×
11.03.2019
219.016.dd24

Результат интеллектуальной деятельности: ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сталей для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,001- 0,009; кремний 0,005-0,10; марганец 0,2-0,4; хром 8,5-9,5; кобальт 2,5-4,0; молибден 0,4-0,6; вольфрам 1,8-3,0; ванадий 0,15-0,30; ниобий 0,04-0,09; алюминий не более 0,015; никель не более 0,2; кальций 0,005-0,05; азот 0,04-0,10; церий 0,02-0,05; магний 0,005-0,05; бор 0,003-0,01; фосфор не более 0,015; сера не более 0,010; свинец, олово, мышьяк не более 0,006 каждого; железо - остальное, при отношении концентрации азота к концентрации углерода: , отношении суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: , и суммарном содержании вольфрама и молибдена не менее 2,3 и не более 3,2. Сталь имеет мелкозернистую структуру с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуска 740-780°C. Сталь характеризуется высоким уровнем жаропрочности, пластичности, ударной вязкости, стабильностью при длительных изотермических выдержках. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сталей для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

Известна жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, церий, кальций, азот, фосфор и серу при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,12; кремний 0,17-0,37; марганец 0,3-0,6; хром 8,0-10,0; молибден 0,6-2,0; ванадий 0,15-0,35; ниобий 0,10-0,20; церий 0,02-0,05; кальций 0,005-0,05; азот 0,03-0,07; фосфор не более 0,03; сера не более 0,015, железо остальное (RU 2229532, C22C 38/26, опубликовано 27.05.2004).

Эта сталь имеет опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводов и других элементов, работающих при температурах до 600°C включительно, но не обеспечивает возможность повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 600°C.

Известна жаропрочная сталь для деталей паровых турбин, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, серу, олово и железо. Кроме того, компоненты стали находятся в определенных соотношениях между собой (RU 2404281, C22C 38/60, C22C 3854, C22C 38/32, опубликовано 20.11.2010).

Однако указанная сталь также не отвечает требованиям к стали для тепловых энергоблоков с параметрами температуры до 650°C и давления пара до 35 МПа, которая должна иметь при температуре 650°C длительную прочность σ105 не менее 98 Н/мм2 и длительную пластичность не менее 10%.

Наиболее близкой по составу компонентов является мартенситная нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, кальций, серу, церий, олово, магний, свинец и железо (RU 2321670, C22C 38/58, опубликовано 10.04.2008).

Однако эта сталь не является жаропрочной при температурах свыше 600°C даже при схожести качественного состава компонентов со сталью по изобретению, поскольку имеет низкое содержание хрома (до 5 мас.%), достаточно высокое содержание углерода (0,05-0,5 мас.%), кобальта (5-15 мас.%), меди (до 8 мас.%), молибдена и вольфрама (до 6 мас.%), а также ванадия и ниобия.

Задачей изобретения и его техническим результатом является жаропрочная сталь со следующими характеристиками жаропрочности: длительная прочность при температуре 620°C σ620≥140 Н/мм2, при температуре 650°C σ650≥110-115 Н/мм2, длительная пластичность при температуре 650°C δ650≥20,5%.

Сущностью изобретения является жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, никель, азот, бор, фосфор, кальций, серу, церий, олово, магний, свинец, мышьяк и железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%: углерод 0,001-0,009, кремний 0,005-0,10, марганец 0,2-0,4, хром 8,5-9,5, молибден 0,4-0,6, вольфрам 1,8-3,0, кобальт 2,5-4,0, ванадий 0,15-0,30, ниобий 0,04-0,09, алюминий не более 0,015, никель не более 0,2, азот 0,04-0,10, бор 0,003-0,01, фосфор не более 0,015, кальций 0,005-0,05, сера не более 0,010, церий 0,02-0,05, олово не более 0,006, магний 0,005-0,05, свинец не более 0,006, мышьяк не более 0,006 и железо остальное, при выполнении отношения содержания азота к содержанию углерода: [N]/[C]=6-20, и отношения суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: [C]+[N]/[Nb]+[V]=0,1-0,5, причем суммарное содержание вольфрама и молибдена не менее 2,3 мас.%.

Технический результат также достигается тем, что сталь обладает мелкозернистой структурой с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуске при температуре 740-780°C.

Содержание углерода в стали по изобретению 0,001-0,009 мас.% при содержании азота 0,04-0,10 мас.% и бора 0,003-0,01 мас.% обеспечивает требуемый уровень длительной прочности. Содержание углерода более 0,009 мас.% не обеспечивает необходимого уровня длительной прочности, так как при рабочих температурах 650°C карбиды коагулируют, сильно увеличиваясь в размерах, и разупрочняют сталь.

