Жаропрочная сталь


 


Владельцы патента RU 2416669:

Открытое акционерное общество "ГАЗ" (ОАО "ГАЗ") (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке литейной жаропрочной стали, используемой для изготовления деталей термических агрегатов. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, никель, хром, РЗМ, вольфрам, ниобий, кальций, цирконий серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,15-0,28, хром 16,0-20,0, никель 28,0-32,0, кремний 1,8-2,2, марганец 0,4-0,9, вольфрам 2,5-3,2, ниобий 0,7-1,0, РЗМ 0,005-0,2, кальций 0,005-0,2, цирконий 0,04-0,06, сера ≤0,02, фосфор ≤0,03, железо - остальное. Для компонентов стали выполняется соотношение 0,01<Σ(Ca+PЗM+Zr)<0,46. Повышается длительная прочность и стойкость против окисления, что приводит к увеличению долговечности изготовленных деталей. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке литейной жаропрочной стали, используемой, например, для изготовления деталей термических агрегатов.

Широко известны жаропрочные стали, служащие для изготовления деталей термических агрегатов [1, 2, 3, 4, 5, 6], содержащие углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам и другие элементы. Эти стали обладают высокой жаростойкостью, но недостаточной жаропрочностью при 800-900°С.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности к достигаемому результату является сталь [1] следующего химического состава, мас.%:

Углерод до 0,08
Хром 15-18
Вольфрам 4,5-5,5
Титан 2,6-3,2
Никель 32-35
Кремний 0,2-0,5
Марганец 0,3-0,6
Бор до 0,05
Алюминий 1,7-2,1
Церий ≤0,01
Сера ≤0,01
Фосфор ≤0,01
Железо остальное

Основным недостатком жаропрочной литейной стали типа 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ, применяемой для изделий, работающих под нагрузкой при температуре 800-900°С, является слабое сопротивление межкристаллитной коррозии и ползучести ввиду диффузии хрома из пограничных районов зерна в границу зерна с образованием карбида хрома (Cr, Fe)23С6, дисперсные частицы которого располагаются по границам зерен. Данная фаза является упрочняющей и препятствует движению дислокации, однако в интервале температур 620-670°С сложный карбид хрома (Cr, Fe)23C6 коагулирует с образованием крупных частиц, которые уже слабо препятствуют высокотемпературной ползучести и кроме этого уже сами становятся концентраторами напряжения с последующим превращением их в микротрещины и дальнейшим разрушением изделия. Раскисление алюминием и ввод титана сопровождается падением ударной вязкости из-за неблагоприятного распределения неметаллических включений в виде плен и остроугольных нитей и увеличением усадочной пористости. Ввод бора приводит к образованию хрупкой фазы по границам зерен.

Поэтому необходимо было провести дополнительное легирование с целью предотвращения диффузии хрома из приграничной области зерна аустенита в границы зерен, тем самым, снижается вероятность межкристаллитной коррозии. Для этого ввели новые легирующие элементы Nb, РЗМ и Ca, которые, образуя тугоплавкие карбиды, препятствуют высокотемпературной ползучести при температурах 800-900°С. При высокотемпературной эксплуатации атомы вольфрама частично диффундируют из раствора внедрения в границу зерна с образованием фазы Лавеса, что также является упрочняющей фазой, противостоящей высокотемпературной коррозии.

Содержание W и Nb ограничивается соответственно 2,5-3,2 W и 0,7-1,0 Nb, т.к. при превышении этих норм возрастает опасность образования феррита и снижения пластичности материала, ввиду образования значительного количества карбидной фазы.

Длительная прочность жаропрочных изделий - звенья цепи при 800°С термических агрегатов из стали 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ составляет 2 месяца и их заменяют на новые ввиду их большого износа и образования трещин.

Другим недостатком этой стали было низкое содержание углерода, что приводило к малой жидкотекучести и плохой заполняемости тонких стенок звеньев цепей и, как следствие, к появлению дефектов: спай, недолив, неслитина, усадочная пористость, что также уменьшало ресурс работы звеньев цепей.

