение проводили сразу после прокатки, в воде. Охлаждением фиксировали субструктуру, полученную при прокатке.
Высокий уровень прочностных свойств может быть достигнут посредством использования эффекта упрочнения при холодной пластической деформации. Табл. 4 дает представление о свойствах сплава, подвергнутого после закалки холодной пластической деформации (прокатки) и последующему старению, т. е. механотермической обработке.
При сравнительно высокой пластичности (14%) уровень предела текучести достигает 1200 МПа в результате старения металла, продеформированного со степенью холодной пластической деформации 25—30%.