АО «НПО «ЦНИИТМАШ» (Москва, Россия)
Э. Ю. Колпишон, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, профессор, kolpishon@bk.ru
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)
А. С. Федоров, научный сотрудник, канд. техн. наук, fedorov_as@spbstu.ru
С. В. Рябошук, старший преподаватель, ryaboshuk.sv@xmail.ru
П. В. Ковалев, доцент, канд. техн. наук, доцент, kovalev_pv@spbstu.ru
Г. Е. Коджаспиров, профессор, докт. техн. наук, профессор
В данной работе обоснован рациональный уровень легирования ниобием высокохромистых сталей для достижения максимального эффекта при минимальном расходе легирующих элементов. На основе выполненных расчетов и термодинамического моделирования показано, что эффективное дисперсионное упрочнение и торможение роста зерна обеспечиваются лишь мелкими карбонитридами размером менее 100 нм, образующимися при температурах ниже солидуса. Установлено, что при превышении содержания ниобия более 0,08 масс. % температура начала образования карбонитридов повышается и становится выше температуры окончания затвердевания, что приводит к формированию крупных эвтектических частиц уже в процессе кристаллизации. Такие неметаллические включения не участвуют в упрочнении, связывают азот и снижают эффективность легирования. Экспериментально подтверждено, что, несмотря на соответствие общего количества карбонитридов расчетным уровням, значительная их часть представлена крупными включениями, снижающими ударную вязкость стали, при этом прочностные свойства соответствуют и даже превышают требования стандартов. Предложен физико-химический критерий выбора верхней границы содержания ниобия – переход от образования карбонитридов в твердом состоянии к их формированию в процессе кристаллизации. Показано, что выбор содержания ниобия должен учитывать не только требуемую объемную долю карбонитридов, но и условия их образования, а также распределение азота между фазами. Результаты работы могут быть использованы при проектировании составов высокохромистых сталей с минимальным расходом дорогостоящего ниобия при сохранении требуемого комплекса свойств.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания «Разработка составов дуплексных и супердуплексных сталей и исследование возможности их применения для деталей нефтегазового оборудования, в частности компрессоров и насосов, с разработкой соответствующей технологии, рекомендаций» (FSEG-2026-0007).
1. 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. № 10. P. 675–683.
2. Палаткина Л. В., Чубуков М. Ю., Матасова М. В., Кириличев М. В. 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. С. 36–42.
3. Боярко Г. Ю. Динамика мирового производства и товарных потоков ниобиевого сырья // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 10. С. 216–229. DOI: 10.18799/24131830/2019/10/2318
4. Колпишон Э. Ю., Ковалев П. В., Рябошук С. В. Карбонитриды в стали, легированной ниобием. Часть 1 // Черные металлы. 2025. № 10. С. 89–94.
5. Колпишон Э. Ю., Ковалев П. В., Рябошук С. В. Карбонитриды в стали, легированной ниобием. Часть 2. Образование карбонитридов в жидкой и затвердевающей стали // Черные металлы. 2026. № 1. С. 60–66.
6. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. – М. : Металлургия, 1976. – 269 с.
7. Мешков Ю. Я., Шиян А. В. Проблема хрупкости конструкций // Механика машин, механизмов и материалов. 2015. № 1930. С. 30–36.
8. Кайбышев О. А., Валиев Р. З. Границы зерен и свойства металлов. – М. : Металлургия, 1987. – 213 с.
9. Житенев А. И., Федоров А. С., Ковалев П. В., Стрекаловская Д. А., Альхименко А. А. Литая структура и свойства дуплексных нержавеющих сталей // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 5. С. 323–332. DOI: 10.17073/0368-0797-2022-5-323-332
10. Fedorov A., Zhitenev A., Karasev V., Alkhimenko A., Kovalev P. Development of a Methodology for the Quality Management of Duplex Stainless Steels // Materials. 2022. № 15 (17). P. 6008. DOI: 10.3390/ma15176008
11. Wan A. J., Lou Y., Ruan H. The partition coefficient of alloying elements and its influence on the pitting corrosion resistance of 15Cr-2Ni duplex stainless steel //Corrosion Science. 2018. № 139. P. 13–20.
12. A. Bajželj, B. Šetina Batiˇ, J. Medved, J. Burja. Influence of Nickel on Niobium Nitride Formation in As-Cast Stainless Steels// Metals. 2022. № 12. P. 609.
13. Wang S., Li G., Bao H., He X., Liu Z., Chen Q., Zhao J. Cooling rate-dependent microstructural evolution: Segregation and precipitated phase in S30432 steel for ultra-supercritical power plants // Journal of Materials Research and Technology. 2025. № 36. P. 3261–3273.
14. Уткина К. Н. Разработка технологических и композиционных способов управления качеством супердуплексных сталей: дис. канд. техн. наук. – Москва, 2024. – 142 с.
15. Федоров А. С. Разработка методов и критериев оценки качества аустенитно-ферритных коррозионностойких сталей с целью совершенствования их состава и технологии производства: дис. канд. техн. наук. – Санкт-Петербург, 2025. – 198 с.