Коррозионно-стойкая аустенитная сталь



 


Владельцы патента RU 2499075:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния для использования в ядерной энергетике при изготовлении теплообменного оборудования, работающего при высокой температуре в контакте с пароводяной средой и тяжелым свинцовым жидкометаллическим теплоносителем, в частности, для изготовления теплообменных тонкостенных труб, работающих при 550°С. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,005-0,04, кремний 1,6-3,0, марганец 0,5-2,0, хром 18,2-21,0, никель 13,0-18,0, молибден 1,8-3,8, азот 0,1-0,4, ванадий 0,01-0,5, вольфрам 0,1-1,0, ниобий 0,01-0,5, бор 0,0005-0,008, железо и неизбежные примеси остальное. Повышается стойкость против коррозионного растрескивания в хлоридсодержащей среде, а также повышается ударная вязкость, пластичность и прочность при сохранении уровня коррозионной стойкости в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионностойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния. Эти стали применяются в ядерной энергетике при изготовлении теплообменного оборудования, работающего при высокой температуре в контакте с пароводяной средой и тяжелым свинцовым жидкометаллическим теплоносителем, например, для изготовления теплообменных тонкостенных труб, работающих при 550°C.

Известна коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая, масс.%

углерод 0,01-0,10
кремний 0,05-2,0
марганец 0,1-3,0
хром 17,0-26,0
никель 11,0-24,5
молибден 1,0-5,0
азот 0,05-0,40
ванадий 0,01-0,25
церий 0,01-0,05
кальций 0,001-0,150

железо и неизбежные примеси остальное

при выполнении следующих соотношений:

% V + % C e + % C a % C + % N = 0,25 0,65

0,5 < % N i + 0,5 % M n % C r + % M o + 1,5 % S i + % V < 0,90

%Ni+16(%С+%N)-(%Cr+1,5%Mo-20)2/12=14-24,

(патент РФ №2409697, МПК С22С 38/58, С22С 38/46, опуб. 20.01.2011).

Недостатком известной стали является ее низкая стойкость в жидкометаллическом свинцовом теплоносителе, что объясняется пониженным содержанием кремния, не создающего защитную оксидную пленку на поверхности стали, а также из-за повышенной концентрации никеля, который растворяется в жидком свинце.

Известна коррозионностойкая аустенитная сталь, содержащая масс.%:

углерод ≤0,03
марганец 0,07-2,0
кемний 2,2-4,5
хром 14,0-16,0
никельр 8,5-11,5
азот 0,1-0,25
цирконий 0,05-0,12

железо и неизбежные примеси - остальное,

при этом содержание хрома, кремния, никеля и азота связано зависимостью

C r + 0,75 S i 2,2 N i + 40 N = 0,55 0,80 ,

а содержание углерода, азота и циркония связано зависимостью

30 C + 50 N 18 Z r = 4 9

(патент РФ №2432413, МПК С22С 38/58, С22С 38/50, опуб. 27.10.2011 г.).

Недостатком известной стали является низкая стойкость против коррозионного растрескивания в водных средах, содержащих хлориды.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к изобретению является коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий (Технические условия ТУ 14-1-1174-75 «Заготовка для бесшовных труб из стали марки IX15H96361-I1I (ЭП302-Ш)» 1975 г., стр.1, таблица 1).

Известная сталь ЭП302-Ш содержит упомянутые ингредиенты в следующем соотношении, масс.%:

углерод 0,08÷0,12
кремний 2,2-3,0
марганец 0,4-0,8
хром 14,0-16,0
никель 8,0-10,0
ниобий 0,7-1,0
сера не более 0,025
фосфор не более 0,035
железо остальное.

Недостатком известной коррозионностойкой аустенитной стали являются невысокая стойкость против коррозионного растрескивания в хлоридсодержащих средах, а также низкие ударная вязкость, пластичность и прочность.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в создании коррозионно-стойкой аустенитной стали для элементов ядерных установок с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, работающих при температурах до 550°С в контакте с расплавленным свинцовым теплоносителем и пароводяной средой.

