Жаропрочный сплав
Владельцы патента RU 2447172:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением, и может быть использовано при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности. Заявлен жаропрочный сплав, содержащий, мас.%: углерод 0,35-0,55, азот 0,02-0,05, хром 28,0-36,0, железо 3,0-5,0, ниобий 1,0-2,0, вольфрам 0,5-8,0, молибден 0,2-0,6, титан 0,05-0,6, кремний 0,8-2,0, марганец 0,8-1,5, алюминий 0,1-1,0, медь 0,1-1,0, магний 0,01-0,1, цирконий 0,005-0,15, иттрий 0,008-0,1, бор 0,007-0,01, кальций 0,01-0,2, барий 0,01-0,3, церий 0,022-0,063, лантан 0,006-0,027, неодим 0,002-0,005, празеодим 0,005-0,008, никель - остальное. Сплав обладает повышенным уровнем сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности. Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из данного сплава позволяет в 1,5-2,0 раза повысить ресурс их работы. 3 табл., 1 пр.
Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением и может использоваться при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности, в частности при изготовлении реакционных змеевиков.
Известен жаропрочный сплав [1], содержащий мас.%:
| Углерод | 0,35-0,55 |
| Азот | 0,02-0,05 |
| Хром | 22-27 |
| Никель | 25-40 |
| Ниобий | 1,0-2,0 |
| Вольфрам | 0,5-5,0 |
| Молибден | 0,2-0,6 |
| Титан | 0,05-0,6 |
| Кремний | 0,8-2,0 |
| Марганец | 0,8-1,5 |
| Бор | 0,0005-0,005 |
| Алюминий | 0,1-1,0 |
| Медь | 0,1-1,0 |
| Магний | 0,01-0,1 |
| Цирконий | 0,005-0,15 |
| Иттрий | 0,008-0,1 |
| Железо | остальное |
при выполнении условия
К недостаткам указанного сплава относится низкий уровень пластичности (менее 5%) в условиях статических напряжений при температуре 1000°C и низкая сопротивляемость сплава к коррозионно-механическому воздействию при температуре 1100°C. Указанные недостатки в условиях эксплуатации приводят к выходу из строя реакционной трубной системы пиролизных змеевиков, что значительно уменьшает срок «межремонтного пробега».
Известен также жаропрочный сплав [2], принятый за прототип, следующего химического состава (мас.%):
| Углерод | 0,35-0,55 |
| Азот | 0,02-0,05 |
| Хром | 22,0-27,0 |
| Никель | 25,0-40,0 |
| Ниобий | 1,0-2,0 |
| Вольфрам | 0,5-5,0 |
| Молибден | 0,2-0,6 |
| Титан | 0,05-0,6 |
| Кремний | 0,8-2,0 |
| Марганец | 0,8-1,5 |
| Алюминий | 0,1-1,0 |
| Медь | 0,1-1,0 |
| Магний | 0,01-0,1 |
| Цирконий | 0,005-0,15 |
| Иттрий | 0,008-0,1 |
| Бор | 0,007-0,01 |
| Церий | 0,022-0,063 |
| Лантан | 0,006-0,027 |
| Неодим | 0,002-0,005 |
| Празеодим | 0,005-0,008 |
| Железо | остальное |
при этом должны выполняться два условия:
Этот сплав обладает повышенной стойкостью в воздушной среде к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения при максимальных рабочих температурах 1100°C и повышенной пластичностью, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока «межремонтного пробега» высокотемпературных змеевиков.
Недостатком сплава является повышенная скорость ползучести, что приводит к значительным формоизменениям трубной системы и ее преждевременному выходу из строя, а также недостаточная длительная прочность и жаростойкость.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава, обладающего более высокими характеристиками сопротивления ползучести, длительной прочности и жаростойкости.
Технический результат изобретения достигается тем, что заявляемый жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, при выполнении условий 1 и 2
дополнительно содержит кальций и барий, а также повышенные концентрации вольфрама, хрома, никеля и ограниченное содержание железа при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Углерод | 0,35-0,55 |
| Азот | 0,02-0,05 |
| Хром | 28,0-36,0 |
| Железо | 3,0-5,0 |
| Ниобий | 1,0-2,0 |
| Вольфрам | 0,5-8,0 |
| Молибден | 0,2-0,6 |
| Титан | 0,05-0,6 |
| Кремний | 0,8-2,0 |
| Марганец | 0,8-1,5 |
| Алюминий | 0,1-1,0 |
| Медь | 0,1-1,0 |
| Магний | 0,01-0,1 |
| Цирконий | 0,005-0,15 |
| Иттрий | 0,008-0,1 |
| Бор | 0,007-0,01 |
| Кальций | 0,01-0,2 |
| Барий | 0,01-0,3 |
| Церий | 0,022-0,063 |
| Лантан | 0,006-0,027 |
| Неодим | 0,002-0,005 |
| Празеодим | 0,005-0,008 |
| Никель | остальное |
При этом должно выполняться следующее условие: суммарное содержание кальция и бария не должно превышать 0,31 мас.%.
