ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
HEAT-RESISTANT CHROME-NICKEL ALLOY WITH AUSTENITIC STRUCTURE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам жаропрочных хромоникелевых сплавов с аустенитной структурой, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб для метанольных, аммиачных и других нефтегазоперерабатывающих установок с температурным режимом 800-1100°С и давлением до 50 атмосфер.
Срок службы центробежнолитых труб, работающих при температурах 800-1100°С и давлениях до 50 атмосфер, составляет от 20000 до 65000 часов. После такого длительного периода эксплуатации их прочность в рабочих условиях (температура, давление) резко понижается, что может привести к аварийному разрушению трубы и выходу из строя всей установки.
Возможными причинами недостаточно высокой жаропрочности труб, изготовленных из известных жаропрочных хромоникелевых сплавов, являются увеличенный относительный размер частиц вторичных карбидов их низкая однородность и неравномерность распределения в аустенитных зернах жаропрочного сплава.
Известен жаропрочный сплав, описанный в RU №2149206 (заявка 98109103/02 от 13.05.1998 г.), кл. С22С 30/00, опубл. 20.05.2000 в БИ №14 и содержащий в мас.%: углерод 0,35÷0,45; хром 24,0÷27,0; никель 34,0÷36,0; ниобий 1,30÷1,70; кремний 1,1995÷1,59; марганец 1,0005÷1,51; ванадий 0,0005÷0,20; титан 0,0005÷0,10; алюминий 0,0005÷0,10; железо - остальное. Содержание в сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01; молибден - 0,50; медь - 0,20. Кроме того, для данного жаропрочного сплава необходимо одновременное выполнение двух условий, мас.%:
%Ni+32%С+0,6%Mn+%Cu=46?94184-51?506;
%Cr+3%Ti+%V+%Mo+l,6%Si+0,6%Nb=26,7017-30,59154.
К его недостаткам можно отнести повышенную ползучесть реакционных труб при воздействии высоких значений температуры и напряжений, которая обусловлена недостаточно высокой однородностью распределения вторичных карбидов в кристаллической структуре металла.
Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный хромоникелевый сплав, описанный в RU №2395606, кл. С22С 30/00 и включающий, мас.%: углерод - 0,35-0,45; кремний - 1,20-1,60; марганец - 1,00-1,50; хром - 24,0-27,0; никель - 34,0-36,0; ниобий - 1,40-1,90; титан -0,1-0,25; цирконий - 0,10-0,25; церий - 0,005-0,10; вольфрам - 0,005-0,10; сера ≤0,02; фосфор ≤0,02; свинец ≤0,007; олово ≤0,007; мышьяк ≤0,007; цинк ≤0,007; сурьма ≤0,007; азот ≤0,02; молибден ≤0,5; медь ≤0,2; железо - остальное, при выполнении следующих условий, мас.%:
%Ni+32%С+0,6%Mn+%Cu=48,65÷51,50;
%Cr+3%Ti+Mo+l,6×Si+0,6×Nb+W=27,065÷29,6025.
Известный сплав характеризуется повышенным разбросом содержания углерода, что обусловливает колебание эксплуатационных показателей жаропрочных труб на его основе.
Технической задачей изобретения является оптимизация химического состава жаропрочного хромоникелевого сплава с аустенитной структурой с целью повышения его физико-механических показателей и, соответственно, жаропрочности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в жаропрочном хромоникелевом сплаве снижено содержание ниобия, введены новые компоненты - ванадий, алюминий и кобальт, что позитивно отразилось на структуре сплава и его физико-механических показателях. Одновременно с этим сужены интервалы варьирования содержания углерода, титана и марганца.
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является жаропрочный хромоникелевый сплав с аустенитной структурой, включающий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, титан, цирконий, церий, вольфрам, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк, сурьму, азот, молибден, медь, железо и дополнительно алюминий, ванадий и кобальт, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,40-0,45; кремний 1,10-1,50; марганец 1,10-1,40; хром 24,0-27,0; никель 33,0-35,0; ниобий 0,6-1,1; титан 0,05-0,15; цирконий 0,01-0,20; церий 0,005-0,10; вольфрам 0,005-0,10; алюминий 0,01-0,05; ванадий 0,0005-0,10; кобальт 0,01-0.10; железо и примеси - остальное, а содержание примесей - серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, сурьмы, азота, молибдена и меди - не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01; сурьма - 0,01; азот - 0,01; молибден - 0,20; медь - 0,20.
