Жаропрочный сплав

Авторы патента:


 

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок, работающих при температуре 700-1050oС, при давлении до 50 атм. Предложен жаропрочный сплав, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод не более 0,12; кремний 0,0005-0,79; марганец 0,0005-0,69; хром 19,0-22,05; никель - основа; титан 0,15-0,35; алюминий 0,0005-0,15; ванадий 0,0005-0,10; молибден 0,0005-0,10; вольфрам 0,0005-0,10; железо не более 6,0. Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка и меди не превышает следующих значений, мас.%: серы - 0,012, фосфора - 0,015, свинца - 0,01, олова - 0,01, мышьяка - 0,01, цинка - 0,01, меди - 0,2. При этом должны одновременно выполняться следующие условия: %Ni + 32%C + 0,6%Mn + %Cu=72,48684-85,301%; %Cr + 3%Ti + %V + %Mo + 1,6%Si + %W=19,4523-23,62166%. Техническим результатом изобретения является увеличение среднего размера зерна и повышение однородности структуры сплава, что приводит к повышению жаропрочности. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок, с рабочими режимами при температуре 700-1050oС и давлением до 50 атм.

Известен жаропрочный сплав 2.4869 (G-NiCr 80 20) германской фирмы "DEW" (Deutsche Edelstahlwerke Aktiengessellschaft Werk Bochum), имеющий следующий состав: С - 0,15%; Cr - 20,0%; Ni - 77,0%; Si, Mn, Al, Ti ("DEW", Catalog, 1989).

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав ХН78Т, описанный в ГОСТ 5632 (Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки и технические требования) и содержащий в масс. %: углерода не более 0,12; кремния не более 0,8; марганца не более 0,7; хрома 19,0-22,0; никель - основа; титана 0,15-0,35; алюминия не более 0,15; железа не более 6,0; серы не более 0,012; фосфора не более 0,015.

Реакционные трубы, предназначенные для нефтегазоперерабатывающих установок, обычно изготавливаются из хромоникелевых сплавов методом пластической деформации прошитой трубной заготовки с последующей механической обработкой полученных труб по внутренней поверхности для уменьшения ее шероховатости и сваркой для получения реакционной трубы требуемой длины. Жаропрочные трубы из низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов можно получить методом прессования или прокатки, т.к. эти сплавы относятся к деформируемым.

Кроме того, в отличие от труб, полученных центробежным литьем, в прессованных трубах в основном не требуется проводить механическую обработку по внутренней поверхности для снижения ее обезуглероживания.

Срок службы центробежно-литых труб из известных сплавов в нефтегазоперерабатывающих установках, работающих при температурах 700-1050oС и давлениях до 50 атм составляет от 25000 до 46000 ч, после чего их необходимо заменять, т. к. после такого длительного периода эксплуатации их прочность в рабочих условиях (температура, давление) резко понижается, что может привести к аварийному разрушению трубы и выходу из строя всей установки.

Одной из возможных причин недостаточно высокой жаропрочности (способности материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах) труб, изготовленных из известных жаропрочных сплавов, является неоднородность размеров зерен кристаллической структуры этих сплавов и относительно небольшая средняя величина этих зерен.

Основным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является увеличение среднего размера зерна и повышение однородности структуры хромоникелевого сплава аустенитного класса.

Указанный технический результат достигается за счет того, что жаропрочный сплав, содержащий в масс. %: углерод не более 0,12; никель - основа; титан 0,15-0,35; железо не более 6,0, дополнительно содержит в масс. %: кремний 0,0005-0,79; марганец 0,0005-0,69; алюминий 0,0005-0,15; хром 19,0-22,05; ванадий 0,0005-0,10; молибден 0,0005-0,10; вольфрам 0,0005-0,10. Жаропрочный сплав может содержать фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк и медь в количествах, не превышающих следующие значения в масс. %: сера - 0,012; фосфор - 0,015; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01; медь - 0,2. Кроме того, в жаропрочном сплаве должны одновременно выполняться два условия: %Ni + 32%С + 0,6%Мn + %Cu=72,48684-85,301%; %Cr + 3%Ti + %V + %Mo + 1,6%Si + %W=19,4523-23,62166%.

