Способ термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса


 

C21D1/25 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2520286:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, применяемых для изготовления элементов тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C. Способ включает выдержку в аустенитной области при температуре 1060°C в течение 30-40 минут с последующим охлаждением на воздухе и двухступенчатый отпуск. На первой ступени проводят низкотемпературный отпуск в интервале температур 200-350°C, а на второй ступени - отпуск при температуре 760°C. Продолжительность каждого отпуска составляет 3 часа. Способ позволяет повысить предел длительной прочности и предел ползучести жаропрочных сталей мартенситного класса за счет выделения дисперсных карбонитридов Nb(C,N) на первой ступени отпуска. 4 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса. Способ может быть использован для получения сталей с повышенными характеристиками жаропрочности, предназначенных для изготовления элементов тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

В настоящее время термическая обработка жаропрочных сталей мартенситного класса обычно представляет собой выдержку в аустенитной области при 1040-1100°C с последующим охлаждением на воздухе и отпуском при температурах 750-780°C. Различные способы термической обработки жаропрочных сталей, к которым относят стали мартенситного класса с химическим составом (мас.%): углерод 0,01-0,2, кремний не более 0,2, марганец 0,01-0,6, хром 9,0-13,0, никель не более 0,2, вольфрам 0,5-2, молибден 0,5-1,0, кобальт 0,1-5,0, ванадий 0,18-0,25, ниобий 0,05-0,1, азот 0,04-0,1, бор 0,0005-0,005, сера не более 0,01, фосфор не более 0,01, алюминий не более 0,02, медь не более 0,05, железо - остальное, приведены в табл.1.

Таблица 1
Патент Режим термической обработки Температура эксплуатации стали, °C
RU 2237102 Выдержка при 1050°C+отпуск при 550-570°C ≤500
US 20080241583 Выдержка при 1060°C с последующим охлаждением на воздухе+отпуск при 760°C ≤620
US 4762577 Выдержка при 1038-1093°C с последующим охлаждением на воздухе+отпуск при 690-704°C ≤590
US 4857120 Выдержка при 1050-1150°C с последующим охлаждением в воде+отпуск при 500-600°C+отпуск при 600-700°C 600-650
US 5560788 Выдержка при 1050°C с последующим охлаждением в масле+отпуск при 570°C+отпуск при 700°C 600-650

В процессе выдержки при температурах 1040 - 1150°С происходит практически полное растворение карбидов и карбонитридов присутствовавших в сталях, а при дальнейшем охлаждении на воздухе или в воде в сталях формируется структура пакетного мартенсита. Последующий отпуск при температурах 650 -780°С приводит к выделению карбидов и карбонитридов типа М2зСб (размером 50 - 170 нм) и MX (размером 14 - 30 нм) [Машуата К. Strengthening mechanisms of creep resistant tempered martensitic steel / K. Maruyama, K. Sawada, J. Koike // ISIJ Int. - 2001. - Vol.41. - P. 641-653; Ennis, P. J. Recent advances in creep resistant steels for power plant applications / P. J. Ennis, A. Czyrska-Filemonowicz // Operat. Maint. Mater. - 2002. - Vol.1. - P. 1-28]. Стабильность сформировавшейся после отпуска структуры при ползучести определяется удельным объемом, распределением и размером карбонитридов и карбидов. Дисперсные частицы сдерживают движение дислокаций. В результате, границы реек троостомартенсита сохраняют свою структуру в процессе ползучести при повышенных температурах. Именно сочетание дислокационной структуры троостомартенсита с наночастицами вторичных фаз обеспечивает уникальные жаропрочные характеристики сталей мартенситного класса.

Наиболее близким к заявляемому является способ термической обработки жаропрочной стали мартенситного класса Е911, который был выбран в качестве прототипа, описанный в научной статье [Qin, G. ТЕМ studies of microstructural evolution in creep exposed E911 / G. Qin, S.V.Hainsworth, A. Strang, P.F.Morris, P.D.Clarke, A.P.Backhouse // Creep & fracture in high temperature components. - DEStech Publications, 2009. - P.889-899]. Способ термической обработки включает:

- выдержку в аустенитной области при температуре 1100°C в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе;

- отпуск при температуре 760°C в течение 2 часов для выделения карбидов и карбонитридов.

Недостатком описанного способа является выделение относительно крупных карбонитридов, что приводит к пониженным характеристикам жаропрочности.

Задачей изобретения является разработка способа термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса для повышения их жаропрочности.

Технический результат заключается в выделении дисперсных карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм за счет введения дополнительного низкотемпературного отпуска в интервале температур 200-350°C продолжительностью 3 часа.

Поставленная задача решается предложенным способом термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, который включает выдержку стали в аустенитной области с последующим охлаждением на воздухе, отпуск при температуре 760°C, в который внесены следующие новые признаки: выдержку в аустенитной области осуществляют при температуре 1060°C в течение 30-40 минут, перед отпуском при температуре 760°C дополнительно проводят низкотемпературный отпуск в интервале температур 200-350°C, при этом продолжительность каждого отпуска составляет 3 часа.

