Сталь
Владельцы патента RU 2335569:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", ОАО "НПО ЦНИИТМАШ" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°С. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, фосфор, серу, алюминий, олово, свинец, мышьяк и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,11-0,14, кремний 0,15-0,20, марганец 0,40-0,60, хром 10,0-11,0, кобальт 3,0-4,0, молибден 0,9-1,1, вольфрам 0,9-1,1, ванадий 0,15-0,30, ниобий 0,04-0,09, кальций более 0,005-0,05, церий более 0,02-0,05, азот 0,03-0,07, бор 0,001-0,006, фосфор не более 0,015, сера не более 0,010, алюминий не более 0,015, олово не более 0,006, свинец не более 0,006, мышьяк не более 0,006, железо - остальное. Повышается жаропрочность, длительные прочность и пластичность. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°С.
Известна сталь, содержащая 0,10-0,16% углерода, 0,17-0,37% кремния, 0,4-0,7% марганца, 1,10-1,40% хрома, 0,9-1,1% молибдена, 0,20-0,35% ванадия (РУ, выпуск 16, «Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбиностроении» ЦКТИ, 1966 год», стр.92).
Указанная сталь, имея 40-летний опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводов и др. элементов, вследствие низкой жаропрочности не обеспечивает возможность повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 650°С.
В качестве прототипа выбрана сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, церий, кальций, азот, бор, фосфор, серу и железо (см. JP08-218154 А, С22С 38/54 от 27.08.1996 г.). Однако эта сталь при температуре 650°С имеет существенный разброс данных по длительной прочности (от 61 до 139 Н/мм2) и минимальные значения, 
, не соответствует требованиям, предъявляемым к оборудованию, работающему при температуре 650°С.
Предложена сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, азот, бор, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, олово, свинец и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,11-0,14 |
| Кремний | 0,15-0,20 |
| Марганец | 0,4-0,6 |
| Хром | 10,0-11,0 |
| Кобальт | 3,0-4,0 |
| Молибден | 0,9-1,1 |
| Вольфрам | 0,9-1,1 |
| Ванадий | 0,15-0,30 |
| Ниобий | 0,04-0,09 |
| Кальций | более 0,005-0,05 |
| Церий | более 0,02-0,05 |
| Азот | 0,03-0,07 |
| Бор | 0,001-0,006 |
| Фосфор | не более 0,015 |
| Сера | не более 0,010 |
| Алюминий | не более 0,015 |
| Олово | не более 0,006 |
| Свинец | не более 0,006 |
| Мышьяк | не более 0,006 |
| Железо | - остальное. |
Технический результат предложенной стали заключается в том, что достигнут требуемый уровень характеристик жаропрочности при температуре 650°С за время 100000 часов (длительная прочность 
, длительная пластичность 
≥15%) при вышеуказанном содержании компонентов.
Углерод в количестве 0,11-0,14% и хром в количестве 10,0-11,0% повышают длительную прочность стали за счет образования карбидов Ме23С6.
Кремний в количестве 0,15-0,20% и марганец в количестве 0,40-0,60% использованы для раскисления стали.
При содержании кремния менее 0,15-0,20% образуются твердые хорошо удаляемые включения кремнезема. При содержании кремния более 0,20% усиливается склонность стали к тепловой хрупкости.
При введении марганца менее 0,4 - низкая раскислительная способность кремния, более 0,6% - практически не влияет на раскислительную способность, поэтому нецелесообразно.
Кобальт в количестве 3,0-4,0%, как аустенитообразующий элемент, способствует уменьшению δ-феррита в структуре стали и повышает длительную прочность за счет увеличения количества и дисперсности карбидов и карбонитридов, Ме23С6 и NbV (VN).
Содержание кобальта меньше указанного не обеспечивает создания мартенситной структуры (в структуре появляется δ-феррит), а более - экономически нецелесообразно.
Вольфрам и молибден в количестве 0,9-1,1% каждого повышают жаропрочность стали за счет упрочнения твердого раствора, карбида Ме3С6 и выделения фаз Лавеса Fe2W и Fe2Mo.
При содержании вольфрама и молибдена меньше указанного не образуются интерметаллиды Fe2W и Fe2Mo, а больше - приводит к образованию структурно-свободного δ-феррита, который снижает длительную прочность.
