Жаропрочная сталь

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сталей для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,001- 0,009; кремний 0,005-0,10; марганец 0,2-0,4; хром 8,5-9,5; кобальт 2,5-4,0; молибден 0,4-0,6; вольфрам 1,8-3,0; ванадий 0,15-0,30; ниобий 0,04-0,09; алюминий не более 0,015; никель не более 0,2; кальций 0,005-0,05; азот 0,04-0,10; церий 0,02-0,05; магний 0,005-0,05; бор 0,003-0,01; фосфор не более 0,015; сера не более 0,010; свинец, олово, мышьяк не более 0,006 каждого; железо - остальное, при отношении концентрации азота к концентрации углерода: , отношении суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: , и суммарном содержании вольфрама и молибдена не менее 2,3 и не более 3,2. Сталь имеет мелкозернистую структуру с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуска 740-780°C. Сталь характеризуется высоким уровнем жаропрочности, пластичности, ударной вязкости, стабильностью при длительных изотермических выдержках. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сталей для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

Известна жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, церий, кальций, азот, фосфор и серу при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,12; кремний 0,17-0,37; марганец 0,3-0,6; хром 8,0-10,0; молибден 0,6-2,0; ванадий 0,15-0,35; ниобий 0,10-0,20; церий 0,02-0,05; кальций 0,005-0,05; азот 0,03-0,07; фосфор не более 0,03; сера не более 0,015, железо остальное (RU 2229532, C22C 38/26, опубликовано 27.05.2004).

Эта сталь имеет опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводов и других элементов, работающих при температурах до 600°C включительно, но не обеспечивает возможность повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 600°C.

Известна жаропрочная сталь для деталей паровых турбин, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, серу, олово и железо. Кроме того, компоненты стали находятся в определенных соотношениях между собой (RU 2404281, C22C 38/60, C22C 3854, C22C 38/32, опубликовано 20.11.2010).

Однако указанная сталь также не отвечает требованиям к стали для тепловых энергоблоков с параметрами температуры до 650°C и давления пара до 35 МПа, которая должна иметь при температуре 650°C длительную прочность σ105 не менее 98 Н/мм2 и длительную пластичность не менее 10%.

Наиболее близкой по составу компонентов является мартенситная нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, кальций, серу, церий, олово, магний, свинец и железо (RU 2321670, C22C 38/58, опубликовано 10.04.2008).

Однако эта сталь не является жаропрочной при температурах свыше 600°C даже при схожести качественного состава компонентов со сталью по изобретению, поскольку имеет низкое содержание хрома (до 5 мас.%), достаточно высокое содержание углерода (0,05-0,5 мас.%), кобальта (5-15 мас.%), меди (до 8 мас.%), молибдена и вольфрама (до 6 мас.%), а также ванадия и ниобия.

Задачей изобретения и его техническим результатом является жаропрочная сталь со следующими характеристиками жаропрочности: длительная прочность при температуре 620°C σ620≥140 Н/мм2, при температуре 650°C σ650≥110-115 Н/мм2, длительная пластичность при температуре 650°C δ650≥20,5%.

Сущностью изобретения является жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, кальций, серу, церий, олово, магний, свинец, мышьяк и железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%: углерод 0,001-0,009, кремний 0,005-0,10, марганец 0,2-0,4, хром 8,5-9,5, молибден 0,4-0,6, вольфрам 1,8-3,0, кобальт 2,5-4,0, ванадий 0,15-0,30, ниобий 0,04-0,09, алюминий не более 0,015, никель не более 0,2, азот 0,04-0,10, бор 0,003-0,01, фосфор не более 0,015, кальций 0,005-0,05, сера не более 0,010, церий 0,02-0,05, олово не более 0,006, магний 0,005-0,05, свинец не более 0,006, мышьяк не более 0,006 и железо остальное, при выполнении отношения содержания азота к содержанию углерода: [N]/[C]=6-20, и отношения суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: [C]+[N]/[Nb]+[V]=0,1-0,5, причем суммарное содержание вольфрама и молибдена не менее 2,3 мас.%.

Технический результат также достигается тем, что сталь обладает мелкозернистой структурой с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуске при температуре 740-780°C.

Содержание углерода в стали по изобретению 0,001-0,009 мас.% при содержании азота 0,04-0,10 мас.% и бора 0,003-0,01 мас.% обеспечивает требуемый уровень длительной прочности. Содержание углерода более 0,009 мас.% не обеспечивает необходимого уровня длительной прочности, так как при рабочих температурах 650°C карбиды коагулируют, сильно увеличиваясь в размерах, и разупрочняют сталь.

