ЖАРОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
HEAT RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к железо-хром-алюминиевым сталям, в частности к стали ферритного класса, и может быть использовано в качестве жаростойкого и коррозионностойкого листового материала толщиной от 3,0 до 22,0 мм.
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении котельного и печного оборудования, нефтехимического оборудования и другого высокотемпературного оборудования, работающего в агрессивных газовых средах при температурах до 1100°С, а в воздушной среде до 1200°С. К сталям указанного назначения предъявляются повышенные требования окалиностойкости, пластичности, сварочных свойств, необходимых для обеспечения технологичности изготовления конечной продукции.
Известны стали ферритного класса 08Х17Т, 12Х17, 08Х18Т1 и другие по ГОСТ 5623-72, применяемые для этих целей. Однако известные марки сталей не обеспечивают необходимого уровня основных физико-механических и технологических свойств и необходимой окалиностойкости при рабочих температурах.
Известна ферритная коррозионно-стойкая сталь, применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, (масс.%):
Углерод
до 0,03
Хром
12,0-25,0
Никель
5,0-18,00
Титан
0,25-0,50
Алюминий
3,00-9,20
Молибден
0,8-6,00
Лантан+иттрий
до 0,05
Железо
остальное
(см. Патент РФ RU 2352680 С1, кл. С22С 38/50)
Недостатком данной стали является нестабильность структур и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала по содержанию хрома, никеля, молибдена и алюминия. Кроме того, отсутствуют данные по регламентации содержания примесей S, Р, N и др., так как их наличие приводит к снижению окалиностойкости и технологичности в процессе изготовления изделий. При легировании хромом, титаном, алюминием и молибденом на верхнем уровне сталь трудно деформируется при горячей прокатке с образованием дефектов и резко снижается пластичность и ударная вязкость при комнатной температуре.
Наиболее близкой к предложенной стали по технической сущности и достигаемому результату является жаростойкая сталь (см. Патент РФ RU 2033466 С1, кл. С22С 38/54) следующего состава, (масс.%):
Углерод
0,01-0,065
Кремний
0,10-0,80
Марганец
0,80-1,50
Хром
8,50-16.00
Алюминий
0,05-0,25
Никель
0,50-2,50
Титан
0,05-0,25
Кальций
0,005-0,10
РЗМ
0,005-0,10
Бор
0,005-0,05
Медь
≤0,50
Сера
≤0,03
Фосфор
0,05-0,18
Азот
≤0,03
Железо
остальное
Недостатком этой стали является большой разброс по содержанию хрома, приводящий к получению различных структур стали (мартенситная, мартенситно-ферритная или ферритная), что приводит к получению нестабильных свойств. Кроме того, низкое содержание хрома и алюминия снижает жаростойкость стали. Повышенное содержание углерода и азота в присутствии бора, который распределяется в сталях неоднородно (его больше по границам зерен, чем в теле зерна), приводит к значительному снижению пластичности и ударной вязкости.
Предлагаемая жаростойкая ферритная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, алюминий, никель, титан, церий, кальций, медь, серу, фосфор, азот и железо, отличается тем, что дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов (масс.%):
Углерод
0,006-0,03
Кремний
0,10-0,30
Марганец
0,15-0,50.