Новизна подтверждается тем, что в уровне техники не обнаружены технические решения с предложенной совокупностью признаков.

Изобретательский уровень подтверждается тем, что впервые обнаружено выделение карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм при низких температурах отпуска 200-350°C. Наличие карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм способствует повышению жаропрочных характеристик сталей.

Пример осуществления.

Была отлита сталь химического состава, аналогичного по составу стали Е911, описанной в прототипе (табл.2).

Таблица 2
Химический состав (мас.%) стали
Fe C Si Mn P S Cu Ni Cr
осн. 0,12 0,06 0,36 0,010 0,008 0,02 0,2 9,8
Со Мо W V Nb N В А1
0,1 1,01 0,93 0,2 0,05 0,05 0,003 0,015

Сталь была термически обработана двумя различными способами: первый - традиционный, второй - согласно предполагаемому изобретению.

1) Выдержка при 1060°C в течение 30-40 минут с последующим охлаждением на воздухе и отпуск при температуре 760°C в течение 3-х часов.

2) Выдержка при 1060°C в течение 30-40 минут с последующим охлаждением на воздухе и двухступенчатый отпуск: 1-я ступень при температуре 300°C в течение 3-х часов и 2-я ступень при температуре 760°C в течение 3-х часов.

Результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть при температуре 650°C и напряжении 100 МПа, которые проводились по ASTM Е139-06 и ГОСТ 10145-81, соответственно, приведены в табл.3.

Таблица 3
Способ термической обработки Время до разрушения, ч Время до достижения деформации равной 1%, ч
Традиционный 1820 224
Согласно предполагаемому изобретению 4983 463

Из таблицы 3 видно, что жаропрочные характеристики стали, обработанной по предлагаемому способу, значительно превосходят соответствующие характеристики стали, обработанной традиционным способом.

Результаты испытаний прототипа на длительную прочность при температуре 650°C и различных напряжениях приведены в табл.4.

Таблица 4
Время до разрушения, ч Напряжение, МПа
849 124
2232 108
3454* 100
4530 93
14319 77
*расчетное значение

Как видно из таблицы 4, время до разрушения при температуре испытания 650°C и напряжении 100 МПа почти в 1,5 раза дольше у образца термически обработанного по предложенному способу, чем у прототипа.

Таким образом, приведенные примеры подтверждают, что поставленная задача по разработке способа термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса с повышенными характеристиками жаропрочности, такими как предел длительной прочности и предел ползучести, решена благодаря достижению заявленного технического результата - выделению на первой ступени отпуска дисперсных карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм.

Способ термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, включающий выдержку стали в аустенитной области с последующим охлаждением на воздухе и отпуск, отличающийся тем, что при этом выдержку осуществляют при температуре 1060°C в течение 30-40 минут, а отпуск проводят в две ступени, причем на первой ступени проводят низкотемпературный отпуск в интервале температур 200-350°C, а на второй ступени проводят отпуск при температуре 760°C, причем продолжительность каждого отпуска составляет 3 часа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к термической обработке стали, применяемой для изготовления сложнонагруженных деталей в судовом машиностроении, воспринимающих значительные разнонаправленные динамические нагрузки, например, крепежа, поковок.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для реализации процессов термической обработки деталей, к поверхности которых предъявляются особые требования.

Изобретение относится к области термической обработки деталей и предназначено для использования в судовом машиностроении для изготовления штамповок кривошипных валов.

Изобретение относится к области металлургии и термической обработки сплавов и может быть использовано в точном приборостроении и машиностроении. .

Изобретение относится к области термической обработки деталей и предназначено для использования в судовом и энергетическом машиностроении при изготовлении силовых крепежных элементов систем и узлов высокого давления.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях промышленности при термической обработке деталей из мартенситностареющих сталей, например, 08Х15Н5Д2Т, 06Х14Н6Д2МБТ, 10Х14Н4АМЗ и 07Х16Н6.

Изобретение относится к технологии обработки низко- и среднеуглеродистой легированной стали. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке мартенситных дисперсионно-твердеющих сталей. .

Изобретение относится к области термической обработки конструкций, выполненных из дисперсионно-твердеющих сплавов и работающих в условиях как высоких, так и низких температур, вибраций и агрессивных сред, в частности обработки паяно-сварных конструкций, содержащих детали из мартенситно-стареющей стали типа Н18К8М5Т.

