Аустенитная дисперсионно-твердеющая высокопрочная сталь, стойкая к сероводородному растрескиванию под напряжением


 


Владельцы патента RU 2415962:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") (RU)

Изобретение относится к металлургии, а именно к аустенитной дисперсионно-твердеющей высокопрочной стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых сероводородсодержащих средах. Сталь содержит углерод, хром, никель, титан, молибден, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 10,0-12,5, никель 22,0-24,0, титан 2,7-3,1, молибден 1,0-1,6, алюминий не более 0,8, углерод 0,03-0,07, железо - остальное. Сталь обладает повышенной стойкостью к растрескиванию под напряжением в сероводородсодержащих средах и стабильными механическими свойствами: предел текучести не менее 725 МПа, а твердость не более 35 HRC. 6 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к легированию аустенитной дисперсионно-твердеющей высокопрочной стали с заданными пределами поля допуска параметров механических свойств.

Технической задачей изобретения является повышение стабильности значений параметров механических свойств при соблюдении заданных пределов допуска: предел текучести не менее 725 МПа и твердость не более 35 HRC при использовании стали - для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых средах.

Это достигается тем, что устанавливается математическая зависимость между параметрами механических свойств и химическим составом, определяются наиболее значимые элементы, влияющие на механические свойства, и решением линейных уравнений «механические свойства (химический состав)» оптимизируется содержание значимых элементов так, чтобы выполнялось условие: σ02≥725 МПа; HRC≤35 при величине остальных параметров механических свойств не ниже границы допустимых значений.

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к ограничению легирования известной стали для выполнения заданных пределов допуска по механическим свойствам с повышением стабильности значений параметров механических свойств.

Известна сталь аустенитного класса с дисперсионным и карбидным упрочнением, термообработанная по режиму, включающему закалку с 980°С и старение при 730°С продолжительностью 5 часов. Сталь приобретает структуру, механические свойства и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением, позволяющие использовать ее для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых средах при температурах 20÷-60°С (Патент на изобретение №2201971 10.04.2003 г).

Недостатком известного изобретения является то, что при содержании легирующих элементов, упрочняющих сталь в процессе старения за счет дисперсионного твердения, вблизи пределов марочного состава необходимо корректировать продолжительность старения и статистика значений параметров механических свойств по ряду параметров имеет значимые величины вероятности выхода за пределы технических условий (ГОСТ Р50779.11-2000 Статистическое управление качеством. Термины и определения).

Наиболее близким техническим решением химического состава высокопрочной аустенитной стали является высокопрочная сталь аустенитного класса 10Х11Н23ТЗМР (ЭП 33) ГОСТ 5632-72 (ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные). При стандартном легировании возможно такое сочетание элементов, что у стали может быть предел текучести ниже 725 МПа или твердость выше 35 HRC. Статистика данных механических свойств, включающая 160 значений каждого параметра, показывает, что вероятность выхода за пределы поля допуска составляет в сумме 25% и стандартное отклонение по пределу текучести и твердости составляет 67 МПа и 4 HRC соответственно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности механических свойств, снижение стандартного отклонения по пределу текучести и твердости без снижения уровня и стабильности других параметров, а также ограничение выделения дисперсных фаз в процессе старения, устранение необходимости корректировки продолжительности старения при 730°С, получение комплекса механических свойств, требуемых для сталей, работающих в средах с высоким содержанием H2S и СО2.

Для получения технического результата предложена аустенитная дисперсионно-твердеющая высокопрочная сталь, стойкая к сероводородному растрескиванию под напряжением, содержащая углерод, никель, титан, хром, молибден, алюминий, в которой в отличие от прототипа для повышения стабильности механических свойств при соблюдении заданных пределов допуска: предела текучести не менее 725 МПа и твердости не более 35 HRC, ограничены пределы содержания углерода, никеля и титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 10,0-12,5
Никель 22,0-24,0
Титан 2,7-3,1
Молибден 1,0-1,6
Алюминий не более 0,8
Углерод 0,03-0,07
Железо основа.

