×
10.03.2015
216.013.2f57

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для элементов, используемых в атомной энергетике, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, работающих при высоких температурах. Жаропрочный сплав на никелевой основе содержит, мас.%: углерод 0,02÷0,06, кремний 0,05÷0,30, марганец 1,3÷1,7, хром 18÷20, никель 53÷56, молибден 5,0÷7,0, вольфрам 2,0÷3,0, цирконий 0,05÷0,015, азот 0,01÷0,03, иттрий 0,01÷0,05, бор 0,001÷0,005, алюминий 0,05÷0,15, железо и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокими показателями длительной прочности при температурах 650-800°C, повышенной технологичностью при изготовлении крупногабаритных поковок и при сварке. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к металлургии жаропрочных и жаростойких сплавов, предназначенных для высокотемпературных элементов энергетического, нефтехимического и атомного оборудования.

Известно, что в указанной области для работы в области высоких температур применяются сплавы Incoloy 800, Inconel 617, Nicrofer 4722Co, Nicrofer 4626 MoW, 03Х21Н32М3Б, 03Х20Н45М4Б и др. [1-4]. Однако недостаточная длительная прочность и низкая технологичность не позволяют использовать их для изготовления оборудования. Сложности, возникающие при изготовлении крупных поковок и сварных конструкций, требуют создания сплава, имеющего высокую технологичность и высокую длительную прочность.

Наиболее близким к заявляемому сплаву по составу компонентов является сплав Nicrofer 4626MoW [3], содержащий, мас.%:

углерод 0,03÷0,06
кремний 0,8÷1,2
марганец 1,2÷2,0
хром 24÷26
никель 44,0÷47,0
молибден 2,5÷3,5
вольфрам 2,5÷3,5
кобальт 2,5÷3,5
железо и примеси остальное

Жаростойкий сплав на основе никель-хром-железо с добавками молибдена и вольфрама разработан для высокой температуры. Имеет отличное сопротивление окислению, науглероживанию. Может быть использован в качестве конструкционного материала для камер сгорания газовых турбин, для конструктивных элементов оборудования нефтехимического синтеза.

Однако данный сплав не удовлетворяет требованиям для высокотемпературных элементов атомного оборудования по уровню длительной прочности и технологичности при изготовлении крупных поковок и сварных конструкций.

Сплав склонен к горячему трещинообразованию при ковке и сварке.

Техническим результатом изобретения является повышение технологичности при ковке и сварке, а также повышение длительной прочности при длительной эксплуатации при температурах 650÷800°C.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам и железо, дополнительно содержит цирконий, азот, иттрий, бор, алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,02÷0,06
кремний 0,05÷0,30
марганец 1,3÷1,7
хром 18÷20
никель 53÷56
молибден 5,0÷7,0
вольфрам 2,0÷3,0
цирконий 0,05÷0,15
азот 0,01÷0,03
иттрий 0,01÷0,05
бор 0,001÷0,005
алюминий 0,05÷0,15
железо и примеси остальное

Кроме того, Mo+W не более 9% и не менее 7%, серы не более 0,015%, фосфора не более 0,015%, S+P≤0,025%

Из заявляемого сплава будут изготавливаться элементы оборудования, в котором большое количество сварных соединений. При выборе легирующих элементов и их количестве основное внимание уделялось свариваемости и технологичности производства поковок и сварных конструкций.

Была проведена количественная оценка влияния элементов на сопротивляемость сварных швов образованию горячих трещин. Критерием стойкости сварного соединения к образованию горячих трещин является показатель технологической прочности Акр, т.е. максимальная скорость принудительной деформации свариваемых образцов, при которой не происходит образование горячих трещин [4]. Чем она выше, тем технологичнее ведет себя сплав.

Кремний оказывает отрицательное влияние на Акр, понижая его [5, 6], и поэтому в заявляемой стали допускается не более 0,3 мас.%, в то время как в известной стали имеется 0,8÷1,2 мас.%.

Марганец оказывает положительное влияние на свариваемость, повышая Акр, поэтому в заявляемом составе марганец находится в пределах 1,3÷1,7 мас.%.

Совместное воздействие снижения содержания кремния и увеличение марганца в сплаве позволяет иметь высокие технологические характеристики при сварке заявленного состава.

Хром в интервале 18÷20 мас.% упрочняет твердый раствор, связывает углерод в мелкие карбиды. При большем содержании хрома во время эксплуатации оборудования при 650÷800°C в сплаве появляется сигма-фаза и происходит коагуляция карбидов Me23C6 на границах зерен, что резко снижает длительную прочность и приводит к охрупчиванию сплава. Поэтому в предлагаемой стали содержание хрома не превышает 20% (18÷20%), тогда как в прототипе он содержится в количестве 24÷26 мас.%.

Кобальт в прототипе содержит в своем составе 0,5÷2,5 мас.%. Сплав, используемый в реакторном оборудовании, не должен содержать кобальт, т.к. он является радиоактивным элементом с большим периодом полураспада и является нежелательным. Поэтому кобальт из состава заявляемой стали полностью выведен и вместо кобальта для увеличения стабильности аустенита сплава добавляется никель. Содержание никеля в заявляемом составе 53÷56 мас.%, в то время как в прототипе его содержание находится в пределах 44÷47 мас.%.

Молибден и вольфрам являются сильными упрочнителями твердого раствора (аустенита), т.к., имея большие радиусы атома, создают искажения кристаллической решетки, препятствующие продвижению дислокаций. Но при суммарном содержании молибдена и вольфрама более 10 мас.% образуются фаза Лавеса Fe2(MoW) и µ-фаза типа Ni7 (W, Mo, Co), которые ухудшают длительную прочность при высокотемпературной эксплуатации.

Известно [7, 8], что в никелевых сплавах для увеличения прочности и стабильности свойств необходимо соблюдать соотношение . В этом случае выпадение фаз минимальное. Поэтому в заявляемую сталь были введены 5÷7 мас.% Mo и 2,3÷3,0 W вместо 2,5÷3,5 мас.% Mo и 2,5÷3,5 мас.% W, имеющихся в прототипе. Известно, что как Mo, так и W повышают Акр, улучшая свариваемость сплава [6].

Цирконий при температурах остывания слитка и ковки (1100÷1300°C) связывает углерод и азот в мелкие карбиды и карбонитриды, создавая центры кристаллизации и измельчая зерно. При эксплуатации карбонитриды циркония находятся в теле зерна, упрочняя его и повышая длительную прочность.

Алюминий вводится в сплав для улучшения раскисления, т.к. содержание другого раскислителя (Si) минимально.

Иттрий вводится в сплав для повышения высокотемпературных пластических свойств, т.к. он очищает границы зерен от примесей, вступая с ними в химические соединения. Известно [9], что введение 0,01÷0,05% иттрия в сплав Х20Н32М3Б повышает относительное удлинение на 10÷15% при температурах испытания 1000÷1250°. Технологичность при ковке слитков и поковок существенно повышается.

Бор вводится в сплав как модификатор и очиститель границ зерен, создавая с примесями тугоплавкие соединения.

Совместное действие иттрия, циркония и бора, очищающих границы зерен от легкоплавких примесей, таких как сера, фосфор, олово, мышьяк, сурьма повышает технологичность и длительную прочность сплава.

На Челябинском металлургическом комбинате были выплавлены 3 опытно-промышленные плавки весом 6 и 0,5 т из заявляемого сплава и прототипа (1 плавка). Химический состав приведен в таблице 1. Сплавы выплавлялись в вакуумно-индукционных печах и подвергались обработке давлением на промышленном прессовом оборудовании. После термической обработки (1100°C) были изготовлены образцы на кратковременное растяжение и длительную прочность, на горячее скручивание и технологическую прочность (Акр).

При разработке технологии изготовления труб из сплава необходимо проводить испытание на горячее скручивание при высоких температурах. Проведенные исследования (см. табл.2) показали, что число скручиваний заявляемого сплава при температурах 1050÷1250°C имеют более высокие значения по сравнению с известным сплавом, аналогичные результаты получены при растяжении образцов при температурах 1000 и 1100°C. Относительное сужение заявляемого сплава выше, чем известного. Оба фактора свидетельствуют о том, что заявляемый сплав гораздо технологичнее известного при высокотемпературной деформации.

Акр является показателем свариваемости материалов, характеризующим стойкость металла шва к образованию горячих трещин. Ранее были указаны элементы, снижающие и повышающие этот показатель.

Как показывает таблица 2, суммарное влияние всех элементов позволило увеличить Акр в заявляемом сплаве до 2,29÷3,49 мм/мин, тогда как в известном сплаве эта величина составляет 1,03 мм/мин.

Таким образом, сварные швы из заявляемого сплава более технологичны, и сплав может быть сварен без горячих трещин.

Испытания на длительную прочность при различных температурах (650÷850°C) проводились на 4-5 образцах каждой плавки, и результаты определения σдп за 104 час представлены в табл.3.

Известный сплав имеет предел длительной прочности ниже, чем σдп заявляемого сплава.

Это объясняется тем, что в заявляемом сплаве добавлено содержание молибдена, проведена очистка границ зерен с помощью таких элементов, как иттрий, цирконий, алюминий, бор, добавлен азот, создающий мелкие нитриды и карбонитриды, уменьшено содержание хрома и кремния.

