Жаропрочная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной стали для деталей тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 620°С. Жаропрочная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор, церий, кальций, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10-0,14, кремний ≤0,10, марганец 0,20-0,40, хром 9,00-10,50, никель 0,30-0,50, вольфрам 0,90-1,10, молибден 0,90-1,10, ванадий 0,18-0,30, ниобий 0,04-0,06, азот 0,03-0,08, бор 0,003-0,012, алюминий 0,005-0,012, сера ≤0,010, фосфор ≤0,010, олово ≤0,006, сурьма ≤0,006, мышьяк ≤0,006, церий 0,005-0,03, кальций 0,005-0,02, железо - остальное. Суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 мас.%. Повышается жаропрочность и комплекс механических свойств. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сталям, в частности, к созданию сталей, которые могут быть использованы для поковок крупногабаритных роторов и другого оборудования тепловых и газовых турбин энергетических установок с рабочей температурой до 620°С.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении поковок роторов большого диаметра, труб паропроводов и котлов с высокими характеристиками прочности, выносливости и жаропрочными свойствами при температурах до 620°С.

Применяемая сталь 15Х12 ВНМФ (ЭИ802) ГОСТ 5632-72 хорошо себя зарекомендовала при производстве заготовок роторов для газовой турбины, работающей при температурах не выше 570°С. Однако при эксплуатации при температурах выше 600°С данная сталь обладает пониженной жаропрочностью.

Известная сталь 13Х11Н2 В2МФ (ЭИ961-Ш), применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, (масс.%):

Углерод	0,10-0,16
Кремний	≤0,60
Марганец	≤0,60
Хром	10,5-12,0
Никель	1,50-1,80
Молибден	0,35-0,50
Ванадий	0,18-0,30
Вольфрам	1,60-2,00
Медь	≤0,30
Железо и примеси	остальное (см. ГОСТ 5632-72)

Недостатком данной стали является пониженная жаропрочность при температурах выше 570°С и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала по содержанию углерода.

Наиболее близкой к предложенной стали по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочная сталь (см. Патент РФ RU 2272852 С1, Кл. С22С 38/48) следующего состава (масс.%):

Углерод	0,11-0,20
Кремний	0,03-0,20
Марганец	0,1-0,30
Хром	9,00-12,0
Никель	0,00-0,7
Вольфрам	0,00-2,0
Молибден	0,90-1,60
Ванадий	0,15-0,30
Ниобий	0,02-0,06
Бор	0,00-0,02
Азот	0,005-0,05
Олово	0,00-0,006
Сурьма	0,00-0,006
Мышьяк	0,00-0,007
Сера	≤0,015
Фосфор	≤0,020
Железо	остальное

Эта сталь имеет значительные изменения характеристик жаропрочности и механических свойств при температурах выше 600°С из-за большого разброса по содержанию углерода, хрома, вольфрама, никеля и бора. Кроме того, при содержании углерода выше 0,15% сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок методом ЭШП и требует сложной термической обработки с многократными переохлаждениями для предотвращения образования трещин в поковках в процессе охлаждения от температур ковки. При содержании ферритообразующих на верхнем пределе структура стали становится мартенситно-ферритной со значительным количеством феррита, что существенно снижает жаропрочные и пластические свойства стали, а также сопротивление хрупкому разрушению.

Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит церий, кальций и алюминий при следующем соотношении компонентов (масс.%):

Углерод	0,10-0,14
Кремний	≤0,10
Марганец	0,20-0,40
Хром	9,00-10,5
Никель	0,30-0,50
Вольфрам	0,90-1,10
Молибден	0,90-1,10
Ванадий	0,18-0,30
Ниобий	0,04-0,06
Азот	0,03-0,08
Бор	0,003-0,012
Алюминий	0,005-0,012
Сера	≤0,010
Фосфор	≤0,010
Олово	≤0,006
Сурьма	≤0,006
Мышьяк	≤0,006
Церий	0,005-0,03
Кальций	0,005-0,02
Железо	остальное

При этом суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 масс.%.

