Жаропрочная сталь мартенситного класса


 


Владельцы патента RU 2558738:

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным хромистым сталям мартенситного класса, применяемым в энергетической промышленности в качестве конструкционных материалов для производства котлов, роторов и другого оборудования тепловых электростанций нового поколения, работающих при температуре до 640°C. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,08-0,12, кремний не более 0,13, марганец 0,4-0,6, хром 9,0-9,5, никель от более 0,1 до 0,3, вольфрам 1,2-1,7, молибден 0,5-0,8, ванадий 0,18-0,25, ниобий 0,04-0,07, азот до менее 0,005, бор 0,01-0,014, кобальт от более 3,0 до 3,5, сера не более 0,006, фосфор не более 0,01, алюминий не более 0,01, медь не более 0,03, титан до менее 0,01, железо остальное. Сталь обладает повышенным сопротивлением ползучести при температуре до 640°C. 4 табл., 1 пр.

 

Жаропрочная сталь мартенситного класса

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к жаропрочным хромистым сталям мартенситного класса, содержащим 9-12% хрома. Предлагаемая сталь может применяться в энергетической промышленности в качестве конструкционных материалов для производства котлов, роторов и другого оборудования тепловых электростанций нового поколения, работающих при температуре до 640°C.

В настоящее время для изготовления элементов тепловых электростанций в Японии и Америке используют сталь марки P92 согласно классификации ASTM A 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 0,300-0,600
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

Сталь Р92 обладает высоким уровнем прочности и сопротивления ползучести до температуры 620°C. В результате специальной термической обработки формируется троостомартенситная структура и выделяются частицы вторичных фаз, что объясняет повышенное сопротивление ползучести данной стали и позволяет использовать ее в качестве конструкционных материалов котлов, роторов и другого оборудования для тепловых электростанций. Дисперсионное упрочнение стали достигается за счет выделения карбидов типа M23C6 и наноразмерных карбонитридов типа (VNb)(C,N). Эта сталь сохраняет высокое сопротивление ползучести до тех пор, пока стабильна дислокационная структура мартенсита отпуска (троостомартенсита).

Недостатком стали Р92 является интенсивная коагуляция карбидов типа M23C6 и частиц фазы Лавеса при температурах выше 620°C, что способствует значительному снижению сопротивления ползучести данной стали и делает невозможным ее применение для деталей энергетических установок, работающих при суперсверхкритических параметрах пара (30 МПа, 630-650°С).

Наиболее близкой по принципу легирования и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является жаропрочная сталь мартенситного класса, раскрытая в патенте №RU 2447184 C22C38/54. Сталь содержит, масс. %

углерод 0,080 - 0,120
кремний не более 0,100
марганец 0,050-0,100
хром 9,500-10,000
никель не более 0,200
вольфрам 1,800-2,200
молибден 0,600-0,800
ванадий 0,180-0,250
ниобий 0,040-0,070
азот не более 0,003
бор 0,008-0,010
кобальт 2,500-3,500
сера не более 0,006
фосфор не более 0,010
алюминий не более 0,010
медь не более 0,010
титан не более 0,010
железо остальное

В этой стали, по сравнению со сталью P92, увеличено содержание молибдена и бора, уменьшено содержание азота и дополнительно введены медь и титан. Благодаря повышению содержания молибдена до 0,6-0,8% происходит упрочнение твердого раствора, а также уменьшение скорости коагуляции карбидов типа M23C6, что повышает жаропрочные свойства стали. Содержание молибдена менее 0,6% не обеспечивает прочность стали при повышенных температурах, свыше 0,8% - способствует образованию дельта-феррита и фазы Лавеса. Дополнительное повышение сопротивления деформации при ползучести, а так же увеличение сопротивления коррозии под напряжением достигается за счет легирования бором в количестве 0,008-0,01%. Бор сегрегирует по границам зерен, преимущественно бывшим аустенитным, что подавляет зернограничное проскальзывание и тем самым повышает время до разрушения. При содержании бора свыше 0,01% снижается свариваемость и ковкость стали. При повышенном содержании бора (до 0,01%) целесообразно уменьшение содержания азота (0,003% и менее) с целью предотвращения образования крупных нитридов бора, которые являются причиной низкой ударной вязкости стали. Медь в количестве менее 0,01% введена для предотвращения образования дельта-феррита. Титан в количестве не более 0,01% способствует формированию и стабилизации наноразмерных карбонитридов типа MX. При содержании титана свыше 0,01% происходит образование крупных карбонитридов, что снижает сопротивление ползучести.

