Studying the Chemical and Phase Compositions of a Chromium-Nickel-Manganese Steel after Operation at Elevated Temperatures in Corrosive Environments

N. B. Pugacheva; B. N. Guzanov

doi:10.17804/2410-9908.2021.3.017-030

N. B. Pugacheva , B. N. Guzanov

STUDYING THE CHEMICAL AND PHASE COMPOSITIONS OF A CHROMIUM-NICKEL-MANGANESE STEEL AFTER OPERATION AT ELEVATED TEMPERATURES IN CORROSIVE ENVIRONMENTS

DOI: 10.17804/2410-9908.2021.3.017-030

In recent years, chromium-nickel-manganese corrosion-resistant steels have been widely used in construction for the manufacture of stair railings and fences, elevators, and heat exchangers used for heat recovery in office premises and in production, including in metallurgical workshops. The purpose of this study is to determine the changes in the chemical and phase compositions of the 12Cr15Mn9NiCu corrosion-resistant steel (Russian analogue of the AISI 201 steel) after commercial operation in structural components of the heat exchanger of a metallurgical workshop. It was found that, during operation, all the studied fragments of the 12Cr15Mn2NiCu steel heat exchanger underwent intense oxidation with the formation of chromium and manganese oxides both on the surface and along the boundaries of the austenite grain. Diffusive penetration of sulfur into the steel with the formation of MnS particles, as well as carbonization of the surface layers, was recorded. As a result, the content of chromium and manganese in the steel significantly decreased, the amount of carbon increased, and the structure changed from austenitic to martensitic with a hardness of 532 HV 5 (48 HRC). Several investigated fragments retained austenite with oxidized grain boundaries. The austenite grain size ranged from 0.031 mm to 0.088 mm, with hardness ranging from 156 to 212 HV 5. It is shown that the use of the 12Cr15Mn9NiCu corrosion-resistant chromium-nickel-manganese steel intended for the manufacture of heat exchangers for metallurgical production is extremely inappropriate.

Acknowledgement: The research used the facilities of the Plastometriya shared access center at the IES UB RAS. It was performed according to the state assignment on theme No. AAAA-A18-118020790145-0. We appreciate the effort of E. B. Trushina, who assisted us in the research.

Keywords: corrosion-resistant steel, oxides, sulfides, microstructure, austenite, martensite, hardness

References:

