СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке высокопрочных коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей криогенной техники, и может быть использовано в энергетическом машиностроении при изготовлении высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723К.

Известен способ термомеханической обработки мартенситной стали, включающий нагрев до температуры аустенизации, горячую пластическую деформацию, последеформационную выдержку, охлаждение и отпуск [патент РФ №2055911, C21D 8/00]. Этот способ обеспечивает требуемое деформационное упрочнение мартенситностареющих сталей криогенной техники, однако при этом формируется преимущественно мартенситная структура, склонная к хладноломкости.

Для повышения сопротивления хладноломкости мартенситных сталей известны способы термической обработки, основанные на тепловой стабилизации аустенита с формированием двухфазной аустенитно-мартенситной структуры. В частности, известен способ термической обработки коррозионно-стойкой мартенситностареющей стали марки 08Х15Н5Д2Т (ВНС-2), включающий закалку от 950°C, охлаждение и изотермическую выдержку в межкритическом интервале М_Н÷М_К, немедленный стабилизирующий отпуск при 250°C, обработку холодом и окончательный отпуск [Потак Я.М. Высокопрочные стали. М.: Металлургия, 1972, 208 с.]. В результате такой обработки в мартенситной стали формируется до 20% остаточной аустенитной фазы, что позволяет повысить сопротивление хрупкому разрушению при низких температурах.

Тепловая стабилизации аустенита в данном случае основана на закреплении дислокаций примесями внедрения по механизму деформационного старения, что приводит к замедлению прямого γ→α мартенситного превращения. Однако такого рода тепловая стабилизация слабо выражена в безуглеродистых мартенситностареющих сталях криогенной техники вакуумной выплавки, что связано с минимальным количеством примесей внедрения и практическим отсутствием эффекта деформационного старения.

Известны способы термической обработки, основанные на тепловой стабилизации вторичного (ревертированного) аустенита в процессе термоциклирования в межкритическом интервале А_С1÷А_С3 обратного α→γ превращения. В частности, известен способ термической обработки, включающий многократную закалку (аустенизацию) от температуры 820°C, не превышающей порога рекристаллизации аустенита после фазового наклепа [Перкас М.Д. Структура, свойства и области применения высокопрочных мартенситностареющих сталей // МиТОМ, 1985. №5. С.23-33]. Недостатком этого способа является необходимость проведения многократной закалки (от трех до пяти раз) для стабилизации требуемого количества аустенитной фазы, а также недостаточная деформационная устойчивость сформированной таким образом аустенитной фазы.

Наиболее близким техническим решением является способ термической обработки мартенситностареющей стали, включающий предварительную многократную закалку (аустенизацию) для измельчения аустенитного зерна, нагрев и изотермическую выдержку в межкритическом интервале обратного превращения для тепловой стабилизации вторичного аустенита, низкотемпературную аустенизацию, закалку, стабилизирующий отпуск и старение [авторское свидетельство СССР №541876, C21D 1/78]. Этот способ позволяет обеспечить требуемое количество аустенитной фазы, однако формируемая таким образом аустенитная фаза имеет недостаточно высокую устойчивость (стабильность) по отношению к мартенситному превращению при пластической деформации в криогенных средах. В условиях эксплуатации высоконагруженных металлических уплотнений разъемных соединений криогенной техники, имеющих герметизирующие гальванические покрытия, такого рода структурная нестабильность приводит к отслоению герметизирующего покрытия, а также к преждевременному разрушению уплотнений по механизму водородной хрупкости и многоцикловой усталости.

Задача изобретения - создание способа термической обработки, позволяющего повысить структурную стабильность и сопротивление водородной хрупкости высокопрочных коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей криогенной техники, имеющих двухфазную аустенитно-мартенситную структуру.

Задача решена за счет того, что в способе термической обработки, включающем высокотемпературную аустенизацию, совмещенную с горячей пластической деформацией, нагрев и изотермическую выдержку в межкритическом интервале обратного α→γ превращения, низкотемпературную аустенизацию, закалку и старение, изотермическую выдержку проводят в температурном интервале на 20÷60°C выше точки начала обратного превращения А_С1, низкотемпературную аустенизацию проводят выше точки конца обратного превращения А_С3 в температурном интервале А_С3÷А_С3+30°C, а после охлаждения с температуры закалки проводят обработку холодом при -70°C.

Другое отличие состоит в том, что высокотемпературную аустенизацию, совмещенную с горячей пластической деформацией, проводят при 950÷1150°C, изотермическую выдержку в межкритическом интервале проводят при 580÷620°C, а низкотемпературную аустенизацию проводят в температурном интервале 740÷770°C.

