Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 9
1.1 Коррозионная стойкость и коррозионностойкие стали 9
1.2. Основные легирующие элементы и структурные классы коррозионностойких сталей 12
1.3 Области применения коррозионностойких сталей 16
1.4 Особенности термической обработки коррозионностойких сталей
мартенситного класса 17
1.5 Марочный состав, свойства, термообработка и применение стали
20Х13 23
1.6 Пути повышения низкотемпературной вязкости стали 20Х13 25
1.7 Постановка задачи исследования 31
2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 33
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 40
3.1 Влияние режимов термической обработки на формирующуюся
структуру стали 20Х13 40
3.2 Влияние режимов термической обработки на механические свойства
стали 20Х13 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 53
Коррозионностойкие (нержавеющие) стали мартенситного класса, благодаря хорошему сочетанию механических свойств и способности противостоять агрессивным средам, широко используются в химической, энергетической и машиностроительной отрасли. Эти стали, в частности, применяют для изготовления клапанов гидравлических прессов, роторов, лопаток и дисков паровых турбин, арматуры крекинг-установок, карбюраторных игл, шарикоподшипников и втулок нефтяного оборудования, режущего, мерительного и хирургического инструмента, оборудования заводов пищевой и легкой промышленности .
В последнее десятилетие коррозионностойкие стали мартенситного класса типа находят все более широкое применение в производстве обсадных и насоснокомпрессорных труб для нефтяной и газовой промышленности, в особенности, для скважин, находящихся в прибрежной зоне и в открытом море, где возможно одновременное воздействие морской воды и углекислого газа. В связи с освоением арктических районов, требования к коррозионной стойкости труб часто сочетаются с повышенными требованиями к хладостойкости .
В качестве материала труб нефтяного сортамента, стойких к углекислотной коррозии наиболее успешно себя зарекомендовали стали с 13% хрома. Такое положительное влияние хрома в количестве 11-13% обусловлено пассивацией стали за счет образования на поверхности тонких защитных пленок из продуктов коррозии в виде оксидов хрома.
Примером коррозионностойких сталей мартенситного класса является сталь 20Х13, подвергаемая закалке с последующим отпуском для получения требуемой прочности и вязкости наряду с высоким сопротивлением коррозии. Введение в сталь 0,2% углерода, расширяющего область существования аустенита, обеспечивает получение при закалке однородной мартенситной структуры без высокотемпературного дельта феррита, что способствует повышению устойчивости к сероводородному растрескиванию. Однако применение традиционных мартенситных сталей типа 20Х13 в нефтегазовой отрасли ограничено их плохой свариваемостью и недостаточной вязкостью при отрицательных температурах.
Отмеченных недостатков лишены высокохромистые «супермартенситные» стали . Низкое содержание углерода (< 0,02%) в этих сталях улучшает свариваемость, введение никеля (3-4%), расширяющего у-область, компенсирует пониженное содержание углерода и предотвращает образование 5 -феррита, одновременно повышая низкотемпературную ударную вязкость, добавки молибдена (0,5-2%) подавляют выделение карбидов хрома и улучшают сопротивление питтинговой коррозии.
Следует отметить, что коррозионные стали супермартенситного класса дороги и не до конца изучены. По этим причинам остается актуальным поиск путей повышения низкотемпературной вязкости традиционной стали 20Х13 за счет оптимизации режимов ее термической обработки.
Целью настоящего исследования является изучение влияния режимов закалки на микроструктуру и механические свойства мартенситной нержавеющей стали 20Х13 и поиск путей повышения ее вязкости при отрицательных температурах.
В работе изучена возможность повышения вязкости коррозионностойкой стали мартенситного класса 20Х13 путем применения термообработки, включающей двойную закалку с последующим высокотемпературным отпуском. По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1. Двойная закалка существенно улучшает структуру стали по сравнению с однократной закалкой. Первая закалка от повышенной температуры аустенитизации (1040оС) обеспечивает растворение большей части карбидов хрома внутри объема аустенитных зерен и практически полное растворение карбидов, выделившихся по границам зерен аустенита. Вторая закалка от более низкой температуры (980оС) измельчает аустенитное зерно и формирует высокодисперсный мартенсит.
2. Прочностные характеристики и относительное удлинение образов, подвергнутых двойной закалке с последующим отпуском при 690оС несколько выше, чем у образцов, прошедших однократную закалку от температуры 980оС и отпущенных при той же температуре. Однако эти различия невелики.
3. Ударная вязкость KCU+20 образцов после однократной закалки и отпуска составила 153 Дж/см2, тогда как для образцов, подвергнутых двойной закалке и отпуску эта величина оказалась значительно выше - 179 Дж/см2.
4. Однократная закалка от 980оС с последующим отпуском при 690оС не обеспечивает технические требования к величине низкотемпературной ударной вязкости, предъявляемые к наиболее ответственным соединительным деталям нефтегазового оборудования. Двойная закалка с последующим отпуском позволяет повысить низкотемпературную вязкость на 37% и получить значения ударной вязкости KCV-60 33 Дж/см2, отвечающее техническим требованиям.
