АО «НПО «ЦНИИТМАШ», Москва, Россия

Э. Ю. Колпишон, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: kolpishon@bk.ru

Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
П. В. Ковалев, заместитель директора Института машиностроения, материалов и транспорта по образовательной деятельности, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: kovalev_pv@spbstu.ru
С. В. Рябошук, старший преподаватель

Представлено комплексное исследование механизмов образования карбонитридов ниобия в сталях и сплавах различного назначения. На основе термодинамического анализа и экспериментальных данных детально охарактеризованы три основных типа включений: первичные (блочные, образующиеся в жидком металле и в начале кристаллизации), вторичные (эвтектические, формирующиеся в интервале ликвидус-солидус на конечных этапах затвердевания) и третичные (твердофазные, выделяющиеся ниже температуры солидуса). Показано, что морфология, размерное распределение и фазовый состав карбонитридов определяются химическим составом сплава, технологией модифицирования и условиями кристаллизации. Установлено, что для конструкционных сталей оптимальное содержание ниобия не превышает 0,4–0,5 %, при этом крупные первичные и вторичные включения (>1 мкм) оказывают негативное влияние на пластические и вязкие свойства. В противоположность этому, в жаропрочных сплавах эвтектические карбонитриды, размеры которых сопоставимы с величиной литого зерна, формируют структуру, эффективно препятствующую зернограничному проскальзыванию при ползучести. Наибольшую эффективность в ограничении роста зерна демонстрируют нанометрические третичные карбонитриды, образующиеся при распаде пересыщенных твердых растворов. Критическим параметром, определяющим влияние дисперсных частиц на структуру, является соотношение их размеров и межчастичных расстояний к величине зерна, где выполнение условия 5dвкл < dзер обеспечивает эффективное торможение миграции границ. Результаты работы позволяют оптимизировать технологии легирования ниобием для целенаправленного формирования структуры в соответствии с эксплуатационными требованиями к стали или сплаву.

1. Колпишон Э. Ю., Ковалев П. В., Рябошук С. В. Карбонитриды в стали, легированной ниобием. Часть 1 // Черные металлы. 2025. № 10. С. 89–94.
2. Виноград М. В., Громова Г. И. Включения в легированной стали и сплавах. — М. : Металлургия, 1972. — 216 с.
3. Kondrat’ev S. Yu., Anastasiadi G. P. Characterization of microstructure and chemical microinhomogeneity of HP40NbTi cast alloy after different crystallization rates // Metallography, Microstructure and Analysis. 2021. Vol. 10. P. 675–683.
4. Палаткина Л. В. и др. Особенности формирования в расплаве карбидных фаз, богатых ниобием, и их влияние на стойкость высокопрочных обсадных труб к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением // Черные металлы. 2024. № 5. C. 36–42.
5. Anže Bajželj et al. Influence of nickel on niobium nitride formation in ascast stainless steels // Metals. 2022. Vol. 12. 609.
6. Явойский В. И., Близнюков С. А., Вишкарев А. Ф. и др. Включения и газы в стали. — М. : Металлургия, 1979. 272 с.
7. Казаков А. А., Рябошук С. В. Физико-химические основы сталеплавильных процессов: методические указания к лабораторным работам. — Санкт-Петербург : Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013. — 44 с.
8. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. — М. : Металлургия, 1973. — 312 с.
9. Григорян В. А. и др. Физико-химические расчеты сталеплавильных процессов. — М. : Металлургия, 1989. — 288 с.
10. Kondrat’ev S. Yu., Belikova Yu. A., Zabavicheva E. V. Experimental study of the structure of Nb-based primary carbides in cast refractory alloys HP40NbTi // Metal Science and Heat Treatment. 2022. Vol. 64, Nos. 7-8. P. 370–378.
11. Kondrat’ev S. Yu., Sviatysheva E. V., Anastasiadi G. P., Petrov S. N. Fragmented structure of niobium carbide particles in as-cast modified HP alloys // Acta Materialia. 2017. Vol. 127. P. 267–276.
12. Колпишон Э. Ю., Дуб В. С., Иванов И. А. и др. Разработка технологии термической обработки низкоуглеродистых конструкционных сталей для обеспечения целевых параметров микроструктуры и запаса пластичности. Часть 1. Выбор целевых параметров структуры // Тяжелое машиностроение. 2025. № 4. С. 2–13.
13. Shijun Wang, Gen Li et al. Cooling rate-dependent microstructural evolution: Segregation and precipitated phase in S30432 steel for ultra-supercritical power plants // Journal of Materials Research and Technology. 2025. Vol. 36. P. 3261–3273.