Ниобий в количестве 0,04-0,09% и ванадий в количестве 0,15-0,30% образуют наночастицы Nb,V (CN) размером 40-100 нм и, как следствие, повышают жаропрочность. Содержание ниобия и ванадия меньше указанного неэффективно, а больше - приводит к образованию карбидов размером до 1000 нм.
Содержание кальция более 0,005-0,05% повышает изотропность свойств, снижая вторичное окисление стали, и способствует равномерному распределению сульфидных и оксидных включений. Содержание кальция в количестве менее 0,005% нецелесообразно в связи с отсутствием влияния малых концентраций этого элемента на характер неметаллических включений и изотропных свойств стали. Введение кальция в количестве более 0,05% вызывает технологические трудности. В случае применения металлического кальция эти трудности выражаются в сильном пироэффекте и выбросах жидкой стали. В случае применения силикокальция недопустимо увеличивается содержание кремния в стали.
Содержание церия в количестве более 0,02-0,05% способствует глобуляризации неметаллических включений уменьшает количество оксидных включений,типа глинозема и шпиненей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость. При содержании церия менее 0,02% указанный эффект не достигается. Содержание церия более 0,05% может привести к повышению загрязненности стали сложными включениями.
Азот в количестве 0,03-0,07% вводится в сталь с целью повышения жаропрочности за счет образования тугоплавких и мелкодисперсных соединений типа карбонитридов Nb,V (CN). При содержании менее 0,03% азота образование карбидонитридов не наблюдается. Введение азота более 0,07% может привести к образованию в слитках раковин и пузырей.
Бор в количестве 0,001-0,006% повышает длительную прочность и длительную пластичность за счет растворения бора, как поверхностно-активного элемента в граничных зонах, упрочняя границы зерен и замедляя протекание диффузионных процессов в этих участках.
Содержание бора ниже нижнего предела в количестве менее 0,001% неэффективно, а выше 0,006% может привести к образованию бористых включений (боридов), которые ухудшают пластичность стали.
Ограничение содержания фосфора до 0,015% и серы до 0,010% способствует получению более высоких характеристик пластичности стали.
При содержании алюминия менее 0,015% не обеспечивается эффективное раскисление стали. Содержание олова, свинца и мышьяка 0,006% каждого практически не достижимо.
Содержание алюминия более 0,015%, олова более 0,006%, свинца более 0,006% и мышьяка более 0,006% приводит к резкому снижению длительной прочности стали.
Использование практически всех известных факторов, способствующих повышению жаропрочности стали, а именно: совокупного влияния аустенитообразующих, ферритообразующих и карбидообразующих элементов (С, Cr, Mo, W, V, Nb, Co, N), поверхностно-активного В, редкоземельного Се, повышающего изотропность стали Са, ограничение вредных примесей S, Р и легкоплавких элементов Al, Sn, Pb, Sb позволили получить сталь с высоким уровнем служебных и экономических характеристик: жаропрочность, пластичность, ударная вязкость, стабильность при длительных изотермических выдержках, технологичность и экономичность в металлургическом производстве.
Произведено опробование производства из предлагаемой стали поковок. На ОАО «Златоустовский металлургический завод» выплавлена промышленная плавка весом 20 т способом электроплавки с последующим электрошлаковым переплавом. На ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения» изготовлены поковки диаметром 100 и 500 мм. Изготовленная продукция соответствовала заданным требованиям и признана годной.
Химический состав предложенной стали приведен в таблице 1, а механические свойства - в таблице 2.
Испытания проводили на материалах, выплавленных в электродуговых печах с последующим электрошлаковым переплавом. Испытания на растяжение проводили на образцах с диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651, испытания на жаропрочность проводили на образцах с диаметром рабочей части 10 мм по ОСТ 108.901.102-78.
