Жаропрочный железо-хром-никелевый сплав

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным железо-хром-никелевым сплавам, предназначенным для изготовления установок, работающих длительное время при повышенных (до 680°С) температурах. Сплав содержит хром, никель, углерод, кремний, марганец, вольфрам, титан, молибден, алюминий, церий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, в мас.%: углерод 0,005-0,010, кремний 0,20-0,40, марганец 1,00-2,00, хром 16,0-18,0, никель 34,0-38,0, вольфрам 1,80-2,30, молибден 0,50-0,80, титан 1,10-1,50, алюминий 0,08-0,15, церий 0,05-0,10, железо и примеси остальное. В качестве примесей сплав содержит серу, фосфор, сурьму, олово, мышьяк при их содержании, мас.%: сера ≤0,010, фосфор ≤0,015, сурьма ≤0,005, олово ≤0,003, мышьяк ≤0,005. При этом соблюдаются следующие соотношения: хромовый эквивалент Cr_экв=Cr+2Si+1,5Mo+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25, никелевый эквивалент Ni_экв=Ni+0,5Mn+30C≤40, суммарное содержание молибдена и вольфрама не превышает 3 мас.%, суммарное содержание примесей S+P+Sn+Sb+As не более 0,030 мас.%. Повышается уровень длительной прочности. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов, содержащих в качестве основы железо, хром, никель, молибден, вольфрам, а также углерод, кремний, марганец, церий, титан, алюминий. Данная сталь предназначена для изготовления установок, работающих длительное время при повышенных до 680°С температурах.

Известно, что в указанной области техники для работы в области температур 620-680°С применяются стали марок NF707, NF709, HR3C.

Однако недостаточная длительная прочность этих материалов не позволяет использовать их при температурах выше 650°С. Наиболее близким к заявленному сплаву по составу компонентов является сплав на железо-хром-никелевой основе, содержащий, мас.% [1]:

Углерод	0,05-0,12
Кремний	0,20-0,60
Марганец	1,00-2,00
Хром	14,00-16,00
Никель	34,00-38,00
Вольфрам	2,80-3,50
Титан	1,10-1,50
Железо и примеси	остальное

Данная марка стали предназначена для изготовления поковок дисков, лопаток, крепежных деталей, плоских пружин для длительной работы до 650°С. Однако длительная прочность известной стали не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современному теплоэнергетическому оборудованию.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание жаропрочной стали, обладающей повышенным уровнем длительной прочности не менее 140 МПа на базе 100000 часов при температуре 650°С (σ⁶⁵⁰ ₁₀ ⁵≥140 МПа).

Технический результат достигается тем, что в состав материала, выбранного в качестве прототипа, дополнительно вводится молибден, алюминий и церий, а также повышено содержание хрома, ограничено содержания углерода, вольфрама и вредных примесей (серы, фосфора, олова, сурьмы и мышьяка), мас.%:

Углерод	0,005-0,010
Кремний	0,20-0,40
Марганец	1,00-2,00
Хром	16,0-18,0
Никель	34,0-38,0
Вольфрам	1,80-2,30
Молибден	0,50-0,80
Титан	1,10-1,50
Алюминий	0,08-0,15
Церий	0,05-0,10
Железо и примеси	остальное

При этом должны соблюдаться следующие соотношения:

- суммарное содержание примесей (S+P+Sn+Sb+As) должно быть не более 0,030%;

- хромовый эквивалент:

Cr_экв=Cr+2Si+1,5Mo+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25;

- никелевый эквивалент:

Ni_экв=Ni+0,5Mn+30C≤40;

- суммарное содержание молибдена и вольфрама не должно превышать 3 вес.%.

Соотношение указанных легирующих элементов выбрано таким образом, чтобы сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала требуемый уровень длительной прочности и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях эксплуатации оборудования. Кроме того, при указанном содержании легирующих элементов достигается эффект наноструктурного упрочнения за счет выделений мелкодисперсных интерметаллидных частиц γ'-фазы типа Ni₃(Al, Ti), которые образуются при старении.

В заявляемой марке стали по сравнению с прототипом снижено содержание углерода до минимально достижимого на практике при выплавке в вакуумно-индукционной печи: не более 0,01% вместо не более 0,12% в известной стали. Это приводит к тому, что при длительной службе в сплаве образуется небольшое количество карбидов хрома, которое не охрупчивает сплав.

В химический состав заявленной стали был введен молибден, что позволило повысить прочность и пластичность при кратковременной и длительной эксплуатации, за счет выделения фаз Лавеса типа Fe₂Mo и твердых растворов типа Fe₂(Mo,W).

Церий 0,05-0,10 мас.% повышает технологичность при горячей пластической деформации. При содержании церия до 0,1% он действует как модификатор и измельчает структуру слитка, в конечном счете, повышает технологическую пластичность и длительную прочность.