Заявляемый сплав является чисто аустенитным, сохраняет неизменной структуру при нагревании и не упрочняется термообработкой, т.е. не склонен к дисперсионному твердению и выплавляется в печах (возможна выплавка как в индукционных печах, так и др. печах) с использованием чистых шихтовых материалов. Отходы, обрезы и другие загрязненные материалы при выплавке заявленного сплава не использовались. Специфика нагрева и расплавления металла в индукционных печах без образования электрической дуги (в отличие от электродуговых печей) не требует наведения шлаков на поверхности жидкого металла с переводом ряда примесей в наведенный шлак и последующим его удалением. Кроме того, применение высокочастотного принципа нагрева в индукционной печи обеспечивает хорошее перемешивание компонентов сплава в процессе выплавки, что дополнительно снижает отрицательное воздействие ликвационных процессов. Плавление в индукционной печи происходит в футерованном индукторе, таким образом металл защищен от любых загрязнений, также защищен от насыщения продуктами сгорания топлива. Индукционная печь представляет собой своеобразный трансформатор, в котором металл, подлежащий расплавлению, является вторичной обмоткой, а первичная обмотка трансформатора образована катушкой индуктора, через которую протекает переменный ток высокой частоты (более 1000 Гц). Ток, индуцируемый в металлической шихте, нагревает ее до расплавления. Это обстоятельство позволяет (в отличие от других методов плавления) легко регулировать температуру расплавленного металла в индукционной печи.

Заявленный сплав является деформируемым, т.е. поддается прессованию, ковке или прокатке.

Изделия (деформированные трубы) на основе заявляемого сплава получались нами из кованых трубных заготовок.

Уков или коэффициент вытяжки заготовки был не менее 3,0.

В макроструктуре трубной заготовки не были выявлены трещины, газовые пузыри, следы усадочной раковины, рыхлости, видимые невооруженным глазом.

Заготовка проверялась на загрязненность неметаллическими включениями.

Допускаемые дефекты не превышали по: - оксидам строчечным - 1,5 балла; - оксидам точечным - 2 балла; - силикатам хрупким - 1,5 балла; - силикатам пластичным -1,5 балла; - силикатам недеформирующимся - 1,5 балла;
- сульфидам - 1,5 балла.

Оценку неметаллических включений производили по методике и шкалам ГОСТ 1778, по методу "Ш", варианту Ш3 или Ш6.

В дальнейшем заготовки подвергали термической обработке (закалка с температуры 1100-1150oС и охлаждение в воде или на воздухе) с последующей прошивкой, прессованием, термообработкой и механической обработкой без деформации структуры материала, т.е. путем снятия стружки.

Основные результаты исследований были получены нами при использовании сплава следующего состава в масс %: углерод - 0,06; никель - 75,175; титан - 0,15; железо - 3,0; кремний - 0,40; марганец - 0,35; алюминий - 0,075; хром - 20,50; ванадий - 0,05; молибден - 0,05; вольфрам - 0,05; сера - 0,01; фосфор - 0,01; медь - 0,1; свинец - 0,005; олово - 0,005; мышьяк - 0,005; цинк - 0,005; %Ni + 32%С + 0,6%Мn + %Сu=77,405%; %Сr + 3%Ti + %V + %Мо + 1,6%Si + %W=21,74%.

Среднюю величину зерна определяли в окуляре металлографического микроскопа на матовом стекле (ГОСТ 5639 "Сталь. Методы выявления и определения величины зерна").

Экспериментально установлено, что средняя величина зерна у заявляемого сплава составляет 182 мкм, что в 1,8 раза больше, чем у сплава-прототипа.

Однородность структуры оценивалась с помощью коэффициента неоднородности А, который определяется как отношение А=Rmax/Rmin, где Rmax и Rmin - максимальный и минимальный линейные размеры зерен в структуре сплава, соответственно. В известном сплаве-прототипе А=2,5-4,3. Для описываемого сплава А= 1,20-1,30, что свидетельствует о высокой однородности его структуры.

Для проведения исследований жаропрочных свойств заявленного сплава от торцевой части изготовленной трубы вырезали патрубок длиной 150 мм, из которого изготавливали образцы для испытаний. При этом направление оси вырезаемых образцов совпадало с направлением оси трубы.

Жаропрочность при различных температурах оценивали по длительной прочности, т.е. напряжению, вызывающему разрушение при данной температуре за данный отрезок времени.

Испытание на длительную прочность проводили на цилиндрических образцах с диаметром по расчетной длине 10 мм при температуре 950oС.

При длительных испытаниях в условиях высоких температур разрушение (разрыв) образца происходит в результате постоянного нагружения, которое осуществляли с помощью рычажного нагружения (Н.Д. Сазонова. Испытание жаропрочных материалов на ползучесть и длительную прочность. М.: Машиностроение, 1965).

Технические требования к машинам для испытания металлов на длительную прочность соответствовали ГОСТ 15533.

Образец (тип IV по ГОСТ 1497), установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь, нагревали до заданной температуры (время нагрева не превышало 8 ч) и выдерживали при этой температуре не менее одного часа. После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывали нагрузку для обеспечения требуемого напряжения испытания.

Основным показателем данного вида испытания является время до разрушения при заданной величине напряжения и температуры. Результаты выполненных испытаний наносили на график жаропрочности в координатах lg-lg (где - время до разрушения, - напряжение). Полученный график позволяет прогнозировать напряжение (длительную прочность, ), при котором изделие из данного сплава разрушилось бы за определенный промежуток времени (, час) при заданной температуре (t, oC).

С целью сокращения длительности испытаний их проводили при высоких напряжениях (испытания на длительную прочность проводили при температуре 950oС и напряжениях - 6,0; 5,0; 4,0 и 3,5 кгс/мм2 в соответствии с ГОСТ 10145), что позволило определить из полученного графика жаропрочности (lg-lg) конкретные значения 100-часовой длительной прочности т.е. напряжения, при котором испытуемый при температуре 950oС образец разрушился бы через 100 ч.

Анализ результатов исследования длительной прочности показал, что достижение поставленного технического результата - увеличение размера зерна и повышение однородности структуры заявляемого жаропрочного низкоуглеродистого хромоникелевого сплава аустенитного класса - приводит к повышению его жаропрочности.

В результате проведенных комплексных исследований на 39 опытных плавках было выявлено, что в случае, если все компоненты сплава находятся в пределах, оговоренных в формуле изобретения, достигается ожидаемый технический результат, а 100-часовая длительная прочность образцов труб, изготовленных из заявленного сплава, повышается с 2,8 до 3,4 кгс/мм2. При этом механические свойства заявляемого сплава в исходном состоянии при комнатной температуре остаются такими же, как и у сплава-прототипа, т.е. предел прочности в) не менее 490 МПа (50,0 кгс/мм2); предел текучести (02) не менее 225 МПа (23,0 кгс/мм2); относительное удлинение (5) не менее 25%.

Было установлено, что введение в состав сплава ванадия, молибдена и вольфрама по отдельности или попарно не приводило к увеличению размера зерна, повышению однородности структуры сплавов и к повышению их жаропрочности.

Результаты исследований показали, что в случае превышения пределов содержания серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди, оговоренных в п.2 формулы изобретения, резко увеличивается коэффициент неоднородности структуры А с 1,20-1,30 до 3,6-3,7, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению длительной прочности сплава с 3,4 до 2,1-2,3 кгс/мм2.

Таким образом, исследования физических параметров заявленного сплава показали, что по механическим свойствам при комнатной температуре (в, 02, 5) он находится на уровне известных аналогов, а по показателям жаропрочности превосходит их за счет увеличения размера зерна и повышения однородности структуры хромоникелевого сплава аустенитного класса при указанном в формуле изобретения содержании компонентов.


Формула изобретения

1. Жаропрочный сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, алюминий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, молибден и вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - Не более 0,12
Кремний - 0,0005 - 0,79
Марганец - 0,0005 - 0,69
Хром - 19,0 - 22,05
Никель - Основа
Титан - 0,15 - 0,35
Алюминий - 0,0005 - 0,15
Ванадий - 0,0005 - 0,10
Молибден - 0,0005 - 0,10
Вольфрам - 0,0005 - 0,10
Железо - Не более 6,0
2. Жаропрочный сплав по п. 1, отличающийся тем, что содержание в нем серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка и меди не превышает следующих значений, мас. %: сера - 0,012, фосфор - 0,015, свинец - 0,01, олово - 0,01, мышьяк - 0,01, цинк - 0,01, медь - 0,2.