Предлагаемое решение технической задачи осуществляется путем определения оптимального химического состава легирования стали, полученного математическим расчетом. Ограничение пределов легирования стали 10Х11Н23ТЗМР (ЭП 33) ГОСТ 5632-72 по элементам: углерод 0,03-0,07%, никель 22-24%, титан 2,7-3,1% приводит к ограничению выделений дисперсных фаз в процессе старения без необходимости корректировки продолжительности старения при 730°С и получения комплекса свойств, требуемых для сталей, работающих в средах с высоким содержанием H2S и СО2, с повышением стабильности механических свойств.

Пример. Высокопрочная аустенитная сталь 10Х11Н23ТЗМР (ЭП 33) ГОСТ 5632-72, имеющая пределы содержания легирующих элементов:

Сr 10,0-12,5%; Ni 21,0-25,0%; Ti 2,6-3,2%; Mo 1,0-1,6%; Al≤0,8%; С≤0,1%, Fe - основа, при статистической обработке результатов испытаний механических свойств после термообработки по режиму: закалка с 980°С и старение при 730°С продолжительностью 5 часов имеет вероятность выхода за граничные условия в сумме 25% и стандартное отклонение по пределу текучести и твердости составляет 67 МПа и 4 HRC соответственно.

Коэффициенты корреляции, обусловившие выбор элементов оптимизации химического состава (таблица 1).

Таблица 1
Параметры механических свойств σв, МПа σ0,2, МПа KV-60, Дж HRC
Сr 0,14
Ni 0,30 -0,22 0,31
Ti 0,45 0,20 -0,42 0,29
Мо 0,16 -0,33 0,15
А1 0,25 -0,28
С -0,14 -0,35 0,30

Значимые коэффициенты (более ±0,20) получены для элементов Ni, Ti, Мо, Аl, С (коэффициенты ниже ±0,10 не приведены в таблице).

Результаты статистической обработки данных определения химического состава и механических свойств приведены в таблицах 2 и 3. Для оптимизации химического состава выбраны элементы с большими значениями стандартного отклонения и вероятности выхода за пределы технических условий, т.е. Ni, Ti, С.

Уравнения регрессии вида У=b+Σm1…i xX1…i, устанавливающие математическую зависимость параметров механических свойств от химического состава, имеют коэффициенты, приведенные в таблице 4 (b - свободный член, m1…i - коэффициенты регрессии элементов от Сr до С, У - зависимый параметр механических свойств, Х - независимые параметры - элементы химического состава).

