СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА С НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к обработке металлов давлением, а именно к технологии получения заготовок сталей аустенитного класса с нанокристаллической структурой, и может быть применено при изготовлении сосудов высокого давления для теплоэнергетики и химической промышленности.

Известные способы измельчения зерен можно условно разделить на три группы. К первой группе относят чисто металлургические процессы, основанные на варьировании температурно-скоростных условий кристаллизации, легировании расплава модифицирующими элементами как Nb, Ti, Zr, Al, V, ультразвуком или электромагнитном воздействии на расплав [1], сверхбыстрой закалке из лент [2], испарении и конденсации материала в инертной среде [3, 4], плазменном распылении [5, 6], электровзрыве проводников [7], неравновесной конденсации в высокоскоростных потоках газа [8, 9] и т.д. Вторая группа методов измельчения зерен в сплавах связана с методами химического синтеза, например, получение многокомпонентных ультрадисперсных порошков гетерофазным взаимодействием в щелочных растворах, электролитическое послойное осаждение и аморфная кристаллизация [10, 11]. Третья группа методов включает различные способы обработки материалов, такие как традиционная термомеханическая обработка (ТМО), различные виды интенсивной пластической деформации (ИПД) с динамической [12, 13] или последующей статической [14] рекристаллизацией, а также обработка порошковых материалов в шаровых мельницах (так называемое механическое легирование) [15].

Методами первой и второй групп, как правило, получают нанокристаллические структуры с размером зерен порядка 10 нм. Большинство из них основано на компактировании порошков. Некоторые из этих методов были успешно использованы для формирования и изучения структуры и свойств нанокристаллических материалов. Однако развитие этих способов проблематично в связи с наличием пористости (до 10%) в компактированных, спеченных образцах, их высокой хрупкостью и сложностью контролирования химической чистоты сплава в процессе его получения. Кроме того, перечисленные методы не позволяют получать массивные заготовки с нанокристаллической структурой, достаточные для проведения полноценных исследований физико-механических свойств и изготовления полуфабрикатов для их промышленного применения.

Использование методов третьей группы позволяет получать нанокристаллические структуры в материалах со средним размером зерен около 100 нм со специальными высокоугловыми границами [16] и обладают двумя важными достоинствами: не приводят к образованию пористости, могут применяться как к чистым металлам, так и к сплавам и интерметаллидным соединениям. Методы ИПД основаны на создании в материале высокой плотности дефектов кристаллического строения (дислокации, границ зерен) в исходных совершенных (или почти совершенных) поли- и монокристаллах. Под ИПД подразумеваются истинные степени деформации e≥5 [17].

Применительно к аустенитным сталям известен способ обработки холодной деформацией с промежуточными отжигами. Так, в патенте US 4421572 (опубл. 20.12.1983) предложен метод холодной деформационной обработки с промежуточными отжигами при температуре 1010-1038°С в течение 60-90 секунд для уменьшения радиационного распухания стали AISI 316.

Способ обработки, совмещающий ИПД и ТМО, представлен в патенте UA 79726 С2 (2007 г.). Получение в стали Х18Н10Т структуры с размером фрагментов менее 1 мкм достигается за счет сочетания следующих операций: пластическая деформации методом всестороннего сжатия при низких температурах -40…-100°С (что обеспечивает получение мартенсита с размерами фрагментов 0,06-0,09 мкм), нагрев до температуры выше температуры старения и выдержка при этой температуре до конца преобразования мартенсита в аустенит и закалки на аустенит. Сталь с полученной структурой характеризуется повышенной прочностью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения ультрамелкозернистой структуры в стали аустенитного класса, раскрытый в статье [18]. В [18] образцы аустенитной стали были деформированы в вакууме при 873 К методом многократной ковки с последовательным изменением оси ориентации на 90°. Истинная степень деформации за одну осадку составляла 0,4 при скорости деформации 8×10^-4 с^-1, суммарная степень деформации достигла 6,4. После каждой осадки образцы охлаждались в воде и затем нагревались до 873 К в течение 0,6-0,8 ксек. В результате данной обработки была получена ультрамелкозернистая структура со средним размером зерен 300 нм. Недостатком описанного способа является то, что он не позволяет получить нанокристаллическую структуру в стали, высокая трудоемкость процесса ковки из-за наличия охлаждений и нагревов заготовки после каждой осадки.

Задачей изобретения является разработка способа изготовления заготовок аустенитных сталей с нанокристаллической структурой, а также снижение трудоемкости ковки.

Технический результат заключается в

- получении однородной нанокристаллической структуры заготовки, благодаря которой происходит значительное повышение прочностных свойств стали как при комнатной, так и при повышенных температурах, что обусловлено получением однородной нанокристаллической структуры заготовок при осуществлении предлагаемого способа;

- снижении трудоемкости ковки.