3. Жаропрочный сплав по п. 2, отличающийся тем, что должны одновременно выполняться следующие условия:
%Ni + 32%C + 0,6%Mn + %Cu = 72,48684 85,301%;
%Cr + 3%Ti + %V + %Mo + 1,6%Si + %W = 19,4523 23,62166%.

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Байдуганов Александр Меркурьевич (RU)

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество "ТАТНЕФТЬ" им. В.Д.Шашина (RU)

Договор № 20982 зарегистрирован 25.03.2005

Извещение опубликовано: 27.05.2005        БИ: 15/2005

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Байдуганов Александр Меркурьевич

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Закрытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "АХТУБА"

Договор № РД0038303 зарегистрирован 10.07.2008

Извещение опубликовано: 20.08.2008        БИ: 23/2008

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Байдуганов Александр Меркурьевич

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Закрытое акционерное общество "Невмашэнерго"

Договор № РД0046128 зарегистрирован 27.01.2009

Извещение опубликовано: 10.03.2009        БИ: 07/2009

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

QB4A Государственная регистрация договора о распоряжении исключительным правом

Дата и номер государственной регистрации договора: 15.06.2011 № РД0082561

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), предоставляющее(ие) право использования:
Байдуганов Александр Меркурьевич (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования:
Общество с ограниченной ответственностью "Гефест" (RU)

Условия договора: НИЛ, на срок до 30.04.2018 на территории РФ.

Дата публикации: 27.07.2011

QC4A Государственная регистрация расторжения зарегистрированного договора

Дата и номер государственной регистрации расторгаемого договора:
15.06.2011 № РД0082561

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:
Байдуганов Александр Меркурьевич (RU)

Лицо, приобретающее право использования:
Общество с ограниченной ответственностью "Гефест" (RU)

Дата и номер государственной регистрации расторжения договора: 09.02.2012 РД0094472

Дата публикации: 20.03.2012




 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок, работающих при 700-950oС и давлении до 50 атмосфер

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок, работающих при температуре 700-950oС при давлении до 50 атм

Изобретение относится к составу припоя и может использоваться в области машиностроения при изготовлении паяных деталей и узлов авиационных, корабельных и энергетических газотурбинных двигателей, а также при ремонте деталей ГТД, работающих в условиях высоких температур

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к составам жаропрочных сплавов на основе никеля и изготовленных методом направленной кристаллизации теплонагруженных изделий из них

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сплавов на основе никеля для монокристального литья и к изделиям, преимущественно рабочим и сопловым лопаткам газовых турбин, длительно работающих при температурах, превышающих 1000oС

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления крупногабаритных штампосварных и литосварных конструкций, работоспособных в интервале температур от -253 до 800oС

Изобретение относится к железоникелевому суперсплаву типа IN 706

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на никелевой основе, предназначенным для изготовления сварных конструкций, работоспособных в интервале температур от -253 - 800oC в литом и деформированном состоянии
Изобретение относится к сплаву на основе никеля, содержащему непрерывную матрицу, состоящую из твердого раствора хрома в никеле, и осадок, распределенный зернами в указанной матрице и когерентный с ней и состоящий из интерметаллического соединения никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья, таким как, например, лопатки турбин ГТД различного назначения, для которых основными требованиями являются низкая плотность (8000 кг/м3), высокие пределы длительной прочности в интервале температур 900-1200oС и сопротивление окислению до 1200-1300oС

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным никелевым жаропрочным сплавам и изделиям с монокристаллической структурой, получаемым методом точного литья, для которых основными требованиями являются высокая прочность при комнатной температуре и жаропрочность в интервале температур 1100-1250oС

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам, используемым для нанесения покрытий на изделия из металлов и сплавов, например жаропрочных сплавов, наносимых на лопатки турбин газотурбинных двигателей или стационарных газовых турбин

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов, преимущественно турбинных лопаток с монокристальной структурой в газотурбинных двигателях и установках

Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1000oС, методами направленной кристаллизации и монокристаллического литья

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах
Изобретение относится к производству заготовок из порошков жаропрочных никелевых сплавов, стойких к окислению при повышенных температурах и работающих в условиях тяжелого нагружения

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления металлических каркасов зубных протезов с керамическим покрытием
Наверх