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.
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).
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.
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.
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.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ | 2018 |
|
RU2696302C1 |
Способ обработки жаропрочных низкоуглеродистых сталей мартенситного класса | 2022 |
|
RU2789958C1 |
Способ термомеханической обработки жаропрочной стали мартенситного класса | 2018 |
|
RU2688017C1 |
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ | 2014 |
|
RU2598725C2 |
Жаропрочная сталь мартенситного класса | 2017 |
|
RU2655496C1 |
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА | 2014 |
|
RU2558738C1 |
Жаропрочная сталь мартенситного класса | 2020 |
|
RU2757923C1 |
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА | 2010 |
|
RU2437956C1 |
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА | 2014 |
|
RU2585591C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАРТЕНСИТНОЙ ВЫСОКОХРОМИСТОЙ СТАЛИ | 2023 |
|
RU2805532C1 |
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.
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.
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАРТЕНСИТНЫХ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИХ СТАЛЕЙ | 2003 |
|
RU2253684C2 |
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ФАБРИКАТОВ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА | 2005 |
|
RU2294384C1 |
Способ термической обработки нержа-ВЕющиХ МАРТЕНСиТНОСТАРЕющиХ СТАлЕй | 1979 |
|
SU852945A1 |
Способ термической обработки нержавеющих сталей мартенситного класса | 1988 |
|
SU1539221A1 |
US 20070251609 A1, 12.11.2004 | |||
US 7854809 B2, 21.12.2010 | |||
. |
Авторы
Даты
2014-06-20—Публикация
2013-03-22—Подача