СТАЛЬ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ Российский патент 2016 года по МПК C22C38/44 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к низколегированным сталям повышенной жаропрочности, применяемым при производстве корпусов и внутренних элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов и крекинговых труб, задвижек, деталей насосов, также подходит для спецкрепежа труб, трубопроводной арматуры, деталей трубопроводов, коммуникационных и печных труб, используемых в тепловых сетях и энергомашиностроении.

Известна жаропрочная сталь, предназначенная для изготовления роторов паровых турбин большой мощности (заявка на изобретение №93033596/02, С22С 38/32, 20.09.1996).

Углерод 0,19-0,30 Кремний 0,01-0,12 Марганец 0,05-0,40 Хром 2,4-3,3 Молибден 0,35-0,55 Вольфрам 0,30-0,50 Кальций 0,003-0,020 Бор 0,002-0,008 Железо Остальное

Недостатки стали известного состава состоят в том, что сталь имеет низкие прочностные характеристики при +650°C и хладостойкость при -40°C, что влияет на эксплуатационные характеристики металлопродукции.

Наиболее близкой к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является взятая за прототип сталь (патент РФ 2277604 С1, С22С 38/48, 10.06.2006), мас. %:

Углерод 0,17-0,24 Марганец 0,35-0,65 Кремний 0,17-0,37 Хром 0,20-0,50 Никель 0,20-0,50 Ниобий 0,05-0,08 Железо Остальное

при выполнении соотношения:

[Марганец]+0,3*[Хром]+0,5*[Никель]+0,7*[Медь]/[Ниобий]=10÷20.

Недостатком стали известного состава является недостаточная жаропрочность и пониженная ударная вязкость.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении жаропрочности стали и ударной вязкости при отрицательных температурах.

Для решения поставленной технической задачи сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод 0,10-0,16 Марганец 0,20-0,60 Кремний 0,10-0,50 Хром 4,2-5,0 Никель 0,10-0,30 Молибден 0,30-0,60 Медь 0,05-0,20 Сера Не более 0,010 Фосфор Не более 0,015 Железо Остальное

при выполнении соотношения:

[Углерод]+[Марганец]/6+([Хром]+[Молибден])/5+[Кремний]/7=1,0-1,4, при этом структура состоит из мелкозернистого бейнита с баллом зерна 12÷14.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что при содержании элементов в стали в предложенном соотношении позволяет получить требуемые жаропрочность и хладостойкость стали.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,10% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,16% ухудшается ударная вязкость стали.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочностные характеристики. При концентрации кремния менее 0,10% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,50% снижается пластичность.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,20% прочность стали недостаточна. Содержание свыше 0,60% приводит к перерасходу легирующих элементов.

Хром обеспечивает увеличение прочности при повышенных температурах, а также обеспечивает стойкость к коррозии и окислению. При его концентрации менее 4,2% прочность при повышенных температурах ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 5,0% приводит к потере пластичности.

При содержании никеля менее 0,10% снижается прочность и ударная вязкость стали. Повышение его массовой доли свыше 0,30% экономически нецелесообразно и приводит к увеличению себестоимости.

Молибден повышает прочность и вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,30% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,60% ухудшает пластичность и приводит к перерасходу легирующих элементов.

Медь способствует повышению прочностных свойств. Но если содержание этого элемента для данного состава превышает 0,20%, то может иметь место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.

Фосфор и сера в стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации фосфора не более 0,015% и серы не более 0,010% их отрицательное влияние незначительно.

Экспериментально было установлено, что максимально влияющим параметром на получение оптимального комплекса свойств и необходимой структуры, является соотношение:

[Углерод]+[Марганец]/6+([Хром]+[Молибден])/5+[Кремний]/7=1,0÷1,4

При величине данного соотношения менее 1,0 металл обладает недостаточными прочностными характеристиками, в том числи и при повышенной температуре. При величине данного соотношения более 1,4 наблюдается ухудшение пластичности, а также ударной вязкости при отрицательных температурах.

Обеспечений бейнитной микроструктуры с баллом зерна №12-14 позволяет одновременно гарантировать и жаропрочность, и хладостойкость. Структура другого типа не позволяет этого сделать. Разнобалльность структуры приводит к резкому падению характеристик вязкости при отрицательных температурах.

Пример реализации

Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в слябы. Слябы подвергали термической обработке при следующих технологических параметрах: скорость нагрева металла - 20-30°C/ч; температура нагрева - 870°C; продолжительность выдержки 12 ч; скорость охлаждения до температуры 200°C - не более 50°C/ч. Затем слябы нагревали до температуры 1200-1260°C и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы до конечной толщины (8,0-40,0 мм) при температуре конца прокатки 830-850°C. После окончания процесса деформации осуществляли окончательное охлаждение листового проката до температуры окружающей среды. После охлаждения осуществляли нагрев до температуры 850°C с последующей выдержкой 1,5-2,5 мин/мм и охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды. Далее осуществляли еще один нагрев до температуры 730°C с последующей выдержкой 3-5 мин/мм и окончательное охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды.

Из табл. 1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы 2-3) имеет более высокие прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре KCV - 40°C. Кроме того, сталь характеризуется высокой стойкостью к общей коррозии.

При запредельных концентрациях элементов (составы 1, 5-8) прочностные характеристики при повышенных температурах и ударная вязкость стали ухудшаются. Также более низкие свойства по прочности и ударной вязкости имеет сталь по прототипу (состав 4).

Испытания при повышенных температурах показали удовлетворительные результаты даже при более высоких температурах. Так, при +650°C уменьшение значения предела текучести происходит на 6-8% в сравнении с комнатной температурой, при +700°C - на 16-18%, при +750°C - на 40-43%, что свидетельствует о гарантированном обеспечении прочности и при +700°C.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к низколегированным сталям повышенной жаропрочности и хладостойкости, применяемым при производстве корпусов и внутренних элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов и крекинговых труб, задвижек, деталей насосов, спецкрепежа труб, трубопроводной арматуры, деталей трубопроводов, коммуникационных и печных труб, используемых в тепловых сетях и энергомашиностроении. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,10-0,16, кремний 0,10-0,50, марганец 0,20-0,60, хром 4,2-5,0, никель 0,10-0,30, медь 0,05-0,20, молибден 0,30-0,60, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, железо остальное. Сталь обладает высокими показателями по прочности при высоких температурах и ударной вязкости при отрицательных температурах, характеризуется стойкостью к коррозии и окислению. 2 табл., 1 пр.

Сталь низколегированная жаропрочная хладостойкая при -40°C, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо и примеси серы и фосфора, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден и медь при следующем соотношении элементов, мас.%:
Углерод 0,10-0,16 Кремний 0,10-0,50 Марганец 0,20-0,60 Хром 4,2-5,0 Никель 0,10-0,30 Медь 0,05-0,20 Молибден 0,30-0,60 Сера Не более 0,010 Фосфор Не более 0,015 Железо Остальное,