При содержании углерода в стали 0,001-0,009 мас.% имеет место смещение термодинамического равновесия между кислородом и углеродом в системе Fe-Cr-C-O в сторону увеличения содержания кислорода (до 0,028 мас.%). Это приводит к формированию большого количества неметаллических включений в стали, преимущественно оксидов и оксисульфидов, и, следовательно, к резкому снижению длительной прочности. Поэтому сталь должна содержать такое количество элементов-раскислителей, которое при изготовлении стали обеспечивает содержание кислорода на уровне до 0,001-0,0015 мас.%. В обычных сталях с этой ролью успешно справляются алюминий и кремний. В стали по изобретению такими раскислителями являются алюминий, кремний и магний в заявленных концентрациях. Магний обладает высокой раскислительной способностью, продукты взаимодействия его с кислородом легко выводятся из расплава (ассимилируются шлаком). Кроме того, магний способствует глобуляризации неметаллических включений, уменьшает количество оксидных включений типа глинозема и шпинелей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость.

Требуемый уровень длительной прочности при сохранении необходимого уровня пластичности при рабочих температурах порядка 650°C обеспечивает использование нитридно-боридного упрочнения стали. Поддержание отношения содержания азота к содержанию углерода: [N]/[C]=6-20, и отношения суммарного содержания азота и углерода к суммарному содержанию ванадия и ниобия: [C]+[N]/[Nb]+[V]=0,1-0,5, не допускает возможности образования карбидов и карбонитридов и обеспечивает образование мелкодисперсных тугоплавких нитридов ванадия и ниобия, равномерно распределенных в объеме зерна.

Содержание кобальта в количестве 2,5-4,0 мас.% способствует уменьшению скорости диффузии легирующих элементов и, как следствие, увеличению дисперсности упрочняющих карбидных и интерметаллидных частиц, а также уменьшению количества δ-феррита в структуре стали, что приводит к увеличению характеристик длительной прочности.

Содержание вольфрама в количестве 1,8-3,0 мас.% за счет упрочнения твердого раствора и выделения фазы Лавеса Fe2W, а также содержание молибдена 0,4-0,6 мас.% повышает жаропрочность стали. При этом для достижения оптимального эффекта суммарное содержание вольфрама и молибдена должно быть не менее 2,3 мас.%, но, желательно, не более 3,2 мас.%.

Содержание бора 0,001-0,01 мас.% обеспечивает длительную прочность и длительную пластичность за счет растворения бора как поверхностно-активного элемента в граничных зонах с упрочнением границ зерен и замедлением протекания диффузионных процессов в этих участках.

Содержание ниобия 0,04-0,09 мас.% способствует получению более мелких нитридов NbN и, как следствие, повышению длительной прочности.

Содержание никеля не более 0,2 мас.% и легкоплавких элементов олова и свинца не более 0,006 мас.% каждого способствует повышению длительной прочности.

Содержание хрома 8,5-9,5 мас.% обеспечивает заданное количество, не более 10%, структурно-свободного феррита, технологичность стали в трубном производстве, ее высокую жаропрочность и ударную вязкость.

Содержание ванадия в количестве 0,15-0,30 мас.% способствует повышению длительной прочности. При содержании ванадия менее 0,15 мас.% не обеспечивается нужная жаропрочность, при содержании более 0,30 мас.% его влияние отрицательно, так как ванадий, находясь в твердом растворе, уменьшает силы межатомных связей.

Содержание в стали кальция в количестве 0,005-0,05 мас.% способствует обеспечению изотропности свойств, снижая вторичное окисление стали и способствуя равномерному распределению сульфидных и оксидных включений.

Содержание в стали церия в количестве 0,02-0,05 мас.% способствует глобуляризации неметаллических включений, уменьшает количество оксидных включений типа глинозема и шпинелей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость.

Содержание фосфора не более 0,015%, серы не более 0,010% и, дополнительно, мышьяка не более 0,006 способствует получению более высоких характеристик пластичности.

Жаропрочная сталь по изобретению обладает мелкозернистой структурой с размером зерна 10-40 нм после пластической деформации и термической обработки при температуре нормализации 1040-1060°C и отпуске при температуре 740-780°C. При температуре нормализации выше 1060° наблюдается рост зерна, а при температуре ниже 1040°C снижается длительная прочность. Температура последующего отпуска 740-780°C. Обеспечивает образование мелкодисперсных наноразмерных упрочняющих фаз.

