Сталь

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к радиационно-и коррозионно-стойкой теплоустойчивой стали, используемой в ядерной и термоядерной энергетике, вакуумной технике, электрофизическом приборостроении, в химической промышленности, судовом машиностроении и др. отраслях техники с рабочей температурой до 400^oC, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред и ионного и радиационного облучения. Сталь обладает повышенной коррозионной стойкостью, сопротивляемостью радиационному распуханию и высокой хладостойкостью. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,001 - 0,01, кремний 0,3 - 0,6, марганец 0,3 - 0,6, хром 13 - 14,3, никель 0,3 - 0,6, титан 0,1 - 0,3, иттрий 0,02 - 0,06, азот 0,004 - 0,01, железо - остальное. 4 табл.

Изобретение относится к металлургии радиационно- и коррозионно-стойких теплоустойчивых сталей, используемых в ядерной и термоядерной энергетике, вакуумной технике, электрофизическом приборостроении, в химической промышленности, судовом машиностроении и других отраслях техники с рабочей температурой до 400^oC, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред и ионного и радиационного облучения.

Известны нержавеющие радиационностойкие хромистые стали типа Х13, обладающие высокой коррозионной стойкостью в дистиллированной, водопроводной, природных пресных водах. Они также устойчивы в атмосферных условиях (слегка тускнеют), за исключением очень загрязненных атмосфер. В морской атмосфере и в морской воде хромистые стали сильно корродируют (чувствительны к Cl^-), давая обычно резко выраженный местный тип коррозии. Обладают высокой стойкостью в среде перегретого пара (применяются для паросиловых установок и турбин). В азотной кислоте устойчивы, хотя и в заметно меньшей степени, чем в сталях с более высоким содержанием хрома.

Указанные стали обладают относительно высокой стойкостью к радиационному распуханию при ионном и нейтронном воздействиях.

Ближайшим прототипом является сталь, содержащая,мас.

Углерод 0,08 Кремний ≅ 0,6 Марганец ≅ 0,6 Хром 11 13 Железо Остальное Сталь-прототип обладает, как уже отмечалось, высоким коррозионными свойствами в определенных агрессивных средах и сопротивлением радиационному распуханию.

Однако указанная обычная хромистая сталь имеет весьма высокое содержание углерода. Эта примесь внедрения заметно понижает хладостойкость стали. Такие материалы, обычной выплавки содержат и высокое содержание азота, который, как и углерод, весьма сильно понижает критическую температуру хрупкости. Исследования показали, что суммарное содержание этих элементов внедрения должно быть не более 0,01 0,02% С расширением вакуумной выплавки стало возможным получение особо чистой хромистой стали типа Х13 с очень низким содержанием углерода и азота. Наиболее легко эти требования достигаются при проведении двойного вакуумного переплава (вакуумно-индукционного + вакуумно-дугового).

Учитывая вредное влияние углерода и азота на хладноломкость хромистых сталей и, в частности, стали типа Х13, содержание углерода и азота должно быть не более 0,01% каждого.

Вследствие того, что часть примесей внедрения (углерода и азота) будет в стали, то вводится в нее титан в количестве 0,1 0,3% для связывания углерода (и азота) в карбиды (и нитриды) титана ( TiC,TiN) или их карбонитриды Ti(C, N).

Теперь рассмотрим роль хрома при длительном старении низкохромистых нержавеющих сталей при высоких рабочих температурах. Если считать, что протекают процессы расслоения (по хрому) твердых растворов, то неизбежно будут участки "обогащенные" и "обедненные" хромом.

Известно, что при введении в чистое железо хрома в количестве 12% (точнее 11,68% ) электрохимический потенциал стали становится уже электроположительным. Поэтому, чтобы стали были нержавеющими, в них необходимо вводить не менее 12% хрома. В этих случаях они становятся устойчивыми против электрохимической коррозии во многих агрессивных средах. Следовательно, хром в количестве не менее 12% должен содержаться в α и γ -твердых растворах /1 3/. Хром, содержащийся в карбидах, интерметаллидах и других первичных и вторичных фазах, не повышает коррозионной стойкости хромистых (и хромоникелевых) сталей и сплавов. Необходимо утверждать, что и хром, находящийся в твердом растворе при процессах расслоения (а также при предвыделении фаз и др. ) дает "гетерогенность" сплавов, по-разному сопротивляющихся в коррозионных средах. Если в стали-прототипе минимальное содержание хрома равно 11% то уже эта сталь не имеет "высокой" сопротивляемости общей коррозии. При протекании процессов расслоения будет еще "меньшее" содержание хрома в обедненных им участках твердого раствора. Отмеченное указывает на необходимость поднятия минимального уровня содержания хрома в твердом растворе. Это особенно необходимо для тех изделий, которые длительное время работают при относительно высоких температурах.

Авторы считают, что минимальное содержание хрома в сталях типа Х13 должно соответствовать 13% Учитывая принятый разброс при металлургическом переделе, хром должен вводится в количестве 13 14,3% Для улучшения качества твердого раствора вводится никель в количестве 0,3 0,6% Редкоземельный элемент иттрий в количестве 0,02 0,06% способствует распаду твердого раствора и его коррозионной стойкости. Полагается, что иттрий, входя в окисную пленку, делает ее более плотной, коррозионно-стойкой. В связи с отмеченным, предлагается конструкционная сталь, содержащая в составе следующие элементы,мас.

Углерод 0,001 0,01 Кремний 0,3 0,6 Марганец 0,3 0,6
Хром 13 14,3
Никель 0,3 0,6
Титан 0,1 0,3
Азот 0,001 0,01
Иттрий 0,02 0,06
Железо Остальное
Были выплавлены в ЦНИИ КМ "Прометей" слитки развесом 16 кг и проведены пластическая и термическая обработки. Сопротивляемость радиационному распуханию была оценена в ХФТИ на ускорителе ВГ-4 ионами Е 4,25 МэВ при дозе 50 смещ/атом.

Химический состав и результаты испытаний предлагаемой и известной сталей представлены в табл. 1 4.

Как следует из данных табл. 2 предлагаемая сталь после "жесткого" условия старения (450^oC, 10000 ч выдержки) обладает более высокой сопротивляемостью общей равномерной коррозии. Так, если обычная хромистая сталь типа 08Х13 имела общую скорость коррозии 0,08 мм/год, то предлагаемая сталь корродировала в доаэрированном бидистиллате при температуре 300^oC со скоростью 0,01 0,004 мм/год, т.е. в 2 8 раз медленнее в сравнимых условиях испытания. Это свидетельствует, что главная цель создания нового материала достигнута.

Как и следовало ожидать, резкое уменьшение содержания углерода и азота перевело хромистую сталь типа 08Х13 из хрупкого состояния в вязкое. Это иллюстрируется данными, приведенными в табл. 3. Образцы из особо чистой, суперферритной стали даже не разрушались при ударном изгибе.

Предлагаемая сталь, как и сталь-прототип, имеет весьма высокое сопротивление радиационному распуханию. Это свойственно не только обычным хромистым сталям, но и, как установлено, и особо чистым хромистым сталям при указанных дозах облучения, табл. 4.

Ожидаемый технико-экономический эффект выразится в создании хромистых сталей с высоким сопротивлением общей коррозии и большим сопротивлением хладноломкости для специальных энергетических установок. ТТТ1 ТТТ2

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, титан, иттрий, азот при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,001-0,01
Кремний 0,3-0,6
Марганец 0,3-0,6
Хром 13-14,3
Никель 0,3-0,6
Титан 0,1-0,3
Иттрий 0,02-0,06
Азот 0,004-0,01
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4