Увеличение содержания хрома и углерода при повышении содержания никеля способствует увеличению удельного объема карбидной фазы, выделяющейся на границах кристаллов и дендритных ячеек, при этом формируется карбидный каркас, что тормозит развитие пластического течения по границам, тем самым снижается скорость ползучести и увеличивается длительная прочность.
Хромоникелевая основа сплава при высокой концентрации хрома (28-36%) и ограниченного содержания железа 3-5% способствует образованию более стойкой окалины, состоящей из окислов типа шпинелей, обеспечивающая улучшение жаростойкости при 1100°C.
В то же время хромоникелевая основа сплава при повышенном содержании вольфрама, не ухудшая пластичности, улучшает структурную стабильность твердого раствора избыточных фаз в условиях воздействия циклических и статических нагрузок.
Введение в состав литого жаропрочного сплава суммарной концентрации микродобавок кальция и бария обеспечивает высокую эффективность раскисления расплава, увеличивая тем самым эффект усвояемости границами сплава церия, лантана, неодима и празеодима с целью увеличения значений характеристик длительной прочности и жаростойкости заявленного состава сплава.
Суммарное количество кальция и бария, не более 0,31 мас.%, определяет их оптимальную концентрацию, когда содержание кислорода в сплаве составляет не более 0,0025 мас.%.
Выбранные пределы микролегирования активными элементами Са и Ва при указанной концентрации кислорода сохраняют практически неизменным кристаллическое строение и фазовый состав сплава, существенно улучшают состояние межкристаллитных границ, обеспечивая при высокой температуре увеличение их стойкости к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения.
Пример конкретного выполнения.
Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» была проведена выплавка и исследованы свойства следующих сплавов:
- Сплавы с содержанием ингредиентов, выходящих за пределы заявляемых концентраций (плавки №1, 2)
- Заявляемый сплав (плавки №3, 4)
- Сплав прототипа (плавка №5)
Сплавы получали в открытой индукционной печи с использованием высококачественных шихтовых материалов и специальной лигатуры, содержащей вводимые элементы. Жидкий металл, который в процессе ведения плавок находился под защитой аргона, разливали в чугунные изложницы. Вес слитков составлял 23-25 кг.
Для проведения коррозионно-механических испытаний и испытаний на длительную прочность из центральной части слитка на расстояние 10 мм от края вырезали разрывные образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 30 мм.
В таблице 1 представлен химический состав исследуемых сплавов. Свойства полученных сплавов представлены: в таблице 2 - результаты испытаний на длительную прочность; в таблице 3 - результаты коррозионных испытаний.