Изобретение относится к способу термомеханической обработки для получения толстого листа (1) из исходного материала с повышенной вязкостью, в частности низкотемпературной вязкостью.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения. Для предотвращения брака по механическим свойствам непрерывно отожженной металлической заготовки и обеспечения максимального выхода годного осуществляют управление непрерывной термообработкой металлических заготовок, которое включает неразрушающий непрерывный контроль получаемой в результате термообработки характеристики механических свойств, при этом в качестве контрольной характеристики используют значение удельных энергозатрат, проводят сравнение значений текущих энергозатрат со значениями энергозатрат, полученными из предварительно установленных регрессионных зависимостей механических свойств от удельных энергозатрат, обеспечивающими получение необходимых механических свойств, и регулируют режим термообработки заготовки, обеспечивая попадание величины удельных энергозатрат в интервал допустимых значений.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке лазером при изготовлении и ремонте различных машин и механизмов. Для повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов осуществляют лазерную обработку изделий с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж, плотности мощности импульса 1,2·1010-4,3·1011 Вт/м2, длине волны 1,064·10-6 м, продолжительности импульса 0,8·10-3 с, диаметре луча 1,2·10-3-2,5·10-3 м и расстоянии от места облучения до упрочняемой поверхности 12-30 мм.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве холоднокатаной ленты из низкоуглеродистых марок стали, применяемой для холодной вырубки.

Изобретение относится к области термомеханической обработки для изготовления стального проката с требуемыми свойствами. Для обеспечения требуемого уровня потребительских свойств металлопроката получают заготовку из стали, содержащей, мас.%: C 0,05-0,18, Si 0,05-0,6, Mn 1,30-2,05, S не более 0,015, P не более 0,020, Cr 0,02-0,35, Ni 0,02-0,45, Cu 0,05-0,30, Ti не более 0,050, Nb 0,010-0,100, V не более 0,120, N не более 0,012, Al не более 0,050, Mo не более 0,45, железо и неизбежные примеси остальное.
Изобретение относится к области металлургии. Для снижения магнитных потерь при повышении уровня магнитной индукции и обеспечения температурной устойчивости величины магнитных потерь в готовой листовой стали к последующему отжигу способ включает выплавку электротехнической стали, непрерывную разливку, горячую прокатку, холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, вторую холодную прокатку с получение листа конечной толщины, обработку лазером, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг, при этом обработку лазером осуществляют с помощью источника непрерывного лазерного луча и источника импульсного лазерного луча, причем импульсный лазерный луч имеет меньший диаметр проекции на поверхность листа, чем непрерывный лазерный луч, и большее значение плотности энергии излучения в проекции на поверхность полосы стали, чем непрерывный лазерный луч, каждый линейный след лазерного воздействия образуют путем синхронизованного перемещения проекций непрерывного и импульсного лазерных лучей по поверхности листа с отставанием импульсного лазерного луча от непрерывного, причем воздействием непрерывного лазерного луча формируют осевую область линейного следа лазерного воздействия с литой структурой и периферийную область со структурой частичной рекристаллизации, а воздействием импульсного лазерного луча образуют в осевой области листа канавку с литой структурой.
Изобретение относится к области машиностроения. Для обеспечения требуемого распределения физико-механических свойств оправку длиной до 15 метров и диаметром от 137 до 200 мм из легированной инструментальной стали с содержанием хрома свыше 4 мас.%, каждого другого карбидообразующего элемента и кремния до 1 мас.%, углерода в пределах от 0,32 до 0,44 мас.% подвергают закалке путем индукционного нагрева при частоте тока 50-1000 Гц до температуры от 1040°С до 1080°С, охлаждения спрейером и отпуску при температуре от 705°С до 725°С с охлаждением на воздухе, при этом оправку при закалке перемещают со скоростью от 70 мм/мин до 180 мм/мин, а при отпуске - со скоростью от 70 мм/мин до 180 мм/мин.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству магнитотвердых сплавов на основе системы Fe-Cr-Co, которые применяются в приборостроении, релейной технике, электромашиностроении, медицине, автомобильной промышленности.

Группа изобретений относится к нагревательному устройству, устройству для термообработки и способу нагрева для индукционного нагрева кольцеобразной заготовки. Нагревательное устройство содержит опору, предназначенную для установки кольцеобразной заготовки, привод вращения в сборе и нагреватель, предназначенный для нагрева заготовки.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при формировании износостойкого покрытия на поверхностях деталей с подачей ремонтно-восстановительных составов на поверхность и последующим пластическим деформированием с помощью безабразивной ультразвуковой финишной обработки.

Изобретение относится к термообработке, такой как, например, высокочастотная закалка металлических деталей. Устройство для индукционной закалки содержит катушки (26) для индукционного нагрева, которые индуктивно нагревают различные части обрабатываемого целевого участка (A) в осевом направлении заготовки (12), причем заготовка (12) и катушка (26) для нагрева совершают относительное движение вдоль окружного направления (R) обрабатываемого целевого участка (A). Катушка (26) для нагрева имеет зигзагообразную форму, и в ней коленчатый участок (34), который раскрывается в одну сторону в осевом направлении, и коленчатый участок (35), раскрывающийся в другую сторону в осевом направлении, расположены, непрерывно чередуясь в противоположных направлениях вдоль окружного направления (R). Изобретение позволяет разработать технологию для простого осуществления термообработки любой желаемой области. 8 н. и 23 з.п. ф-лы, 43 ил.
Наверх