Таблица 2
Результаты статистической обработки данных определения химического состава
Сr Ni Ti Мо Аl С
ГОСТ 5632 пределы поля допуска, % 10,0-12,5 21,0-25,0 2,6-3,2 1,0-1,6 ≤0,8 ≤0,1
Среднестатистическое содержание элементов в генеральной выборке 160 значений (X) 11,24 23,43 2,95 1,27 0,21 0,057
Стандартное отклонение (σ) 0,48 0,81 0,17 0,095 0,06 0,015
Вероятность выхода за пределы технических условий ГОСТ 5632-72, % 0 2,7 8% за верхний предел, 1,7 - за нижний 0 0 6,4
Предлагаемые пределы поля допуска 22,0-24,0 2,7-3,1 - - 0,3-0,7
Среднестатистическое значение элементов в выборке 80 значений 11,1 23,4 2,95 1,27 0,21 0,048
Стандартное отклонение в выборке 80 значений 0,46 0,40 0,10 0,06 0,05 0,0075
Снижение статистического параметра стандартного отклонения при ограничении пределов поля допуска в % 49 59 50
Таблица 3
Результаты статистической обработки данных испытания механических свойств
σв, МПа σ0,2, МПа ψ,% δ, % KV-60, Дж HRC
Среднестатистические значения параметров в генеральной совокупности 160 значений 1093,6 830,7 47,70 27,0 69,8 31,6
Стандартное отклонение (о) 53,3 67,5 3,67 4,6 20,9 4,0
Вероятность выхода за пределы технических условий, % 0 6 0 0 2 19,2
Технические требования - пределы поля допуска ≥960 ≥725 ≥20 ≥15 ≥27 ≤35
Среднестатистические значения параметров механических свойств после оптимизации химического состава в выборке 80 значений 1103,6 795,9 48,2 29,4 79,8 30,2
Стандартное отклонение в статистике 80 значений 50,5 32,6 4,0 3,9 18,3 4
Снижение статистического параметра стандартного отклонения после оптимизации химического состава, % 9 50 9 15 13 33
Вероятность выхода за пределы технических условий после оптимизации химического состава, % 0 3 0 0 0 4
Снижение вероятности выхода за пределы технических условий, раз - 2 - - - 4
Таблица 4
Параметр механических свойств У Свободный член b Коэффициенты регрессионных уравнений для каждого параметра механических свойств, m
Сr Ni Ti Mo Аl С
σb 380,1 -1,54 2,59 245,2 -51,4 20,2 216,27
σ0,2 -536,9 41,4 38,3 148,7 -338,4 44,4 -195,0
ψ 108,3 -0,14 -2,23 -4,25 4,36 7,76 -23,83
δ 93,2 -0,44 -1,95 -5,72 3,23 12,57 -96,12
KV-60 453,97 -2,34 -8,44 -51,26 12,65 17,14 495,83
HRC -36,1 -0,62 2,5 5,3 -1,26 -11,7 88,6
Таблица 5
Матрица предельных значений химического состава и механические свойства, получаемые математическим расчетом по регрессионным уравнениям
Химический состав, % Механические свойства
Ni Ti С σв, МПа σ02, МПа ψ, % δ, % KV-60, Дж HRC
22 2,7 0,03 1027 743 52,6 33,8 108 24
24 2,7 0,03 1032 819 48,0 29,9 91,6 30
22 3,1 0,03 1125 802 50,9 32,9 87,9 27
24 3,1 0,03 1130 879 46,4 27,6 71,0 31
22 2,7 0,07 1036 735 51,6 30,0 88,6 28
24 2,7 0,07 1041 811 47,2 26,0 71,7 33
22 3,1 0,07 1134 794 50,0 27,6 68,1 30
24 3,1 0,07 1139 871 45,5 23,7 51,2 35
Таблица 6
Оценка параметров стабильности механических свойств
Статистики Критерии стабильности Параметры механических свойств
σв, МПа σ0,2, МПа ψ, % δ, % KV-60, Дж HRC
Генеральная совокупность 160 значений Размах значений 981,0-1265,0 623,0-953,0 32,0-60,0 19,0-37,0 32,0-117,0 23-37
Стандартное отклонение 53,3 67,5 4 4,6 26,9 4
Вероятность выхода за пределы, % 0 6 0 0 2 19,2
Выборка значений с оптимальным химсоставом 80 значений Размах значений 1038-1176 741,0-953,4 42,0-58,0 25,0-31,8 47,0-104,0 26-35
Стандартное отклонение 48,6 61,7 4 4,3 18,3 2,9
Вероятность выхода за пределы, % 0 3 0 0 0 4
Матрица предельных значений химсостава Размах значений 1027-1139 735-879 45,5-52,6 23,7-33,8 51,2-108,0 24-35

Коэффициенты детерминированности, оценивающие полноту корреляции с линейной моделью уравнения регрессии, коэффициенты F-статистики для каждого параметра механических свойств, расчетные коэффициенты t-статистики (отношение коэффициента регрессии к стандартному значению ошибки) указывают на значимость полученных коэффициентов регрессионного уравнения.

В расчете значений параметров механических свойств при оптимальных пределах поля допуска содержания элементов (Ni, Ti, С) в качестве содержания остальных элементов (Cr, Mo, A1) использовано среднеарифметическое значение элемента из статистики 160 значений каждого параметра. Согласно уравнениям регрессии их изменение в сторону максимального или минимального содержания положительно влияет на значения оптимизируемых параметров механических свойств.

Матрица значений предлагаемого химического состава и получаемые при этом значения всех параметров механических свойств приведены в таблице 5. Допуск (разность между наибольшим и наименьшим предельными значениями) у каждого параметра механических свойств уменьшился.

Оптимизация химического состава позволила повысить стабильность параметров механических свойств. Критериями стабильности (таблица 6) взят размах выборки для статистики, величина стандартного отклонения (среднеквадратичное отклонение), вероятность выхода за пределы технических условий (ГОСТ Р 50779.10 Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения).

Проверка влияния оптимального содержания элементов: углерод 0,03-0,07%, никель 22-24%, титан 2,7-3,1% на выборке из генеральной совокупности значений статистики с химическим составом в указанных пределах подтверждает правильность выбранного направления сужения пределов поля допуска: вероятность выхода за пределы технических условий для предела текучести и твердости уменьшается в 2 и 4 раза соответственно.

Аустенитная дисперсионно-твердеющая высокопрочная сталь, стойкая к сероводородному растрескиванию под напряжением, содержащая углерод, хром, никель, титан, молибден, алюминий и железо, отличающаяся тем, что для повышения стабильности механических свойств при соблюдении заданных пределов допуска - предел текучести не менее 725 МПа и твердость не более 35 HRC она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

хром 10,0-12,5
никель 22,0-24,0
титан 2,7-3,1
молибден 1,0-1,6
алюминий не более 0,8
углерод 0,03-0,07
железо остальное


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листовой хладостойкой стали, используемой в атомном энергомашиностроении при серийном производстве высоконадежной контейнерной техники для транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов атомной и термоядерной энергетики.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению детали из стали, обладающей многофазной микроструктурой. .
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для движения в кривых участках малого радиуса в условиях Сибири и Крайнего Севера.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к изготовлению пружинной стали. .
Изобретение относится к области металлургии и сварки, в частности к составу легированных сталей, которые применяются при изготовлении сварочной проволоки для электросварки броневых сталей.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к низкоуглеродистой холоднокатаной листовой стали для штампованных деталей корпуса автомобилей. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими температурами в интервале 800-1200°С и давлением до 50 атм.
Изобретение относится к области электрометаллургии черных металлов, а именно к производству коррозионно-стойких аустенитных хромоникелевых сталей, используемых как конструкционный материал для изготовления труб.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, которые могут быть использованы для изготовления пружин, работающих в воде, слабых растворах кислот и щелочей, нефтепродуктах.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению корпусов подводных лодок из сваренных катаных или кованых стальных заготовок. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей ферритного класса, используемых в качестве жаростойкого и коррозионно-стойкого листового материала для изготовления котельного, печного, нефтехимического и другого высокотемпературного оборудования, работающего при температурах до 1200°С
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке литейной жаропрочной стали, используемой для изготовления деталей термических агрегатов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к мартенситной нержавеющей стали, используемой для производства изделий, эксплуатирующихся в коррозионных средах, содержащих сероводород, газообразный диоксид углерода и ионы хлора

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению сплавов системы Ni-Fe-Cr, применяемых в глубоких нефтяных или газовых скважинах, а также морской среде

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера

Изобретение относится к области металлургии, а именно к мартенситной нержавеющей стали для сварных конструкций, стойкой к коррозионному растрескиванию под напряжением

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, применяемым при производстве водорода конверсией

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для сварки корпусов парогенераторов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам коррозионно-стойких аустенитных сталей, предназначенных для производства листовых и трубных деталей, сварных конструкций, контактирующих с кипящей азотной кислотой
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к холоднокатаной листовой стали для изготовления штампованных деталей корпуса автомобилей
Наверх