Недостатком данной стали является невозможность ее применения для деталей энергетических установок, работающих при температуре выше 630°С, в связи с недостаточно высокими значениями прочности и ударной вязкости, что отрицательно влияет на сопротивление ползучести стали.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка стали, обладающей повышенным сопротивлением ползучести и работоспособной при температуре 640°C, что на 10-20°C выше, по сравнению с имеющимися аналогами.

Для решения поставленной задачи предложена жаропрочная сталь мартенситного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, кобальт, серу, фосфор, алюминий, медь, титан и железо, причем в ней уменьшено содержание вольфрама, увеличено содержание меди, бора и марганца при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод 0,080-0,120; кремний не более 0,130; марганец 0,400-0,600; хром 9,000-9,500; никель от более 0,1 до 0,300; вольфрам 1,200-1,700; молибден 0,500-0,800; ванадий 0,180-0,250; ниобий 0,040-0,070; азот до менее 0,005; бор 0,010-0,014; кобальт от более 3,0 до 3,500; сера не более 0,006; фосфор не более 0,010; алюминий не более 0,010; медь не более 0,030; титан до менее 0,010; железо остальное.

В представленной стали уменьшено содержание вольфрама, увеличено содержание меди, бора и марганца, по сравнению со сталью прототипа. Благодаря повышению содержания бора происходит стабилизация карбидов типа М23С6, а также мартенситной микроструктуры за счет снижения скорости коагуляции карбидов типа М23С6, что, в свою очередь, увеличивает жаропрочность данной стали (F. Abe et al. «Suppression of Type IV fracture and improvement of creep strength of 9Cr steel welded joints by boron addition). Содержание в стали Σ(W+Mo) в размере 2,0-2,4% уменьшает скорость диффузии в твердом растворе [Vaillant J. et al. «New grades for advanced coal-fired power plants-Properties and experience», Abe F. Et al. «Alloy design of creep resistant 9Cr steel using a dispersion of nanosizedcarbonitrides»] и, соответственно, подавляет переползание дислокаций, что является одним из основных способов повышения сопротивления ползучести сталей мартенситного класса с содержанием хрома 9%. 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. Кремний в количестве<0,15% и марганец в количестве 0,4-0,6% использованы для раскисления стали. При содержании кремния более 0,15% усиливается склонность стали к тепловой хрупкости. При введении марганца менее 0,4% - низкая раскислительная способность кремния, более 0,6% - практически не влияет на раскислительную способность, поэтому введение высокого содержания данного элемента нецелесообразно. При содержании азота менее 0,008% образования крупных нитридов бора, являющихся причиной низкой ударной вязкости, в этой стали не происходит.

Пример осуществления.

Был отлит сплав предлагаемого химического состава (табл.1). Сплав был подвергнут закалке с температуры 1060°C и отпуску при 750°C, в течение 3 часов.

Таблица 1
Химический состав предлагаемой стали
C Si Mn Cr Ni Co Mo W V Nb N B Al S Ti P Cu
0,1 0,12 0,4 9 0,24 2,8 0,57 1,5 0,2 0,05 0,007 0,012 0,01 0,006 0.002 0,008 0,027

Механические испытания на растяжение были проведены по ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре и по ГОСТ 9651-84 при повышенных температурах (табл.2). Испытания на ударную вязкость были проведены по ГОСТ 9454-78 (табл.3). Испытания на ползучесть были проведены по ГОСТ 3248-81 (табл.4). Как видно из таблиц 2, 3, 4 механические свойства предлагаемой стали выше по сравнению с прототипом.