Технический результат настоящего изобретения состоит в увеличении стойкости против коррозионного растрескивания в хлоридсодержащей среде, а также в повышении ударной вязкости, пластичности (относительного удлинения, 85) и прочности при сохранении уровня коррозионной стойкости в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе.

Указанный технический результат достигается тем, что известная коррозионностойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий,

согласно изобретению дополнительно содержит молибден, азот, ванадий, вольфрам и бор при следующем соотношении ингредиентов, масс. %:

углерод 0,005-0,04
кремний 1,6-3,0
марганец 0,5-2,0
хром 18,2-21,0
никель 13,0-18,0
молибден 1,8-3,8
азот 0,1-0,4
ванадий 0,01-0,5
вольфрам 0,1-1,0
ниобий 0,01-0,5
бор 0,0005-0,008

железо и неизбежные примеси - остальное

и выполнены соотношения:

[ C r ] + [ M o ] + 1,5 [ S i ] + 0,5 [ N b + W ] [ N i ] + 30 [ C + N ] + 0,5 [ M n ] = 0,95 1,25 ,

где [Cr]+[Mo]+1,5[Si]+0,5[Nb+W]≤28,5 и

[Ni]+30[С+N]+0,5[Mn]≤27,0

и при выполнении следующей зависимости:

[Cr]+3,3[Мо+Si]+16[N]+0,5W≥35

Введение молибдена обеспечивает достаточную стойкость стали против коррозионного растрескивания в хлоридсодержащих средах. Значение верхнего предела молибдена, равное 3,8%, связано с необходимостью предупреждения появления сигма-фазы, а также с образованием при высокотемпературных нагревах в аустенитной структуре стали дельта-феррита, оказывающего отрицательное влияние на ее технологичность в процессе горячей деформации. При содержании молибдена менее 1,8% сталь становится склонной к коррозионному растрескиванию в хлоридсодержащих средах, а также ухудшается ее свариваемость.

Введение азота позволяет влиять на стабильность аустенита, стойкость стали против коррозионного растрескивания и ее прочность. Максимальное содержание азота - 0,4% определяется пределом его растворимости в процессе кристаллизации стали при нормальном атмосферном давлении. При содержании азота менее 0,1% не достигается требуемый уровень стойкости против коррозионного растрескивания и прочности.

Введение ванадия способствует образованию мелкодисперсных нитридов, выполняющих функцию дополнительного (к твердорастворному) упрочнения. Верхний предел по содержанию ванадия ограничен 0,5% с тем, чтобы максимальное количество азота могло остаться в твердом растворе. При содержании ванадия менее 0,01% количество образующейся дисперсной фазы в стали предлагаемого состава недостаточно для ее упрочнения.

Введение вольфрама регулирует содержание ферритной фазы в стали и способствует повышению ее прочности при 550°C. Вольфрам в пределах от 0,1% до 1,0% регулирует содержание ферритной фазы в стали. При содержании вольфрама более 1,0%, количество ферритной фазы чрезмерно увеличивается, что приводит к снижению механических свойств стали, а при содержании вольфрама менее 0,1% его влияние неэффективно.

Ниобий в заявленных пределах вводится с целью образования мелкодисперсных нитридов, ограничивающих рост зерна аустенита при термической обработке. Введение ниобия свыше 0,5% приводит к связыванию азота в крупные нитриды, снижению концентрации азота в твердом растворе и повышению склонности стали к коррозионному растрескиванию.

Введению бора в сталь способствует очищению границ зерен, повышению технологической пластичности и ударной вязкости. При содержании бора свыше 0,008% в стали образуются избыточные фазы - бориды, снижающие технологическую пластичность стали, а содержание бора менее 0,0005% не дает положительного результата.

Верхний предел по содержанию углерода ограничен 0,04% для исключения склонности к межкристаллитной коррозии стали и ее охрупчивания после холодной деформации и теплового старения. При содержании углерода менее 0,005% снижается рентабельность производства стали из-за существенного повышения стоимости шихты и усложнения технологии выплавки металла.