Технической задачей данного изобретения является увеличение долговечности звеньев цепей и др. изделий для термических агрегатов.

Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, дополнительно содержит ниобий, РЗМ, кальций и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,15-0,28
Хром 16,0-20,0
Никель 28,0-32,0
Кремний 1,8-2,2
Марганец 0,4-0,9
Вольфрам 2,5-3,2
Ниобий 0,7-1,0
РЗМ 0,005-0,2
Кальций 0,005-0,2
Цирконий 0,04-0,06
Сера ≤0,02
Фосфор ≤0,03
Железо остальное

при условии выполнения соотношения 0,01<∑(Ca+РЗМ+Zr)<0,46.

Так как W 2,5-3,2% и Nb 0,7-1,0% обладают большей активностью по отношению к углероду, чем хром, то они оттягивают на себя значительное количество углерода и предотвращают диффузию хрома из приграничной области зерна аустенита в границу зерна, тем самым, снижают вероятность межкристаллитной коррозии. Кроме этого образуют тугоплавкие карбиды (коагуляция этих карбидов происходит при температурах 800-900°С), эта карбидная фаза препятствует высокотемпературной ползучести при более высоких температурах 800-900°С.

Ниобий в количестве более 0,7% тормозит диффузионный обмен при высоких температурах (800°С), затрудняя коагуляцию дисперсных фаз и вызывая, тем самым, повышение предела текучести.

Превышение содержания ниобия выше 1,0% приводит к неоднородному распределению соединений ниобия при повышенных температурах, что может приводить к появлению разностенности и развитию микротрещин в междендритном пространстве.

Высокие концентрации хрома (16-20%) и никеля (28-32%) обеспечивают наилучшие сочетания длительной прочности и стойкости против окисления.

Повышенное содержание углерода (0,15-0,28% против до 0,08%) улучшает жидкотекучесть, достаточную для получения бездефектных без спаев и микропор тонких стенок (3-4 мм) жаропрочных изделий.

Увеличивать содержание углерода более 0,28% нельзя, т.к. уменьшается жаропрочность сплава.

Кремний в приведенных пределах повышает стойкость против окисления, увеличивая стабильность окисной пленки.

Верхний предел по кремнию ограничен (2,2%) из-за опасности ферритообразования и ускорения образования дельта-фазы, которая снижает ударную вязкость и пластичность при высоких температурах.

Верхний предел по марганцу ограничен из-за роста зерна при высокой температуре (800°С), сопровождаемый повышением концентрации вредных примесей, приводящим к снижению механических свойств. Кроме того, повышение содержания марганца может инициировать образование δ-фазы, которая снижает предел текучести стали и приводит к возникновению микротрещин.

Наименьшее пленообразование достигнуто при содержании (Са=0,005-0,2%) и РЗМ=0,005-0,2%. При такой обработке устраняются дефекты отливок по пленам, спаю и горячим трещинам. Кроме того, эти добавки устраняют локальные скопления оксидных включений, способствуя их глобуляризации, что приводит к повышению пластичности, ударной вязкости при высоких температурах.

Цирконий, обладая большим сродством к кислороду, сере и азоту, образует с ними интерметаллиды глобулярной формы кроме очистки границ зерен, замедляет рост зерна при нагреве, увеличивая прочность сцепления эвтектических фаз, препятствуя межкристаллитному разрушению при содержании 0,04-0,06%.

На ОАО «ГАЗ» в условиях литейного цеха были проведены сравнительные плавки стали с известным и предложенным химическим составом, с заливкой звеньев цепи термического агрегата. Сталь выплавляли в индукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали: сталь 10, отходы жаропрочной стали, FeCr, FeW, FeNb, FeSi, FeMn. Раскисляли SiCa и ФС 30РЗМ30 с добавлением FeZr.

Химический состав приведен в таблице №1.

Уровень брака и время до разрушения в термическом агрегате деталей из известного и предлагаемого сплавов представлены в таблице №2.

