ЖАРОПРОЧНЫЙ ЖЕЛЕЗО-ХРОМ-НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ
HEAT-RESISTANT IRON-CHROME-NICKEL ALLOY

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов, содержащих в качестве основы железо, хром, никель, молибден, вольфрам, а также углерод, кремний, марганец, церий, титан, алюминий. Данная сталь предназначена для изготовления установок, работающих длительное время при повышенных до 680°С температурах.
Известно, что в указанной области техники для работы в области температур 620-680°С применяются стали марок NF707, NF709, HR3C.
Однако недостаточная длительная прочность этих материалов не позволяет использовать их при температурах выше 650°С. Наиболее близким к заявленному сплаву по составу компонентов является сплав на железо-хром-никелевой основе, содержащий, мас.% [1]:
Углерод
0,05-0,12
Кремний
0,20-0,60
Марганец
1,00-2,00
Хром
14,00-16,00
Никель
34,00-38,00
Вольфрам
2,80-3,50
Титан
1,10-1,50
Железо и примеси
остальное
Данная марка стали предназначена для изготовления поковок дисков, лопаток, крепежных деталей, плоских пружин для длительной работы до 650°С. Однако длительная прочность известной стали не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современному теплоэнергетическому оборудованию.
650
5
10
Техническим результатом настоящего изобретения является создание жаропрочной стали, обладающей повышенным уровнем длительной прочности не менее 140 МПа на базе 100000 часов при температуре 650°С (σ  ≥140 МПа).
Технический результат достигается тем, что в состав материала, выбранного в качестве прототипа, дополнительно вводится молибден, алюминий и церий, а также повышено содержание хрома, ограничено содержания углерода, вольфрама и вредных примесей (серы, фосфора, олова, сурьмы и мышьяка), мас.%:
Углерод
0,005-0,010
Кремний
0,20-0,40
Марганец
1,00-2,00
Хром
16,0-18,0
Никель
34,0-38,0
Вольфрам
1,80-2,30
Молибден
0,50-0,80
Титан
1,10-1,50
Алюминий
0,08-0,15
Церий
0,05-0,10
Железо и примеси
остальное
При этом должны соблюдаться следующие соотношения:
- суммарное содержание примесей (S+P+Sn+Sb+As) должно быть не более 0,030%;
- хромовый эквивалент:
экв
Cr=Cr+2Si+1,5Mo+0,75W+5,5Al+1,5Ti≤25;
- никелевый эквивалент:
экв
Ni=Ni+0,5Mn+30C≤40;
- суммарное содержание молибдена и вольфрама не должно превышать 3 вес.%.
3
Соотношение указанных легирующих элементов выбрано таким образом, чтобы сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала требуемый уровень длительной прочности и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях эксплуатации оборудования. Кроме того, при указанном содержании легирующих элементов достигается эффект наноструктурного упрочнения за счет выделений мелкодисперсных интерметаллидных частиц γ'-фазы типа Ni(Al, Ti), которые образуются при старении.
В заявляемой марке стали по сравнению с прототипом снижено содержание углерода до минимально достижимого на практике при выплавке в вакуумно-индукционной печи: не более 0,01% вместо не более 0,12% в известной стали. Это приводит к тому, что при длительной службе в сплаве образуется небольшое количество карбидов хрома, которое не охрупчивает сплав.
2
2
В химический состав заявленной стали был введен молибден, что позволило повысить прочность и пластичность при кратковременной и длительной эксплуатации, за счет выделения фаз Лавеса типа FeMo и твердых растворов типа Fe(Mo,W).
Церий 0,05-0,10 мас.% повышает технологичность при горячей пластической деформации. При содержании церия до 0,1% он действует как модификатор и измельчает структуру слитка, в конечном счете, повышает технологическую пластичность и длительную прочность.
3
Алюминий вводится для образования при старении интерметаллидных частиц γ'-фазы типа Ni(Al, Ti), выделение которых приводит к повышению длительной прочности.
Хром в жаропрочных сталях и сплавах повышает сопротивление окислению при высоких температурах, причем тем больше чем выше его содержание. У аустенитных сталей хром увеличивает энергию связи атомов кристаллической решетки γ-твердого раствора, несколько повышает жаропрочные характеристики и температуру рекристаллизации легированного аустенита. В связи с этим содержание хрома было увеличено до 16-18% по сравнению с 14-16% в известной стали.
Но при чрезмерном увеличении содержания хрома и образовании ферритной составляющей в сложнолегированных жаропрочных аустенитных сталях наблюдается резкое падение жаропрочности, поэтому содержание хрома ограничивается 18%.
Повышение содержания углерода и хрома выше указанного в формуле, способствует выделению карбидов и ускоренной их коагуляции по границам зерен, уменьшению дисперсности выделяющихся фаз, что ведет к снижению характеристик длительной прочности.
При длительном воздействии повышенных рабочих температур до 650°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как, S, P, Sn, Sb и As, на границах зерен, что может привести к появлению участков межзеренного разрушения. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, повышение критической температуры хрупкости стали. В связи с этим необходимо ограничивать суммарное содержание данных элементов (S+P+Sn+Sb+As) не более 0,030%.
Были произведены 3 опытно-промышленные плавки на ООО "Ласмет" весом по 100 кг. Сплав выплавлялся в вакуумно-индукционных печах емкостью 0,5-12 т. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.
Вакуумная выплавка обеспечивает существенное уменьшение содержания как вредных примесей (особенно серы), так и примесей цветных металлов. Этот рафинирующий эффект создает резерв повышения деформируемости сплава, особенно в сочетании с применением при выплавке чистых шихтовых материалов.
Материал подвергался термической обработке, после чего были изготовлены образцы на статическое растяжение и длительную прочность.
Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1, механические свойства и характеристики длительной прочности - в таблице 2 и 3 соответственно.
Результаты сравнительных испытаний металла плавок показывают преимущество сплава заявленного состава по кратковременным механическим свойствам и по длительной прочности.
Суммарное содержание примесей для 3-х плавок:
1
(S+P+Sn+Sb+As)=0,025;
2
(S+P+Sn+Sb+As)=0,027;
3
(S+P+Sn+Sb+As)=0,029.
Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной марок стали
Сплав
Условный номер плавки
Механические свойства при температуре испытания 650°С
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
не менее
Предлагаемый
1
635
467
25,9
42,6
2
644
459
27,5
40,8
3
638
462
32,3
39,7
Известный
4
620
440
20
34
Примечания:
1. Приведены усредненные результаты по 3-м образцам на точку.
ст1
ст1
ст2
ст2
2. Образцы испытаны после аустенизации при температуре 1100°С, двойного старения по следующему режиму: Т=850°С, τ=10 ч, Т=700°С, τ=50 ч, охлаждение на воздухе.
Таблица 3
Предел длительной прочности предлагаемой и известной марок стали
Сплав
Условный номер плавки
Предел длительной прочности на базе 10<sup>5</sup> часов при 650°С, МПа
Предлагаемый
1
185
2
172
3
175
Известный
4
160
Источники информации
1. Л.Я.Либерман, М.И.Пейсихис. Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении. Часть 2. - ЦКТИ, Ленинград, 1966. - 200 с.
2. "Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System", F.Starr and A.Shibli International Symposium on Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.
3. К.А.Ланская. Жаропрочные стали. - Москва, Металлургия, 1969. - 246 с.