Увеличение нижнего предела содержания кремния до 1,6% обеспечивает удовлетворительную свариваемость стали и ее коррозионную стойкость в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя благодаря образованию стойкой защитной оксидной пленки на поверхности металла. Легирование кремнием более 3,0% вызывает охрупчивание стали из-за образования силикатов, выделяющихся по границам зерен аустенита.

Содержание марганца в пределах от 0,5% до 2,0% определяется его количеством, необходимым для качественного раскисления стали, достаточного усвоения азота и удовлетворительной свариваемости стали. При более высокой концентрации марганца снижается стойкость стали против локальной коррозии в хлоридсодержащих средах.

Максимальное содержание хрома - 21,0% связано с необходимостью предупреждения появления сигма-фазы, а также с образованием при высокотемпературных нагревах в аустенитной структуре стали дельта-феррита, оказывающего отрицательное влияние на ее технологичность в процессе горячей деформации. При содержании хрома менее 18,2% сталь становится склонной к коррозионному растрескиванию в хлоридсодержащих средах.

Содержание никеля в пределах от 13,0% до 18,0% обусловлено необходимостью обеспечения стабильной аустенитной структуры стали, высокой стойкости против растрескивания в пароводяной среде и высокой ударной вязкостью. При концентрации никеля свыше 18,0% снижается коррозионная стойкость стали в жидком свинце.

Пределы содержания легирующих элементов определены исходя из результатов испытаний предлагаемой стали разных вариантов химического состава, а также на основании структурных диаграмм, с учетом роли отдельных составляющих в структурообразовании стали. Соотношение

[ C r ] + [ M o ] + 1,5 [ S i ] + 0,5 [ N b + W ] [ N i ] + 30 [ C + N ] + 0,5 [ M n ] = 0,95 1,25 ,

в заявленных пределах обеспечивает получение стали со структурой стабильного аустенита в термообработанном и холоднодеформированном состояниях. Если это соотношение свыше 1,25, структура становится нестабильной, что приводит к образованию мартенситной фазы при холодной деформации стали, снижающей ее стойкость против коррозионного растрескивания. При значении указанного соотношения ниже 0,95 не обеспечивается требуемый комплекс механических свойств и коррозионной стойкости стали.

Соотношения

[Cr]+[Mo]+1,5[Si]+0,5[Nb+W]≤28,5 и

[Ni]+30[С+N]+0,5[Mn]≤27,0

позволяют получать структурно-стабильный аустенит, экономно легированный входящими в него ингредиентами.

Зависимость

[Cr]+3,3[Мо+Si]+16[N]+0,5 W≥35

обеспечивает получение стали, не склонной к коррозионному растрескиванию в хлоридсодержащей среде и с высокой коррозионной стойкостью в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе.

Сущность изобретения поясняется таблицей, где представлены результаты испытаний заявляемой стали и прототипа.

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1

Выплавляют заявленную сталь со следующим содержанием ингредиентов, масс %: углерод - 0,04; кремний - 2,2; марганец - 1,4; хром - 19,2; никель - 17,7; молибден - 2,37; ниобий - 0,50; ванадий - 0,25; вольфрам - 0,42; бор - 0,0006; азот - 0,19

и соотношениями

[ C r ] + [ N o ] + 1,5 [ S i ] + 0,5 [ M b + W ] [ N i ] + 30 [ C + N ] + 0,5 [ M n ] = 1 ;

[Ni]+30[C+N]+0,5[Mn]=25,3;

[Cr]+3,3[Mo+Si]+16[N]+0,5W=37,5

Пример 2

Выплавляют сталь со следующими содержанием ингредиентов, масс %: углерод - 0,02; кремний - 2,8; марганец - 0,8; хром - 18,4; никель - 13,1; молибден - 3,80; ниобий - 0,20; ванадий - 0,40; вольфрам - 0,12; бор - 0,0020; азот - 0,25 и соотношениями

[ C r ] + [ N o ] + 1,5 [ S i ] + 0,5 [ M b + W ] [ N i ] + 30 [ C + N ] + 0,5 [ M n ] = 1,23 ;

[Cr]+[Mo]+1,5[Si]+0,5[Nb+W]=26,56;

[Ni]+30[C+N]+0,5[Mn]≤21,6;

[Cr]+3,3[Mo+Si]+16[N]+0,5W≥44,2.