Из таблицы 2 видно, что минимальные значения длительной прочности предлагаемой стали превышают минимальные значения известной стали. Если предел длительной прочности известной стали составляет 
то предлагаемой стали - 
Сталь рекомендуется для изготовления элементов тепловых энергетических установок со сверхкритическими параметрами пара (Т до 650°С и Р до 30,0 МПа), с ресурсом эксплуатации до 200000 часов.
| Таблица 1 | ||||||||||||||||||||
| Химический состав исследованных плавок | ||||||||||||||||||||
| Плавка | Содержание элементов | |||||||||||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Co | Mo | W | V | Nb | Се | Са | S | Р | N | В | А1 | Sn | Pb | As | Fe | |
| 1. | 0,11 | 0,15 | 0,4 | 10,0 | 3,1 | 0,91 | 1,1 | 0,15 | 0,04 | 0,02 | 0,005 | 0,007 | 0,010 | 0,03 | 0,0013 | 0,013 | 0,004 | 0,001 | 0,005 | остальное |
| 2. | 0,125 | 0,17 | 0,52 | 10,6 | 3,5 | 0,95 | 1,05 | 0,23 | 0,075 | 0,035 | 0,02 | 0,009 | 0,012 | 0,05 | 0,0035 | 0,013 | 0,006 | 0,004 | 0,001 | остальное |
| 3. | 0,138 | 0,20 | 0,6 | 10,95 | 3,97 | 1,0 | 1,0 | 0,30 | 0,09 | 0,048 | 0,05 | 0,010 | 0,015 | 0,07 | 0,005 | 0,015 | 0,0039 | 0,0015 | 0,006 | остальное |
| 4. | 0,11 | 0,15 | 0,45 | 10,0 | 3,8 | 1,0 | 1,1 | 0,24 | 0,09 | 0,045 | 0,01 | 0,005 | 0,009 | 0,05 | 0,003 | 0,015 | 0,0051 | 0,003 | 0,005 | остальное |
| 5. | 0,01 0,3 | 0,01 0,8 | 0,2 1,5 | 8,0 13,0 | 0,05 6,0 | 0,01 3,0 | 0,1 5,0 | 0,002 0,8 | 0,002 0,5 | 0,001 0,02 | 0,0005 0,005 | Не более 0,01 | Не более 0,03 | 0,002 0,2 | 0,0005 0,01 | - | - | - | - | остальное |
| 1-3 - предлагаемая сталь, лабораторные плавки | ||||||||||||||||||||
| 4 - предлагаемая сталь, промышленная плавка, поковка ⊘ 500 мм, производства ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения» | ||||||||||||||||||||
| 5 - известная сталь |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Свойства стали | ||||||||||
| Плавка | Кратковременные механические свойства | Длительная прочность, Н/мм2, за время 105 ч при температурах | ||||||||
| Температура испытания 20°С | Температура испытания 600°С | 620°С | 650°С | |||||||
| σB, Н/мм2 | σ0,2, Н/мм2 | δ, % | ψ, % | σB, Н/мм2 | σ0,2, Н/мм2 | δ, % | ψ, % | |||
| 1. | 790 | 605 | 22,0 | 77,0 | 450 | 380 | 22,3 | 79,0 | 120 | 80 |
| 2. | 817 | 627 | 21,6 | 76,0 | 460 | 400 | 20,0 | 79,0 | 125 | 85 |
| 3. | 827 | 630 | 20,9 | 72,8 | 495 | 420 | 20,7 | 74,5 | 130 | 90 |
| 4. | 807 | 621 | 22,4 | 77,5 | 455 | 392 | 23,1 | 79,0 | 150 | 110 |
| 5. | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 61-139 |
| 1-3 - предлагаемая сталь, лабораторные плавки | ||||||||||
| 4 - предлагаемая сталь, промышленная плавка, поковка ⊘ 500 мм, производства ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения» | ||||||||||
| 5 - известная сталь |
Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, олово, свинец и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,11-0,14 |
| кремний | 0,15-0,20 |
| марганец | 0,40-0,60 |
| хром | 10,0-11,0 |
| кобальт | 3,0-4,0 |
| молибден | 0,9-1,1 |
| вольфрам | 0,9-1,1 |
| ванадий | 0,15-0,30 |
| ниобий | 0,04-0,09 |
| кальций | более 0,005-0,05 |
| церий | более 0,02-0,05 |
| азот | 0,03-0,07 |
| бор | 0,001-0,006 |
| фосфор | не более 0,015 |
| сера | не более 0,010 |
| алюминий | не более 0,015 |
| олово | не более 0,006 |
| свинец | не более 0,006 |
| мышьяк | не более 0,006 |
| железо | остальное |
