Жаропрочный железо-хром-никелевый сплав


 


Владельцы патента RU 2439191:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным железо-хром-никелевым сплавам, предназначенным для изготовления установок, работающих длительное время при повышенных (до 680°С) температурах. Сплав содержит хром, никель, углерод, кремний, марганец, вольфрам, титан, молибден, алюминий, церий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, в мас.%: углерод 0,005-0,010, кремний 0,20-0,40, марганец 1,00-2,00, хром 16,0-18,0, никель 34,0-38,0, вольфрам 1,80-2,30, молибден 0,50-0,80, титан 1,10-1,50, алюминий 0,08-0,15, церий 0,05-0,10, железо и примеси остальное. В качестве примесей сплав содержит серу, фосфор, сурьму, олово, мышьяк при их содержании, мас.%: сера ≤0,010, фосфор ≤0,015, сурьма ≤0,005, олово ≤0,003, мышьяк ≤0,005. При этом соблюдаются следующие соотношения: хромовый эквивалент Crэкв=Cr+2Si+1,5Mo+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25, никелевый эквивалент Niэкв=Ni+0,5Mn+30C≤40, суммарное содержание молибдена и вольфрама не превышает 3 мас.%, суммарное содержание примесей S+P+Sn+Sb+As не более 0,030 мас.%. Повышается уровень длительной прочности. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов, содержащих в качестве основы железо, хром, никель, молибден, вольфрам, а также углерод, кремний, марганец, церий, титан, алюминий. Данная сталь предназначена для изготовления установок, работающих длительное время при повышенных до 680°С температурах.

Известно, что в указанной области техники для работы в области температур 620-680°С применяются стали марок NF707, NF709, HR3C.

Однако недостаточная длительная прочность этих материалов не позволяет использовать их при температурах выше 650°С. Наиболее близким к заявленному сплаву по составу компонентов является сплав на железо-хром-никелевой основе, содержащий, мас.% [1]:

Углерод 0,05-0,12
Кремний 0,20-0,60
Марганец 1,00-2,00
Хром 14,00-16,00
Никель 34,00-38,00
Вольфрам 2,80-3,50
Титан 1,10-1,50
Железо и примеси остальное

Данная марка стали предназначена для изготовления поковок дисков, лопаток, крепежных деталей, плоских пружин для длительной работы до 650°С. Однако длительная прочность известной стали не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современному теплоэнергетическому оборудованию.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание жаропрочной стали, обладающей повышенным уровнем длительной прочности не менее 140 МПа на базе 100000 часов при температуре 650°С (σ650105≥140 МПа).

Технический результат достигается тем, что в состав материала, выбранного в качестве прототипа, дополнительно вводится молибден, алюминий и церий, а также повышено содержание хрома, ограничено содержания углерода, вольфрама и вредных примесей (серы, фосфора, олова, сурьмы и мышьяка), мас.%:

Углерод 0,005-0,010
Кремний 0,20-0,40
Марганец 1,00-2,00
Хром 16,0-18,0
Никель 34,0-38,0
Вольфрам 1,80-2,30
Молибден 0,50-0,80
Титан 1,10-1,50
Алюминий 0,08-0,15
Церий 0,05-0,10
Железо и примеси остальное

При этом должны соблюдаться следующие соотношения:

- суммарное содержание примесей (S+P+Sn+Sb+As) должно быть не более 0,030%;

- хромовый эквивалент:

Crэкв=Cr+2Si+1,5Mo+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25;

- никелевый эквивалент:

Niэкв=Ni+0,5Mn+30C≤40;

- суммарное содержание молибдена и вольфрама не должно превышать 3 вес.%.

Соотношение указанных легирующих элементов выбрано таким образом, чтобы сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала требуемый уровень длительной прочности и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях эксплуатации оборудования. Кроме того, при указанном содержании легирующих элементов достигается эффект наноструктурного упрочнения за счет выделений мелкодисперсных интерметаллидных частиц γ'-фазы типа Ni3(Al, Ti), которые образуются при старении.

В заявляемой марке стали по сравнению с прототипом снижено содержание углерода до минимально достижимого на практике при выплавке в вакуумно-индукционной печи: не более 0,01% вместо не более 0,12% в известной стали. Это приводит к тому, что при длительной службе в сплаве образуется небольшое количество карбидов хрома, которое не охрупчивает сплав.

В химический состав заявленной стали был введен молибден, что позволило повысить прочность и пластичность при кратковременной и длительной эксплуатации, за счет выделения фаз Лавеса типа Fe2Mo и твердых растворов типа Fe2(Mo,W).

Церий 0,05-0,10 мас.% повышает технологичность при горячей пластической деформации. При содержании церия до 0,1% он действует как модификатор и измельчает структуру слитка, в конечном счете, повышает технологическую пластичность и длительную прочность.

Алюминий вводится для образования при старении интерметаллидных частиц γ'-фазы типа Ni3(Al, Ti), выделение которых приводит к повышению длительной прочности.

Хром в жаропрочных сталях и сплавах повышает сопротивление окислению при высоких температурах, причем тем больше чем выше его содержание. У аустенитных сталей хром увеличивает энергию связи атомов кристаллической решетки γ-твердого раствора, несколько повышает жаропрочные характеристики и температуру рекристаллизации легированного аустенита. В связи с этим содержание хрома было увеличено до 16-18% по сравнению с 14-16% в известной стали.

