Жаропрочная высокопластичная аустенитная сталь

Жаропрочная высокопластичная аустенитная сталь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области металлургии стали и может быть использовано для длительной службы деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах до 650°С.

Для вышеуказанных условий работы в настоящее время широко применяются хромоникелевые аустенитные стали типа 1Х18Н9Т и Х16Н13М3 и др. (М.В.Приданцев, К.А.Ланская. Стали для котлостроения. Металлургиздат, Москва, 1959 г. С.Б.Масленков, Е.А.Масленкова. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник. Металлургия, Москва, 1991 г.).

Эти стали содержат от 9 до 14% дефицитного никеля и имеют сравнительно низкие показатели сопротивления локальным разрушениям в околошовной зоне. Эти стали обладают низкой прочностью при комнатной и повышенных температурах (≤220 МПа, ≤132 МПа) и удовлетворительной жаропрочностью при температурах не выше 600°С. В результате длительного пребывания при температурах 600-700°С сталь 1Х18Н9Т приобретает склонность к охрупчиванию из-за образования σ-фазы. С нестабильностью структуры стали 1Х18Н9Т связан большой разброс по характеристикам ползучести. Например, при 593°С и напряжении 207 МПа время до разрушения образцов стали Х18Н10 составляло от 84 до 2580 часов. V.K.Sikka, H.E.McCoy. Heat-to heat variation in creep properties of types 304 and 316 stainless steels. Trans ASME. 1975,197, №4, p.243-251.

У стали Х16Н13М3 после длительной выдержки в течение 13913 часов при температуре 730°С относительное удлинение и сужение снижается от 65 до 25% (Ф.Эберле Некоторые результаты длительных испытаний трубных сталей. Сб. Исследование жаропрочных сталей и сплавов. М., Металлургиздат, 1960, с.307-316).

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является жаропрочная аустенитная сталь следующего состава в вес.%: С до 0,1, Сr 11-13, Mn 12-14, Ni 4.4-4,8, Al 1,2-1,6, Mo 0,4-0,6, Се 0,01-0,2, В 0,0005-0,007, S до 0,04, Р до 0,04, Si до 0,6 и Fe - остальное. При содержании углерода, марганца и никеля (аустенитообразующих элементов) на верхнем пределе указанного состава сталь - прототип имеет стабильную аустенитную структуру после различных режимов термической обработки и пластической деформации. Однако при длительных тепловых выдержках эта сталь имеет пониженные значения пластичности и вязкости в результате выделения карбидов хрома Сr₂₃С₆.

В стали - прототипе с содержанием углерода менее 0,03% достигается повышенная пластичность, но не обеспечивается сохранение стабильности аустенитной структуры. После холодной пластической деформации со степенями обжатия более 20% образуется мартенсит. При этом сталь - прототип становится магнитной и имеет низкую пластичность.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании жаропрочной высокопластичной стабильно аустенитной стали.

Технический результат изобретения заключается в повышении пластичности и стабильности аустенита при сохранении повышенной жаропрочности.

Технический результат достигается тем, что в жаропрочную аустенитную сталь, содержащую углерод, кремний, хром, марганец, никель, алюминий, церий, бор, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению, дополнительно введены вольфрам, ванадий, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0.02-0.06	ванадий	0.1-0.2
кремний	0.10-0.40	ниобий	0.1-0.2
марганец	16-19	алюминий	0.3-0.9
хром	14-16	церий	0.05-0.20
никель	5.5-7.0	бор	0.002-0.050
вольфрам	0.5-0.9

железо и неизбежные примеси - остальное, при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие

а)

где [С], [Si], [Mn], [Cr], [W], [Nb] - концентрации в стали углерода, кремния, никеля, марганца, хрома, вольфрама и ниобия соответственно, выраженные в массовых процентах;

б) отношение содержания (мас.%) должно быть в пределах 0,06-0,20,

при этом в ней формируется развитая субзеренная структура в процессе горячей пластической деформации при температурах 900-1000°С с обжатием 50-70% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры, и сталь приобретает мелкозернистую структуру после закалки в воде от температуры в пределах 1030-1070°С, сталь может использоваться при температурах до 700 С.

Содержание в стали углерода С=0,02-0,06% достаточно для образования небольшого количества карбидов (V, Nb)C, которые обеспечивают получение после закалки мелкозернистой структуры. При содержании углерода более 0,06% трудно получить удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости из-за образования при тепловых выдержках большого количества карбидов (V, Nb)C при суммарном содержании ванадия и ниобия на верхнем пределе заявляемого состава или образования карбидов хрома типа С_r23С₆ при суммарном содержании ванадия и ниобия на нижнем пределе заявляемого состава стали. Для предотвращения карбидов хрома типа С_r23С₆ отношение содержания углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия должно быть в пределах 0,06-0,20.

Введение в сталь ванадия и ниобия в количествах 0,1-0,2% каждого обеспечивает получение мелкозернистой структуры и повышение прочности за счет образования мелкодисперсных карбидов (V, Nb)C. При меньших концентрациях ванадия и ниобия положительный эффект от их введения незначителен. Увеличение содержания ванадия и ниобия более 0,2% приводит к снижению пластичности и ударной вязкости из-за образования большого количества карбидов (V, Nb)C.

Для повышения прочности при температурах до 650°С в предлагаемую сталь по сравнению со сталью прототипом введен вольфрам в количествах 0,5-0,9%. При содержании вольфрама более 0,9% возможно образование феррита. При концентрациях вольфрама менее 0,5% эффект упрочнения незначителен.

