Жаропрочная сталь мартенситного класса


 


Владельцы патента RU 2437956:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным хромистым сталям мартенситного класса, применяемым для изготовления элементов энергетических установок (котлов, паропроводов и др.) с рабочей температурой пара до 640°С. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт, ванадий, ниобий, азот, бор, серу, фосфор, алюминий, медь и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод не более 0,02, кремний от 0,15 до 0,2, марганец от 0,45 до 0,6, хром от 8,5 до 9,0, никель не более 0,05, вольфрам от 1,7 до 1,75, молибден от более 0,5 до 0,6, кобальт от 2,8 до 3,2, ванадий 0,18-0,23, ниобий от 0,05 до 0,08, азот от 0,05 до 0,07, бор от 0,006 до 0,008, сера не более 0,01, фосфор не более 0,01, медь от 0,01 до 0,05, алюминий не более 0,003, железо - остальное. Повышается сопротивление ползучести и работоспособность паропроводов и энергетических установок, работающих на суперсверхкритических параметрах пара при давлении 300-350 МПа и рабочей температуре до 640°С. 4 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным хромистым сталям мартенситного класса, содержащим 5-13% Сr, применяемых в энергетической промышленности для изготовления оборудования тепловых и газовых турбин. Предлагаемая сталь также может применяться для изготовления паропроводов и котлов энергетических установок с рабочими температурами до 640°С.

В настоящее время для изготовления элементов турбин используются следующие марки сталей мартенситного класса: 20Х13, 15Х11МФ, 13Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ. Химический состав данных сталей по ГОСТ 5632-72 показан в табл.1.

Сталь 20Х13 рекомендовано использовать в энергетическом машиностроении и печестроении для изготовления турбинных лопаток, болтов, гаек с длительным сроком службы при температурах до 500°С. Сталь 15Х11МФ используют для изготовления рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, работающих до 580°С. Из сталей 13Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ изготавливают диски компрессоров, лопатки и другие нагруженные детали, работающие при температурах до 600°С.

Недостатками сталей 20Х13, 15Х11МФ, 13Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ является их низкая жаропрочность при температурах выше 580°С, а также ограниченная свариваемость, что делает невозможным их применение для изготовления паропроводов и котлов энергетических установок.

Также для изготовления элементов турбин используется сталь марки Р92 согласно классификации ASTM А 335 - American Society for Testing and Materials (Американское общество по материалам и методам испытаний). Сталь содержит, масс.%:

углерод 0,070-0,130
кремний не более 0,500
марганец 0,300-0,600
хром 8,900-9,500
никель не более 0,400
вольфрам 1,500-2,000
молибден 0,3-0,6
ванадий 0,150-0,250
ниобий 0,040-0,090
азот 0,030-0,070
бор 0,001-0,006
сера не более 0,010
фосфор не более 0,020
алюминий не более 0,040
железо остальное

Содержание молибдена и вольфрама определяется как %W/2+%Mo<1,5. Данная сталь обладает хорошей свариваемостью и высоким уровнем сопротивления ползучести до температуры 620°С. Это позволяет использовать ее для изготовления паропроводов и котлов энергетических установок, работающих при 600-620°С. Повышенное сопротивление ползучести стали достигается благодаря формированию троостомартенситной структуры при термической обработке. В процессе среднего отпуска из мартенсита происходит выделение большей части углерода в виде карбидов, процессы возврата в дислокационных границах приводят к уменьшению плотности дислокации примерно с 1015 м-2 до 1014 м-2, а процессы полигонизации и рекристаллизации не начинаются. В исходной структуре после термической обработки стали Р92 присутствуют карбиды типа Ме23С6 размером 40-50 нм и МеС размером от 20 до 40 нм, причем карбонитрид V(C,N) имеет пластинчатую форму, а карбонитрид Nb(C,N) - сферическую. Эта сталь сохраняет высокое сопротивление ползучести до тех пор, пока стабильна дислокационная структура отпущенного мартенсита (троостомартенсита). Основным недостатком стали Р92 является то, что при температурах выше 620°С происходит интенсивная коагуляция карбидов типа Ме23С6 и выделение фаз Лавеса, что приводит к понижению сопротивления ползучести стали.

