способ термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса

Формула изобретения

Способ термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, включающий выдержку стали в аустенитной области с последующим охлаждением на воздухе и отпуск, отличающийся тем, что при этом выдержку осуществляют при температуре 1060°C в течение 30-40 минут, а отпуск проводят в две ступени, причем на первой ступени проводят низкотемпературный отпуск в интервале температур 200-350°C, а на второй ступени проводят отпуск при температуре 760°C, причем продолжительность каждого отпуска составляет 3 часа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса. Способ может быть использован для получения сталей с повышенными характеристиками жаропрочности, предназначенных для изготовления элементов тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

В настоящее время термическая обработка жаропрочных сталей мартенситного класса обычно представляет собой выдержку в аустенитной области при 1040-1100°C с последующим охлаждением на воздухе и отпуском при температурах 750-780°C. Различные способы термической обработки жаропрочных сталей, к которым относят стали мартенситного класса с химическим составом (мас.%): углерод 0,01-0,2, кремний не более 0,2, марганец 0,01-0,6, хром 9,0-13,0, никель не более 0,2, вольфрам 0,5-2, молибден 0,5-1,0, кобальт 0,1-5,0, ванадий 0,18-0,25, ниобий 0,05-0,1, азот 0,04-0,1, бор 0,0005-0,005, сера не более 0,01, фосфор не более 0,01, алюминий не более 0,02, медь не более 0,05, железо - остальное, приведены в табл.1.

Таблица 1
Патент	Режим термической обработки	Температура эксплуатации стали, °C
RU 2237102	Выдержка при 1050°C+отпуск при 550-570°C	500
US 20080241583	Выдержка при 1060°C с последующим охлаждением на воздухе+отпуск при 760°C	620
US 4762577	Выдержка при 1038-1093°C с последующим охлаждением на воздухе+отпуск при 690-704°C	590
US 4857120	Выдержка при 1050-1150°C с последующим охлаждением в воде+отпуск при 500-600°C+отпуск при 600-700°C	600-650
US 5560788	Выдержка при 1050°C с последующим охлаждением в масле+отпуск при 570°C+отпуск при 700°C	600-650

В процессе выдержки при температурах 1040 - 1150°С происходит практически полное растворение карбидов и карбонитридов присутствовавших в сталях, а при дальнейшем охлаждении на воздухе или в воде в сталях формируется структура пакетного мартенсита. Последующий отпуск при температурах 650 -780°С приводит к выделению карбидов и карбонитридов типа М2зСб (размером 50 - 170 нм) и MX (размером 14 - 30 нм) [Машуата К. Strengthening mechanisms of creep resistant tempered martensitic steel / K. Maruyama, K. Sawada, J. Koike // ISIJ Int. - 2001. - Vol.41. - P. 641-653; Ennis, P. J. Recent advances in creep resistant steels for power plant applications / P. J. Ennis, A. Czyrska-Filemonowicz // Operat. Maint. Mater. - 2002. - Vol.1. - P. 1-28]. Стабильность сформировавшейся после отпуска структуры при ползучести определяется удельным объемом, распределением и размером карбонитридов и карбидов. Дисперсные частицы сдерживают движение дислокаций. В результате, границы реек троостомартенсита сохраняют свою структуру в процессе ползучести при повышенных температурах. Именно сочетание дислокационной структуры троостомартенсита с наночастицами вторичных фаз обеспечивает уникальные жаропрочные характеристики сталей мартенситного класса.

Наиболее близким к заявляемому является способ термической обработки жаропрочной стали мартенситного класса Е911, который был выбран в качестве прототипа, описанный в научной статье [Qin, G. ТЕМ studies of microstructural evolution in creep exposed E911 / G. Qin, S.V.Hainsworth, A. Strang, P.F.Morris, P.D.Clarke, A.P.Backhouse // Creep & fracture in high temperature components. - DEStech Publications, 2009. - P.889-899]. Способ термической обработки включает:

- выдержку в аустенитной области при температуре 1100°C в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе;

- отпуск при температуре 760°C в течение 2 часов для выделения карбидов и карбонитридов.

Недостатком описанного способа является выделение относительно крупных карбонитридов, что приводит к пониженным характеристикам жаропрочности.

Задачей изобретения является разработка способа термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса для повышения их жаропрочности.

Технический результат заключается в выделении дисперсных карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм за счет введения дополнительного низкотемпературного отпуска в интервале температур 200-350°C продолжительностью 3 часа.

Поставленная задача решается предложенным способом термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, который включает выдержку стали в аустенитной области с последующим охлаждением на воздухе, отпуск при температуре 760°C, в который внесены следующие новые признаки: выдержку в аустенитной области осуществляют при температуре 1060°C в течение 30-40 минут, перед отпуском при температуре 760°C дополнительно проводят низкотемпературный отпуск в интервале температур 200-350°C, при этом продолжительность каждого отпуска составляет 3 часа.

Новизна подтверждается тем, что в уровне техники не обнаружены технические решения с предложенной совокупностью признаков.

Изобретательский уровень подтверждается тем, что впервые обнаружено выделение карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм при низких температурах отпуска 200-350°C. Наличие карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм способствует повышению жаропрочных характеристик сталей.

Пример осуществления.

Была отлита сталь химического состава, аналогичного по составу стали Е911, описанной в прототипе (табл.2).

Таблица 2
Химический состав (мас.%) стали
Fe	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr
осн.	0,12	0,06	0,36	0,010	0,008	0,02	0,2	9,8
Со	Мо	W	V	Nb	N	В	А1
0,1	1,01	0,93	0,2	0,05	0,05	0,003	0,015

Сталь была термически обработана двумя различными способами: первый - традиционный, второй - согласно предполагаемому изобретению.

1) Выдержка при 1060°C в течение 30-40 минут с последующим охлаждением на воздухе и отпуск при температуре 760°C в течение 3-х часов.

2) Выдержка при 1060°C в течение 30-40 минут с последующим охлаждением на воздухе и двухступенчатый отпуск: 1-я ступень при температуре 300°C в течение 3-х часов и 2-я ступень при температуре 760°C в течение 3-х часов.

Результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть при температуре 650°C и напряжении 100 МПа, которые проводились по ASTM Е139-06 и ГОСТ 10145-81, соответственно, приведены в табл.3.

Таблица 3
Способ термической обработки	Время до разрушения, ч	Время до достижения деформации равной 1%, ч
Традиционный	1820	224
Согласно предполагаемому изобретению	4983	463

Из таблицы 3 видно, что жаропрочные характеристики стали, обработанной по предлагаемому способу, значительно превосходят соответствующие характеристики стали, обработанной традиционным способом.

Результаты испытаний прототипа на длительную прочность при температуре 650°C и различных напряжениях приведены в табл.4.

Таблица 4
Время до разрушения, ч	Напряжение, МПа
849	124
2232	108
3454*	100
4530	93
14319	77
*расчетное значение

Как видно из таблицы 4, время до разрушения при температуре испытания 650°C и напряжении 100 МПа почти в 1,5 раза дольше у образца термически обработанного по предложенному способу, чем у прототипа.

Таким образом, приведенные примеры подтверждают, что поставленная задача по разработке способа термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса с повышенными характеристиками жаропрочности, такими как предел длительной прочности и предел ползучести, решена благодаря достижению заявленного технического результата - выделению на первой ступени отпуска дисперсных карбонитридов Nb(C,N) размером около 5 нм.