Оптимизация химического состава супермартенситной нержавеющей стали с использованием термодинамических расчетов

Abstract

Нержавеющие супермартенситные стали обладают уникальным комплексом химических и механических свойств, благодаря чему трубные изделия из них нашли свое применение в нефте- и газодобывающей промышленности. Однако такие стали склонны к появлению в их структуре полосчатости. Полосчатая структура является причиной анизотропии свойств эксплуатируемых изделий и, кроме того, способна привести к разрушению полуфабрикатов на этапе их производства. В работе исследована сталь супермартенситного класса 10Х13Н3МФБ на склонность к образованию в структуре дефекта «полосчатость». Для этого проведены термодинамические расчёты и математическое моделирование с помощью программного обеспечения Thermo-Calc-3.01. Применялись следующие функции программы: расчёт фазовых равновесий для среднего химического состава, а так- же для составов с максимумом аустенитообразующих при минимуме ферритообразующих элементов и с максимумом ферритообразующих при минимуме аустенитообразующих элементов. Анализ построенных термодинамических равновесий показал, что сталь 10Х13Н3МФБ имеет склонность к формированию полосчатой структуры. Для снижения вероятности появления полосчатости необходимо проводить кристаллизацию и горячую прокатку стали только в однофазных состояниях (δ-феррита и аустенита соответственно). Поэтому дальнейшие расчеты в Thermo-Calc были направлены на определение химического состава стали, при котором сплав кристаллизуется в однофазной δ-области, и установление температурного интервала горячей деформации. После анализа полученных данных предложен оптимальный химический состав стали и определены температурные интервалы горячей прокатки для среднего химического состава с различным содержанием Ni – 2, 3, 4 мас. %. Supermartensitic steels have a unique complex of chemical and mechanical properties, so pipes made of these steels have found their application in the oil and gas industry. However, these steels tend to form a banding structure. The banding structure is the cause of the products properties anisotropy and in addition can lead to the semifinished products destruction at the production stage. In this work, the steel of the supermartensitic class 10Kh13N3MFB was investigated for its tendency to form a defect “banding” in the structure. For this, thermodynamic calculations and mathematical modeling were carried out using the Thermo-Calc-3.01 software. The following program functions were used: calculation of phase equilibria for the average chemical composition, as well as for compositions with a maximum of austeniteforming elements with a minimum of ferrite-forming elements and with a maximum of ferrite-forming ones with a minimum of austenite-forming elements. An constructed thermodynamic equilibria analysis showed that steel 10Kh13N3MFB tends to form a banded structure. To reduce the likelihood of banding, it is necessary to carry out crystallization and hot rolling of steel only in single-phase states (δ-ferrite and austenite, respectively). Therefore, further calculations in Thermo-Calc were aimed at determining the steel chemical composition, at which the alloy crystallizes in the single-phase δ-region, excluding the appearance of phase segregation, and establishing the temperature range of hot deformation. After analyzing the data obtained, the optimal chemical composition of the steel melting was proposed and the temperature ranges of hot rolling were determined for the average chemical composition with different contents of Ni – 2, 3, 4 wt. %.