При содержании углерода в стали 0,001-0,009 мас.% имеет место смещение термодинамического равновесия между кислородом и углеродом в системе Fe-Cr-C-O в сторону увеличения содержания кислорода (до 0,028 мас.%). Это приводит к формированию большого количества неметаллических включений в стали, преимущественно оксидов и оксисульфидов, и, следовательно, к резкому снижению длительной прочности. Поэтому сталь должна содержать такое количество элементов-раскислителей, которое при изготовлении стали обеспечивает содержание кислорода на уровне до 0,001-0,0015 мас.%. В обычных сталях с этой ролью успешно справляются алюминий и кремний. В стали по изобретению такими раскислителями являются алюминий, кремний и магний в заявленных концентрациях. Магний обладает высокой раскислительной способностью, продукты взаимодействия его с кислородом легко выводятся из расплава (ассимилируются шлаком). Кроме того, магний способствует глобуляризации неметаллических включений, уменьшает количество оксидных включений типа глинозема и шпинелей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость.

Требуемый уровень длительной прочности при сохранении необходимого уровня пластичности при рабочих температурах порядка 650°C обеспечивает использование нитридно-боридного упрочнения стали. Поддержание отношения содержания азота к содержанию углерода: [N]/[C]=6-20, и отношения суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: [C]+[N]/[Nb]+[V]=0,1-0,5, не допускает возможности образования карбидов и карбонитридов и обеспечивает образование мелкодисперсных тугоплавких нитридов ванадия и ниобия, равномерно распределенных в объеме зерна.

Содержание кобальта в количестве 2,5-4,0 мас.% способствует уменьшению скорости диффузии легирующих элементов и, как следствие, увеличению дисперсности упрочняющих карбидных и интерметаллидных частиц, а также уменьшению количества δ-феррита в структуре стали, что приводит к увеличению характеристик длительной прочности.

Содержание вольфрама в количестве 1,8-3,0 мас.% за счет упрочнения твердого раствора и выделения фазы Лавеса Fe2W, а также содержание молибдена 0,4-0,6 мас.% повышает жаропрочность стали. При этом для достижения оптимального эффекта суммарное содержание вольфрама и молибдена должно быть не менее 2,3 мас.%, но, желательно, не более 3,2 мас.%.

Содержание бора 0,001-0,01 мас.% обеспечивает длительную прочность и длительную пластичность за счет растворения бора как поверхностно-активного элемента в граничных зонах с упрочнением границ зерен и замедлением протекания диффузионных процессов в этих участках.

Содержание ниобия 0,04-0,09 мас.% способствует получению более мелких нитридов NbN и, как следствие, повышению длительной прочности.

Содержание никеля не более 0,2 мас.% и легкоплавких элементов олова и свинца не более 0,006 мас.% каждого способствует повышению длительной прочности.

Содержание хрома 8,5-9,5 мас.% обеспечивает заданное количество, не более 10%, структурно-свободного феррита, технологичность стали в трубном производстве, ее высокую жаропрочность и ударную вязкость.

Содержание ванадия в количестве 0,15-0,30 мас.% способствует повышению длительной прочности. При содержании ванадия менее 0,15 мас.% не обеспечивается нужная жаропрочность, при содержании более 0,30 мас.% его влияние отрицательно, так как ванадий, находясь в твердом растворе, уменьшает силы межатомных связей.

Содержание в стали кальция в количестве 0,005-0,05 мас.% способствует обеспечению изотропности свойств, снижая вторичное окисление стали и способствуя равномерному распределению сульфидных и оксидных включений.

Содержание в стали церия в количестве 0,02-0,05 мас.% способствует глобуляризации неметаллических включений, уменьшает количество оксидных включений типа глинозема и шпинелей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость.

Содержание фосфора не более 0,015%, серы не более 0,010% и, дополнительно, мышьяка не более 0,006 способствует получению более высоких характеристик пластичности.

Жаропрочная сталь по изобретению обладает мелкозернистой структурой с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуске при температуре 740-780°C. При температуре нормализации выше 1060° наблюдается рост зерна, а при температуре ниже 1040°C снижается длительная прочность. Температура последующего отпуска 740-780°C. Обеспечивает образование мелкодисперсных наноразмерных упрочняющих фаз.

Химический состав стали приведен в таблице 1, а механические свойства - в таблице 2.

Испытания проводили на материалах, выплавленных в вакуумно-индукционных печах. Испытание на растяжение проводили на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651, испытания на жаропрочность проводили на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 10 мм по ОСТ 108.901.102-78.