Таблица 2
Механические свойства стали в зависимости от температуры испытания
Температура испытания, °С Прототип Предлагаемая сталь
у0,2, MПa ув, МПa д, % у0,2, MПa ув, МПa д, %
20 540 700 15 590 810 16
450 450 540 12 430 630 12
500 400 500 13 375 590 14
550 340 455 14 370 530 17
600 365 390 20 420 455 20
650 300 320 25 345 370 23
700 215 240 33 250 270 25

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

Таблица 3
Ударная вязкость стали при температуре 20°С
Прототип Предлагаемая сталь
КСV, Дж/см2 237 248

В таблице 3: КСV - ударная вязкость

Таблица 4
Испытания на ползучесть при температуре 650°С
Приложенное напряжение, МПа Время до разрушения образца, ч
Прототип Предлагаемая сталь
140 1425 3430
160 210 1035
180 18 243

Как видно из таблиц, свойства предлагаемой стали позволяют применять ее для изготовления котлов, роторов и других элементов энергетических установок. Использование стали в теплоэнергетике позволит поднять рабочую температуру тепловых электростанций до 640°C.

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

углерод 0,08 - 0,12
кремний не более 0,13
марганец 0,4 - 0,6
хром 9,0 - 9,5
никель от более 0,1 до 0,3
вольфрам 1,2 - 1,7
молибден 0,5 - 0,8
ванадий 0,18 - 0,25
ниобий 0,04 - 0,07
азот до менее 0,005
бор 0,01 - 0,014
кобальт от более 3,0 до 3,5
сера не более 0,006
фосфор не более 0,01
алюминий не более 0,01
медь не более 0,03
титан до менее 0,01
железо остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным хладостойким бейнитным сталям, используемым для изготовления сварных балок, стрел, поворотных механизмов и других элементов подъемно-транспортной техники.

Изобретение относится к способам получения горячекатаного плоского стального проката. Способ включает стадии: получение стального расплава (S), содержащего, вес.%: C 0,5-1,3, Mn 18-26, Al 5,9-11,5, S менее чем 1, Cr менее чем 8, Ni менее чем 3, Mo менее чем 2, N менее чем 0,1, B менее чем 0,1, Cu менее чем 5, Nb менее чем 1, Ti менее чем 1, V менее чем 1, Ca менее чем 0,05, Zr менее чем 0,1, P менее чем 0,04, S менее чем 0,04, железо и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным сталям, используемым для изготовления бурильных труб. Труба выполнена из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, медь, титан, бор, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,28-0,34, кремний 0,15-0,45, марганец 0,65-0,95, хром 0,80-1,30, молибден 0,10-0,20, никель не более 0,50, медь не более 0,30, титан 0,015-0,045, бор 0,001-0,004, алюминий 0,015-0,050, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, азот не более 0,012, железо и неизбежные примеси остальное.