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

Испытания проводили на материалах, выплавленных в вакуумно-индукционных печах. Испытание на растяжение проводили на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651, испытания на жаропрочность проводили на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 10 мм по ОСТ 108.901.102-78.

Из таблицы 2 видно, что сталь по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: длительную прочность при температуре 620°C σ620≥140 Н/мм2, при температуре 650°C σ650≥110-115 Н/мм2, длительную пластичность при температуре 650°C δ650≥20,5%.

Сталь рекомендуется для изготовления трубопроводов и пароперегревателей котлов со сверхкритическими параметрами (температура до 650°С, давление до 35 МПа).

Таблица 1
Содержание № плавки
элементов, мас.% 1 2 3
Углерод 0,0041 0,0052 0,0087
Кремний 0,008 0,057 0,09
Марганец 0,20 0,21 0,37
Хром 8,7 9,27 9,45
Молибден 0,4 0,50 0,60
Вольфрам 1,83 1,96 2,84
Кобальт 2,72 3,28 3,9
Ванадий 0,17 0,23 0,28
Ниобий 0,05 0,09 0,09
Алюминий 0,013 0,015 0,015
Никель 0,10 0,10 0,1
Азот 0,04 0,05 0,09
Бор 0,004 0,008 0,0098
Фосфор 0,003 0,003 0,003
Кальций 0,005 0,006 0,047
Сера 0,006 0,006 0,006
Церий 0,02 0,022 0,047
Олово 0,005 0,005 0,005
Магний 0,006 0,007 0,047
Свинец 0,005 0,005 0,005
Мышьяк 0,004 0,004 0,004
Кислород 0,0015 0,0015 0,002
Железо остальное остальное остальное

Таблица 2
Механические свойства стали № плавки
1 2 3
σВ, Н/мм2 715 723 725
Температура σ0.2, Н/мм2 630 645 623
20°С δ, % 20,6 22,8 20,5
ψ, % 75,0 75,1 72,0
σB, Н/мм2 350 361 354
Температура σ0.2, Н/мм2 343 350 354
650°C Длительная 23 3 24,4 24,1
пластичность δ650, %
ψ, % 76 80,0 78
Температура 620°С Длительная прочность σ620 за 140 150 142
105 часов, Н/мм2
Температура Длительная прочность σ650 за 111 118 112
650°С 105 часов, Н/мм2

Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-7 of 7 items.
20.06.2013
№216.012.4ca5

Износостойкая метастабильная аустенитная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитным метастабильным сталям, используемым для изготовления изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного воздействия или подвергаемых значительным ударным нагрузкам, в том числе для изготовления горнодобывающего и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485203
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.09.2013
№216.012.6bf2

Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, используемым для изготовления рабочих колес гидротурбин и насосов, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок, кавитационной эрозии и интенсивного коррозионного воздействия в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002493285
Дата охранного документа: 20.09.2013
10.11.2013
№216.012.7ce6

Электрод для ручной дуговой сварки

Изобретение может быть использовано для сварки или наплавки изделий из 13% хромистых сталей, работающих в условиях высоких нагрузок, повышенного износа и коррозионного воздействия. Стержень электрода выполнен из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод не более...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002497647
Дата охранного документа: 10.11.2013
10.12.2013
№216.012.8946

Способ модифицирования чугуна с шаровидным графитом

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к модифицированию легированного чугуна с шаровидным графитом, который используют в качестве быстроизнашивающихся деталей, например, мелющих элементов рудо- и углеразмольных мельниц. Способ включает засыпку на зеркало...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500824
Дата охранного документа: 10.12.2013
10.02.2014
№216.012.9df9

Электродное покрытие для износостойкой наплавки

Изобретение может быть использовано при изготовлении электродов для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания в сочетании с интенсивными ударными нагрузками. Электродное покрытие содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: плавиковый шпат 8,0-10,5,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506149
Дата охранного документа: 10.02.2014
11.03.2019
№219.016.dd20

Жаропрочный сплав

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, используемых для печей первичного риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола. Сплав содержит в мас.%: углерод 0,40-0,50, кремний 1,00-2,50, марганец 1,0-2,50,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002448194
Дата охранного документа: 20.04.2012
29.04.2019
№219.017.4689