Наиболее близкой по принципу легирования и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является сталь, раскрытая в патенте JP 2009-074179 А, С22С 38/54, 09.04.2009, которая содержит, масс.%:

углерод 0,01-0,035
кремний 0,2-1,0
марганец 0,05-1,5
хром 8,0-12,0
никель 0,01-0,5
вольфрам 0,5-3,0
молибден 0,05-0,5
кобальт 0,5-5,0
ванадий 0,1-0,3
ниобий 0,01-0,1
азот 0,005-0,1
бор 0,001-0,01
медь ≤0,01
алюминий ≤0,002
железо остальное

В этой стали, по сравнению с Р92, уменьшено содержание углерода, увеличено содержание бора и дополнительно введен кобальт. Благодаря уменьшению количества углерода происходит замена части карбидов М23С6 на MX. Поскольку скорость коагуляции частиц карбидов/нитридов типа MX существенно меньше, чем карбидов типа М23С6, то замена карбидов М23С6 на дисперсные выделения одноатомных карбонитридов является эффективным способом повышения жаропрочности мартенситной стали. Дополнительное повышение сопротивлению деформации при ползучести достигается за счет микролегирования бором и азотом с целью образования нитридов бора. Бор сегрегирует по границам зерен, преимущественно бывшим аустенитным, что, подавляя зернограничное проскальзывание, повышает время до разрушения. Кроме того, бор повышает сопротивление коррозии под напряжением и нивелирует неблагоприятное влияние повышенного содержания ванадия на окалиностойкость. Бор образует наночастицы нитрида бора в теле зерен и по дислокационным стенкам, что позволяет поднять температуру эксплуатации за счет эффекта стабилизации дислокационной структуры. Кобальт является одним из важных легирующих элементов жаропрочных сталей мартенситного класса, поскольку подавляет формирование дельта-феррита при аустенитизации сталей с содержанием хрома 8-12%. Появление дельта-феррита нежелательно с точки зрения жаропрочности. Кобальт существенно влияет на выделение дисперсных упрочняющих частиц при отпуске. Общее количество выделений типа карбонитридов MX и карбидов М23С6 увеличивается при увеличении содержания кобальта. Изменение плотности выделений особенно ярко выражено в интервале содержания кобальта от 1 до 3%. Недостатком стали является наличие в структуре до 15% дельта-феррита, несмотря на высокое содержание кобальта.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка стали, в которой полностью подавлено выделение дельта-феррита, обладающей повышенным сопротивлением ползучести и работоспособной при температуре 640°С, что на 20-40°С выше по сравнению с имеющимися аналогами.

Поставленная задача решается предлагаемой жаропрочной сталью мартенситного класса, в химическом составе которой уменьшено содержание кремния, увеличено содержание меди, молибдена, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

углерод не более 0,02
кремний от 0,15 до 0,2
марганец от 0,45 до 0,6
хром от 8,5 до 9,0
никель не более 0,05
вольфрам от 1,7 до 1,75
молибден от более 0,5 до 0,6
кобальт от 2,8 до 3,2
ванадий 0,18-0,23
ниобий от 0,05 до 0,08
азот от 0,05 до 0,07
бор от 0,006 до 0,008
сера не более 0,01
фосфор не более 0,01
медь от 0,01 до 0,05
алюминий не более 0,003
железо остальное

Кремний в данной стали используется в качестве раскислителя, а также повышает коррозионную стойкость. Содержание кремния выше 0,2% может приводить к охрупчиванию стали. Понижение содержания кремния до 0,2% и ограничение минимального содержания кобальта на уровне 2,8% приводит к расширению области существования аустенита и подавлению образования дельта-феррита в предлагаемой стали. Медь вносит вклад в расширение области существования аустенита, а также образует выделения, которые увеличивают прочность при повышенных температурах. Также медь играет роль дополнительных зародышей фаз, выделяемых при ползучести, благодаря чему образуется более мелкодисперсное распределение фаз, что повышает сопротивление ползучести стали. Молибден находится в твердом растворе, что приводит к дополнительному упрочнению.

Пример осуществления.

Был отлит сплав предлагаемого химического состава (табл.2). Сплав был закален с 1050°С и отпущен при 750°С в течение 3 часов.