Хром
16,50-18,50
Никель
0,05-0,50
Алюминий
2,50-3.00
Ниобий
0,20-0,40
Титан
0,10-0,40
Медь
≤0,15
Кальций
от более 0,01 до 0,025
Церий
0,005-0,03
Сера
0,006-0,015
Фосфор
0,006-0,020
Азот
0,008-0,02
Железо
остальное
При этом суммарное количество титана и ниобия не должно быть менее 0,35 масс.%. Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что дополнительно содержит ниобий (0,20-0,40 масс.%), что способствует при его совместном введении с титаном повышению жаростойких свойств предлагаемой стали. Необходимость совместного введения ниобия и титана в количестве более 0,35 масс.% обусловлена характером их воздействия на свойства стали. Ниобий в присутствии титана и азота образует комплексные мелкодисперсные нитриды и карбиды, располагающиеся равномерно по телу зерна и по границам, что положительно влияет на измельчение зерна и повышение пластичности. Введение этих элементов в указанном соотношении с другими элементами улучшает структурную стабильность стали и обеспечивает необходимый уровень прочностных и пластических свойств проката, что увеличивает выход годного и повышает работоспособность материала в изделиях. Кроме того, титан и ниобий связывают углерод и азот в карбиды, нитриды и карбонитриды, предотвращают выделение по границам зерен карбидов и карбонитридов хрома, что не приводит к обеднению металлической основы хромом и увеличивает жаростойкость стали. Введение ниобия увеличивает общее время до разрушения вследствие уменьшения скорости распространения трещин, обусловленного равномерным распределением карбидов по границам зерен, а не сетки карбидов.
Совместное введение этих легирующих элементов в количестве более 0,35 масс.% способствует измельчению зерна, что приводит к повышению технологической пластичности стали и снижению порога хладноломкости.
При суммарном содержании ниобия и титана ниже 0,35 масс.% их воздействие на жаропрочные свойства стали менее эффективно, снижается стойкость к окислению и уменьшаются прочностные свойства и пластичность.
Предлагаемая сталь отличается от известной меньшим содержанием углерода, 0.006-0,03, против 0,01-0,065 масс.% в известной стали, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость и окалиностойкость.
При содержании углерода выше верхнего предела снижается коррозионная стойкость и жаростойкость за счет повышенного выделения карбидов и карбонитридов по границам зерен, а также резко снижается пластичность при горячей и холодной обработке давлением.
При содержании углерода ниже указанных пределов легирования резко увеличивается стоимость выплавки стали со сверхнизким содержанием углерода.
Марганец и кремний в заданных пределах обеспечивает качественное протекание процессов выплавки предлагаемой стали. Марганец является рафинирующей добавкой, он связывает серу в устойчивые дисперсные сульфиды и способствует их более равномерному распределению во всем объеме стали. Кремний способствует повышению окалиностойкости стали (совместно с хромом).
Предлагаемая сталь отличается от известной большим содержанием хрома, 16,5-18,5 масс.%, против 8,5-16,0 масс.%, что обеспечивает высокие коррозионную стойкость и окалиностойкость (совместно с алюминием).
При содержании хрома ниже нижнего предела изменяется структура стали и снижается коррозионная стойкость и окалиностойкость, а при увеличении содержания хрома выше верхнего предела существенного повышения окалиностойкости не наблюдается, но снижается технологичность при горячей и холодной обработке давлением за счет снижения пластичности.
Допустимые примеси никеля (до 0,50 масс.%) и меди (до 0,15 масс.%) по существу не изменяют структурное состояние и механические свойства стали, но несколько улучшают состояние границ зерен феррита, повышая тем самым ее пластичность.
Предлагаемая сталь отличается от известной большим содержанием алюминия, 2,50-3,00 масс.%, против 0,05-0,25 масс.%, что способствует существенному повышению окалиностойкости стали.
При содержании алюминия ниже нижнего предела не обеспечивается необходимая окалиностойкость, а при увеличении содержания алюминия выше верхнего предела снижается пластичность и усложняется деформируемость стали как в горячем состоянии, так и в холодном.
Содержание кальция и церия в заявленных пределах в предлагаемой стали благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, приводит к повышению пластичности и ударной вязкости. Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления. При суммарном введении церия и кальция в указных пределах повышается окалиностойкость предложенной стали.
При содержании кальция и церия ниже нижнего предела их воздействие на пластичность и ударную вязкость мало эффективно, а при содержании их выше верхнего предела снижается стойкость к внутреннему окислению и уменьшается пластичность и ударная вязкость предложенной стали.