Предлагаемая сталь отличается от известной так же тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 масс.%.

Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании с сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, повышает жаропрочность, пластичность и ударную вязкость, очищает и упрочняет границы зерен, что приводит к общему повышению служебных и технологических свойств материала. При содержании Са и Се ниже нижнего предела их воздействие на жаропрочные свойства стали малоэффективно, а при содержании их выше верхнего предела вызывает избыточное обогащение границ зерен неметаллическими включениями, что отрицательно сказывается на свойствах стали.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления и деформируемость в горячем состоянии. При суммарном содержании церия и кальция в указанных пределах повышается длительная прочность предложенной стали.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела заданного содержания их действие на жаропрочные свойства и сопротивление хрупкому разрушению малоэффективно.

Остаточное содержание алюминия в стали составляет 0,005-0,012 масс.%. При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела в условиях ограничения по содержанию кремния не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению количества оксидных включений и снижению прочностных свойств металла. При увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики жаропрочности и ударной вязкости металла, что обуславливается дополнительным выделением на границе зерен нитридов алюминия.

Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора и серы до 0,010% каждого, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости.

Предлагаемая сталь содержит бор (0,003-0,012 масс.%), что способствует увеличению прокаливаемости, так как весь бор, находясь в твердом растворе, концентрируется в тонких слоях зерен аустенита и уменьшает скорость зарождения центров кристаллизации, кроме того такое содержание бора обеспечивает хорошее сочетание жаропрочности и окалиностойкости, а так же пониженную чувствительность к образованию трещин при сварке и электрошлаковом переплаве.

Содержание бора ниже нижнего предела малоэффективно, а содержание бора выше верхнего предела приводит к превышению предела насыщения на границах аустенита, в результате чего появляются избыточные бористые фазы (бориды), действующие как центры кристаллизации, что снижает окалиностойкость и жаропрочность стали за счет появления избыточных фаз.

Предлагаемая сталь отличается меньшим содержание углерода 0,10-0,14 масс.% против 0,11-0,20 масс.% в известной стали, что является оптимальным для обеспечения высокой технологичности в переплавных процессах, ковке и сварке. Вместе с тем такое содержание углерода для предлагаемой композиции обеспечивает высокую жаропрочность.

При содержании углерода ниже нижнего предела его действие на технологические и служебные свойства малоэффективно, а при содержании углерода выше верхнего предела ускоряется коалесценция карбидов и обеднение твердого раствора Мо, W и V, что снижает прочностные свойства и жаропрочность стали.

Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на литые электроды для получение слитков ЭШП. Полученные слитки ЭШП подвергались ковке в интервале 1230-850°С на заготовки для определения механических и жаропрочных свойств.

В таблице 1 приведен химический состав солей.

В таблице 2 приведены механические свойства, полученные после оптимальной термообработки с учетом реальных условий проведения технологических нагревов при изготовлении поковок для оборудования паровых и газовых турбин.

Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длинны с диаметром рабочей части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Определение ударной вязкости при нормальной температуре производилось на образцах типа 11 по ГОСТ 9454-78.

Жаропрочные испытания проводились по ГОСТ 3248-81 на ползучесть и по ГОСТ 10145-81 - на длительную прочность (таблица 3).

Как видно из таблиц 2 и 3, предлагаемая сталь имеет более высокие механические свойства и жаропрочность.

Использование предложенной стали в качестве материала для поковок крупногабаритных роторов для газовых и тепловых турбин, а так же трубопроводных элементов паропроводов и котлов с достижением суперсверхкритических параметров пара при давлении 300-350 МПа позволяет повысить рабочую температуру турбин до 620°С.

Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и промышленные испытания на ОАО «ОМ3-Спецсталь» и рекомендована к промышленному опробованию в условиях ОАО «Ленинградский металлический завод».

