ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ Российский патент 2008 года по МПК C22C38/60 C22C38/54 C22C38/32 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сталям, в частности, к созданию сталей, которые могут быть использованы для поковок крупногабаритных роторов и другого оборудования тепловых и газовых турбин энергетических установок с рабочей температурой до 620°С.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении поковок роторов большого диаметра, труб паропроводов и котлов с высокими характеристиками прочности, выносливости и жаропрочными свойствами при температурах до 620°С.

Применяемая сталь 15Х12 ВНМФ (ЭИ802) ГОСТ 5632-72 хорошо себя зарекомендовала при производстве заготовок роторов для газовой турбины, работающей при температурах не выше 570°С. Однако при эксплуатации при температурах выше 600°С данная сталь обладает пониженной жаропрочностью.

Известная сталь 13Х11Н2 В2МФ (ЭИ961-Ш), применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, (масс.%):

Углерод0,10-0,16Кремний≤0,60Марганец≤0,60Хром10,5-12,0Никель1,50-1,80Молибден0,35-0,50Ванадий0,18-0,30Вольфрам1,60-2,00Медь≤0,30Железо и примесиостальное (см. ГОСТ 5632-72)

Недостатком данной стали является пониженная жаропрочность при температурах выше 570°С и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала по содержанию углерода.

Наиболее близкой к предложенной стали по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочная сталь (см. Патент РФ RU 2272852 С1, Кл. С22С 38/48) следующего состава (масс.%):

Углерод0,11-0,20Кремний0,03-0,20Марганец0,1-0,30Хром9,00-12,0Никель0,00-0,7Вольфрам0,00-2,0Молибден0,90-1,60Ванадий0,15-0,30Ниобий0,02-0,06Бор0,00-0,02Азот0,005-0,05Олово0,00-0,006Сурьма0,00-0,006Мышьяк0,00-0,007Сера≤0,015Фосфор≤0,020Железоостальное

Эта сталь имеет значительные изменения характеристик жаропрочности и механических свойств при температурах выше 600°С из-за большого разброса по содержанию углерода, хрома, вольфрама, никеля и бора. Кроме того, при содержании углерода выше 0,15% сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок методом ЭШП и требует сложной термической обработки с многократными переохлаждениями для предотвращения образования трещин в поковках в процессе охлаждения от температур ковки. При содержании ферритообразующих на верхнем пределе структура стали становится мартенситно-ферритной со значительным количеством феррита, что существенно снижает жаропрочные и пластические свойства стали, а также сопротивление хрупкому разрушению.

Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит церий, кальций и алюминий при следующем соотношении компонентов (масс.%):

Углерод0,10-0,14Кремний≤0,10Марганец0,20-0,40Хром9,00-10,5Никель0,30-0,50Вольфрам0,90-1,10Молибден0,90-1,10Ванадий0,18-0,30Ниобий0,04-0,06Азот0,03-0,08Бор0,003-0,012Алюминий0,005-0,012Сера≤0,010Фосфор≤0,010Олово≤0,006Сурьма≤0,006Мышьяк≤0,006Церий0,005-0,03Кальций0,005-0,02Железоостальное

При этом суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 масс.%.

Предлагаемая сталь отличается от известной так же тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 масс.%.

Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании с сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, повышает жаропрочность, пластичность и ударную вязкость, очищает и упрочняет границы зерен, что приводит к общему повышению служебных и технологических свойств материала. При содержании Са и Се ниже нижнего предела их воздействие на жаропрочные свойства стали малоэффективно, а при содержании их выше верхнего предела вызывает избыточное обогащение границ зерен неметаллическими включениями, что отрицательно сказывается на свойствах стали.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления и деформируемость в горячем состоянии. При суммарном содержании церия и кальция в указанных пределах повышается длительная прочность предложенной стали.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела заданного содержания их действие на жаропрочные свойства и сопротивление хрупкому разрушению малоэффективно.

Остаточное содержание алюминия в стали составляет 0,005-0,012 масс.%. При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела в условиях ограничения по содержанию кремния не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению количества оксидных включений и снижению прочностных свойств металла. При увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики жаропрочности и ударной вязкости металла, что обуславливается дополнительным выделением на границе зерен нитридов алюминия.

Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора и серы до 0,010% каждого, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости.

Предлагаемая сталь содержит бор (0,003-0,012 масс.%), что способствует увеличению прокаливаемости, так как весь бор, находясь в твердом растворе, концентрируется в тонких слоях зерен аустенита и уменьшает скорость зарождения центров кристаллизации, кроме того такое содержание бора обеспечивает хорошее сочетание жаропрочности и окалиностойкости, а так же пониженную чувствительность к образованию трещин при сварке и электрошлаковом переплаве.

Содержание бора ниже нижнего предела малоэффективно, а содержание бора выше верхнего предела приводит к превышению предела насыщения на границах аустенита, в результате чего появляются избыточные бористые фазы (бориды), действующие как центры кристаллизации, что снижает окалиностойкость и жаропрочность стали за счет появления избыточных фаз.