Из таблицы 2 видно, что сталь по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: длительную прочность при температуре 620°C σ620≥140 Н/мм2, при температуре 650°C σ650≥110-115 Н/мм2, длительную пластичность при температуре 650°C δ650≥20,5%.

Сталь рекомендуется для изготовления трубопроводов и пароперегревателей котлов со сверхкритическими параметрами (температура до 650°С, давление до 35 МПа).

Таблица 1
Содержание № плавки
элементов, мас.% 1 2 3
Углерод 0,0041 0,0052 0,0087
Кремний 0,008 0,057 0,09
Марганец 0,20 0,21 0,37
Хром 8,7 9,27 9,45
Молибден 0,4 0,50 0,60
Вольфрам 1,83 1,96 2,84
Кобальт 2,72 3,28 3,9
Ванадий 0,17 0,23 0,28
Ниобий 0,05 0,09 0,09
Алюминий 0,013 0,015 0,015
Никель 0,10 0,10 0,1
Азот 0,04 0,05 0,09
Бор 0,004 0,008 0,0098
Фосфор 0,003 0,003 0,003
Кальций 0,005 0,006 0,047
Сера 0,006 0,006 0,006
Церий 0,02 0,022 0,047
Олово 0,005 0,005 0,005
Магний 0,006 0,007 0,047
Свинец 0,005 0,005 0,005
Мышьяк 0,004 0,004 0,004
Кислород 0,0015 0,0015 0,002
Железо остальное остальное остальное
Таблица 2
Механические свойства стали № плавки
1 2 3
σВ, Н/мм2 715 723 725
Температура σ0.2, Н/мм2 630 645 623
20°С δ, % 20,6 22,8 20,5
ψ, % 75,0 75,1 72,0
σB, Н/мм2 350 361 354
Температура σ0.2, Н/мм2 343 350 354
650°C Длительная 23 3 24,4 24,1
пластичность δ650, %
ψ, % 76 80,0 78
Температура 620°С Длительная прочность σ620 за 140 150 142
105 часов, Н/мм2
Температура Длительная прочность σ650 за 111 118 112
650°С 105 часов, Н/мм2

1. Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, кальций, серу, церий, олово, магний, свинец и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,001-0,009
кремний 0,005-0,10
марганец 0,2-0,4
хром 8,5-9,5
молибден 0,4-0,6
вольфрам 1,8-3,0
кобальт 2,5-4,0
ванадий 0,15-0,30
ниобий 0,04-0,09
алюминий не более 0,015
никель не более 0,2
азот 0,04-0,10
бор 0,003-0,01
фосфор не более 0,015
кальций 0,005-0,05
сера не более 0,010
церий 0,02-0,05
олово не более 0,006
магний 0,005-0,05
свинец не более 0,006
мышьяк не более 0,006
железо остальное,

при выполнении отношения содержания азота к содержанию углерода: [N]/[C]=6-20 и отношения суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: ([C]+[N])/([Nb]+[V])=0,1-0,5, причем суммарное содержание вольфрама и молибдена не менее 2,3 мас.%.

2. Жаропрочная сталь по п.1, отличающаяся тем, что она обладает мелкозернистой структурой с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуске при температуре 740-780°C.



 

Похожие патенты:
Сталь // 2446226
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам сталей, которые могут быть использованы в машиностроении. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемых для изготовления деталей машин и оборудования. .
Сталь // 2445395
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам сталей, которые могут быть использованы в машиностроении. .

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.
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 области металлургии, а именно к прокату из полосовой стали, используемой в условиях динамических нагрузок и повышенного трения
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению деталей для автомобилестроения термомеханической обработкой горячекатаных и/или холоднокатаных стальных полос или листов, снабженных слоем покрытия из цинкового сплава
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству горячекатаной сортовой полосовой стали
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве подката из высокоуглеродистой стали для изготовления холоднодеформированного арматурного периодического профиля

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам сталей, используемых в энергетическом машиностроении

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения высокой стойкости труб для нефтяных скважин к сульфидному растрескиванию под напряжением (СРН-стойкость) бесшовная стальная труба содержит, мас.%: от 0,15 до 0,50 С, от 0,1 до 1,0 Si, от 0,3 до 1,0 Mn, 0,015 или менее P, 0,005 или менее S, от 0,01 до 0,1 Al, 0,01 или менее N, от 0,1 до 1,7% Cr, от 0,4 до 1,1% Мо, от 0,01 до 0,12 V, от 0,01 до 0,08 Nb, от 0,0005 до 0,003 В или дополнительно содержит от 0,03 до 1,0 мас.% Cu и имеет микроструктуру, которая содержит 0,40% или более растворенного Mo и фазу отпущенного мартенсита, которая является главной фазой и которая имеет зерна первичного аустенита с размером зерна 8,5 или более и 0,06 мас.% или более диспергированного осадка M2C-типа, имеющего по существу зернистую форму. Материал стальной трубы нагревают до температуры от 1000 до 1350°C, осуществляют горячую прокатку в бесшовную стальную трубу заданной формы, охлаждение трубы до комнатной температуры со скоростью не ниже скорости охлаждения воздухом и отпуск бесшовной стальной трубы при температуре от 665 до 740°C. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к проволоке из высокоуглеродистой стали. Проволока выполнена из стали, содержащей, мас.%: С: 0,70%-1,20%, Si: 0,1%-1,5%, Мn: 0,1%-1,5%, Р: 0,015% или меньше (не включая 0%), S: 0,015% или меньше (не включая 0%), Аl: 0,005% или меньше (не включая 0%), В: 0,0005%-0,010%, N: 0,002%-0,005%, и N в твердом растворе: 0,0015% или меньше (включая 0%), железо и неизбежные примеси - остальное. Проволока имеет структуру перлита при его относительной площади 90% или более. В 2000 мкм2 структуры перлита, количество включений BN, имеющих диаметр эквивалентной окружности от 100 нм или более до 1000 нм или менее, составляет 100 или меньше (включая 0) и количество включений BN, имеющих диаметр эквивалентной окружности 1000 нм или более, составляет 10 или меньше (включая 0). Проволока имеет высокую прочность и превосходную способность к волочению, а также превосходные усталостные характеристики после волочения. 2 з.п. ф-лы, 8 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, используемой в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и уплотненного хранения отработанного ядерного топлива в бассейнах выдержки. Сталь содержит, в мас.%: углерод 0,02-0,05, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 2,01-3,5, ванадий 0,15-035, церий 0,03-0,07, алюминий 0,15-0,80, титан 4,02-8,50, никель 0,05-0,50, сера 0,005-0,02, фосфор 0,005-0,03, свинец - не более 0,005, висмут - не более 0,005, железо - остальное. Обеспечивается повышенная технологическая пластичность при температурах горячей деформации, снижается склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к поверхностно-упрочненной стали. Сталь содержит, в мас.%: С от 0,05 до 0,3, Si от 0,01 до 0,6, Mn от 0,20 до 1,0, S от 0,001 до 0,025, Cr от 1 до 2,5, Al от 0,01 до 0,10, Ti от 0,01 до 0,10, Nb от 0,01 до 0,10, В от 0,0005 до 0,005, N от 0,002 до 0,02, железо и неизбежные примеси остальное. Микроструктура стали содержит ферритную составляющую в количестве более 77% по площади, причем среди выделившихся фаз, содержащих Ti и/или Nb, фазы, имеющие размер не менее 20 мкм2, присутствуют с плотностью распределения частиц не более 1,0/мм2, а среди выделившихся фаз, содержащих Ti и/или Nb, выделившиеся фазы, имеющие размер более 5 мкм2 и менее 20 мкм2, и содержащие Mn и S, присутствуют с плотностью распределения частиц более 0,7/мм2 и не более 3,0/мм2. Сталь пригодна к холодной штамповке и обладает высокими характеристиками ударной вязкости после обработки с поверхностным упрочнением. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к поверхностно-упрочняемой стали. Сталь содержит в мас.%: 0,05-0,20 С, 0,01-0,1 Si, 0,3-0,6 Mn, 0,03 или менее Р (за исключением 0), 0,001-0,02 S, 1,2-2,0 Cr, 0,01-0,1 Al, 0,010-0,10 Ti, 0,010 или менее N (за исключением 0), 0,0005-0,005 В, железо и неизбежные примеси остальное. Плотность выделившихся фаз на основе Ti, имеющих диаметр эквивалентной окружности менее 20 нм в поверхностно-упрочняемой стали, составляет 10-100 частиц/мкм2, плотность выделившихся фаз на основе Ti, имеющих диаметр эквивалентной окружности 20 нм или более в поверхностно-упрочняемой стали, составляет 1,5-10 частиц/мкм2, а твердость по Виккерсу составляет 130 HV или менее. Сталь обладает высокой пригодностью к холодной штамповке и высокими характеристики предотвращения укрупнения кристаллических зерен после науглероживания. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сталей для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C

Наверх