Заявленный жаропрочный хромоникелевый сплав относится к высокоуглеродистым аустенитным и для его выплавки используются только индукционные печи с основной футеровкой с применением чистых шихтовых материалов. Применение указанного способа плавления шихты обеспечивает хорошее перемешивание компонентов сплава, что дополнительно снижает отрицательное воздействие ликвационных процессов.
Указанный сплав является строго литейным (не является деформируемым, т.е. не поддается прессованию, ковке или прокатке), поэтому не требуется дополнительных мер по существенному ограничению содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор, резко снижающих пластичность сплава и не позволяющих производить его деформирование без разрушения. В свою очередь, сера и фосфор в заявленных количествах улучшают обрабатываемость сплава резанием.
Изделия на основе заявляемого жаропрочного хромоникелевого сплава получались из центробежнолитых трубных заготовок или отливок, изготовленных путем заливки расплавленного жаропрочного сплава во вращающийся кокиль (для центробежнолитой трубы) или в специально подготовленную форму (для фасонной отливки). При его производстве на завершающей стадии в расплавленный металл вводят по специальным режимам некоторые легирующие компоненты (титан, ванадий и др.) во избежание их окисления и угара. В дальнейшем после кристаллизации жаропрочного сплава полученные литые заготовки подвергались механической обработке без деформации структуры материала, то есть путем расточки.
Пример. Основные результаты исследований были получены при использовании сплава следующего состава, мас.%: углерод 0,42; кремний - 1,20; марганец - 1,15; хром - 25; никель - 35; ниобий - 0,9; титан - 0,10; цирконий - 0,10; церий - 0,05; вольфрам - 0,05; алюминий - 0,03; ванадий - 0,04; кобальт - 0,02; железо - остальное.
Для проведения исследований жаропрочных свойств заявленного сплава от торцевой части изготовленной центробежнолитой трубной заготовки вырезали патрубок длиной 150 мм, из которого изготавливали образцы для испытаний. При этом направление оси вырезаемых образцов совпадало с направлением оси центробежнолитой трубы.
max
min
max
min
Среднюю величину зерна определяли в окуляре металлографического микроскопа на матовом стекле (ГОСТ 5639 «Сталь. Методы выявления и определения величины зерна»); Равномерность распределения мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах жаропрочного сплава оценивалась с помощью коэффициента К, который определяется как отношение K=R/R, где R и R - максимальное и минимальное расстояние между мелкодиспергированными частицами вторичных карбидов в аустенитных зернах жаропрочного сплава соответственно. В известном сплаве-прототипе А=5,0, в заявленном - 4,6, что свидетельствует о повышении однородности мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах заявленного сплава.
Испытания на длительную прочность были проведены при температуре 960°С на образцах типа ДП-5 с рабочей частью ф5, длиной 25 мм на испытательных машинах типа МПЗ с прямым нагружением образцов в соответствии с ГОСТ 10145.
Полученные данные позволяют построить график зависимости времени до разрушения от уровня растягивающих механических напряжений.
Испытание механических свойств было выполнено при температурах 20 и 960°С на образцах с рабочей частью ф5, длиной 25 мм по ГОСТ 9651 на машине FP-100/1 при скорости растяжения образца 2 мм/мин.
Полученные результаты исследования жаропрочного сплава представлены в таблице.
Таблица.
Физико-механические показатели предлагаемого сплава.
Наименование показателя
Значение показателя
Предел прочности на разрыв, МПа, при
20°С
600
960°С
130
Предел текучести (σ<sub>02</sub>), МПа, при
20°С
300
960°С
125
Характеристика ползучести (напряжение на разрыв за 100000 часов), Мпа
19,4
Из описания изобретения и таблицы следует, что по заявленному техническому решению удается улучшить аустенитную структуру и механические свойства жаропрочного хромоникелевого сплава и тем самым повысить его жаропрочность. Это позволит использовать сплав при изготовлении изделий, эксплуатируемых при температурах до 1100°С и давлении до 50 атм.