Изобретение к производству горячекатаных стальных листов. Лист изготовлен из стали, содержащей, мас.%: 0,040≤С<0,065, 1,4≤Mn≤1,9, 0,1≤Si≤0,55, 0,095≤Ti≤0,145, 0,025≤Nb≤0,045, 0,005≤A1≤0,1, 0,002≤N≤0,007, S≤0,004, P<0,020, железо и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству горячекатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей большегрузных автомобилей, подъемно-транспортных механизмов и сельскохозяйственных машин методом штамповки, гибки и профилирования.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу аустенитной нержавеющей стали. Сталь содержит, мас.%: до 0,20 С, 2,0-9,0 Мn, до 2,0 Si, 15,0-23,0 Сr, 3,0-6,0 Ni, 0,5-1,0 Мо, 0,05-0,35 N, (7,5(%С))≤(%Nb+%Ti+%V+%Та+%Zr)≤1,5, 0,0005-0,01 В, остальное - Fe и неизбежные примеси.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным коррозионностойким сталям, используемым в атомной энергетике и машиностроении в установках, эксплуатирующихся длительное время при температурах 500-600°C.
Изобретение относится к металлургии, в частности к производству стальной высокопрочной проволочной арматуры. Способ изготовления арматуры из стали включает выплавку стали, содержащей: мас.%: углерод 0,78-0,82, марганец 0,70-0,90, кремний 0,20-0,30, сера не более 0,010, фосфор не более 0,025, хром 0,20-0,30, никель не более 0,10, медь не более 0,10, алюминий не более 0,005, бор 0,0010-0,0030, азот не более 0,008, титан не более 0,005%, железо остальное, при этом поддерживают суммарное содержание Cr+Mn+Ni+Cu<1,4, а соотношение Al/B - в пределах <1,67.
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству рессорно-компрессорных штанг нефтяных насосов, выполненных из среднеуглеродистой легированной конструкционной стали.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении толстолистовой стали для изготовления деталей транспортных и горнодобывающих машин, обладающих высокой стойкостью против абразивного износа (истирания).
Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при производстве сортового проката круглого сечения для изготовления высокопрочного крепежа холодной осадкой. Для повышения пластических характеристик при сохранении высоких прочностных свойств получают сталь, содержащую, мас.%: углерод 0,30-0,35, марганец 0,50-0,70, кремний 0,20-0,37, фосфор менее 0,020, сера менее 0,010, хром 0,40-0,70, никель не более 0,15, медь не более 0,20, алюминий 0,015-0,035, титан 0,03-0,05, бор 0,002-0,005, кальций 0,0001-0,005 и железо остальное. Приведенный состав при производстве проката круглого поперечного сечения для изготовления высокопрочного крепежа позволит повысить прибыль от реализации проката с улучшенными потребительскими свойствами. 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов на основе железа, используемых для изготовления изделий, работающих длительное время в условиях повышенных температур. Сплав содержит, мас.%: алюминий 18,0-22,0, углерод 1,6-2,0, хром 3,0-4,0, медь 0,1-0,15, кальций 0,001-0,002, никель 1,5-2,0, бор 0,05-0,1, серебро 0,001-0,002, ниобий 0,03-0,05, железо - остальное. Повышается жаростойкость сплава при температуре 1000°С. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению труб для добычи нефти и газа, которые могут эксплуатироваться как в обычных условиях, так и в условиях коррозионного воздействия со стороны добываемого флюида в присутствии сероводорода (H2S) и углекислого газа (CO2). Труба изготовлена из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,21-0,28, кремний 0,15-0,45, марганец 0,50-0,95, хром 0,80-1,30, молибден 0,25-0,45, никель не более 0,50, медь не более 0,30, алюминий 0,015-0,050, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, азот не более 0,012, ванадий 0,03-0,08 или бор 0,001-0,004 и титан не более 0,045, железо и неизбежные примеси остальное. Достигается требуемая коррозионная стойкость труб в средах, содержащих сероводород и углекислый газ, при обеспечении предела прочности не менее 655 МПа и предела текучести от 552 до 826 МПа. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к металлургии. Способ производства низколегированного хладостойкого свариваемого листового проката повышенной коррозионной стойкости включает выплавку стали, непрерывную разливку в слябы, нагрев слябов и горячую прокатку. Выплавляют сталь, содержащую, мас. %: углерод - 0,06-0,12, марганец - 0,30-0,60, кремний - 0,15-0,60, азот - не более 0,008, алюминий - 0,02-0,05, хром - не более 1,0, никель - не более 0,30, молибден - 0,08-0,20, ванадий - 0,04-0,10, кальций - 0,001-0,006, медь - не более 0,30, титан - не более 0,03, ниобий - не более 0,04, серу - не более 0,003, фосфор -не более 0,012, бор - не более 0,0005, железо - остальное, при этом Сэ=C+Mn/6+(Cr+V+Nb+Ti)/5+(Ni+Cu)/15≤0,43%, где Pcm=C+(Mn+Cu+Cr)/20+Si/30+Ni/60+V/10+Mo/15+5B≤0,26%, V+Nb+Ti≤0,15%, где Сэ - углеродный эквивалент, %; С, Mn, Cr, V, Nb, Ti, Ni, Cu, Si, Мо, В - содержание в стали