ЖАРОПРОЧНАЯ ВЫСОКОПЛАСТИЧНАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ
HEAT-RESISTANT HIGH-DUCTILE AUSTENITE STEEL

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 σ-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).
23
6
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 СrС.
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
а)
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.
r23
6
r23
6
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 СС при суммарном содержании ванадия и ниобия на нижнем пределе заявляемого состава стали. Для предотвращения карбидов хрома типа СС 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 σ-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).
23
6
гс
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 σ-фазы и карбидов СrС), т.е. сталь сохраняется немагнитной (µ≤1,01 /э) и имеет высокую пластичность.
2
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 (δ и Ψ>70%) и ударная вязкость (KCU>2,2 МДж/м) 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
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
Ψ
KCU
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
Ψ
KCU
МПа
%
МДЖ/м<sup>2</sup>
МПа
%
МДЖ/м<sup>2</sup>
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