таблица №1
Сплав Химический состав Наличие термообработки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
С Si Mn Cr Ni W Ti В Al Nb ∑РЗМ Ca Zr
Предлагаемый 1 0,1 1,7 0,3 15,0 27,0 2,3 - - - 0,6 0,002 0,002 0,03 без т/о
2 0,15 1,8 0,4 16,0 28,0 2,5 - - - 0,7 0,005 0,005 0,04 без т/о
3 0,2 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 0,08 0,05 без т/о
4 0,28 2,2 0,9 20,0 32,0 3,2 - - - 1,0 0,2 0,2 0,06 без т/о
5 0,30 2,3 1,0 21,0 33,0 3,3 - - - 1,2 0,08 0,04 0,07 без т/о
6 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 - 0,04 0,05 без т/о
7 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 - 0,05 без т/о
8 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 0,04 - без т/о
9 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 0,04 0,05 без т/о
Известный 10 0,06 0,2 0,3 15,0 32,0 4,5 2,6 0,03 1,7 - - - - с т/о
11 0,08 0,5 0,6 18,0 35,0 5,5 3,2 0,05 2,1 - - - - с т/о
таблица №2
Сплав № Брак по спаю в стенке толщиной 3 мм, % Брак по горячим трещинам, % Усадочная пористость, % Время до разрушения в термическом агрегате при Т=800-900°С
1 3 4 6 не ставились
2-4 0 0 0 8 месяцев, не разрушились
5 0 0 0 -//-
6 8 5 4 не ставились
7 12 6 5 -//-
8 9 12 7 -//-
9 0 0 0 -//-
10-11 18-24 15-17 10-12 2 месяца

Как видно из таблицы №2, звенья цепи из известного сплава (сплавы №10-11) имели больший брак по «спаю», «горячим трещинам» и «усадочной пористости». Звенья цепи, отлитые из известного сплава, разрушились в термическом агрегате через 2 месяца. Звенья цепи, отлитые из предлагаемого сплава (сплавы №2-4), не имели вышеназванных дефектов и стояли в термическом агрегате 8 месяцев без разрушения.

Сравнительный анализ признаков, отличающих данное предложение от известных в этой области технических решений, показал, что в данном сочетании проявляется новое свойство - исключение пористости при повышении долговечности.

Суммарное содержание составляет Ca+РЗМ+Zr=0,01-0,46%. При содержании менее 0,01% увеличивается брак по «спаю», «горячим трещинам», «усадочной пористости».

При содержании более 0,46% увеличивается количество неметаллических включений и долговечность уменьшается.

Список литературы

1. Бабаскин Ю.З. Структура и свойства литой стали. - Киев: Наукова думка, 1980 г.

2. Гольдштейн Я.Е. Микролегирование стали и чугуна. - Свердловск, 1960 г.

3. Барнацкий И.И. Физико-химические основы сталеплавильных процессов. - М., 1978.

4. Ланская К.А. Жаропрочные стали. - М., 1981.

5. Патент РФ №2120077, С22С 19/05.

6. Патент РФ №2139951, С22С 38/48.

7. Патент РФ №2205888, С22С 38/48.

8. Патент РФ №2237102, С22С 38/48.

9. Патент РФ №2302044, С22С 38/48.

10. Жаропрочная сталь 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ, ГОСТ 977-88 «Отливки стальные», стр.14.

Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, РЗМ, вольфрам, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, кальций и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,15-0,28
хром 16,0-20,0
никель 28,0-32,0
кремний 1,8-2,2
марганец 0,4-0,9
вольфрам 2,5-3,2
ниобий 0,7-1,0
РЗМ 0,005-0,2
кальций 0,005-0,2
цирконий 0,04-0,06
сера ≤0,02
фосфор ≤0,03
железо остальное

при условии выполнения соотношения 0,01<Σ(Ca+PЗM+Zr)<0,46.



 

Похожие патенты:
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 металлургии, а именно к аустенитной дисперсионно-твердеющей высокопрочной стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых сероводородсодержащих средах.

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 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
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке экономнолегированной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления холоднодеформированных деталей, работающих в условиях высокоскоростного импульсного нагружения

Изобретение относится к металлургии, а именно к легированным коррозионно-стойким сталям, используемым для производства насосно-компрессорных и обсадных труб и нефтегазодобывающего оборудования
Наверх