Ulyanin E.A. Korrozionnostoykie stali i splavi: Spravochnik [Corrosion-resistant Steels and Alloys: A Handbook]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1991, 255 p. ISBN: 5-229-00808-3. (In Russian).
Tufanov D.G. Korrozionnaya stoikost nerzhaveyushchikh stalei, splavov i chistykh metallov: Spravochnik [Corrosion Resistance of Stainless Steels, Alloys, and Pure Metals: A Handbook]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1990, 320 p. ISBN: 5-229-00531-9. (In Russian).
Babakov A.A., Pridantsev M.V. Korrozionnostoykie stali i splavy [Corrosion-resistant steels and alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1971, 318 p. (In Russian).
Shlyamnev A.P., Svistunova T.V., Lapina O.B., Sorokona N.A., Matorin V.I., Stolyarov V.I., Bogolyubskiy S.D., Kozlova N.N., Enderal A.F. Korrozionnostoykie, zharostoykie i vysokoprochnye stali i splavy [Corrosion-Resistant, Heat-Resistant and High-Strength Steels and Alloys: A Reference Book]. Moscow, Intermet Engineering Publ., 2000, 232 p. ISBN: 5-89594-028-5. (In Russian).
Ki Leuk Lai J., Kin Ho Lo, Chan Hung Shek, eds. Stainless Steels: An Introduction and their Recent Developmentsm, Bentham Science Publishers, 2012, 168 p. DOI: 10.2174/97816080530561120101.
Brooks J.A. Weldability of high N, high Mn austenitic stainless steel. Welding Research Supplement, 1975, no. 6, pp. 189–195.
Uggowitzer P.J., Magdowski R., Speidel M.O. Nickel Free High Nitrogen Austenitic Steels. ISIJ International, 1996, vol. 36, no. 7, pp. 901–908. DOI: 10.2355/isijinternational.36.901.
Goldshtein M.I., Grachev S.V., Veksler Yu.G. Spetsialnye stali [Special steels]. Moscow, MISIS Publ., 1999, 408 p. ISBN: 5-87623-032-4. (In Russian).
Robino C.V., Michael J.R., Maguire M.C. The solidification and weld metallurgy of galling resistant stainless steels. Welding Journal, 1998, vol. 77, no. 11, pp. 446–457.
Tehovnik F., Vodopivec F., Kosec L., Godec M. Hot ductility of austenite stainless steel with a solidification structure. Materiali in Tehnologije, 2006, vol. 40, pp. 129–137.
Sung J.H., Joo D.W., Kim I.S., Kang C.Y., Sung J.H. Phase changes of Fe-20Mn-13Cr-3Co/1.2Ti alloys during solution nitriding. Met. Mater. Int., 2005, vol. 11, pp. 157–163. DOI: 10.1007/BF03027460.
Williamson D.L., Davis J.A., Wilbur P.J. Effect of austenitic stainless steel composition on low-energy, high-flux, nitrogen ion beam processing. Surf. Coat. Technol., 1998, vol. 103–104, pp. 178–184. DOI: 10.1016/s0257-8972(98)00389-2.
Samandi M., Shedden B.A., Smith D.I., Collins G.A., Hutching R., Tendys J. Microstructure, corrosion and tribological behaviour of plasma immersion ion-implanted austenitic stainless steel. Surf. Coat. Technol., 1993, vol. 59, pp. 261–266. DOI: 10.1016/0257-8972(93)90094-5.
Mändl S., Manova D., Neumann H., Pham M.T., Richter E., Rauschenbach B. Correlation between PIII nitriding parameters and corrosion behavior of austenitic stainless steels. Surface & Coatings Technology, 2005, vol. 200, pp. 104–108. DOI:10.1016/J.SURFCOAT.2005.02.084.
Hansen M., Anderko K. Constitution of binary alloys, McGraw Hill Book Co., Inc., New York/Toronto, 1958, pp. 670–675.
A.G. Rakhstadt and V.V. Bromtrem, eds. Spravochnik metallista [Metalworker’s Guide, in 5 volumes. Vol. 2]. Moscow, 1976, 720 p. (In Russian).
Materialy v mashinostroenii. Vybor i primenenie, ed. I.V. Kudryavtseva [Materials in mechanical engineering. Selection and application: reference book in five volumes. Vol. 3. Special steels and alloys, ed. F.F. Himushina]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968, 217 p. (In Russian).
Stali i splavy. Marochnik: sprav. izd. [Steels and Alloys: Grade Guide, eds. V.G. Sorokin, M.A. Gervasiev]. M., Intermet Inzhiniring Publ., 2003, 608 p. (In Russian).
Sung J.H., Joo D.W., Kim I.S., Kang Chang Yong & Sung Jang Hyun. Phase changes of Fe−20Mn−13Cr−3Co/1.2Ti alloys during solution nitriding. Met. Mater. Int., 2005, vol. 11, pp. 157–163. DOI: 10.1007/BF03027460.
Klyuch staley. Izgotovlenie i postavka: spravochnik [Key to Steels. Production and Delivery: reference book, trans. Germ.]. M., Intermet Inzhiniring Publ., 2001, 734 p. (In Russian).
Ning Liu, Zhonggang Deng, Menggen Huang. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of martensitic-ferritic stainless steel containing 17%Cr and 2%Ni. Materials Science and Technology, 1991, vol. 7, pp. 1057–1062. DOI: 10.1179/mst.1991.7.11.1057.
Metallographiya zheleza [Metallography of Iron, ed. F.N. Tavadze, Engl. transl. by Z. Sh. Kherodinashvili, L.P. Danilenko. Vol. 3. Crystallization and deformation of steels]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1972. (In Russian).
Engel’ L. and Klingele G. Rastrovaya elektronnaya microskopiya. Razrushenie [Scanning Electron Microscopy. Fracture: A Handbook, Germ. transl.]. Metallurgiya, Moscow, 1986. (In Russian).

