ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ Российский патент 2012 года по МПК C22C38/58 C22C38/50 

Описание патента на изобретение RU2448194C1

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, в частности к созданию высокоуглеродистых хромоникелевых сплавов аустенитного класса, которые могут быть использованы для печей первичного риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола и другого оборудования для нефтегазоперерабатывающих установок и химического оборудования.

Применяемый для этих целей сплав 45Х25Н35С2Л ТУ 4112-108-00220302-2006 хорошо себя зарекомендовал при производстве центробежно-литых реакционных труб, работающих при температурах 950-1100°С и давлении до 10 атм. Срок службы при таких режимах эксплуатации составляет 20000-40000 ч. После длительной эксплуатации в этом диапазоне температур и указанном давлении резко снижаются прочность и жаропрочность, что приводит к разрушению труб и выходу из строя всей установки.

Известен жаропрочный сплав, применяемый для таких целей, состоящий из следующих компонентов (мас.%):

Углерод 0,08-0,14 Кремний 0,0005-0,79 Марганец 0,5005-1,21 Хром 19,0-21,0 Никель 31,0-34,0 Ниобий 0,90-1,35 Титан 0,0005-0,10 Алюминий 0,0005-0,10 Молибден ≤0,50 Ванадий 0,0005-0,20 Сера ≤0,03 Фосфор ≤0,03 Свинец ≤0,01 Олово ≤0,01 Мышьяк ≤0,01 Цинк ≤0,01 Медь ≤0,2 Железо остальное

(см. Патент РФ 2149210, кл. С22С 38/50, С22С 30/00).

Недостатком данного сплава является пониженная жаропрочность и прочность в рабочем интервале температур из-за низкого содержания углерода. Кроме того, при низком содержании углерода образуется рыхлая окалина, имеющая плохое сцепление с металлом, и сплав характеризуется низкой жаропрочностью, особенно при 1050-1200°C.

Наиболее близким к предложенному сплаву по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав (см. Патент РФ 2149203 С1, кл. С22С 30/00) следующего состава (мас.%):

Углерод 0,40-0,50 Кремний 1,8995-2,39 Марганец 0,0505-0,51 Хром 24,0-28,00 Никель 34,0-36,00 Ниобий 1,30-1,70 Церий 0,08-0,12 Титан 0,0005-0,10 Алюминий 0,0005-0,10 Молибден ≤0,50 Ванадий 0,0005-0,20 Сера ≤0,03 Фосфор ≤0,03 Свинец ≤0,01 Олово ≤0,01 Мышьяк ≤0,01 Цинк ≤0,01 Медь ≤0,2 Железо остальное

Этот сплав имеет значительные изменения характеристик жаропрочности и механические свойства особенно при температурах порядка 1000°C и выше из-за большого разброса по содержанию ванадия, титана и алюминия. Так как при содержании этих элементов на нижнем уровне (фактически это следы этих элементов) резко снижается жаропрочность этого сплава и сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, введение ограничивающих условий по никелевому эквиваленту % Ni + 32% С + 0,6% Mn + % Cu = 47,94875-52,506% и хромовому эквиваленту % Cr + 3% Ti + % V + % Mo +1,6% Si + 0,6% Nb = 27,8217-32,63954%, не неся практической целесообразности (так как при любом соотношении компонентов в заданных пределах выполняется это соотношение), существенно усложняет технологию изготовления сплава.

Предлагаемый жаропрочный сплав наиболее эффективно может быть использован при изготовлении центробежно-литых реакционных труб и стояков (газоподъемных труб) с рабочими режимами при температурах 950-1200°С и давлении до 10 атм.

Указанный технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, ванадий, титан, алюминий, церий, молибден, медь, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк и железо, отличается тем, что дополнительно содержит кальций и цирконий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Углерод 0,40-0,50 Кремний 1,00-2,50 Марганец 1,00-2,50 Хром 24,0-27,00 Никель 34,0-36,00 Ниобий 1,30-1,70 Ванадий 0,05-0,25 Титан 0,03-0,10 Алюминий 0,03-0,10 Молибден ≤0,50 Медь ≤0,30 Цирконий 0,01-0,25 Кальций 0,005-0,025 Церий 0,005-0,03 Сера ≤0,01 Фосфор ≤0,01 Свинец ≤0,006 Олово ≤0,006 Мышьяк ≤0,006 Цинк ≤0,006 Железо остальное

При этом суммарное содержание кальция и церия составляет 0,02-0,05 мас.%.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что в дополнение к церию содержит кальций. Суммарное содержание кальция и церия составляет (0,02-0,05 мас.%), что благоприятно изменяет форму неметаллических включений, повышает пластичность, очищает и упрочняет границы зерен, приводит к повышению трещиноустойчивости и жаропрочности.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления. При суммарном введении церия и кальция в указных пределах повышается длительная прочность предложенного сплава.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела суммарного содержания их воздействие на жаропрочные свойства малоэффективно, а при содержании их выше верхнего предела суммарного содержания снижается стойкость к окислению и уменьшается жаропрочность предложенной стали.