Таблица 3
Длительная прочность сплавов
Сплав Условный № Длительная прочность на базе 104 час при температурах, °C
600 650 700 750 800 850
Заявляемый 1 195 170 90 64 45 28
2 196 180 96 65 47 31
3 200 176 100 67 48 30
Известный 4 150 130 80 60 42 26

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент РФ №2194788, кл. C22C 38/50, C22C 30/00, 2002.

2. «Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System». F. Starr and A. Shibli. International Symposium of Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.

3. Справочник «Коррозионностойкие жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы».-М.: Интермет Инжиниринг. 2000. стр. 219.

4. В.М. Заболотский и др. «Исследование свариваемости высоконикелевых аустенитных сплавов типа 03Х20Н45М3Б. Вопросы судостроения. Сварка, 1982, вып.33, стр.62-65.

5. М.Х. Шоршоров и др. «Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов».-М.: Машиностроение, 1974, с.189-198.

6. Ю.В. Дынькова и др. «Влияние кремния, алюминия, ниобия, марганца на технологическую прочность стали марки 03Х21Н32М3Б». Вопросы судостроения. Сварка, 1979 г., вып.28, стр. 69-74.

7. Ю.М. Трапезников, А.С. Михайлов. Прогнозирование склонности жаропрочной стали к выделению охрупчивающих фаз. Вопросы судостроения. Металловедение, 1985, №43.

8. Ю.М. Трапезников, А.С. Михайлов. Выбор легирующего комплекса в целях разработки материала для длительной работы при температуре до 900°C. Технология судостроения, 1985, №12.

9. Ю.М. Трапезников, Б.И. Бережко, Г.Г. Зимин. Исследование влияния технологии изготовления трубной заготовки на свойства стали 03Х20Н32М3Б. Вопросы судостроения. Сер. Металлургия, вып.29, 1980.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 31-40 из 51.
23.02.2019
№219.016.c75e

Титановый сплав для силовых крепежных элементов

Изобретение относиться к металлургии, а именно к титановым сплавам, и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и разъемов различных технологических систем реакторного оборудования атомных и термоядерных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002391426
Дата охранного документа: 10.06.2010
23.02.2019
№219.016.c79d

Титановый сплав для реакторного оборудования атомной и термоядерной энергетики

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, предназначенных для использования при производстве оборудования и в корпусных конструкциях стационарных и транспортных ядерных энергетических установок. Техническим результатом является создание сплава с улучшенным комплексом механических и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002367697
Дата охранного документа: 20.09.2009
20.03.2019
№219.016.e8fb

Способ производства низкоуглеродистого особо чистого феррохрома и хрома

Изобретение относится к способам вакуум-термической обработки ферросплавов, в частности феррохрома и хрома металлического и может быть использовано при изготовлении отливок, слитков, сварочной проволоки, электродов, порошковой проволоки, флюсов для металлургической, атомной, судостроительной,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002439187
Дата охранного документа: 10.01.2012
20.03.2019
№219.016.e95a

Способ определения работоспособности стальных газонефтепроводных труб магистральных трубопроводов

Изобретение относится к способам определения работоспособности газонефтепроводных стальных труб магистральных трубопроводов и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности. Техническим результатом является повышение информативности и полноты оценки работоспособности трубопроводов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002442114
Дата охранного документа: 10.02.2012
08.04.2019
№219.016.fed4

Состав проволоки для механизированной сварки

Изобретение относится к области металлургии и сварки, а именно к сварочным проволокам, используемым для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из немагнитной высокопрочной аустенитной азотистой стали, применяемой в различных отраслях промышленности, в частности судостроении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002437746
Дата охранного документа: 27.12.2011
29.04.2019
№219.017.3f46

Агломерированный флюс марки 48аф-55

Изобретение может быть использовано для автоматической сварки низколегированных хладостойких сталей нормальной, повышенной и высокой прочности на обычных режимах, а также форсированных режимах и повышенных скоростях сварки низколегированными проволоками. Флюс содержит, мас.%: электрокорунд...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002295431
Дата охранного документа: 20.03.2007
29.04.2019
№219.017.4442

Способ получения нанокомпозитных покрытий

Изобретение относится к электролитическим способам обработки изделий из титановых сплавов для получения защитных покрытий и может быть использовано в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, судостроительной и других отраслях промышленности. Способ включает микродуговое оксидирование...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471021
Дата охранного документа: 27.12.2012
18.05.2019
№219.017.5614

Печь пиролиза для производства непредельных углеводородов

Изобретение может быть использовано для производства этилена и других непредельных углеводородов. Пирогазовый поток подают через подающие магистрали 1 во входные патрубки двух впускных тройников 2. Пройдя через четыре выходных патрубка двух впускных тройников 2, пирогазовый поток поступает в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002345122
Дата охранного документа: 27.01.2009
20.05.2019
№219.017.5d4d