Таблица 2
Химический состав предлагаемой стали
C Si Mn Cr Ni Co Mo W V Nb N B Al S P Cu
0,02 0,086 0,18 8,93 0,04 2,95 0,49 2,17 0,21 0,076 0,09 0,005 0,001 0,006 0,012 0,02

Механические испытания на растяжения проводились по ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре и по ГОСТ 9651-84 при повышенных температурах (табл.3). Испытания на длительную прочность проводились по ГОСТ 10145-62 (табл.4).

Таблица 3
Механические свойства стали в зависимости от температуры испытания
Температура, °С σ0,2, МПа σB, МПа δ, %
20 700 790 14
450 530 590 9
500 550 590 10
550 530 560 13
600 435 470 13
650 320 440 15
700 130 260 25

В таблице 3: σ0,2 - предел текучести условный; σB - предел прочности; δ, % - относительное удлинение после разрыва.

Таблица 4
Пределы длительной прочности стали в зависимости от температуры
Температура испытания, °С Предлагаемая сталь
600 158
620 136
650 108

Как видно из таблиц, свойства предлагаемой стали позволяют применять ее для изготовления паропроводов и котлов энергетических установок, работающих на суперсверхкритических параметрах пара при давлении 300-350 МПа, и поднять рабочую температуру до 640°С.

Жаропрочная сталь мартенситного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт, ванадий, ниобий, азот, бор, серу, фосфор, алюминий, медь и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод не более 0,02
кремний от 0,15 до 0,2
марганец от 0,45 до 0,6
хром от 8,5 до 9,0
никель не более 0,05
вольфрам от 1,7 до 1,75
молибден от более 0,5 до 0,6
кобальт от 2,8 до 3,2
ванадий 0,18-0,23
ниобий от 0,05 до 0,08
азот от 0,05 до 0,07
бор от 0,006 до 0,008
сера не более 0,01
фосфор не более 0,01
медь от 0,01 до 0,05
алюминий не более 0,003
железо остальное


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных сталей мартенситного класса, предназначенных для использования в энергетическом машиностроении при изготовлении элементов паровых турбин со суперсверхкритическими параметрами пара.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной стали, предназначенной для изготовления элементов тепловых энергоблоков, работающих при температуре до 650°С, в частности труб поверхностей нагрева пароперегревателей и паропроводов.
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к сталям, используемым для изготовления ножей пресс-ножниц для резки проката и металлического лома. .

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 составам коррозионно-стойких аустенитных сталей повышенной прочности, и может быть использовано при производстве листовых деталей и сварных конструкций из них.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочной стали, используемой для изготовления рабочих лопаток, роторов и других деталей паровых турбин, работающих на суперсверхкритических параметрах пара.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности производству листов для использования их в конструкциях атомных энергетических установок, работающих при температурах до 600°С.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам дисперсионно-твердеющей мартенситной стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной износостойкой стали и способу ее получения. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойкой стали, используемой для изготовления деталей атомного оборудования с повышенным требованием к нейтронному поглощению.
Сталь // 2415194
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению стали, используемой для производства мелющих шаров особо высокой твердости диаметром от 80 до 100 мм. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам конструкционных сталей, используемых в судовом и энергетическом машиностроении при производстве различного теплообменного оборудования паросиловых установок и энергоблоков, работающих при сверхкритических параметрах пара.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочной стали, используемой для изготовления рабочих лопаток, роторов и других деталей паровых турбин, работающих на суперсверхкритических параметрах пара.
Изобретение относится к области металлургии и касается разработки состава коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, используемой в атомном энергомашиностроении в качестве материала для защитных чехлов при транспортировке и хранении ядерного топлива.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов. .
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству борсодержащих сталей, применяемых для изготовления деталей в автомобильной промышленности, в том числе для изготовления деталей типа шестерен коробок передач, деталей несущей системы тракторов и автомобилей большой грузоподъемности.
Сталь // 2361959
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам сталей, используемым в строительно-дорожном и железнодорожном машиностроении. .

Изобретение относится к металлургии, а именно к хромистой радиационностойкой стали, используемой для изготовления чехлов тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов на быстрых нейтронах, а также чехлов гильз системы управления и защиты нейтронных источников (СУЗ), оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) и других элементов конструкции активной зоны ядерного реактора.
Сталь // 2445395
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам сталей, которые могут быть использованы в машиностроении
Наверх