Для повышения длительной прочности в предлагаемую сталь введены добавки 0,002-0,05% бора, который в таких количествах повышает прочность границ зерен, замедляет диффузионные процессы выделения избыточных фаз по границам и в объеме зерен в процессе ползучести. Увеличение содержания бора более 0,05%, время до разрушения и длительная пластичность снижаются из-за образования крупных выделений фазы М3 В2 или боросодержащей эвтектики по границам зерен.

Добавки 0,05-0,2% церия в предлагаемую сталь вводили для повышения ее технологической пластичности при высоких температурах пластической деформации (ковкой или прокаткой).

Введение в заявляемую сталь 14-16% хрома необходимо для повышения коррозионной стойкости, окалиностойкости и длительной прочности. При содержании хрома более 16% и никеля менее 5,5% сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и σ-фазы.

Для повышения стабильности аустенита, пластичности и ударной вязкости в процессе изготовления и длительной эксплуатации изделий при температурах до 650°С в заявляемой стали по сравнению со сталью-прототипом увеличено содержание аустенитообразующих элементов никеля и марганца до 5,5-7% и 16-19% соответственно и снижено количество до 0,3-0,9% сильного ферритообразующего элемента - алюминия.

Выполнение условия

обеспечивает получение неферромагнитной стали. При уменьшении отношения менее 0,8 не удается получить аустенитную структуру без ферромагнитных фаз (мартенсита и феррита).

После нагрева и охлаждения в интервале температур 1200°С÷-196°С, холодной и горячей пластической деформации со степенями обжатия до 70%, а также длительных тепловых выдержек в заявляемой стали не образуются ферромагнитные фазы (феррит и мартенсит) или хрупкие фазы (типа σ-фазы и карбидов Сr₂₃С₆), т.е. сталь сохраняется немагнитной (µ≤1,01 ^гс/э) и имеет высокую пластичность.

Предлагаемая сталь не уступает по окалиностойкости и уровню прочности стали-прототипу и существенно превосходит по показателям пластичности и ударной вязкости при комнатной и повышенных температурах (таблица 2). Высокая стабильность аустенитной структуры стали обеспечивает практически постоянный уровень прочности, высокую пластичность при температурах до 700°С и незначительное снижение уровня ударной вязкости после длительных выдержек при температурах до 650°С. Высокая пластичность (δ и Ψ>70%) и ударная вязкость (KCU>2,2 МДж/м²) после закалки от температур 1000-1150°С этой стали обеспечивает получение различных видов кованых, прессованных, катаных полуфабрикатов и трубных заготовок. Химический состав и свойства стали, согласно изобретению и стали-прототипа приведены в таблице 1-4.

Использование заявляемой жаропрочной экономно легированной никелем стали со стабильной аустенитной структурой и высоким уровнем пластичности при температурах до 700°С позволяет:

1) по сравнению со сталью-прототипом разработать новые и усовершенствовать существующие конструкции с более высокими техническими характеристиками (по температуре, длительности эксплуатации и магнитной проницаемости);

2) по сравнению с применяющимися жаропрочными хромоникелевыми аустенитными сталями типа Х18Н12 и Х16Н13М3 снизить в 1,5-2 раза количество дефицитных элементов (никеля и молибдена) в результате изменения химического состава стали.

Таблица 1.
Химический состав стали - прототипа и заявляемой стали после закалки от 1100°С
Сталь	№ плавки	Химический состав, мас.%
С	Cr	Mn	Ni	V	W	Al	В	Nb	Mo	Si	Се	Fe
Прототип	1	0.01	11	12	4.4	-	-	1.2	0.0005	-	0.4	≤0.6	0.01	остальное
2	0.10	13	14	4.8	-	-	1.6	0.007	-	0.6	≤0.6	0.2
Заявляемая	3	0.02	14	16.1	5.5	0.1	0.5	0.3	0.002	0.1	-	0.1	0.05	остальное
4	0.03	14.7	16.9	6.2	0.17	0.6	0.8	0.007	0.1	-	0.2	0.1
5	0.06	16	18	7	0.21	0.9	0.9	0.05	0.2	-	0.4	0.2

Таблица 2.
Механические свойства стали-прототипа и заявляемой стали после закалки от 1100°С.
Сталь	№ плавки	Механические свойства при температурах
20°С	700°С
σв	σ0,2	δ	Ψ	KCU	σв	σ0,2	δ	Ψ	KCU
МПа	%	МДЖ/м2	МПа	%	МДЖ/м2
Прототип	1	570	240	61	68	2.3	270	110	31	37	1.2
2	590	260	64	68	2.7	280	120	32	41	1.4
Заявляемая	3	608	275	71	74	3.2	280	125	55	56	2.3
4	619	288	72	75	3.3	290	128	57	57	2.4
5	631	297	74	76	3.3	300	130	59	58	2.4

1. Жаропрочная высокопластичная аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, марганец, никель, алюминий, бор, церий, кремний, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, она дополнительно содержит вольфрам, ванадий и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,02-0,06
кремний	0,10-0,40
марганец	16-19
хром	14-16
никель	5,5-7,0
вольфрам	0,5-0,9
ванадий	0,1-0,2
ниобий	0,1-0,2
алюминий	0,3-0,9
церий	0,05-0,20
бор	0,002-0,050
железо и неизбежные примеси	остальное,

при этом выполняется условие: где [С], [Si], [Ni], [Mn], [Cr], [W], [Nb] - концентрации в стали углерода, кремния, никеля, марганца, хрома, вольфрама и ниобия соответственно, выраженные в мас.%,а отношение содержания (мас.%) составляет 0,06÷0,20.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температурах 900-1000°С с обжатием 50-70% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.

3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет мелкозернистую структуру после закалки в воде от температуры 1030-1070°С.

4. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она используется при температурах до 700°С.