Жаропрочная сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке литейной жаропрочной стали, используемой, например, для изготовления деталей термических агрегатов. Предложена жаропрочная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,2-0,45; кремний - до 1,5; марганец - до 0,8; хром - 23-26; никель - 11-13; ниобий - 0,4-0,8; ванадий - 0,25-0,45; сера - до 0,03; фосфор - до 0,03; железо - остальное, при условии выполнения соотношения 1,6<ниобий/ванадий<3,2. Техническим результатом изобретения является повышение предела текучести при высоких температурах. 2 табл.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к разработке составов жаропрочной стали.

Техническая задача изобретения - повышение предела текучести жаропрочной стали при высоких температурах.

Наиболее близким аналогом является жаропрочная сталь, известная из патента России RU 2139951 от 24.11.98. Известная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,2-0,45 Кремний - До 1,5 Марганец - 2,0-4,0 Хром - 23,0-26,0 Никель - 9,0-11,0 Медь - 0,7-1,0 Ниобий - 0,6-1,0 Железо - Остальное При этом содержание в ней серы и фосфора не превышает 0,03 мас.% каждого.

Известную сталь используют, например, для изготовления деталей печей с рабочей температурой до 1000^oС в воздушной атмосфере, а при 950^oС в цементационных печах с углеродсодержащей атмосферой, однако при высоких температурах (800-1000^oС) происходит рост зерна, что связано со значительным содержанием марганца, сопровождаемый повышением эффективной концентрации на границах зерен вредных примесей (прежде всего серы и фосфора), приводящей к снижению механических свойств. Кроме того, марганец может инициировать образование σ-фазы, которая значительно снижает предел текучести стали и приводит к возникновению микротрещин.

Карбиды ниобия (NbC), нитриды ниобия (NbN), а также карбонитриды (Nb(N, C)) в аустенитных сталях расположены в виде скоплений, строчек в приграничных объемах. Такое неоднородное распределение соединений ниобия при повышении температуры приводит к появлению разнозернистости в структуре стали и, как следствие, к неравномерному распределению нагрузки, что влечет за собой интенсивное развитие микротрещин в междендритном пространстве.

Технической задачей изобретения является создание жаропрочной стали с повышенным пределом текучести при высоких температурах для изготовления деталей и приспособлений термических агрегатов, испытывающих в процессе работы длительное воздействие сложного спектра нагрузок в условиях циклических теплосмен.

Эта цель достигается тем, что жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, ниобий и железо, содержит дополнительно ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,2-0,45
Кремний - До 1,5
Марганец - До 0,8
Хром - 23-26
Никель - 11-13
Ниобий - 0,4-0,8
Ванадий - 0,25-0,45
Сера - До 0,03
Фосфор - До 0,03
Железо - Остальное
при условии выполнения соотношения 1,6<ниобий/ванадий<3,2.<P> Повышение предела текучести при высоких температурах достигается за счет снижения содержания марганца, повышения содержания никеля и введения в состав стали ванадия. Повышение содержания никеля способствует стабилизации аустенита и релаксации напряжений за счет повышения энергии дефектов упаковки, что влечет за собой увеличение сопротивляемости растрескиванию при различных видах нагружений. По этим причинам сталь содержит не менее 11% никеля. Однако высокая стоимость никеля ограничивает верхний предел его содержания до 13%. Введение ванадия в количестве 0,25-0,4 мас.% в состав стали позволяет добиться измельчения зерна и равномерного распределения соединений ванадия и ниобия (карбидов, нитридов, карбонитридов) в приграничных объемах зерен. Кроме того, ванадий обеспечивает резкое усиление процессов дисперсионного твердения в γ-твердом растворе, а ниобий тормозит диффузионный обмен при высоких (>800^oС) температурах, затрудняя коагуляцию дисперсных фаз и вызывая тем самым повышение предела текучести. Поэтому при введении ванадия должно соблюдаться соотношение 1,6<ниобий/ванадий<3,2. При уменьшении соотношения менее 1,6 интенсифицируются процессы дисперсионного твердения, что приводит к коагуляции соединений ванадия и разупрочнению сплава. Повышение содержания более 3,2 не приводит к дальнейшему увеличению предела текучести жаропрочной стали при высоких температурах.

Результаты испытаний предложенной и известной сталей приведены в табл. 1-2.

Сравнительный анализ признаков, отличающих данное предложение от известных в этой области технических решений, показал, что в данном сочетании проявляется новое свойство - повышение предела текучести при высоких (>800^oС) температурах.

Литература
Патент России RU 2139951 от 24.11.98.

Формула изобретения

Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, ниобий, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,2-0,45
Кремний - до 1,5
Марганец - до 0,8
Хром - 23-26
Никель - 11-13
Ниобий - 0,4-0,8
Ванадий - 0,25-0,45
Сера - До 0,03
Фосфор - До 0,03
Железо - Остальное
при условии выполнения соотношения 1,6<ниобий/ванадий<3,2.

РИСУНКИ

Рисунок 1