Но при чрезмерном увеличении содержания хрома и образовании ферритной составляющей в сложнолегированных жаропрочных аустенитных сталях наблюдается резкое падение жаропрочности, поэтому содержание хрома ограничивается 18%.

Повышение содержания углерода и хрома выше указанного в формуле, способствует выделению карбидов и ускоренной их коагуляции по границам зерен, уменьшению дисперсности выделяющихся фаз, что ведет к снижению характеристик длительной прочности.

При длительном воздействии повышенных рабочих температур до 650°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как, S, P, Sn, Sb и As, на границах зерен, что может привести к появлению участков межзеренного разрушения. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, повышение критической температуры хрупкости стали. В связи с этим необходимо ограничивать суммарное содержание данных элементов (S+P+Sn+Sb+As) не более 0,030%.

Были произведены 3 опытно-промышленные плавки на ООО "Ласмет" весом по 100 кг. Сплав выплавлялся в вакуумно-индукционных печах емкостью 0,5-12 т. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.

Вакуумная выплавка обеспечивает существенное уменьшение содержания как вредных примесей (особенно серы), так и примесей цветных металлов. Этот рафинирующий эффект создает резерв повышения деформируемости сплава, особенно в сочетании с применением при выплавке чистых шихтовых материалов.

Материал подвергался термической обработке, после чего были изготовлены образцы на статическое растяжение и длительную прочность.

Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1, механические свойства и характеристики длительной прочности - в таблице 2 и 3 соответственно.

Результаты сравнительных испытаний металла плавок показывают преимущество сплава заявленного состава по кратковременным механическим свойствам и по длительной прочности.

Суммарное содержание примесей для 3-х плавок:

(S+P+Sn+Sb+As)1=0,025;

(S+P+Sn+Sb+As)2=0,027;

(S+P+Sn+Sb+As)3=0,029.

Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной марок стали
Сплав Условный номер плавки Механические свойства при температуре испытания 650°С
σВ, МПа σ0,2, МПа δ, % ψ, %
не менее
Предлагаемый 1 635 467 25,9 42,6
2 644 459 27,5 40,8
3 638 462 32,3 39,7
Известный 4 620 440 20 34

Примечания:

1. Приведены усредненные результаты по 3-м образцам на точку.

2. Образцы испытаны после аустенизации при температуре 1100°С, двойного старения по следующему режиму: Тст1=850°С, τст1=10 ч, Тст2=700°С, τст2=50 ч, охлаждение на воздухе.

Таблица 3
Предел длительной прочности предлагаемой и известной марок стали
Сплав Условный номер плавки Предел длительной прочности на базе 105 часов при 650°С, МПа
Предлагаемый 1 185
2 172
3 175
Известный 4 160

Источники информации

1. Л.Я.Либерман, М.И.Пейсихис. Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении. Часть 2. - ЦКТИ, Ленинград, 1966. - 200 с.

2. "Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System", F.Starr and A.Shibli International Symposium on Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.

3. К.А.Ланская. Жаропрочные стали. - Москва, Металлургия, 1969. - 246 с.

1. Жаропрочный железо-хром-никелевый сплав, содержащий хром, никель, углерод, кремний, марганец, вольфрам, титан, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, алюминий и церий при следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,005-0,010
кремний 0,20-0,40
марганец 1,00-2,00
хром 16,0-18,0
никель 34,0-38,0
вольфрам 1,80-2,30
молибден 0,50-0,80
титан 1,10-1,50
алюминий 0,08-0,15
церий 0,05-0,10
железо и примеси остальное

при этом соблюдаются следующие соотношения:
хромовый эквивалент Crэкв=Cr+2Si+1,5Мо+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25,
никелевый эквивалент Niэкв=Ni+0,5Mn+30C≤40,
суммарное содержание молибдена и вольфрама не превышает 3 мас.%.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит серу, фосфор, сурьму, олово и мышьяк при их содержании, мас.%:

сера ≤0,010
фосфор ≤0,015
сурьма ≤0,005
олово ≤0,003
мышьяк ≤0,005

3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей S+P+Sn+Sb+As не более 0,030 мас.%.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления стальной сварочной проволоки. .

Изобретение относится к области металлургии и сварки, а именно к сварочным проволокам, используемым для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из немагнитной высокопрочной аустенитной азотистой стали, применяемой в различных отраслях промышленности, в частности судостроении и нефтехимической промышленности.

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 металлургии, а именно к производству бесшовной трубы из мартенситной нержавеющей стали, используемой для нефтепромыслового оборудования.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитным нержавеющим сталям и изделиям из них, подвергающимся воздействию высокотемпературной воздушной среды.

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 получению ковкой стали, обладающей прекрасной деформируемостью при ковке. .

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

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 составам высокопрочных немагнитных коррозионно-стойких сталей, используемых в машиностроении, приборостроении, судостроении и буровой технике.

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

Изобретение относится к металлургии, а именно к легированным коррозионно-стойким сталям, используемым для производства насосно-компрессорных и обсадных труб и нефтегазодобывающего оборудования.
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 области черной металлургии, а именно к холоднокатаной листовой стали для изготовления штампованных деталей корпуса автомобилей. .

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 производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для сварки корпусов парогенераторов. .

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

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 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 получению сплавов системы Ni-Fe-Cr, применяемых в глубоких нефтяных или газовых скважинах, а также морской среде.
Изобретение относится к составам свариваемых сталей, используемых в бронезащитных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит
Наверх