Предлагаемый сплав отличается от известного ограничением содержания примесей фосфора и серы до 0,010 мас.% каждого, а также ограничением легкоплавких примесей свинца, олова, мышьяка и цинка до 0,006 мас.% каждого, что способствует получению более высоких значений пластичности и жаропрочности за счет уменьшения количества легкоплавких соединений этих примесей на границах зерен. При повышении содержания легкоплавких примесей серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка и цинка свыше 0,006 мас.% каждого резко увеличивается неоднородность структуры сплава, что в свою очередь снижает значение длительной прочности сплава (жаропрочности).

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что дополнительно содержит цирконий (0,01-0,25 мас.%), что способствует при его совместном введении с титаном, ниобием и ванадием повышению жаропрочных свойств предлагаемого сплава. Титан, ниобий и цирконий связывают углерод в карбиды, предотвращают выделение карбидов хрома, которое обедняет металлическую основу хромом и приводит к уменьшению жаропрочности сплава. Введение циркония увеличивает общее время до разрушения вследствие уменьшения скорости распространения трещин, обусловленного равномерным распределением карбидов по границам зерен, а не сетки карбидов. Совместное введение этих легирующих элементов при одинаковых рабочих напряжениях позволяет повысить температуру эксплуатации сплава на 100°С.

При содержании циркония ниже нижнего предела содержания его воздействие на жаропрочные свойства сплава малоэффективно, а при содержании его выше верхнего предела содержания снижается стойкость к окислению и уменьшаются прочностные свойства и жаропрочность за счет ускорения коалесценции карбидов и обеднения твердого раствора.

В таблице 1 приведены химический состав предлагаемого сплава трех плавок (1, 2, 3), а также химический состав плавки сплава-прототипа (4).

Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на центробежно-литые заготовки для определения механических и жаропрочных свойств.

Предлагаемый сплав проходил термическую обработку по следующему режиму: нагрев до температуры 1250-1280°С, после прогрева по сечению отливки, охлаждение до температуры 950°С со скоростью 300°С в час, далее охлаждение в воду. Такая термообработка позволяет получить микроструктуру, обеспечивающую высокие стабильные свойства изделий в процессе длительной эксплуатации. Повышение прочностных характеристик сплава происходит за счет осаждения карбидов на линии раздела зерен в сплошной или частичной форме. При коэффициенте распределения карбидов на линиях разделов зерен >40% жаропрочность сплава превосходит жаропрочность сплава без термообработки.

Такая термообработка приводит к формированию прочной окисной пленки на поверхности сплава, обеспечивающей хорошее сцепление с основным металлом и увеличение размера зерна, что приводит одновременно к повышению жаростойкости и длительной прочности.

В таблице 2 приведены механические свойства сплава, полученные после термообработки по вышеуказанному режиму.

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

Жаропрочные испытания проводились по ГОСТ-10145-81 на длительную прочность (таблица 3), а жаростойкость оценивали по увеличению массы образцов после испытания при 1200°С в течение 100 и 500 ч в воздушной среде (таблица 4).

Как видно из таблиц 2, 3 и 4, предлагаемый сплав имеет более высокие механические свойства, жаропрочность и жаростойкость. Использование предложенного сплава в качестве материала для центробежно-литых труб позволяет повысить жаропрочность сплава за счет увеличения величины зерна и стабильности свойств. Повышение свойств обеспечивается проведением вышеприведенной термообработки и выбранным составом сплава.

Предлагаемый сплав прошел широкие лабораторные испытания в ОАО «ЦНИИТМАШ» и рекомендован к промышленному внедрению.

