жаропрочная высокопластичная аустенитная сталь
Классы МПК: | C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе |
Автор(ы): | Банных Олег Александрович (RU), Блинов Виктор Михайлович (RU), Банных Игорь Олегович (RU), Блинов Евгений Викторович (RU), Зверева Тамара Николаевна (RU), Ригина Людмила Георгиевна (RU), Дуб Владимир Семенович (RU), Берман Леонид Исаевич (RU), Скоробогатых Владимир Николаевич (RU), Тыкочинская Татьяна Васильевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (ИМЕТ РАН) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-10-20 публикация патента:
27.03.2011 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам жаропрочной высокопластичной аустенитной стали, используемой для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время при температурах до 650°С. Сталь содержит углерод, хром, марганец, никель, алюминий, бор, церий, кремний, вольфрам, ванадий, ниобий, железо и неизбежные примеси 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. Для компонентов стали выполняется условие: ([Ni]+0,5[Мn]+30[С])/([Сr]+0,5[W]+1,5[Si]+0,5[Nb])=0,8-1,0, а отношение содержания углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия составляет 0,06÷0,20. Повышается пластичность и стабильность аустенита при сохранении повышенной жаропрочности. 3 з.п. ф-лы, 4 табл.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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 -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
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 Сr23С6 при суммарном содержании ванадия и ниобия на нижнем пределе заявляемого состава стали. Для предотвращения карбидов хрома типа Сr23С6 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 -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 -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 ( и >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 | ||||||||||
в | 0,2 | KCU | в | 0,2 | 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 |
Класс C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе