Научный потенциал, практический опыт создания и применения экономнолегированных сталей позволяют эффективно решить задачу максимального использования легирующих элементов украинского производства путем микролегирования или легирования азотом, ванадием и другими активными нитридообразующими элементами, при этом потребность в импортируемых легирующих элементах будет минимальной.
Одной из причин кризиса производства машиностроительной продукции в Украине является ее неконкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках по показателям металлоемкости, надежности и долговечности. Основы этого кризиса были заложены еще в СССР директивным ограничением применения высококачественных конструкционных сталей, легированных никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием и рядом других элементов при проектировании изделий гражданского назначения.

ПРОЧНО И КАЧЕСТВЕННО

ПРОЧНО И КАЧЕСТВЕННО

Юрий Бабаскин, член-корреспондент НАН
Украины, Сергей Шипицын, доктор технических наук,
Иван Кирчу, кандидат технических наук
(Физико-технологический институт металлов и
сплавов НАН Украины)

Научный потенциал, практический опыт
создания и применения экономнолегированных
сталей позволяют эффективно решить задачу
максимального использования легирующих
элементов украинского производства путем
микролегирования или легирования азотом,
ванадием и другими активными нитридообразующими
элементами, при этом потребность в импортируемых
легирующих элементах будет минимальной.

Одной из причин кризиса производства
машиностроительной продукции в Украине является
ее неконкурентоспособность на внутреннем и
внешнем рынках по показателям металлоемкости,
надежности и долговечности. Основы этого кризиса
были заложены еще в СССР директивным
ограничением применения высококачественных
конструкционных сталей, легированных никелем,
молибденом, вольфрамом, ванадием и рядом других
элементов при проектировании изделий
гражданского назначения.

В Украине практически отсутствуют
сырьевые ресурсы этих легирующих элементов и
крайне ограничена номенклатура производства
стального литья, поковок и проката из
высококачественных сталей. Поэтому
перспективная потребность машиностроения в них
может решаться путем импорта или организации
собственного их производства с импортом
необходимых легирующих элементов. Альтернативой
этому является освоение производства
высококачественных сталей с карбонитридным
упрочнением. В этом случае будет достигнуто не
только значительное снижение потребности в
импорте дорогостоящих легирующих элементов, но и
более высокий уровень эксплуатационных свойств
металлопродукции.

В индустриально развитых странах мира и
в СССР уже начиная с 60-70-х годов ХХ века различные
виды карбонитридного упрочнения как наиболее
экономичного способа повышения прочности
конструкционной стали нашли широкое применение
при производстве проката из низкоуглеродистых
сталей, предназначенного для эксплуатации в
условиях статических нагрузок. Однако попытки
его применения в случае эксплуатации в условиях
циклических знакопеременных нагрузок оказались
безуспешными. Повышение статической прочности,
как правило, сопровождалось снижением
циклической.

Выполненные в ФТИМС НАН Украины
исследования показали, что противоположная
закономерность изменения статической и
циклической прочности является следствием
несовершенства применявшейся технологии
производства конструкционных сталей с
карбонитридным упрочнением. Она не
регламентирует в требуемых пределах факторы,
определяющие развитие химической, физической и
структурной неоднородности, от которой зависит
пластичность и циклическая прочность стали.

Основными из них являются влияние
соотношения температур аустенитизации и
равновесного растворения нитрида на степень
коагуляции (размер) его частиц, содержания азота
и нитридообразующего элемента в твердом
растворе и частиц нитрида в аустените на его
устойчивость к переохлаждению, частиц нитрида на
стабилизацию мелкого зерна аустенита, смещение
места зарождения центров феррита при
диффузионном превращении и специальных карбидов
при высоком отпуске мартенсита, сегрегации
примесей и коагуляции фаз внедрения от
межзеренных границ к межфазным нитрид-металла в
объем зерна.

Разработанная технология обеспечивает
комплексное повышение основных технологических
и эксплуатационных свойств не только
конструкционных, но и кузнечно-прессовых,
13%-хромистых нержавеющих, коррозиестойких и
жаропрочных сталей, включая трещиноустойчивость
при литье и сварке, статическую и циклическую
прочность, вязкость разрушения, хладостойкость,
износостойкость, коррозионную стойкость,
теплостойкость, термоусталостную прочность и
жаропрочность.

Реализация технологии не требует
капитальных затрат и осуществима при выплавке
стали в мартеновских, дуговых и индукционных
электропечах и конвертерах.

Техническая новизна приведенных в
статье марок сталей с карбонитридным
упрочнением защищена авторскими
свидетельствами.

Конструкционные стали

Высокопрочные бурильные трубы нефтяного
сортамента ТБПК размером 127х11 мм категории
прочности "Е" и "Л", предназначенные для
глубокого бурения, в странах СНГ и за рубежом
изготавливаются преимущественно из стали марки
38ХНМ. Трубы применяются предпочтительно в
нормализованном состоянии, так как при закалке у
значительной их части развивается недопустимая
эллипсность сечения. В 70-е годы в СССР была
выполнена целевая Государственная
научно-техническая программа, направленная на
изыскание возможности разработки более дешевой
марки стали, не содержащей никель и молибден,
адекватной стали марки 38ХНМ по характеристикам
прочности, вязкости разрушения при минус 60оС и
усталостной прочности в нормализованном
состоянии. В табл.1 приведены гарантированные
механические свойства (образцы из высаженных
концов труб), температура сохранения в изломе
ударных образцов 50% вязкой составляющей и
усталостная прочность труб из разработанных
марок сталей.

Только освоенная в середине 80-х годов на
Азербайджанском трубопрокатном заводе
разработанная сталь марки 32ХГ2САФ (Ту14-1-1293-84) и
технология ее изготовления обеспечили
производство бурильных труб категории прочности
"Е" и "Л" с уровнем свойств не только
адекватным, но и более высоким, чем из стали 38ХНМ.
Экономическая эффективность применения стали
марки 32ХГ2САФ вместо марки 38ХНМ слагается из
повышения надежности и долговечности бурильных
труб в эксплуатации, снижения себестоимости
легирования 1 т стали на 165 USD и термической
обработки — примерно на 70 USD. В отличие от стали
марки 38ХНМ, в слитках, трубной заготовке, после
калибровки и правки горячекатаных труб и
нормализации труб с высаженными концами из стали
32ХГ2САФ остаточные напряжения не достигают
критического уровня образования холодных
трещин. Это позволило устранить из технологии
металлургического передела охлаждение слитков и
трубной заготовки в обогреваемых колодцах и
отпуски после правки и нормализации труб.

Столь же эффективна разработанная
технология карбонитридного упрочнения и при
производстве других видов металлопродукции из
конструкционных сталей (табл. 2).

Сталь марки 14ХГ2САФ освоена на
Орско-Халиловском МК вместо марки 14ХГ2САФДТ
(Ту14-1-3323-82). При этом достигнуто повышение класса
прочности листа толщиной 12-40 мм в
нормализованном состоянии с 60/50 до 70/60 и в
улучшенном — с 70/60 до 80/70 и устранение
несоответствия 25% листа требованиям ТУ по загибу
на 120оС и 180оС и ударной вязкости при минус 40оС.
Одновременно снижена себестоимость 1 т стали на 17
USD вследствие устранения легирования медью и
титаном и снижения в два раза содержания ванадия
и азота.

На МК "Азовсталь" освоена сталь
марки 22Г2САФ и ее разливка на УНРС вместо стали
20Г2АФпс В горячекатаном состоянии класс
прочности арочной крепи повышен с 440 до 500 при
одновременном снижении степени легирования
ванадием и азотом в 2,5 и 1,5 раза соответственно.
Себестоимость легирования 1 т стали уменьшена на
19 USD, а значение сквозного расходного
коэффициента по прокатному производству снижено
с 1,135 до 1,100. Снижение себестоимости арочной крепи
достигается также вследствие устранения
операции прокатки слитков на блюминговом стане.

Сталь марки 45ХАФ освоена на
Ново-Кузнецком МК и КамАЗе. Согласно данным
(отчеты КамАЗа №37.104.05.1338-80 и №37.104.04.3555-90)
стендовых статических и циклических (на базе 106
циклов нагрузок 7-17 т) испытаний балок передней
оси автомобиля КамАЗ (из сталей марок 45 и 45ХАФ) и
шведского грузового автомобиля "Volvo" (из
стали марки типа 45Х), предел пропорциональности
балок из сталей марок 45, 45Х и 45ХАФ составляет 5,5; 7,2
и 8,1 т соответственно. А усталостная
долговечность балок из стали марки 45ХАФЛ выше в
3,5 и 2 раза, чем у балок из сталей 45 и 45Х
соответственно.

Сталь марки 20ХГСАФЛ освоена на
Люблинском литейно-механическом заводе для
литья корпусов автосцепного устройства, боковых
рам и надрессорных балок грузовых вагонов.
Стендовые и натурные испытания показали, что она
обеспечивает производство корпусов третьей
категории свойств (табл. 2), включая значения К1с
при минус 60оС более 100 МПа м1/2 и повышенную в 1,5 и 2,0
раза усталостную долговечность по сравнению с
корпусами из сталей второй (20Г1ФЛ) и первой (20ГЛ)
категории свойств.

На Фроловском сталелитейном заводе
освоено производство звеньев гусеницы и опорных
катков из стали марки 30ХАФЛ. Стендовые и натурные
испытания их эксплуатационных свойств выполнены
ПФ НАТИ на тракторах ДТ-75М, ДТ-75МВ и ДТ-75БВ. По
заключению ПФ НАТИ, применение стали марки 30ХАФЛ
обеспечивает повышение абразивной
износостойкости звеньев гусеницы в 1,9 раза по
сравнению с гусеницами из стали марки 110Г13Л и
опорных катков в 2,4 раза по сравнению с катками из
стали 45ФЛ. Ресурс их работы превышает 6000
моточасов.

На Тульском оружейном заводе освоено
производство литья по выплавляемым моделям из
стали 50АФЛ вместо стали 50Л. В нормализованном
состоянии достигнуто повышение предела
прочности с 490 до 740 МПа, относительного удлинения
с 5 до 16% и ударной вязкости с 0,15 до 0,40 МДж/м2, а
также снижение дефектности литья по горячим
трещинам с 37 до 11%. Освоена также сталь марки
30ХГ2С3МАФЛ вместо стали 17Х3Г5Н2МЛ. В улучшенном
состоянии достигнуто повышение предела
прочности с 1300 до 1750 МПа при сохранении уровня
пластических свойств. Себестоимость легирования
снижена на 226 USD.

На Волгоградском заводе им. Петрова
освоена сталь марки 20Х5АФЛ вместо стали марки
20Х5МЛ для отливок рабочих колес нефтяных насосов
нефтепровода "Дружба". Предел текучести в
улучшенном состоянии увеличен с 780 до 980 МПа при
сохранении уровня пластических свойств. После 5
лет эксплуатации геометрия лопаток сохранилась
практически неизменной, КПД насосов увеличился с
0,800 до 0,813.

Кузнечно-прессовые стали

Для изготовления средних и крупных
кузнечных штампов для горячей деформации в
Украине и за рубежом в основном применяется
сталь типа 5ХНМ (Л), отличающаяся высокой ударной
вязкостью, но пониженной теплостойкостью.
Повышение теплостойкости сталей достигается
повышением суммарной степени легирования
молибденом, вольфрамом, ванадием, но при этом
происходит пропорциональное снижение их ударной
вязкости. Это ограничивает области применения
высоколегированных сталей мелкими,
преимущественно прессовыми, штампами.

Карбонитридное упрочнение решает задачу
не только повышения теплостойкости и других
эксплуатационных свойств стали марки 5ХНМ (Л), но
и экономии молибдена. Стали марок 5ХНМАФ(Л) и
5ХНАФ(Л) обладают практически одинаковыми
технологическими и эксплуатационными
свойствами, в том числе последняя не склонна к
обратимой отпускной хрупкости. Достигается
повышение прочности при 600оС с 400 до 720 МПа,
теплостойкости — на 100-150оС, термостойкости — в 3
раза и горячей износостойкости в — 1,4 раза.
Освоение стали 5ХНМАФ(Л) на Челябинском заводе им.
Орджоникидзе и ЧТЗ, волгоградском заводе
"Баррикады", Херсонском заводе карданных
валов (РД37.002.0518.87) обеспечило повышение
долговечности кузнечно-прессового инструмента в
1,5-2,5 раза.

Для тяжелонагруженного
кузнечно-прессового инструмента горячего
деформирования и пресс-форм литья под давлением
разработана высоко теплостойкая
экономнолегированная сталь марки 30Х6МАФЛ (0,8-1,0%
Мо; 0,8-1,2% V). Ее ударная вязкость значительно
превосходит значения стандартной стали 4Х5МФ1СЛ —
0,35 и 0,07 МДж/м2 соответственно. По теплостойкости
она приближается к стали 5Х3В3МФС (3,0-3,5% W; 1,2-1,5% Mo;
1,0-1,6% V). Сталь марки 30Х6МАФЛ освоена на Херсонском
заводе карданных валов для производства литых
матриц горячего выдавливания вместо их
изготовления из проката стали марки 5Х3В3МФС
(Рд.37.002.0518-87). Себестоимость легирования 1 т стали
снижена на 420 USD, а долговечность матриц повышена
с 3-4 тыс. до 10-12 тыс. штамповок.

Нержавеющая 13%-хромистая сталь

Карбонитридное упрочнение литой и
деформируемой стали марки 20Х13(Л) обеспечивает
повышение предела текучести с 450 до 750 МПа,
ударной вязкости с 0,8 до 1,4 МДж/м2, предела
выносливости при 500оС на базе 107 циклов с 200 до 350
МПа, времени до разрушения под нагрузкой 220 МПа и
при температуре 550оС с 50 до 900 часов,
износостойкости при абразивном, гидроабразивном
и трении скольжения в 2-6 раз, коррозионной
стойкости в кислотах и водных сероводородных
растворах с ионами хлора (рН-8) в 2-3 раза.

Сталь марки 20Х13АФЛ освоена на СНПО им.
Фрунзе (ТУ Н.05.03.201.00-00). Промышленные испытания
рабочих колес насоса ЦНС-180-1422М-№8 из стали 20Х13АФЛ
при перекачке грунтовых вод проведены на ПО
"Нижневартовскнефть". Результаты показали,
что их долговечность более чем в 2 раза превышает
максимальную долговечность колес из стали 20Х13Л.
Важным является также то, что легирование азотом
и ванадием приводит к снижению дефектности
отливок по горячим и холодным трещинам с 30-37% до
0-6%.

Коррозионно-стойкие ферритные и
феррито-аустенитные стали

Стали типа 04Х18Т и 08Х22Н6Т по коррозионным
свойствам во многих средах не только не уступают,
но и превосходят хромоникелевые аустенитные
стали. Широкое их применение, особенно при
производстве толстого листа, сдерживается
необратимым охрупчиванием при горячей прокатке
и в зоне термического влияния сварки. Оно связано
с тем, что при горячей прокатке и сварке
развиваются одни, а при термической обработке —
другие структурные состояния, предопределяющие
хрупкость разрушения. Хорошая свариваемость
достигается только при снижении суммарного
содержания углерода и азота ниже 0,003%. Однако
себестоимость таких сталей уже выше
хромоникелевых.

Выполненные исследования показали, что
при легировании ферритных и феррито-аустенитных
сталей азотом и ванадием (ниобием) под влиянием
частиц их нитрида при горячей прокатке и сварке
феррито-аустенитной стали полностью подавляется
развитие структурных состояний, ответственных
за охрупчивание металла. В случае же ферритной —
охрупчивание не развивается при горячей
прокатке, а после сварки устраняется термической
обработкой.

При сварке полосы толщиной 11 мм из стали
марки 08Х22Н6АФ значение ударной вязкости в зоне
термического влияния составляет 2,5-3,0 МДж/м2 и
вязко-хрупкого перехода — ниже минус 60оС, а из
стали марки 04Х18АФ после сварки и
стабилизирующего нагрева — 1,0-1,5 МДж/м2 и минус
20-30оС соответственно. Углы загиба – 180оС.

Жаропрочные стали

Подавляющая часть жаропрочных
хромоникелевых сталей расходуется на
изготовление различных видов оснастки
термического и обжигового оборудования, в том
числе колосников. Их высокотемпературная
долговечность определяется устойчивостью
карбидной фазы к коагуляции, в том числе
зернограничной.

При легировании азотом и ванадием
(ниобием) под влиянием межфазных границ
нитрид-металла достигается преимущественно
внутризеренное, более дисперсное выделение
карбида Cr23C6 и повышение его устойчивости к
коагуляции. Это обеспечивает возможность
снижения степени легирования никелем при
одновременном повышении жаропрочности по
времени до разрушения в 3-5 раз, термоусталостной
прочности — в 2-3 раза, горячей износостойкости — в
10-15 раз без снижения окалиностойкости.

На ЧТЗ освоена марка стали 30Х24Н18С2АФТЛ
взамен марки 40Х24Н24С2Л. Себестоимость легирования
1 т стали снижена на 320 USD, а долговечность
поддонов нормализационных печей повышена в 2
раза и закалочных — в 4 раза.

На Самарском сталелитейном заводе
освоено литье колосников цементных и
глиноземных обжиговых печей из сталей марок
30Х19Н10САФТЛ и 30Х19Н7АФТЛ взамен стали 50Х19Н12СЛ
(ТУ-1-812-000073-87). Себестоимость легирования

1 т сталей снижена на 160 и 400 USD, а
долговечность колосников в горячей зоне
повышена в 3 и 1,3 раза соответственно.

На МК им. Ильича освоена сталь марки
30Х24Г5АЮЛ вместо стали 30Х24Н12СЛ. Себестоимость 1 т
литья снижена на 1000 USD. Одновременно в 2-2,5 раза
повышена долговечность оснастки нагревательных
колодцев для слитков, в том числе желоба для
слива шлака из колодца и сопел горелок.

ОТ АВТОРОВ

Для решения проблемы производства
высококачественных сталей с карбонитридным
упрочнением необходима организация
Государственной программы разработки, освоения,
аттестации и введения в Госстандарты Украины
экономнолегированных сталей, свойства которых
по основному эксплуатационному комплексу
отвечали бы перспективным требованиям различных
видов техники и в широких пределах
регулировались термической обработкой.

Таблица 1. Химический состав сталей и
свойства бурильных труб, *

Сталь с карбонитридным упрочнением

Примечание: * – приведено среднее
содержание элементов (%)

Таблица 2. Механические свойства
сталей

Таблица 3. Эффективность применения
сталей с карбонитридным упрочнением

Рис 1. Колеса насоса для перекачки
сероводородосодержащих грунтовых вод в нефте- и
газовых скважинах из стали 20Х13АФЛ

Figure 1. Working wheels of pumps from 0.2C-13Cr-N-V (20Х13АФЛ)
steel for pumping over of hydrogen sulfide constanting subsoil watersin oil and bore-holes

Рис 2,3.  Заготовки и штамповые
вставки вылитые методом электрошлакового литья
из стали 5ХНАФЛ и 30Х6МАФЛ

Figure 2,3. Casted by electroslag chill casting workpieces and die
inserts from them made of 5ХНАФЛ and 30Х6МАФЛ steels

Рис 4. Арочная крепь из стали 22Г2САФ

Figure 4. Shaft arch lining from 22Г2САФ