углерода, марганца, хрома, ванадия, ниобия, титана, никеля, меди, кремния, молибдена, бора, в мас. %, Pcm - коэффициент трещиностойкости, %. Сталь после выплавки подвергают внепечной обработке и вакуумированию для обеспечения массовой доли водорода и кислорода не более 2 и 25 ppm соответственно, балла неметаллических включений не более 2,5 по среднему и не более 3,0 по максимальному значению, а суммарное содержание мышьяка, свинца, цинка, олова, сурьмы, висмута - не более 0,020%, листовой прокат после прокатки и охлаждения подвергают дополнительному нагреву под закалку до температуры Ас3÷(Ас3+50)°C и отпуску, температуру которого назначают в зависимости от толщины проката в интервале 680÷730°С, при этом в прокате обеспечивают полосчатость не более 2 балла. Технический результат заключается в повышении показателей коррозионной стойкости и обеспечении высокой и стабильной ударной вязкости при отрицательных температурах (до -50°С), что обеспечивает повышение срока службы трубопроводов, предназначенных для транспортировки агрессивных сред и изготовленных из указанного листового проката. 2 табл.
Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к производству слитков бор- и титансодержащей коррозионно-стойкой стали электрошлаковым переплавом для изготовления деталей атомного оборудования с высокой нейтронной поглощаемостью. Расходуемый электрод содержит, мас.%: углерод 0,02-0,06, марганец не более 0,5, кремний не более 0,5, никель не более 0,5, хром 13,0-16,0, медь не более 0,30, молибден не более 0,3, вольфрам не более 0,2, ванадий 0,15-0,30, титан 3,6-4,0, алюминий не более 0,5 и бор 1,3-1,8, при этом соотношение содержания титана и бора в исходном металле электрода не менее 2,2. Изобретение позволяет получить металл, отвечающий требованиям выплавляемой марки стали ЧС82 с гарантированным содержанием титана и равномерными свойствами по объему выплавляемого слитка. 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии для получения полос высокопрочной многофазной стали, используемых в автомобилестроении. Для обеспечения равномерных механических свойств по длине полосы и повышения формовочных свойств холоднокатаную или горячекатаную полосу получают из стали, содержащей, вес.%: C 0,060 до ≤0,115, Al 0,020 до ≤0,060, Si 0,100 до ≤0,500, Mn 1,300 до ≤2,500, P ≤0,025, S ≤0,0100, Cr 0,280 до ≤0,480, Mo ≤0,150, Ti ≥0,005 до ≤0,050, Nb ≥0,005 до ≤0,050, B ≥0,0005 до ≤0,0060, N ≤0,0100, остальное - железо и неизбежные примеси. Горячекатаную или холоднокатаную полосу подвергают непрерывному отжигу путем нагрева в печи непрерывного отжига до 700-900˚С и охлаждения сначала со скоростью 15-100˚С/с до промежуточной температуры 200-250˚С, а затем со скоростью 2-30˚С/с на воздухе до температуры в помещении. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству нового высокоэффективного вида металлопродукции - толстолистового проката из сверхвысокопрочной низколегированной стали для противопульной защиты корпуса транспортных средств. Для обеспечения высоких прочностных свойств листов при сохранении достаточной пластичности и ударной вязкости способ включает получение непрерывнолитого сляба, его нагрев, горячую прокатку, закалку и отпуск листов, при этом непрерывнолитой сляб получают из стали следующего химического состава, мас. %: 0,40-0,47 C; 0,20-0,50 Si; 0,50-0,90 Mn; 0,40-0,80 Cr; 1,80-2,30 Ni; 0,30-0,50 Mo; 0,02-0,06 V; 0,02-0,08 Al; 0,001-0,010 N; 0,10-0,20 Cu; 0,002-0,020 Nb; 0,002-0,015 Ti; 0,001-0,005 B; не более 0,005 S; не более 0,010 P; остальное Fe, закалку осуществляют при температуре 930-980°C, отпуск при температуре 170-200°C. 3 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочной хромистой стали мартенситного класса, используемой для изготовления лопаток турбин энергетических установок. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,12, кремний не более 0,1, марганец 0,05-0,1, хром 9,5-10,0, никель не более 0,2, вольфрам 2,3-3,0, молибден 0,05-0,1, кобальт 2,5-3,5, ванадий 0,18-0,25, ниобий 0,04-0,07, азот не более 0,003, бор 0,008-0,013, рений 0,1-0,2, сера не более 0,006, фосфор не более 0,01, алюминий не более 0,01, медь 0,05-0,3, титан не более 0,01, железо остальное. Повышаются показатели длительной прочности, что позволяет при использовании стали в теплоэнергетике поднять рабочую температуру тепловых электростанций до 630°C. 3 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу аустенитной нержавеющей стали, имеющей предел текучести от 43,4 до 53,7 ksi. Сталь содержит, в мас.%: до 0,20 C, 2,0-9,0 Mn, до 0,5 Si, 18,0-23,0 Cr, 1,0-5,5 Ni, до 3,0 Mo, 0,05-0,35 N, 0,0005-0,01 B, (7,5(% C)) ≤ (%Nb + %Ti + %V + %Ta + %Zr) ≤ 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное. Обеспечивается высокая коррозионная стойкость, устойчивость к деформации при повышенных температурах, а также способность к формовке. 4 н. и 39 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.
Наверх