ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ Российский патент 2012 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением и может использоваться при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности, в частности при изготовлении реакционных змеевиков.

Известен жаропрочный сплав [1], содержащий мас.%:

Углерод 0,35-0,55 Азот 0,02-0,05 Хром 22-27 Никель 25-40 Ниобий 1,0-2,0 Вольфрам 0,5-5,0 Молибден 0,2-0,6 Титан 0,05-0,6 Кремний 0,8-2,0 Марганец 0,8-1,5 Бор 0,0005-0,005 Алюминий 0,1-1,0 Медь 0,1-1,0 Магний 0,01-0,1 Цирконий 0,005-0,15 Иттрий 0,008-0,1 Железо остальное

при выполнении условия

К недостаткам указанного сплава относится низкий уровень пластичности (менее 5%) в условиях статических напряжений при температуре 1000°C и низкая сопротивляемость сплава к коррозионно-механическому воздействию при температуре 1100°C. Указанные недостатки в условиях эксплуатации приводят к выходу из строя реакционной трубной системы пиролизных змеевиков, что значительно уменьшает срок «межремонтного пробега».

Известен также жаропрочный сплав [2], принятый за прототип, следующего химического состава (мас.%):

Углерод 0,35-0,55 Азот 0,02-0,05 Хром 22,0-27,0 Никель 25,0-40,0 Ниобий 1,0-2,0 Вольфрам 0,5-5,0 Молибден 0,2-0,6 Титан 0,05-0,6 Кремний 0,8-2,0 Марганец 0,8-1,5 Алюминий 0,1-1,0 Медь 0,1-1,0 Магний 0,01-0,1 Цирконий 0,005-0,15 Иттрий 0,008-0,1 Бор 0,007-0,01 Церий 0,022-0,063 Лантан 0,006-0,027 Неодим 0,002-0,005 Празеодим 0,005-0,008 Железо остальное

при этом должны выполняться два условия:

Этот сплав обладает повышенной стойкостью в воздушной среде к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения при максимальных рабочих температурах 1100°C и повышенной пластичностью, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока «межремонтного пробега» высокотемпературных змеевиков.

Недостатком сплава является повышенная скорость ползучести, что приводит к значительным формоизменениям трубной системы и ее преждевременному выходу из строя, а также недостаточная длительная прочность и жаростойкость.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава, обладающего более высокими характеристиками сопротивления ползучести, длительной прочности и жаростойкости.

Технический результат изобретения достигается тем, что заявляемый жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, при выполнении условий 1 и 2

дополнительно содержит кальций и барий, а также повышенные концентрации вольфрама, хрома, никеля и ограниченное содержание железа при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Углерод 0,35-0,55 Азот 0,02-0,05 Хром 28,0-36,0 Железо 3,0-5,0 Ниобий 1,0-2,0 Вольфрам 0,5-8,0 Молибден 0,2-0,6 Титан 0,05-0,6 Кремний 0,8-2,0 Марганец 0,8-1,5 Алюминий 0,1-1,0 Медь 0,1-1,0 Магний 0,01-0,1 Цирконий 0,005-0,15 Иттрий 0,008-0,1 Бор 0,007-0,01 Кальций 0,01-0,2 Барий 0,01-0,3 Церий 0,022-0,063 Лантан 0,006-0,027 Неодим 0,002-0,005 Празеодим 0,005-0,008 Никель остальное

При этом должно выполняться следующее условие: суммарное содержание кальция и бария не должно превышать 0,31 мас.%.

Увеличение содержания хрома и углерода при повышении содержания никеля способствует увеличению удельного объема карбидной фазы, выделяющейся на границах кристаллов и дендритных ячеек, при этом формируется карбидный каркас, что тормозит развитие пластического течения по границам, тем самым снижается скорость ползучести и увеличивается длительная прочность.

Хромоникелевая основа сплава при высокой концентрации хрома (28-36%) и ограниченного содержания железа 3-5% способствует образованию более стойкой окалины, состоящей из окислов типа шпинелей, обеспечивающая улучшение жаростойкости при 1100°C.

В то же время хромоникелевая основа сплава при повышенном содержании вольфрама, не ухудшая пластичности, улучшает структурную стабильность твердого раствора избыточных фаз в условиях воздействия циклических и статических нагрузок.

Введение в состав литого жаропрочного сплава суммарной концентрации микродобавок кальция и бария обеспечивает высокую эффективность раскисления расплава, увеличивая тем самым эффект усвояемости границами сплава церия, лантана, неодима и празеодима с целью увеличения значений характеристик длительной прочности и жаростойкости заявленного состава сплава.

Суммарное количество кальция и бария, не более 0,31 мас.%, определяет их оптимальную концентрацию, когда содержание кислорода в сплаве составляет не более 0,0025 мас.%.

Выбранные пределы микролегирования активными элементами Са и Ва при указанной концентрации кислорода сохраняют практически неизменным кристаллическое строение и фазовый состав сплава, существенно улучшают состояние межкристаллитных границ, обеспечивая при высокой температуре увеличение их стойкости к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения.

Пример конкретного выполнения.

Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» была проведена выплавка и исследованы свойства следующих сплавов:

- Сплавы с содержанием ингредиентов, выходящих за пределы заявляемых концентраций (плавки №1, 2)

- Заявляемый сплав (плавки №3, 4)

- Сплав прототипа (плавка №5)

Сплавы получали в открытой индукционной печи с использованием высококачественных шихтовых материалов и специальной лигатуры, содержащей вводимые элементы. Жидкий металл, который в процессе ведения плавок находился под защитой аргона, разливали в чугунные изложницы. Вес слитков составлял 23-25 кг.

