Жаропрочная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке литейной жаропрочной стали, используемой для изготовления деталей термических агрегатов. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, никель, хром, РЗМ, вольфрам, ниобий, кальций, цирконий серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,15-0,28, хром 16,0-20,0, никель 28,0-32,0, кремний 1,8-2,2, марганец 0,4-0,9, вольфрам 2,5-3,2, ниобий 0,7-1,0, РЗМ 0,005-0,2, кальций 0,005-0,2, цирконий 0,04-0,06, сера ≤0,02, фосфор ≤0,03, железо - остальное. Для компонентов стали выполняется соотношение 0,01<Σ(Ca+PЗM+Zr)<0,46. Повышается длительная прочность и стойкость против окисления, что приводит к увеличению долговечности изготовленных деталей. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке литейной жаропрочной стали, используемой, например, для изготовления деталей термических агрегатов.

Широко известны жаропрочные стали, служащие для изготовления деталей термических агрегатов [1, 2, 3, 4, 5, 6], содержащие углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам и другие элементы. Эти стали обладают высокой жаростойкостью, но недостаточной жаропрочностью при 800-900°С.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности к достигаемому результату является сталь [1] следующего химического состава, мас.%:

Углерод	до 0,08
Хром	15-18
Вольфрам	4,5-5,5
Титан	2,6-3,2
Никель	32-35
Кремний	0,2-0,5
Марганец	0,3-0,6
Бор	до 0,05
Алюминий	1,7-2,1
Церий	≤0,01
Сера	≤0,01
Фосфор	≤0,01
Железо	остальное

Основным недостатком жаропрочной литейной стали типа 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ, применяемой для изделий, работающих под нагрузкой при температуре 800-900°С, является слабое сопротивление межкристаллитной коррозии и ползучести ввиду диффузии хрома из пограничных районов зерна в границу зерна с образованием карбида хрома (Cr, Fe)₂₃С₆, дисперсные частицы которого располагаются по границам зерен. Данная фаза является упрочняющей и препятствует движению дислокации, однако в интервале температур 620-670°С сложный карбид хрома (Cr, Fe)₂₃C₆ коагулирует с образованием крупных частиц, которые уже слабо препятствуют высокотемпературной ползучести и кроме этого уже сами становятся концентраторами напряжения с последующим превращением их в микротрещины и дальнейшим разрушением изделия. Раскисление алюминием и ввод титана сопровождается падением ударной вязкости из-за неблагоприятного распределения неметаллических включений в виде плен и остроугольных нитей и увеличением усадочной пористости. Ввод бора приводит к образованию хрупкой фазы по границам зерен.

Поэтому необходимо было провести дополнительное легирование с целью предотвращения диффузии хрома из приграничной области зерна аустенита в границы зерен, тем самым, снижается вероятность межкристаллитной коррозии. Для этого ввели новые легирующие элементы Nb, РЗМ и Ca, которые, образуя тугоплавкие карбиды, препятствуют высокотемпературной ползучести при температурах 800-900°С. При высокотемпературной эксплуатации атомы вольфрама частично диффундируют из раствора внедрения в границу зерна с образованием фазы Лавеса, что также является упрочняющей фазой, противостоящей высокотемпературной коррозии.

Содержание W и Nb ограничивается соответственно 2,5-3,2 W и 0,7-1,0 Nb, т.к. при превышении этих норм возрастает опасность образования феррита и снижения пластичности материала, ввиду образования значительного количества карбидной фазы.

Длительная прочность жаропрочных изделий - звенья цепи при 800°С термических агрегатов из стали 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ составляет 2 месяца и их заменяют на новые ввиду их большого износа и образования трещин.

Другим недостатком этой стали было низкое содержание углерода, что приводило к малой жидкотекучести и плохой заполняемости тонких стенок звеньев цепей и, как следствие, к появлению дефектов: спай, недолив, неслитина, усадочная пористость, что также уменьшало ресурс работы звеньев цепей.

Технической задачей данного изобретения является увеличение долговечности звеньев цепей и др. изделий для термических агрегатов.

Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, дополнительно содержит ниобий, РЗМ, кальций и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,15-0,28
Хром	16,0-20,0
Никель	28,0-32,0
Кремний	1,8-2,2
Марганец	0,4-0,9
Вольфрам	2,5-3,2
Ниобий	0,7-1,0
РЗМ	0,005-0,2
Кальций	0,005-0,2
Цирконий	0,04-0,06
Сера	≤0,02
Фосфор	≤0,03
Железо	остальное

при условии выполнения соотношения 0,01<∑(Ca+РЗМ+Zr)<0,46.

Так как W 2,5-3,2% и Nb 0,7-1,0% обладают большей активностью по отношению к углероду, чем хром, то они оттягивают на себя значительное количество углерода и предотвращают диффузию хрома из приграничной области зерна аустенита в границу зерна, тем самым, снижают вероятность межкристаллитной коррозии. Кроме этого образуют тугоплавкие карбиды (коагуляция этих карбидов происходит при температурах 800-900°С), эта карбидная фаза препятствует высокотемпературной ползучести при более высоких температурах 800-900°С.

Ниобий в количестве более 0,7% тормозит диффузионный обмен при высоких температурах (800°С), затрудняя коагуляцию дисперсных фаз и вызывая, тем самым, повышение предела текучести.

Превышение содержания ниобия выше 1,0% приводит к неоднородному распределению соединений ниобия при повышенных температурах, что может приводить к появлению разностенности и развитию микротрещин в междендритном пространстве.

Высокие концентрации хрома (16-20%) и никеля (28-32%) обеспечивают наилучшие сочетания длительной прочности и стойкости против окисления.

Повышенное содержание углерода (0,15-0,28% против до 0,08%) улучшает жидкотекучесть, достаточную для получения бездефектных без спаев и микропор тонких стенок (3-4 мм) жаропрочных изделий.

Увеличивать содержание углерода более 0,28% нельзя, т.к. уменьшается жаропрочность сплава.

Кремний в приведенных пределах повышает стойкость против окисления, увеличивая стабильность окисной пленки.

Верхний предел по кремнию ограничен (2,2%) из-за опасности ферритообразования и ускорения образования дельта-фазы, которая снижает ударную вязкость и пластичность при высоких температурах.

Верхний предел по марганцу ограничен из-за роста зерна при высокой температуре (800°С), сопровождаемый повышением концентрации вредных примесей, приводящим к снижению механических свойств. Кроме того, повышение содержания марганца может инициировать образование δ-фазы, которая снижает предел текучести стали и приводит к возникновению микротрещин.

Наименьшее пленообразование достигнуто при содержании (Са=0,005-0,2%) и РЗМ=0,005-0,2%. При такой обработке устраняются дефекты отливок по пленам, спаю и горячим трещинам. Кроме того, эти добавки устраняют локальные скопления оксидных включений, способствуя их глобуляризации, что приводит к повышению пластичности, ударной вязкости при высоких температурах.

Цирконий, обладая большим сродством к кислороду, сере и азоту, образует с ними интерметаллиды глобулярной формы кроме очистки границ зерен, замедляет рост зерна при нагреве, увеличивая прочность сцепления эвтектических фаз, препятствуя межкристаллитному разрушению при содержании 0,04-0,06%.

На ОАО «ГАЗ» в условиях литейного цеха были проведены сравнительные плавки стали с известным и предложенным химическим составом, с заливкой звеньев цепи термического агрегата. Сталь выплавляли в индукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали: сталь 10, отходы жаропрочной стали, FeCr, FeW, FeNb, FeSi, FeMn. Раскисляли SiCa и ФС 30РЗМ30 с добавлением FeZr.

Химический состав приведен в таблице №1.

Уровень брака и время до разрушения в термическом агрегате деталей из известного и предлагаемого сплавов представлены в таблице №2.

таблица №1
Сплав	Химический состав	Наличие термообработки
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
С	Si	Mn	Cr	Ni	W	Ti	В	Al	Nb	∑РЗМ	Ca	Zr
Предлагаемый 1	0,1	1,7	0,3	15,0	27,0	2,3	-	-	-	0,6	0,002	0,002	0,03	без т/о
2	0,15	1,8	0,4	16,0	28,0	2,5	-	-	-	0,7	0,005	0,005	0,04	без т/о
3	0,2	2,0	0,6	18,0	30,0	3,0	-	-	-	0,8	0,08	0,08	0,05	без т/о
4	0,28	2,2	0,9	20,0	32,0	3,2	-	-	-	1,0	0,2	0,2	0,06	без т/о
5	0,30	2,3	1,0	21,0	33,0	3,3	-	-	-	1,2	0,08	0,04	0,07	без т/о
6	0,24	2,0	0,6	18,0	30,0	3,0	-	-	-	0,8	-	0,04	0,05	без т/о
7	0,24	2,0	0,6	18,0	30,0	3,0	-	-	-	0,8	0,08	-	0,05	без т/о
8	0,24	2,0	0,6	18,0	30,0	3,0	-	-	-	0,8	0,08	0,04	-	без т/о
9	0,24	2,0	0,6	18,0	30,0	3,0	-	-	-	0,8	0,08	0,04	0,05	без т/о
Известный 10	0,06	0,2	0,3	15,0	32,0	4,5	2,6	0,03	1,7	-	-	-	-	с т/о
11	0,08	0,5	0,6	18,0	35,0	5,5	3,2	0,05	2,1	-	-	-	-	с т/о

таблица №2
Сплав №	Брак по спаю в стенке толщиной 3 мм, %	Брак по горячим трещинам, %	Усадочная пористость, %	Время до разрушения в термическом агрегате при Т=800-900°С
1	3	4	6	не ставились
2-4	0	0	0	8 месяцев, не разрушились
5	0	0	0	-//-
6	8	5	4	не ставились
7	12	6	5	-//-
8	9	12	7	-//-
9	0	0	0	-//-
10-11	18-24	15-17	10-12	2 месяца

Как видно из таблицы №2, звенья цепи из известного сплава (сплавы №10-11) имели больший брак по «спаю», «горячим трещинам» и «усадочной пористости». Звенья цепи, отлитые из известного сплава, разрушились в термическом агрегате через 2 месяца. Звенья цепи, отлитые из предлагаемого сплава (сплавы №2-4), не имели вышеназванных дефектов и стояли в термическом агрегате 8 месяцев без разрушения.

Сравнительный анализ признаков, отличающих данное предложение от известных в этой области технических решений, показал, что в данном сочетании проявляется новое свойство - исключение пористости при повышении долговечности.

Суммарное содержание составляет Ca+РЗМ+Zr=0,01-0,46%. При содержании менее 0,01% увеличивается брак по «спаю», «горячим трещинам», «усадочной пористости».

При содержании более 0,46% увеличивается количество неметаллических включений и долговечность уменьшается.

Список литературы

1. Бабаскин Ю.З. Структура и свойства литой стали. - Киев: Наукова думка, 1980 г.

2. Гольдштейн Я.Е. Микролегирование стали и чугуна. - Свердловск, 1960 г.

3. Барнацкий И.И. Физико-химические основы сталеплавильных процессов. - М., 1978.

4. Ланская К.А. Жаропрочные стали. - М., 1981.

5. Патент РФ №2120077, С22С 19/05.

6. Патент РФ №2139951, С22С 38/48.

7. Патент РФ №2205888, С22С 38/48.

8. Патент РФ №2237102, С22С 38/48.

9. Патент РФ №2302044, С22С 38/48.

10. Жаропрочная сталь 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ, ГОСТ 977-88 «Отливки стальные», стр.14.

Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, РЗМ, вольфрам, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, кальций и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,15-0,28
хром	16,0-20,0
никель	28,0-32,0
кремний	1,8-2,2
марганец	0,4-0,9
вольфрам	2,5-3,2
ниобий	0,7-1,0
РЗМ	0,005-0,2
кальций	0,005-0,2
цирконий	0,04-0,06
сера	≤0,02
фосфор	≤0,03
железо	остальное

при условии выполнения соотношения 0,01<Σ(Ca+PЗM+Zr)<0,46.