Результат интеллектуальной деятельности: ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ

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 σ₁₀ ⁵ 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).