Ограничение содержания примесей фосфора и серы в предлагаемой стали способствует получению более высоких значений пластичности и окалиностойкости за счет уменьшения количества легкоплавких соединений этих примесей на границах зерен. При повышении содержания легкоплавких примесей серы, фосфора в свою очередь снижается окалиностойкость за счет увеличения неоднородности структуры стали и существенно снижается пластичность.
В таблице 1 приведены химический состав предлагаемой стали трех плавок( 1, 2, 3), а также химический состав плавки стали-прототипа (4).
Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на слитки, которые прокатывались на лист толщиной 6 мм для определения механических свойств и жаростойкости.
Предлагаемый сплав проходил термическую обработку по следующему режиму: нагрев до температуры 900°С, охлаждение в воду.
В таблице 2 приведены механические свойства стали, полученные после термообработки по вышеуказанному режиму.
Результаты исследования жаростойкости приведены в таблице 3, 4.
Как видно из таблиц 2, 3 и 4, предлагаемая сталь обладает более высокой по сравнению с прототипом жаростойкостью, более высокими механическими свойствами, стабильностью ферритной структуры, высоким уровнем горячей и холодной технологической пластичности. Использование предложенной стали в качестве материала для высокотемпературного оборудования позволяет повысить эксплуатационную надежность и обеспечить повышенный ресурс работы (котельного и печного оборудования) нефтеперерабатывающих установок и химического оборудования при температуре эксплуатации 1100-1200°С. Повышение свойств обеспечивается выбранным составом стали.
Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные испытания в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и рекомендована к промышленному опробованию.
Источники информации
Патент РФ RU 2352680 С1, 24.09.2007.
Патент РФ RU 2033466 С1. 04.12.1991.
Патент РФ RU 2033460 С1, 14.12.1991.
Патент РФ RU 2040578 С1, 08.02.1993.
Патент РФ RU 2078844 С1, 19.12.1994.
Патент РФ RU 2222633 С1, 29.04.2004 ГОСТ 5623-72.
Таблица 1
Химический состав сплавов
№п.п.
С
Si
Mn
Cr
Ni
Nb
Ti
Al
Сu
Са
Се
S
Р
N
Fe
1
0,006
0,10
0,10
16,50
0,05
0,20
0,15
2,50
0,10
0,005
0,005
0,006
0,006
0,008
Ост.
2
0,02
0,20
0,35
17,6
0,30
0,25
0,30
2,65
0,15
0,012
0,02
0,010
0,005
0,01
Ост.
3
0,03
0,30
0,50
18,50
0,50
0,40
0,40
3,00
0,15
0,025
0,03
0,015
0,02
0.02
Ост.
4
0,06
0,80
0,90
16,0
2,00
-
0,25
0,08
0,40
0,10
0,03
0,03
0,05
0,03
Ост.
Таблица 2
Механические свойства сталей
Состав стали
σ<sub>0,2</sub>, H/мм<sup>2</sup>
σ<sub>b</sub>. Н/мм<sup>2</sup>
δ, %
КСU, Дж/см<sup>2</sup>
1
355,0
495,0
35,0
210
2
358,0
515,0
32,0
215
3
365,0
520,0
35,5
200
4
320,0
430,0
24,0
95
Таблица 3
Жаростойкость сталей в среде воздуха
Состав стали
Температура, °С
Глубина проникновения коррозии, мм
1000 ч
2000 ч
3000 ч
4000 ч
1
1200
0,007
0,012
0,015
0,018
2
0,007
0,013
0,015
0,019
3
0,006
0,011
0,014
0,019
4
0,012
0.019
0,028
0,036
Таблица 4
Жаростойкость сталей в серосодержащей газовой среде
Состав стали
Температура, °С
Глубина проникновения коррозии, мм
1000 ч
2000 ч
3000 ч
4000 ч
1
1100
0,003
0,008
0,009
0,012
2
0,003
0,007
0,008
0,013
3
0,003
0,007
0,008
0,012
4
0,010
0.015
0,020
0,026