Для проведения коррозионно-механических испытаний и испытаний на длительную прочность из центральной части слитка на расстояние 10 мм от края вырезали разрывные образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 30 мм.

В таблице 1 представлен химический состав исследуемых сплавов. Свойства полученных сплавов представлены: в таблице 2 - результаты испытаний на длительную прочность; в таблице 3 - результаты коррозионных испытаний.

Таблица 1 Условный номер плавки Содержание элементов, мас.% C N Cr Ni Nb Mo W Ti Si Mn Al Cu Zr Mg Y 1 0,34 0,021 27,0 ост. 0,98 0,18 8,5 0,62 1,0 0,7 0,09 0,09 0,004 0,011 0,007 2 0,56 0,04 37,0 ост. 2,1 0,62 0,4 0,004 2,1 1,6 1,1 1,1 0,16 0,008 0,1 3 0,55 0,05 36,0 ост. 2,0 0,6 8,0 0,6 2,0 1,5 1,0 1,0 0,15 0,1 0,1 4 0,35 0,02 28,0 ост. 1,0 0,2 0,5 0,05 0,8 0,8 0,1 0,1 0,005 0,01 0,008 5 (прототип) 0,45 0,04 27,0 35,0 2,0 0,25 1,8 0,06 1,55 1,0 0,3 0,25 0,06 0,08 0,009

Продолжение таблицы 1 Условный номер плавки Содержание элементов, мас.% C+N-(Nb+2Ti)/10 (La+Ce+Nd+Pr)/B Ca+Ba B La Ce Nd Pr Fe Ca Ba 1 0,012 0,005 0,021 0,0022 0,009 2,8 0,21 0,004 0,13 3,1 0,214 2 0,006 0,028 0,065 0,004 0,004 6,5 0,007 0,32 0,28 15,1 0,327 3 0,01 0,021 0,063 0,002 0,008 3,0 0,2 0,01 0,28 10,0 0,21 4 0,007 0,006 0,022 0,005 0,005 5,0 0,01 0,3 0,26 5,4 0,31 5 прототип 0,007 0,015 0,009 0,008 0,003 ост. - - 0,278 5,0 -

Таблица 2 Условный номер плавки Характеристики жаропрочности сплава при температуре 1100°C и напряжении 10 МПа Минимальное время до разрушения (τ), час Относительное удлинение (δ), % Скорость ползучести (V), %, час 1 1993 6 8×10^-3 2 2403 6 3×10^-3 3 3780 8 4×10^-4 4 3040 13 6×10^-4 5 1840 38 9×10^-3

Таблица 3 Условный номер плавки Скорость окисления сплава при температуре 1100°C, мм/год 1 0,75 2 0,46 3 0,21 4 0,25 5 1,1

Из таблиц 2 и 3 следует, что состав плавок 1 и 2 не обеспечивает улучшение комплекса служебных характеристик, в частности, несмотря на повышенную сопротивляемость окислению и сравнительно небольшое превосходство в жаропрочности, эти сплавы характеризуются низкой пластичностью и пониженным сопротивлением ползучести.

Анализ данных таблиц 2 и 3 по плавкам 3 и 4 свидетельствует о том, что заявляемый сплав существенно превосходит прототип по длительной прочности (примерно в 2 раза), по жаростойкости (примерно в 5 раз), при этом сохраняется приемлемый уровень длительной пластичности сплава (8-13%) и увеличивается сопротивляемость высокотемпературной ползучести (более чем в 10 раз).

Таким образом, заявленный состав сплава существенно превосходит сплав прототипа по сопротивлению ползучести, жаростойкости и длительной прочности при температуре 1100°C.

Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из заявленного сплава, обладающего улучшенным комплексом служебных характеристик, позволяет, за счет повышения уровня сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности увеличить в 1,5-2,0 раза ресурс работы установок.

Источники информации

1. Патент РФ №2026401, С22С 19/05.

2. Патент РФ №2350674, С22С 19/05 (прототип).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением, и может быть использовано при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности. Заявлен жаропрочный сплав, содержащий, мас.%: углерод 0,35-0,55, азот 0,02-0,05, хром 28,0-36,0, железо 3,0-5,0, ниобий 1,0-2,0, вольфрам 0,5-8,0, молибден 0,2-0,6, титан 0,05-0,6, кремний 0,8-2,0, марганец 0,8-1,5, алюминий 0,1-1,0, медь 0,1-1,0, магний 0,01-0,1, цирконий 0,005-0,15, иттрий 0,008-0,1, бор 0,007-0,01, кальций 0,01-0,2, барий 0,01-0,3, церий 0,022-0,063, лантан 0,006-0,027, неодим 0,002-0,005, празеодим 0,005-0,008, никель - остальное. Сплав обладает повышенным уровнем сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности. Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из данного сплава позволяет в 1,5-2,0 раза повысить ресурс их работы. 3 табл., 1 пр.

Жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,35-0,55 Азот 0,02-0,05 Хром 28,0-36,0 Железо 3,0-5,0 Ниобий 1,0-2,0 Вольфрам 0,5-8,0 Молибден 0,2-0,6 Титан 0,05-0,6 Кремний 0,8-2,0 Марганец 0,8-1,5 Алюминий 0,1-1,0 Медь 0,1-1,0 Магний 0,01-0,1 Цирконий 0,005-0,15 Иттрий 0,008-0,1 Бор 0,007-0,01 Кальций 0,01-0,2 Барий 0,01-0,3 Церий 0,022-0,063 Лантан 0,006-0,027 Неодим 0,002-0,005 Празеодим 0,005-0,008 Никель Остальное,