Таблица 2 Механические свойства сплавов Состав сплава σ0,2, Н/мм2 σb, H/мм2 δ,% 1 255,0 495,0 12,0 2 258,0 515,0 12,0 3 265,0 520,0 11,5 4 245,0 450,0 10,0

Таблица 3 Длительная прочность Состав сплава Длительная прочность, Н/мм2, за время 103 час при температуре 1200°С 1 15,5 2 16,2 3 16,8 4 9,0

Таблица 4 Жаростойкость сплавов Состав сплава Увеличение массы (г/м2) при 1200°С за время, ч 100 500 1 29,8 38,9 2 29,1 34,5 3 28,7 30,5 4 36,5 46,1

Похожие патенты RU2448194C1

название год авторы номер документа
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2011
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Ляшков Игорь Иванович
  • Лях Александр Павлович
  • Мирзоян Генрих Сергеевич
RU2445398C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2012
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Махлай Сергей Владимирович
  • Третьяков Сергей Александрович
RU2485200C1
Жаропрочный сплав 2019
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Исмайлов Олег Захидович
  • Пыркин Александр Валерьевич
RU2700346C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2010
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Данильченко Александр Владимирович
  • Шевакин Александр Федорович
RU2446223C1
Жаропрочный сплав 2021
  • Афанасьев Сергей Васильевич
RU2765806C1
Жаропрочный сплав аустенитной структуры с интерметаллидным упрочнением 2019
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Исмайлов Олег Захидович
  • Пыркин Александр Валерьевич
RU2693417C1
Жаропрочный сплав 2019
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Исмайлов Олег Захидович
  • Пыркин Александр Валерьевич
RU2700347C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2009
  • Махлай Владимир Николаевич
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Рощенко Ольга Сергеевна
RU2393260C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОТЛОВ И ПАРОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ ПРИ УЛЬТРАСВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ПАРА 2017
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Козлов Павел Александрович
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2637844C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2009
RU2395608C1

Реферат патента 2012 года ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, используемых для печей первичного риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола. Сплав содержит в мас.%: углерод 0,40-0,50, кремний 1,00-2,50, марганец 1,0-2,50, хром 24,0-27,0, никель 34,0-36,0, ниобий 1,30-1,70, ванадий 0,05-0,25, титан 0,03-0,10, алюминий 0,03-0,10, молибден ≤0,50, медь ≤0,30, цирконий 0,01-0,25, кальций 0,005-0,025, церий 0,005-0,03, серу ≤0,01, фосфор ≤0,01, свинец ≤0,006, олово ≤0,006, мышьяк ≤0,006, цинк ≤0,006, железо остальное. Суммарное содержание кальция и церия составляет 0,02-0,05 мас.%. Сплав обладает высокой жаростойкостью при температуре эксплуатации до 1200°С, что повышает эффективность, эксплуатационную надежность и ресурс работы нефтеперерабатывающих установок и химического оборудования. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

Формула изобретения RU 2 448 194 C1

1. Жаропрочный сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, ванадий, титан, алюминий, церий, молибден, медь, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,40-0,50 кремний 1,00-2,50 марганец 1,00-2,50 хром 24,0-27,0 никель 34,0-36,0 ниобий 1,30-1,70 ванадий 0,05-0,25 титан 0,03-0,10 алюминий 0,03-0,10 молибден ≤0,50 медь ≤0,30 цирконий 0,01-0,25 кальций 0,005-0,025 церий 0,005-0,03 сера ≤0,01 фосфор ≤0,01 свинец ≤0,006 олово ≤0,006 мышьяк ≤0,006 цинк ≤0,006 железо остальное

2. Жаропрочный сплав по п.1, отличающийся тем, что суммарное содержание кальция и церия составляет 0,02-0,05 мас.%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2448194C1

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 1998
RU2149203C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 1996
RU2125110C1
Устройство для распределения потока штучных изделий по нескольким направлениям 1988
  • Бибиков Виталий Львович
  • Даудрих Давид Давидович
  • Кудрявцев Анатолий Иванович
  • Харитонов Юрий Николаевич
SU1558776A1
Горелка для электродуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах 1975
  • Землевский Леонид Анатольевич
  • Лесков Григорий Илларионович
SU549286A1
Противопожарная система по трассе транспортирования грузов ленточным конвейером 1987
  • Перов Анатолий Петрович
  • Левинсон Валерий Григорьевич
  • Шапкин Виктор Сергеевич
  • Иванова Татьяна Яковлевна
SU1498508A1
EP 1935996 A1, 25.06.2008
US 2004258554 A1, 23.12.2004.

RU 2 448 194 C1

Авторы

Дегтярев Александр Федорович

Дуб Алексей Владимирович

Скоробогатых Владимир Николаевич

Лях Александр Павлович

Ляшков Игорь Иванович

Мирзоян Генрих Сергеевич

Даты

2012-04-20Публикация

2011-04-14Подача