Поставленная задача решается предложенным способом изготовления заготовок стали аустенитного класса с нанокристаллической структурой, включающим многократную изотермическую ковку заготовки при постоянной температуре с минимальной истинной степенью деформации за одну осадку не менее 0,4 и последовательным изменением оси ориентации на 90°, в который внесены следующие новые признаки:

- предварительная закалка заготовки с 1373 К;

- многократную изотермическую ковку проводят со скоростью деформации от 10^-2 до 10^-1 с^-1 и с суммарной истинной степенью деформации не менее 3, при температуре, лежащей в интервале 773-973К, после чего проводят отжиг заготовки при температуре выше температуры изотермической ковки на 50 К в течение 1-5 часов.

Основными отличиями предложенного способа от прототипа являются: более высокие скорости деформации при осадке, отсутствие охлаждений и нагревов заготовки между осадками, наличие отжига для стабилизации микроструктуры после ковки.

Предлагаемое изобретение характеризуют следующие графические материалы:

Фигура 1. Схема термомеханической обработки стали 08Х18Н10.

Фигура 2. Фотография зеренной структуры стали, полученная на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2100.

Пример осуществления.

В примере осуществления использовалась сталь 08Х18Н10, предварительно закаленная с 1373 К в воду, имеющая исходный размер зерна 25 µm. Заготовка размером 85×50×50 мм³ была подвергнута термомеханической обработке (ТМО), состоящей из многократной изотермической ковки с последовательным изменением оси ориентации на 90° при 873 К с истинной степенью деформации за одну осадку 0,4 при скорости деформации от 10^-2 до 10^-1 с^-1, общего количества осадок 10, суммарной истинной степенью деформации 4 и последующего отжига при 923 К в течение 3 часов (фиг.1). Ковка проводилась без охлаждения и подогревов заготовки между осадками. Средний размер зерна после ТМО составил 100 нм (фиг.2).

Механические испытания на растяжения проводились по ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре и по ГОСТ 9651-84 при повышенных температурах (табл.1).

Источники информации

[1] О.Л.Кайбышев Сверхпластичность промышленных сплавов. - М.: Металлургия, 1984. - 264 с.

[2] Wurschum R., Greiner W., Valtev R.Z., Rapp М., Sigle W., Schneeweiss O. and Schaefev H.E. Interfacial Free Volumes in Ultra-Fine Grained Metals of Amorphous Alloys // Scr.Met.et Mater. - 1991. - P.456-564.

[3] Birrenger R. and Gleiter H. Nanocrystalline materials // Encyclopedia of Materials Science and Engineering ed. R.W.Cahn, Pergamon Press. - 1988. - Vol.1 (Suppl.). - P.339-349.

[4] Froes F.H. and Suryanarayna. Nanocrystalline Metals for Structural Applications // JOM. - 1989. - №6. - P.12-17.

[5] Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах. - М.: Наука, 1984. - С.320; Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. - М.: Атомиздат, 1977. - 264 с.

[6] Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. - М.: Атомиздат, 1977. - 264 с.

[7] Коюв Ю.А., Яворский Н.А. Исследование частиц, образующихся при электрическом взрыве проводников // Физика и химия обработки материалов. - 1978. - №4. - С.24.

[8] Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах. - М.: Наука, 1984. - С.320; Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперспые металлические среды. - М.: Атомиздат, 1977. - 264 с.

[9] Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. - М.: Атомиздат, 1977. - 264 с.

[10] Сверхмелкое зерно в металлах. Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1973. - 384 с.

[11] Gleiter H., Nanostructured Materials: state of art and perspectives // Nanostructured Materials. - 1995. - vol.6. - P.3-14.

[12] Kaibyshev O., Kaibyshev R., Salishchev G. Formation of submicrocrystalline structure in materials during dynamic recrystallization // Mater. Sci. Forum - 1993. - Vol.113-115. - P.423-428.

[13] Жеребцов С.В., Галеев, P.M., Валиахметов О.Р., Малышева С.П., Салищев Г.А., Мышляев М.М. Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией и их механические свойства // КШП. - 1999. - №7. - С.17-22.

[14] Valiev R.Z., Krasilnikov N.A. and Tsenev N.K. Plastic deformation of alloys with submicron-grained structure // Mater. Sci. and Eng. - 1991. - A137. - P.35-40.

[15] Shhultz L., Hellstern E. Glass formation by mechanical alloying / in Science and Technology of Rapidly Quenched Alloys, ed. by M.Tenhover, L.E.Tanner, W.L.Jonson // Materials Science Society. - 1987. - Vol.24. - P.145-150.

[16] Валиев Р.З. Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

[17] Saito Y., Tsuji N., Utsunomiya H. et. al. Ultra-fine grained bulk aluminum produced by Accumulative Roll-Bonding (ARB) process // Scripta Mater. - 1998. - № 39. - P.1221-1227.

[18] Belyakov A., Sakai T. and Miura H. Fine-Grained Structure Formation in Austenitic Stainless Steel under Multiple Deformation at 0.5T_m // Material Transactions, - 2000. - Vol.41. - № 4 - P.476-484.