сталь

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, олово, свинец и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,11-0,14
кремний	0,15-0,20
марганец	0,40-0,60
хром	10,0-11,0
кобальт	3,0-4,0
молибден	0,9-1,1
вольфрам	0,9-1,1
ванадий	0,15-0,30
ниобий	0,04-0,09
кальций	более 0,005-0,05
церий	более 0,02-0,05
азот	0,03-0,07
бор	0,001-0,006
фосфор	не более 0,015
сера	не более 0,010
алюминий	не более 0,015
олово	не более 0,006
свинец	не более 0,006
мышьяк	не более 0,006
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°С.

Известна сталь, содержащая 0,10-0,16% углерода, 0,17-0,37% кремния, 0,4-0,7% марганца, 1,10-1,40% хрома, 0,9-1,1% молибдена, 0,20-0,35% ванадия (РУ, выпуск 16, «Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбиностроении» ЦКТИ, 1966 год», стр.92).

Указанная сталь, имея 40-летний опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводов и др. элементов, вследствие низкой жаропрочности не обеспечивает возможность повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 650°С.

В качестве прототипа выбрана сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, церий, кальций, азот, бор, фосфор, серу и железо (см. JP08-218154 А, С22С 38/54 от 27.08.1996 г.). Однако эта сталь при температуре 650°С имеет существенный разброс данных по длительной прочности (от 61 до 139 Н/мм ²) и минимальные значения, , не соответствует требованиям, предъявляемым к оборудованию, работающему при температуре 650°С.

Предложена сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, азот, бор, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, олово, свинец и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,11-0,14
Кремний	0,15-0,20
Марганец	0,4-0,6
Хром	10,0-11,0
Кобальт	3,0-4,0
Молибден	0,9-1,1
Вольфрам	0,9-1,1
Ванадий	0,15-0,30
Ниобий	0,04-0,09
Кальций	более 0,005-0,05
Церий	более 0,02-0,05
Азот	0,03-0,07
Бор	0,001-0,006
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,010
Алюминий	не более 0,015
Олово	не более 0,006
Свинец	не более 0,006
Мышьяк	не более 0,006
Железо	- остальное.

Технический результат предложенной стали заключается в том, что достигнут требуемый уровень характеристик жаропрочности при температуре 650°С за время 100000 часов (длительная прочность , длительная пластичность 15%) при вышеуказанном содержании компонентов.

Углерод в количестве 0,11-0,14% и хром в количестве 10,0-11,0% повышают длительную прочность стали за счет образования карбидов Ме ₂₃С₆.

Кремний в количестве 0,15-0,20% и марганец в количестве 0,40-0,60% использованы для раскисления стали.

При содержании кремния менее 0,15-0,20% образуются твердые хорошо удаляемые включения кремнезема. При содержании кремния более 0,20% усиливается склонность стали к тепловой хрупкости.

При введении марганца менее 0,4 - низкая раскислительная способность кремния, более 0,6% - практически не влияет на раскислительную способность, поэтому нецелесообразно.

Кобальт в количестве 3,0-4,0%, как аустенитообразующий элемент, способствует уменьшению -феррита в структуре стали и повышает длительную прочность за счет увеличения количества и дисперсности карбидов и карбонитридов, Ме₂₃С₆ и NbV (VN).

Содержание кобальта меньше указанного не обеспечивает создания мартенситной структуры (в структуре появляется -феррит), а более - экономически нецелесообразно.

Вольфрам и молибден в количестве 0,9-1,1% каждого повышают жаропрочность стали за счет упрочнения твердого раствора, карбида Ме ₃С₆ и выделения фаз Лавеса Fe ₂W и Fe₂Mo.

При содержании вольфрама и молибдена меньше указанного не образуются интерметаллиды Fe₂W и Fe₂Mo, а больше - приводит к образованию структурно-свободного -феррита, который снижает длительную прочность.

Ниобий в количестве 0,04-0,09% и ванадий в количестве 0,15-0,30% образуют наночастицы Nb,V (CN) размером 40-100 нм и, как следствие, повышают жаропрочность. Содержание ниобия и ванадия меньше указанного неэффективно, а больше - приводит к образованию карбидов размером до 1000 нм.

Содержание кальция более 0,005-0,05% повышает изотропность свойств, снижая вторичное окисление стали, и способствует равномерному распределению сульфидных и оксидных включений. Содержание кальция в количестве менее 0,005% нецелесообразно в связи с отсутствием влияния малых концентраций этого элемента на характер неметаллических включений и изотропных свойств стали. Введение кальция в количестве более 0,05% вызывает технологические трудности. В случае применения металлического кальция эти трудности выражаются в сильном пироэффекте и выбросах жидкой стали. В случае применения силикокальция недопустимо увеличивается содержание кремния в стали.

Содержание церия в количестве более 0,02-0,05% способствует глобуляризации неметаллических включений уменьшает количество оксидных включений,типа глинозема и шпиненей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость. При содержании церия менее 0,02% указанный эффект не достигается. Содержание церия более 0,05% может привести к повышению загрязненности стали сложными включениями.

Азот в количестве 0,03-0,07% вводится в сталь с целью повышения жаропрочности за счет образования тугоплавких и мелкодисперсных соединений типа карбонитридов Nb,V (CN). При содержании менее 0,03% азота образование карбидонитридов не наблюдается. Введение азота более 0,07% может привести к образованию в слитках раковин и пузырей.