Пример 3

Выплавляют сталь со следующими содержанием ингредиентов, масс %: углерод - 0,01; кремний - 1,9; марганец - 1,8; хром - 21,0; никель - 15,0; молибден - 1,90; ниобий - 0,08; ванадий - 0,05; вольфрам - 0,82; бор - 0,0040; азот - 0,36 и соотношениями

[ C r ] + [ N o ] + 1,5 [ S i ] + 0,5 [ M b + W ] [ N i ] + 30 [ C + N ] + 0,5 [ M n ] = 0,97 ;

[Cr]+[Mo]+1,5[Si]+0,5[Nb+W]=26,2;

[Ni]+30[C+N]+0,5[Mn]=27;

[Cr]+3,3[Mo+Si]+16[N]+0,5W=39,7

Для проведения сравнительного анализа для всех трех примеров выплавляют сталь прототипа с содержанием ингредиентов, масс %: углерод - 0,10; кремний - 2,2; марганец - 0,7; хром - 15,0; никель - 9,5; ниобий - 0,90.

Коррозионностойкую аустентиную сталь получают следующим образом.

Сталь выплавляют в открытой вакуумно-индукционной печи и разливают в слитки по 17 кг, которые затем куют, прокатывают на сутунку и подвергают аустенизации по режиму 1130°C, вода. Температурный интервал горячей пластической деформации составляет 950-1180°C.

Как видно из таблицы, проведенные механические испытания изготовленных образцов при комнатной температуре и при 550°C, а также испытания изготовленных колец Одинга на стойкость к коррозионному растрескиванию при комнатной температуре в 10% растворе FeCl·6H2O при напряжении, равном 1,2σ0,2, показали, что заявляемая сталь существенно превосходит прототип по стойкости против коррозионного растрескивания в хлоридсодержащей среде - 10% FeCl3·6H2O при напряжении, равном 1,2σ0,2, по ударной вязкости (KCV), пластичности (δ5), временному сопротивлению разрыву а, и условному пределу текучести σ0,2 при комнатной и повышенной температурах. Коррозионная стойкость стали в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, находящаяся в прямой зависимости от содержания кремния и других элементов, указанных зависимостью [Cr]+3,3[Mo+Si]+16[N]+0,5W≥35, сохраняется на уровне прототипа.

Сталь Условный № плавки Время до разрушения стали в 10 % FeCl3·6H2O ри напряжении, равном 1,2σ0,2, ч Механические свойства
Температура испытания, °С
20 550
σв, Н/мм2 σ0,2 Н/мм2 δ5, % KCV, Дж/см2 σв Н/мм2 σ0,2>Н/мм2 %
Предлагаемая 1 2000 * 760 460 60 307 582 251 48
2 2000 * 737 435 72 314 545 220 51
3 2000 * 744 430 70 340 530 215 42
Прототип 4 70 730 350 40 140 460 208 35
Примечание: * - образцы не разрушились.

Коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, азот, ванадий, вольфрам и бор при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

углерод 0,005-0,04
кремний 1,6-3,0
марганец 0,5-2,0
хром 18,2-21,0
никель 13,0-18,0
молибден 1,8-3,8
азот 0,1-0,4
ванадий 0,01-0,5
вольфрам 0,1-1,0
ниобий 0,01-0,5
бор 0,0005-0,008
железо и неизбежные примеси остальное,

при выполнении соотношения:
[ C r ] + [ M o ] + 1,5 [ S i ] + 0,5 [ N b + W ] [ N i ] + 30 [ C + N ] + 0,5 [ M n ] = 0,95 1,25,
где [Cr]+[Mo]+1,5[Si]+0,5[Nb+W]≤28,5 и
[Ni]+30[С+N]+0,5[Mn]≤27,0,
и при выполнении следующей зависимости:
[Cr]+3,3[Мо+Si]+16[N]+0,5W≥35.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления деталей режущих инструментов. Сталь содержит, в мас.%: от 0,28 до 0,5 С, от 0,10 до 1,5 Si, от 1,0 до 2,0 Mn, максимум 0,2 S, от 1,5 до 4 Cr, от 3,0 до 5 Ni, от 0,7 до 1,0 Mo, от 0,6 до 1,0 V, от следовых количеств до общего максимального содержания 0,4% мас.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низкоуглеродистым сталям для производства проката, используемого для изготовления сварных нефте- и газопроводов, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Изобретение относится к области металлургии, в частности получению стального компонента с металлическим покрытием, который используют в качестве материала для кузовов транспортных средств.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству горячекатаной полосы толщиной 4-9 мм повышенной прочности, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки и профилирования.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным высокопрочным сталям повышенной износостойкости, используемым при производстве сварных кузовов большегрузных автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству крупного горячекатаного сортового и фасонного проката из низкоуглеродистой низколегированной стали.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к трубам из высокопрочной стали, пригодным для транспортировки природного газа и сырой нефти. Для повышения прочности трубы при продольном изгибе и ударной прочности зоны термического влияния при сварке часть основного материала содержит, в мас.%: С более 0,03-0,08, Si 0,01-0,5, Mn 1,5-3,0, P 0,015, S≤0,005, Al 0,01-0,08, Nb 0,005-0,025, Ti 0,005-0,025, N 0,001-0,010, 0≤0,005, В 0,0003-0,0020, дополнительно включает один или более из элементов: Cu, Ni, Cr, Мо и V, остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из двухслойного проката, длительно эксплуатирующихся при отрицательных температурах в условиях интенсивного механического, коррозионно-эрозионного воздействия мощных ледовых полей и морской воды, в частности корпусов атомных ледоколов, судов ледового плавания, морских ледостойких стационарных и плавучих платформ для добычи углеводородов на арктическом шельфе.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитным метастабильным сталям, используемым для изготовления изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного воздействия или подвергаемых значительным ударным нагрузкам, в том числе для изготовления горнодобывающего и дробильного оборудования, ковшей экскаваторов, траков гусеничных машин, шнеков, бил молотковых дробилок, деталей землеройных и почвообрабатывающих машин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным высокопрочным сталям повышенной износостойкости, используемым при производстве сварных кузовов большегрузных автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, используемым для изготовления броневых элементов. .
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве подката из высокоуглеродистой стали для изготовления холоднодеформированного арматурного периодического профиля.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к инструментальным сплавам высокой теплостойкости, используемым для изготовления литых и кованых штампов горячего деформирования.
Сталь // 2478134
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемых в машиностроении. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности производству горячекатаного стального листа, который преимущественно используют в качестве исходного материала для высокопрочной сварной стальной трубы марки Х65 или выше, а также способ производства толстостенного высокопрочного горячекатаного стального листа.
Сталь // 2477760
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сталей, используемых в машиностроении. .
Сталь // 2477335
Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления массивных изделий, в частности валов роторов турбогенераторов. .
Сталь // 2502822
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сталей, используемых в машиностроении. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,2-0,25, кремний 0,2-0,25, марганец 0,2-0,25, никель 13,0-15,0, хром 0,2-0,25, молибден 0,2-0,25, медь 1,3-1,7, кобальт 0,5-0,7, цирконий 0,2-0,25, бор 0,05-0,1, алюминий 0,2-0,25, ниобий 1,3-1,7, вольфрам 0,1-0,15, железо остальное. Повышается прочность стали. 1 табл.
Наверх