В процессе термической обработки по предложенному способу формируется до 25% стабильного аустенита в виде тонких фазонаклепанных прослоек между рейками пакетного мартенсита. Механизм тепловой стабилизации в данном случае основан на диффузионном обогащении никелем аустенитной фазы в процессе обратного α→γ мартенситного превращения, протекающего с признаками нормального (диффузионного) превращения. Кроме того, определенный вклад в стабилизацию вносит дисперсность аустенитной фазы, а также упругие напряжения сжатия аустенитных прослоек между мартенситными кристаллами, вызванные объемными изменениями в процессе полиморфного ГЦК→ОЦК превращения.

Проведение высокотемпературной аустенизации и горячей пластической деформации при 950÷1150°C позволяет сформировать развитую дислокационную субструктуру металла и обеспечить требуемую геометрическую форму кольцевых заготовок уплотнительных элементов.

Проведение изотермической выдержки в первой половине межкритического интервала А_С1÷А_С3 (при температуре на 20÷60°C выше точки А_С1) повышает степень обогащения никелем дисперсной γ-фазы и ее структурную стабильность. При температуре ниже А_С1+20°C образуется недостаточное количество дисперсной γ-фазы, при температурах выше А_С1+60°C эта фаза менее обогащена никелем и имеет недостаточную структурную стабильность по отношению к мартенситному превращению.

Последующий нагрев до температуры полной аустенизации, но не выше порога рекристаллизации после фазового наклепа, позволяет сохранить фазовый наклеп и концентрационную неоднородность аустенитной фазы. При температуре выше А_С3+30°C происходят диффузионные процессы гомогенизации и рекристаллизации аустенитной матрицы, что уменьшает количество стабильной аустенитной фазы. При температурах ниже А_С3 (неполная аустенизация) сохраняется некоторое количество мартенсита высокого отпуска, что ухудшает прочностные свойства стали.

Проведение обработки холодом при температуре -70°C (ниже точки конца мартенситного превращения) необходимо для максимально полного мартенситного превращения и исключения из фазового состава микрообъемов нестабильной аустенитной фазы.

Старение при 500°C на заключительном этапе термической обработки повышает прочностные свойства по механизму дисперсионного упрочнения мартенсита, при этом "мягкие" прослойки дисперсной γ-фазы обеспечивают высокое сопротивление хрупкому разрушению при криогенных температурах.

Заготовки горячекатанного прутка нагревали до температуры аустенизации 1150°C и подвергали горячей пластической деформации ковкой в температурном интервале 950÷1150°C, охлаждение на воздухе. Затем кованные заготовки повторно нагревали до температуры аустенизации 1150°C и подвергали горячей пластической деформации раскаткой в температурном интервале 950-1150°C, охлаждение на воздухе. Материал заготовок: коррозионно-стойкая мартенситностареющая сталь мартенситного класса, содержащая 0,03% углерода, 10,5% хрома, 8,0% никеля, 4,5% кобальта, 1,8% молибдена, 0,3% ванадия, остальное железо и примеси. Критические точки полиморфных превращений указанной стали: А_С1=560°C, А_С3=740°C.

Раскатные кольца термообрабатывали по режиму: нагрев и изотермическая выдержка в температурном интервале 580÷620°C, время выдержки 3 часа, охлаждение на воздухе, нагрев до температуры аустенизации 740÷770°C, время выдержки 0,5 часа, закалка от температуры 740÷770°C, охлаждение на воздухе, обработка холодом при -70°C, время выдержки 2 часа, старение при 500°C, время выдержки 3 часа. Затем образцы-свидетели раскатных колец подвергали гальванической обработке, имитирующей нанесение герметизирующего медно-серебряного покрытия на уплотнительные элементы. При такой обработке происходит насыщение металла диффузионно-подвижным водородом до 5 см³/100 г.

Механические свойства и фазовый состав мартенситностареющей стали, обработанной по предложенному способу, показаны в таблице 1.

После термообработки по предложенному способу мартенситностареющая сталь имеет высокий комплекс механических свойств при нормальной и криогенной температурах испытания. В наводороженном состоянии сталь сохраняет высокое сопротивление водородной хрупкости, оцениваемое по результатам испытания разрывных образцов со скоростью растяжения V=5 мм/мин (относительное сужение (составляет 55% при температуре испытания 77К, при этом нормативные значения ψ≥35%). По результатам контроля фазового состава обеспечивается высокая структурная стабильность аустенитной фазы (количество аустенита в разрывных образцах до и после испытаний практически не изменяется). Стендовые испытания упругих уплотнений из мартенситностареющей стали, обработанной по предложенному способу, показали высокую работоспособность и герметичность разъемных соединений.

Предложенный способ найдет применение в ракетно-космической и уплотнительной технике, в частности, при изготовлении упругих металлических уплотнений для разъемных соединений агрегатов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с криогенными компонентами топлива.