Бор в количестве 0,001-0,006% повышает длительную прочность и длительную пластичность за счет растворения бора, как поверхностно-активного элемента в граничных зонах, упрочняя границы зерен и замедляя протекание диффузионных процессов в этих участках.

Содержание бора ниже нижнего предела в количестве менее 0,001% неэффективно, а выше 0,006% может привести к образованию бористых включений (боридов), которые ухудшают пластичность стали.

Ограничение содержания фосфора до 0,015% и серы до 0,010% способствует получению более высоких характеристик пластичности стали.

При содержании алюминия менее 0,015% не обеспечивается эффективное раскисление стали. Содержание олова, свинца и мышьяка 0,006% каждого практически не достижимо.

Содержание алюминия более 0,015%, олова более 0,006%, свинца более 0,006% и мышьяка более 0,006% приводит к резкому снижению длительной прочности стали.

Использование практически всех известных факторов, способствующих повышению жаропрочности стали, а именно: совокупного влияния аустенитообразующих, ферритообразующих и карбидообразующих элементов (С, Cr, Mo, W, V, Nb, Co, N), поверхностно-активного В, редкоземельного Се, повышающего изотропность стали Са, ограничение вредных примесей S, Р и легкоплавких элементов Al, Sn, Pb, Sb позволили получить сталь с высоким уровнем служебных и экономических характеристик: жаропрочность, пластичность, ударная вязкость, стабильность при длительных изотермических выдержках, технологичность и экономичность в металлургическом производстве.

Произведено опробование производства из предлагаемой стали поковок. На ОАО «Златоустовский металлургический завод» выплавлена промышленная плавка весом 20 т способом электроплавки с последующим электрошлаковым переплавом. На ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения» изготовлены поковки диаметром 100 и 500 мм. Изготовленная продукция соответствовала заданным требованиям и признана годной.

Химический состав предложенной стали приведен в таблице 1, а механические свойства - в таблице 2.

Испытания проводили на материалах, выплавленных в электродуговых печах с последующим электрошлаковым переплавом. Испытания на растяжение проводили на образцах с диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651, испытания на жаропрочность проводили на образцах с диаметром рабочей части 10 мм по ОСТ 108.901.102-78.

Из таблицы 2 видно, что минимальные значения длительной прочности предлагаемой стали превышают минимальные значения известной стали. Если предел длительной прочности известной стали составляет то предлагаемой стали -

Сталь рекомендуется для изготовления элементов тепловых энергетических установок со сверхкритическими параметрами пара (Т до 650°С и Р до 30,0 МПа), с ресурсом эксплуатации до 200000 часов.

Таблица 1
Химический состав исследованных плавок
Плавка	Содержание элементов
	С	Si	Mn	Cr	Co	Mo	W	V	Nb	Се	Са	S	Р	N	В	А1	Sn	Pb	As	Fe
1.	0,11	0,15	0,4	10,0	3,1	0,91	1,1	0,15	0,04	0,02	0,005	0,007	0,010	0,03	0,0013	0,013	0,004	0,001	0,005	остальное
2.	0,125	0,17	0,52	10,6	3,5	0,95	1,05	0,23	0,075	0,035	0,02	0,009	0,012	0,05	0,0035	0,013	0,006	0,004	0,001	остальное
3.	0,138	0,20	0,6	10,95	3,97	1,0	1,0	0,30	0,09	0,048	0,05	0,010	0,015	0,07	0,005	0,015	0,0039	0,0015	0,006	остальное
4.	0,11	0,15	0,45	10,0	3,8	1,0	1,1	0,24	0,09	0,045	0,01	0,005	0,009	0,05	0,003	0,015	0,0051	0,003	0,005	остальное
5.	0,01 0,3	0,01 0,8	0,2 1,5	8,0 13,0	0,05 6,0	0,01 3,0	0,1 5,0	0,002 0,8	0,002 0,5	0,001 0,02	0,0005 0,005	Не более 0,01	Не более 0,03	0,002 0,2	0,0005 0,01	-	-	-	-	остальное
1-3 - предлагаемая сталь, лабораторные плавки
4 - предлагаемая сталь, промышленная плавка, поковка 500 мм, производства ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения»
5 - известная сталь

Таблица 2
Свойства стали
Плавка	Кратковременные механические свойства								Длительная прочность, Н/мм 2, за время 105 ч при температурах
	Температура испытания 20°С				Температура испытания 600°С				620°С	650°С
	B, Н/мм2	0,2, Н/мм2	, %	, %	B, Н/мм2	0,2, Н/мм2	, %	, %
1.	790	605	22,0	77,0	450	380	22,3	79,0	120	80
2.	817	627	21,6	76,0	460	400	20,0	79,0	125	85
3.	827	630	20,9	72,8	495	420	20,7	74,5	130	90
4.	807	621	22,4	77,5	455	392	23,1	79,0	150	110
5.	-	-	-	-	-	-	-	-	-	61-139
1-3 - предлагаемая сталь, лабораторные плавки
4 - предлагаемая сталь, промышленная плавка, поковка 500 мм, производства ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения»
5 - известная сталь