Способ микродугового оксидирования титановой проволоки для антифрикционной наплавки

Изобретение относится к сварочным материалам для специальных наплавок при изготовлении изделий из титановых сплавов. Способ включает микродуговое оксидирование в водном растворе жидкого стекла NaSiO с концентрацией 20,0±2,0 г/л при напряжении от 320 до 340 В в течение 15±2 мин при температуре...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002391449
Дата охранного документа: 10.06.2010
20.05.2019
№219.017.5d4f

Флюс для аргонодуговой сварки изделий из медно-никелевых сплавов

Изобретение может быть использовано при сварке неплавящимся электродом в среде аргона стыков труб из медно-никелевого сплава типа МНЖ5-1. Флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: фторид алюминия 56-62, фторид кальция 8-14, хлорид калия 10-20, борный ангидрид 10-20. Флюс...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002396157
Дата охранного документа: 10.08.2010
Показаны записи 31-40 из 69.
19.01.2019
№219.016.b1f5

Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины

Изобретение может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из алюминиевых полуфабрикатов переменной толщины методом сварки трением с перемешиванием. В процессе сварки проводится пошаговый контроль температуры поверхности сварного шва позади сварочного инструмента. При фиксировании...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677559
Дата охранного документа: 17.01.2019
25.01.2019
№219.016.b41a

Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах

Изобретение относится к области материаловедения, в том числе к созданию защитных керамоматричных покрытий на поверхности стали, обладающих высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах при температурах контактного взаимодействия 400-600°С за счет изменения состава и структуры их...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002678045
Дата охранного документа: 22.01.2019
20.02.2019
№219.016.bce7

Аустенитная коррозионно-стойкая сталь

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов легированных аустенитных сталей, используемых в различных отраслях промышленности для деталей ответственного назначения. Аустенитная коррозионно-стойкая сталь, содержит компоненты в следующем соотношении, в мас.%: углерод...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002284366
Дата охранного документа: 27.09.2006
20.03.2019
№219.016.e8fb

Способ производства низкоуглеродистого особо чистого феррохрома и хрома

Изобретение относится к способам вакуум-термической обработки ферросплавов, в частности феррохрома и хрома металлического и может быть использовано при изготовлении отливок, слитков, сварочной проволоки, электродов, порошковой проволоки, флюсов для металлургической, атомной, судостроительной,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002439187
Дата охранного документа: 10.01.2012
20.03.2019
№219.016.e95a

Способ определения работоспособности стальных газонефтепроводных труб магистральных трубопроводов

Изобретение относится к способам определения работоспособности газонефтепроводных стальных труб магистральных трубопроводов и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности. Техническим результатом является повышение информативности и полноты оценки работоспособности трубопроводов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002442114
Дата охранного документа: 10.02.2012
08.04.2019
№219.016.fed4

Состав проволоки для механизированной сварки

Изобретение относится к области металлургии и сварки, а именно к сварочным проволокам, используемым для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из немагнитной высокопрочной аустенитной азотистой стали, применяемой в различных отраслях промышленности, в частности судостроении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002437746
Дата охранного документа: 27.12.2011
08.04.2019
№219.016.fed5

Сталь для корпусных конструкций атомных энергоустановок

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным сталям, используемым для корпусных конструкций атомных энергоустановок. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,13-0,18, кремний 0,05-0,10, марганец 0,30-0,60, хром 2,70-3,00, никель 0,60-0,80, молибден 0,60-0,80, ванадий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002448196
Дата охранного документа: 20.04.2012
10.04.2019
№219.017.0668

Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных немагнитных коррозионно-стойких сталей, используемых в машиностроении, приборостроении, судостроении и буровой технике. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, молибден, ванадий, ниобий, бор,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002421538
Дата охранного документа: 20.06.2011
10.04.2019
№219.017.0968

Система и способ импульсного тушения пожаров на морских судах, морских платформах и объектах морского берегового базирования

Изобретение относится к противопожарной технике, к оборудованию для тушения быстроразвивающихся пожаров углеводородов на морских судах и морских платформах для добычи углеводородов и объектах морского берегового базирования с высокой степенью пожаровзрывоопасности. Техническим результатом,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002442626
Дата охранного документа: 20.02.2012
12.04.2019
№219.017.0c19

Установка пожаротушения

Установка предназначена для тушения пожаров любой мощности, преимущественно на судах, морских платформах, нефтегазовых и других пожароопасных промышленных объектах посредством интенсивной подачи воды или пены. В установке смеситель для воды и пенообразователя соединен с емкостью для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002426571
Дата охранного документа: 20.08.2011
+ добавить свой РИД