Алюминий вводится для образования при старении интерметаллидных частиц γ'-фазы типа Ni₃(Al, Ti), выделение которых приводит к повышению длительной прочности.

Хром в жаропрочных сталях и сплавах повышает сопротивление окислению при высоких температурах, причем тем больше чем выше его содержание. У аустенитных сталей хром увеличивает энергию связи атомов кристаллической решетки γ-твердого раствора, несколько повышает жаропрочные характеристики и температуру рекристаллизации легированного аустенита. В связи с этим содержание хрома было увеличено до 16-18% по сравнению с 14-16% в известной стали.

Но при чрезмерном увеличении содержания хрома и образовании ферритной составляющей в сложнолегированных жаропрочных аустенитных сталях наблюдается резкое падение жаропрочности, поэтому содержание хрома ограничивается 18%.

Повышение содержания углерода и хрома выше указанного в формуле, способствует выделению карбидов и ускоренной их коагуляции по границам зерен, уменьшению дисперсности выделяющихся фаз, что ведет к снижению характеристик длительной прочности.

При длительном воздействии повышенных рабочих температур до 650°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как, S, P, Sn, Sb и As, на границах зерен, что может привести к появлению участков межзеренного разрушения. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, повышение критической температуры хрупкости стали. В связи с этим необходимо ограничивать суммарное содержание данных элементов (S+P+Sn+Sb+As) не более 0,030%.

Были произведены 3 опытно-промышленные плавки на ООО "Ласмет" весом по 100 кг. Сплав выплавлялся в вакуумно-индукционных печах емкостью 0,5-12 т. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.

Вакуумная выплавка обеспечивает существенное уменьшение содержания как вредных примесей (особенно серы), так и примесей цветных металлов. Этот рафинирующий эффект создает резерв повышения деформируемости сплава, особенно в сочетании с применением при выплавке чистых шихтовых материалов.

Материал подвергался термической обработке, после чего были изготовлены образцы на статическое растяжение и длительную прочность.

Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1, механические свойства и характеристики длительной прочности - в таблице 2 и 3 соответственно.

Результаты сравнительных испытаний металла плавок показывают преимущество сплава заявленного состава по кратковременным механическим свойствам и по длительной прочности.

Суммарное содержание примесей для 3-х плавок:

(S+P+Sn+Sb+As)¹=0,025;

(S+P+Sn+Sb+As)²=0,027;

(S+P+Sn+Sb+As)³=0,029.

Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной марок стали
Сплав	Условный номер плавки	Механические свойства при температуре испытания 650°С
		σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	ψ, %
не менее
Предлагаемый	1	635	467	25,9	42,6
	2	644	459	27,5	40,8
3	638	462	32,3	39,7
Известный	4	620	440	20	34

Примечания:

1. Приведены усредненные результаты по 3-м образцам на точку.

2. Образцы испытаны после аустенизации при температуре 1100°С, двойного старения по следующему режиму: Т_ст1=850°С, τ_ст1=10 ч, Т_ст2=700°С, τ_ст2=50 ч, охлаждение на воздухе.

Таблица 3
Предел длительной прочности предлагаемой и известной марок стали
Сплав	Условный номер плавки	Предел длительной прочности на базе 105 часов при 650°С, МПа
Предлагаемый	1	185
	2	172
3	175
Известный	4	160

Источники информации

1. Л.Я.Либерман, М.И.Пейсихис. Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении. Часть 2. - ЦКТИ, Ленинград, 1966. - 200 с.

2. "Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System", F.Starr and A.Shibli International Symposium on Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.

3. К.А.Ланская. Жаропрочные стали. - Москва, Металлургия, 1969. - 246 с.

1. Жаропрочный железо-хром-никелевый сплав, содержащий хром, никель, углерод, кремний, марганец, вольфрам, титан, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, алюминий и церий при следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,005-0,010
кремний	0,20-0,40
марганец	1,00-2,00
хром	16,0-18,0
никель	34,0-38,0
вольфрам	1,80-2,30
молибден	0,50-0,80
титан	1,10-1,50
алюминий	0,08-0,15
церий	0,05-0,10
железо и примеси	остальное

при этом соблюдаются следующие соотношения:
хромовый эквивалент Cr_экв=Cr+2Si+1,5Мо+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25,
никелевый эквивалент Ni_экв=Ni+0,5Mn+30C≤40,
суммарное содержание молибдена и вольфрама не превышает 3 мас.%.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит серу, фосфор, сурьму, олово и мышьяк при их содержании, мас.%:

сера	≤0,010
фосфор	≤0,015
сурьма	≤0,005
олово	≤0,003
мышьяк	≤0,005

3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей S+P+Sn+Sb+As не более 0,030 мас.%.