Н. Б. Пугачева, Б. Н. Гузанов

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И ФАЗОВОГО СОСТАВОВ ХРОМОНИКЕЛЬМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В последние годы широко применяют хромоникельмарганцевые коррозионностойкие стали в строительстве для изготовления лестничных перил и ограждений, лифтов, теплообменников, используемых для утилизации тепла в офисных помещениях и на производстве, в том числе и в металлургических цехах. Цель работы – определение изменений химического и фазового составов коррозионностойкой стали марки 12Х15Г9НД (Российский аналог стали AISI 201) после промышленной эксплуатации в элементах конструкции теплообменника металлургического цеха. Установлено, что все исследованные фрагменты теплообменника из стали 12Х15Г2НД при эксплуатации подверглись интенсивному окислению с образованием оксидов хрома и марганца как на поверхности, так и по границам аустенитного зерна. Зафиксировано диффузионное проникновение серы в сталь с образованием частиц MnS, а также науглероживание поверхностных слоев. В результате значительно снизилось содержание хрома и марганца в стали, увеличилось количество углерода, структура изменилась от аустенитной до мартенситной с твердостью 532 HV 5 (48 HRC). В нескольких исследованных фрагментах сохранился аустенит с окисленными границами зерен. Размер аустенитного зерна колебался от 0,031 до 0,088 мм, твердость – от 156 до 212 HV 5. Показано, что использование хромоникельмарганцевой коррозионностойкой стали 12Х15Г9НД для изготовления теплообменников металлургического производства крайне нецелесообразно.

Благодарность: Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН в соот-ветствие с государственным заданием по теме № АААА-А18-118020790145-0. Авторы выражают благодарность Е. Б. Трушиной за помощь в проведении исследований.

Ключевые слова: коррозионностойкая сталь, оксиды, сульфиды, микроструктура, аустенит, мартенсит, твердость

Библиография:

Ульянин Е. А. Коррозионностойкие стали и сплавы : справочник. – М. : Металлургия, 1991. – 255 с.
Туфанов Д. Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей, сплавов и чистых металлов : справочник. – М. : Металлургия, 1990. – 320 с.
Бaбаков А. А., Приданцев М. В. Коррозионностойкие стали и сплавы. – М. : Металлургия, 1971. – 318 с.
Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы : справочное издание / А. П. Шлямнев, Т. В. Свистунова, О. Б. Лапина, Н. А. Сорокина, В. И. Маторин, В. И. Столяров, С. Д. Боголюбский, Н. Н. Козлова, А. Ф. Ендерал. – М. : Интермет инжиниринг, 2000. – 232 с. – ISBN: 5-89594-028-5.
Stainless Steels: an Introduction and their Recent Developments / ed. by Ki Leuk Lai, J., Kin Ho Lo, Chan Hung Shek. – Bentham Science Publishers, 2012. – DOI: 10.2174/97816080530561120101. – 168 p.
Brooks J. A. Weldability of high N, high Mn austenitic stainless steel // Welding Research Supplement. – 1975. – P. 189–195.
Uggowitzer P. J., Magdowski R., Speidel M. O. Nickel Free High Nitrogen Austenitic Steels // ISIJ International. – 1996. – Vol. 36, No. 7. – P. 901–908. – DOI: 10.2355/isijinternational.36.901.
Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. – М. : Изд-во МИСиС, 1999. – 408 с.
Robino C. V., Michael J. R., Maguire M. C. The solidification and weld metallurgy of galling resistant stainless steels // Welding Journal. – 1998. – Vol. 77 (11). – P. 446–457.
Hot ductility of austenite stainless steel with a solidification structure / F. Tehovnik, F. Vodopivec, L. Kosec, M. Godec // Materiali in Tehnologije. – 2006. – Vol. 40. – P. 129–137.
Phase changes of Fe-20Mn-13Cr-3Co/1.2Ti alloys during solution nitriding / J. H. Sung, D. W. Joo, I. S. Kim, C. Y. Kang, J. H. Sung // Met. Mater. Int. – 2005. – Vol. 11. – P. 157–163. – DOI: 10.1007/BF03027460.
Williamson D. L., Davis J. A., Wilbur P. J. Effect of austenitic stainless steel composition on low-energy, high-flux, nitrogen ion beam processing // Surf. Coat. Technol. – 1998. – Vols. 103–104. – P. 178–184. – DOI: 10.1016/s0257-8972(98)00389-2.
Microstructure, corrosion and tribological behaviour of plasma immersion ion-implanted austenitic stainless steel / M. Samandi, B. A. Shedden, D. I. Smith, G. A. Collins, R. Hutching, J. Tendys // Surf. Coat. Technol. – 1993. – Vol. 59. – P. 261–266. – DOI: 10.1016/0257-8972(93)90094-5.
Correlation between PIII nitriding parameters and corrosion behaviour of austenitic stainless steels / S. Mändl, D. Manova, H. Neumann, M. T. Pham, E. Richter, B. Rauschenbach // Surface & Coatings Technology. – 2005. – Vol. 200. – P. 104–108. – DOI: 10.1016/J.SURFCOAT.2005.02.084.
Hansen M., Anderko K. Constitution of binary alloys. – New York, Toronto : McGraw Hill Book Co., Inc., 1958. – P. 670–675.
Справочник металлиста : в 5 томах / под ред А. Г. Рахштадта и В. В. Бромтрема. – М. : Машиностроение, 1976. – 720 с. – Т. 2.
Материалы в машиностроении. Выбор и применение : справочник в пяти томах / под общ. ред. И. В. Кудрявцева. – Т. 3 : Специальные стали и сплавы / под ред. Ф. Ф. Химушина. – М. : Машиностроение, 1968. – 217 с.
Стали и сплавы. Марочник : справ. изд. / под ред В. Г. Сорокина и М. А. Гервасьева. – М. : Интермет Инжиниринг, 2003. – 608 с.
Phase changes of Fe−20Mn−13Cr−3Co/1.2Ti alloys during solution nitriding / J. H. Sung, D. W. Joo, I. S. Kim, Chang Yong Kang & Jang Hyun Sung. – Met. Mater. Int. – 2005. – Vol. 11. – P. 157–163. – DOI: 10.1007/BF03027460.
Ключ сталей. Изготовление и поставка : справочник / пер с нем. – М. : Интермет Инжиниринг, 2001. – 734 с.
Ning Liu, Zhonggang Deng, Menggen Huang. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of martensitic-ferritic stainless steel containing 17%Cr and 2%Ni // Materials Science and Technology. – 1991. – Vol. 7. – P. 1057–1062. – DOI: 10.1179/mst.1991.7.11.1057.
Металлография железа (с атласом микрофотографий) / под ред. Ф. Н. Тавадзе; пер. с англ. З. Ш. Херодинашвили, Л. П. Даниленко. – Т. 3 : Кристаллизация и деформация сталей. – М., 1972.
Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение : справочник / пер. с нем. – М. : Металлургия, 1986. – 232 с.

Библиографическая ссылка на статью

Pugacheva N. B., Guzanov B. N. Studying the Chemical and Phase Compositions of a Chromium-Nickel-Manganese Steel after Operation at Elevated Temperatures in Corrosive Environments // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2021. - Iss. 3. - P. 17-30. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2021.3.017-030. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2021-3/2021-3_326.html
(accessed: 21.12.2024).