Предлагаемая сталь отличается меньшим содержание углерода 0,10-0,14 масс.% против 0,11-0,20 масс.% в известной стали, что является оптимальным для обеспечения высокой технологичности в переплавных процессах, ковке и сварке. Вместе с тем такое содержание углерода для предлагаемой композиции обеспечивает высокую жаропрочность.

При содержании углерода ниже нижнего предела его действие на технологические и служебные свойства малоэффективно, а при содержании углерода выше верхнего предела ускоряется коалесценция карбидов и обеднение твердого раствора Мо, W и V, что снижает прочностные свойства и жаропрочность стали.

Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на литые электроды для получение слитков ЭШП. Полученные слитки ЭШП подвергались ковке в интервале 1230-850°С на заготовки для определения механических и жаропрочных свойств.

В таблице 1 приведен химический состав солей.

В таблице 2 приведены механические свойства, полученные после оптимальной термообработки с учетом реальных условий проведения технологических нагревов при изготовлении поковок для оборудования паровых и газовых турбин.

Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длинны с диаметром рабочей части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Определение ударной вязкости при нормальной температуре производилось на образцах типа 11 по ГОСТ 9454-78.

Жаропрочные испытания проводились по ГОСТ 3248-81 на ползучесть и по ГОСТ 10145-81 - на длительную прочность (таблица 3).

Как видно из таблиц 2 и 3, предлагаемая сталь имеет более высокие механические свойства и жаропрочность.

Использование предложенной стали в качестве материала для поковок крупногабаритных роторов для газовых и тепловых турбин, а так же трубопроводных элементов паропроводов и котлов с достижением суперсверхкритических параметров пара при давлении 300-350 МПа позволяет повысить рабочую температуру турбин до 620°С.

Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и промышленные испытания на ОАО «ОМ3-Спецсталь» и рекомендована к промышленному опробованию в условиях ОАО «Ленинградский металлический завод».

Таблица 1Химический состав сталиСостав сталиСодержание компонентов (масс.%)СSiMnCrNiMoWVNbВAlSРСаСеNAsSbSnFe1.0,100,050,29,00,30,90,90,180,040,0030,0050,0050,0050,0050,0050,030,0010,0050,005остальное2.0,120,070,39,50,41,01,00,200,050,0040,0090,010,010,0060,0090,050,0020,0030,003остальное3.0,140,100,410,50,51,11,10,300,060,0120,0120,010,010,020,020,080,0060,0060,006остальное4.0,090,030,18,00,20,80,80,150,020,0020,0030,010,010,0030,0030,020,0010,0040,004остальное5.0,160,150,512,00,71,21,20,350,070,0130,0150,010,010,0090,0090,090,0070,0070,007остальное6.0,110,030,19,00,00,90,00,150,020,0-0,0150,02--0,0080,000,00,0остальное7.0,200,100,312,00,71,62,00,300,060,02-0,0150,02--0,050,0070,0060,006остальноеСоставы 1-3 - предложенная стальСоставы 4-5 - стали, содержание компонентов которых выходит за заявленные пределыСоставы 6-7 - вариант стали по прототипу

Таблица 2Механические свойства сталиСостав сталиТ_исп., °Cσ_0,2σ_Вδ,ψ,KCVН/мм²%Дж/см²1.2075089015,055,090,062040045020,070,0-2.2076091015,052,080,062041047020,065,0-3.2081092014,053,075,062043549022,072,0-4.2068081018,060,0100,062039044020,070,0-5.2065080014,058,070,062036044020,070,0-6.2063078015,065,0100,062035042020,072,0-7.2070088020,059,040,062041046020,072,0-Составы 1-3 - предложенная стальСоставы 4-5 - стали, содержание компонентов которых выходит за заявленные пределыСоставы 6-7 - вариант стали по прототипу

Таблица 3Длительная прочность сталиСостав сталиДлительная прочность, Н/мм², за время 10⁵ час при температурах600°620°С1.115982.1251053.1271104.1241085.1181006.109907.11095Составы 1-3 - предложенная стальСоставы 4-5 - стали, содержание компонентов которых выходит за заявленные пределыСоставы 6-7- вариант стали по прототипу

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной стали для деталей тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 620°С. Жаропрочная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор, церий, кальций, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10-0,14, кремний ≤0,10, марганец 0,20-0,40, хром 9,00-10,50, никель 0,30-0,50, вольфрам 0,90-1,10, молибден 0,90-1,10, ванадий 0,18-0,30, ниобий 0,04-0,06, азот 0,03-0,08, бор 0,003-0,012, алюминий 0,005-0,012, сера ≤0,010, фосфор ≤0,010, олово ≤0,006, сурьма ≤0,006, мышьяк ≤0,006, церий 0,005-0,03, кальций 0,005-0,02, железо - остальное. Суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 мас.%. Повышается жаропрочность и комплекс механических свойств. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

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

углерод0,10-0,14кремний≤0,10марганец0,20-0,40хром9,00-10,50никель0,30-0,50вольфрам0,90-1,10молибден0,90-1,10ванадий0,18-0,30ниобий0,04-0,06азот0,03-0,08бор0,003-0,012алюминий0,005-0,012сера≤0,010фосфор≤0,010олово≤0,006сурьма≤0,006мышьяк≤0,006церий0,005-0,03кальций0,005-0,02железоостальное