Износостойкий чугун

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к износостойким чугунам с шаровидным графитом для производства мелющих элементов для смесеприготовительного оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например, при приготовлении асфальта и бетона. Износостойкий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002465362
Дата охранного документа: 27.10.2012
Showing 111-120 of 322 items.
20.02.2015
№216.013.29b6

Способ производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой

Изобретение относится к прокатному производству. Кованые заготовки, непрерывнолитые заготовки или слитки-заготовки электрошлакового переплава нагревают до температуры пластичности. Прошивают их в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы. Гильзы прокатывают на пилигримовых станах в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542135
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29ba

Способ производства труб размером вн.279х36 и вн.346х40 мм из стали марки 08х18н10т-ш для объектов атомной энергетики

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Слитки электрошлакового переплава размером 620x100х1750±50мм нагревают в методических печах до температуры 1260-1270°С, прошивают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки размером 620х вн.265x1985-2105мм, которые с холодного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542139
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29bd

Способ производства холоднокатаных товарных труб размером 150х2х1200 мм повышенной точности по диаметру и стенке из стали марки 12х12м1фбру-ш (эп 450у-ш) для реакторов нового поколения на быстрых нейтронах

Изобретение относится к металлургическому производству. Слитки ЭШП размером 485×1600±25 мм обтачивают в слитки-заготовки размером 470×1600±25 мм, сверлят сквозное отверстие диаметром 100±5 мм, нагревают до температуры 1120-1140°С, прошивают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542142
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29bf

Способ производства шестигранных труб-заготовок размером "под ключ" 175±0,4×2,5+0,3/-0,2×2680+20/-0 мм из стали марки 16х12мвсфбр-ш для реакторов аэс на быстрых нейтронах

Изобретение относится к металлургии. Способ включает отливку слитков электрошлаковым переплавом диаметром 490×вн.290 мм из труднодеформируемой стали марки 16Х12МВСФБР-Ш (ЭП823-Ш), обточку их в полые слитки-заготовки размером 480×вн.300×3000 мм, длину которых определяют по математической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542144
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29c0

Способ производства бесшовных труб размером 426×15-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10х9мфб-ш

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Слитки ЭШП обтачивают, сверлят центральное отверстие диаметром 100±5 мм с получением слитков-заготовок размером 565×100×1750±50 мм. Слитки-заготовки нагревают до температуры 1200-1210С и прошивают в гильзы размером 580×290×2040-2160 мм с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542145
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29c2

Способ производства холоднокатаных товарных труб размером 150×2×1200 мм повышенной точности по диаметру и стенке из стали марки 12х12м1бфру-ш (эп 450у-ш) для реакторов нового поколения на быстрых нейтронах

Изобретение относится к металлургическому производству. Способ включает отливку полых слитков электрошлаковым переплавом размером 490хвн.290х3000±25 мм, обточку и расточку их в полые слитки-заготовки размером 480хвн.300х3000±25 мм, нагрев до температуры 1130-1150°С и прокатку на пилигримовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542147
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29c5

Способ производства бесшовных хладостойких и коррозионно-стойких труб размером 377×9-16 и 426×9-18 мм на тпу 8-16 c пилигримовыми станами с повышенными требованиями по кривизне

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Отливают конусные слитки с прибылью размером 540/555×1650 мм и непрерывно-литые заготовки (НЛЗ) размером 550×1750-2100 мм. В слитках и НЛЗ сверлят центральное отверстие диаметром 100±5 мм. Нагревают их до температуры пластичности. Прошивают...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542150
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29c8

Способ производства бесшовных горячедеформированных механически обработанных труб размером 610×36, 53×3100-3300 мм для коммуникаций нефтеперерабатывающих заводов с повышенными требованиями по геометрическим размерам

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Слитки куют в поковки размером 630×100×1630±50 мм. В поковках сверлят сквозное центральное отверстие диаметром 100±5 мм. Заготовки нагревают до температуры пластичности и прошивают в стане винтовой прокатки на оправке диаметром 350 мм с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542153
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29cb

Способ производства товарных и передельных труб на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами из кованных заготовок, сплошных или полых слитков-заготовок электрошлакового переплава из легированных труднодеформируемых марок стали и сплавов, сплавов на основе титана

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Кованые заготовки или сплошные слитки-заготовки ЭШП нагревают до температуры пластичности и прошивают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы. Подкладные углеродистые кольца нагревают до температуры пластичности. Заряжают дорн с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542156
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29f1

Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-900°C. Жаропрочный сплав...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542194
Дата охранного документа: 20.02.2015
+ добавить свой РИД