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| Условный номер плавки | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||||||
| C | N | Cr | Ni | Nb | Mo | W | Ti | Si | Mn | Al | Cu | Zr | Mg | Y | |
| 1 | 0,34 | 0,021 | 27,0 | ост. | 0,98 | 0,18 | 8,5 | 0,62 | 1,0 | 0,7 | 0,09 | 0,09 | 0,004 | 0,011 | 0,007 |
| 2 | 0,56 | 0,04 | 37,0 | ост. | 2,1 | 0,62 | 0,4 | 0,004 | 2,1 | 1,6 | 1,1 | 1,1 | 0,16 | 0,008 | 0,1 |
| 3 | 0,55 | 0,05 | 36,0 | ост. | 2,0 | 0,6 | 8,0 | 0,6 | 2,0 | 1,5 | 1,0 | 1,0 | 0,15 | 0,1 | 0,1 |
| 4 | 0,35 | 0,02 | 28,0 | ост. | 1,0 | 0,2 | 0,5 | 0,05 | 0,8 | 0,8 | 0,1 | 0,1 | 0,005 | 0,01 | 0,008 |
| 5 (прототип) | 0,45 | 0,04 | 27,0 | 35,0 | 2,0 | 0,25 | 1,8 | 0,06 | 1,55 | 1,0 | 0,3 | 0,25 | 0,06 | 0,08 | 0,009 |
| Продолжение таблицы 1 | |||||||||||
| Условный номер плавки | Содержание элементов, мас.% | C+N-(Nb+2Ti)/10 | (La+Ce+Nd+Pr)/B | Ca+Ba | |||||||
| B | La | Ce | Nd | Pr | Fe | Ca | Ba | ||||
| 1 | 0,012 | 0,005 | 0,021 | 0,0022 | 0,009 | 2,8 | 0,21 | 0,004 | 0,13 | 3,1 | 0,214 |
| 2 | 0,006 | 0,028 | 0,065 | 0,004 | 0,004 | 6,5 | 0,007 | 0,32 | 0,28 | 15,1 | 0,327 |
| 3 | 0,01 | 0,021 | 0,063 | 0,002 | 0,008 | 3,0 | 0,2 | 0,01 | 0,28 | 10,0 | 0,21 |
| 4 | 0,007 | 0,006 | 0,022 | 0,005 | 0,005 | 5,0 | 0,01 | 0,3 | 0,26 | 5,4 | 0,31 |
| 5 прототип | 0,007 | 0,015 | 0,009 | 0,008 | 0,003 | ост. | - | - | 0,278 | 5,0 | - |
| Таблица 2 | |||
| Условный номер плавки | Характеристики жаропрочности сплава при температуре 1100°C и напряжении 10 МПа | ||
| Минимальное время до разрушения (τ), час | Относительное удлинение (δ), % | Скорость ползучести (V), %, час | |
| 1 | 1993 | 6 | 8×10-3 |
| 2 | 2403 | 6 | 3×10-3 |
| 3 | 3780 | 8 | 4×10-4 |
| 4 | 3040 | 13 | 6×10-4 |
| 5 | 1840 | 38 | 9×10-3 |
| Таблица 3 | |
| Условный номер плавки | Скорость окисления сплава при температуре 1100°C, мм/год |
| 1 | 0,75 |
| 2 | 0,46 |
| 3 | 0,21 |
| 4 | 0,25 |
| 5 | 1,1 |
Из таблиц 2 и 3 следует, что состав плавок 1 и 2 не обеспечивает улучшение комплекса служебных характеристик, в частности, несмотря на повышенную сопротивляемость окислению и сравнительно небольшое превосходство в жаропрочности, эти сплавы характеризуются низкой пластичностью и пониженным сопротивлением ползучести.
Анализ данных таблиц 2 и 3 по плавкам 3 и 4 свидетельствует о том, что заявляемый сплав существенно превосходит прототип по длительной прочности (примерно в 2 раза), по жаростойкости (примерно в 5 раз), при этом сохраняется приемлемый уровень длительной пластичности сплава (8-13%) и увеличивается сопротивляемость высокотемпературной ползучести (более чем в 10 раз).
Таким образом, заявленный состав сплава существенно превосходит сплав прототипа по сопротивлению ползучести, жаростойкости и длительной прочности при температуре 1100°C.
Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из заявленного сплава, обладающего улучшенным комплексом служебных характеристик, позволяет, за счет повышения уровня сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности увеличить в 1,5-2,0 раза ресурс работы установок.
Источники информации
1. Патент РФ №2026401, С22С 19/05.
2. Патент РФ №2350674, С22С 19/05 (прототип).
Жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,35-0,55 |
| Азот | 0,02-0,05 |
| Хром | 28,0-36,0 |
| Железо | 3,0-5,0 |
| Ниобий | 1,0-2,0 |
| Вольфрам | 0,5-8,0 |
| Молибден | 0,2-0,6 |
| Титан | 0,05-0,6 |
| Кремний | 0,8-2,0 |
| Марганец | 0,8-1,5 |
| Алюминий | 0,1-1,0 |
| Медь | 0,1-1,0 |
| Магний | 0,01-0,1 |
| Цирконий | 0,005-0,15 |
| Иттрий | 0,008-0,1 |
| Бор | 0,007-0,01 |
| Кальций | 0,01-0,2 |
| Барий | 0,01-0,3 |
| Церий | 0,022-0,063 |
| Лантан | 0,006-0,027 |
| Неодим | 0,002-0,005 |
| Празеодим | 0,005-0,008 |
| Никель | Остальное, |
при выполнении следующих условий:
суммарное содержание кальция и бария не превышает 0,31 мас.%.