Таблица 1
Химический состав стали
Состав стали	Содержание компонентов (масс.%)
С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	W	V	Nb	В	Al	S	Р	Са	Се	N	As	Sb	Sn	Fe
1.	0,10	0,05	0,2	9,0	0,3	0,9	0,9	0,18	0,04	0,003	0,005	0,005	0,005	0,005	0,005	0,03	0,001	0,005	0,005	остальное
2.	0,12	0,07	0,3	9,5	0,4	1,0	1,0	0,20	0,05	0,004	0,009	0,01	0,01	0,006	0,009	0,05	0,002	0,003	0,003	остальное
3.	0,14	0,10	0,4	10,5	0,5	1,1	1,1	0,30	0,06	0,012	0,012	0,01	0,01	0,02	0,02	0,08	0,006	0,006	0,006	остальное
4.	0,09	0,03	0,1	8,0	0,2	0,8	0,8	0,15	0,02	0,002	0,003	0,01	0,01	0,003	0,003	0,02	0,001	0,004	0,004	остальное
5.	0,16	0,15	0,5	12,0	0,7	1,2	1,2	0,35	0,07	0,013	0,015	0,01	0,01	0,009	0,009	0,09	0,007	0,007	0,007	остальное
6.	0,11	0,03	0,1	9,0	0,0	0,9	0,0	0,15	0,02	0,0	-	0,015	0,02	-	-	0,008	0,00	0,0	0,0	остальное
7.	0,20	0,10	0,3	12,0	0,7	1,6	2,0	0,30	0,06	0,02	-	0,015	0,02	-	-	0,05	0,007	0,006	0,006	остальное
Составы 1-3 - предложенная сталь
Составы 4-5 - стали, содержание компонентов которых выходит за заявленные пределы
Составы 6-7 - вариант стали по прототипу

Таблица 2
Механические свойства стали
Состав стали	Тисп., °C	σ0,2	σВ	δ,	ψ,	KCV
Н/мм2	%	Дж/см2
1.	20	750	890	15,0	55,0	90,0
620	400	450	20,0	70,0	-
2.	20	760	910	15,0	52,0	80,0
620	410	470	20,0	65,0	-
3.	20	810	920	14,0	53,0	75,0
620	435	490	22,0	72,0	-
4.	20	680	810	18,0	60,0	100,0
620	390	440	20,0	70,0	-
5.	20	650	800	14,0	58,0	70,0
620	360	440	20,0	70,0	-
6.	20	630	780	15,0	65,0	100,0
620	350	420	20,0	72,0	-
7.	20	700	880	20,0	59,0	40,0
620	410	460	20,0	72,0	-
Составы 1-3 - предложенная сталь
Составы 4-5 - стали, содержание компонентов которых выходит за заявленные пределы
Составы 6-7 - вариант стали по прототипу

Таблица 3
Длительная прочность стали
Состав стали	Длительная прочность, Н/мм2, за время 105 час при температурах
600°	620°С
1.	115	98
2.	125	105
3.	127	110
4.	124	108
5.	118	100
6.	109	90
7.	110	95
Составы 1-3 - предложенная сталь
Составы 4-5 - стали, содержание компонентов которых выходит за заявленные пределы
Составы 6-7- вариант стали по прототипу

1. Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий, кальций и алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,10-0,14
кремний	≤0,10
марганец	0,20-0,40
хром	9,00-10,50
никель	0,30-0,50
вольфрам	0,90-1,10
молибден	0,90-1,10
ванадий	0,18-0,30
ниобий	0,04-0,06
азот	0,03-0,08
бор	0,003-0,012
алюминий	0,005-0,012
сера	≤0,010
фосфор	≤0,010
олово	≤0,006
сурьма	≤0,006
мышьяк	≤0,006
церий	0,005-0,03
кальций	0,005-0,02
железо	остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 мас.%.