ТЕПЛОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
HEAT-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким сталям, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для отливок деталей турбин, деталей арматуры и другого оборудования в других отраслях промышленности.
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении методом электрошлакового переплава (ЭШП) деталей арматуры, а также центробежно-литых труб и деталей для паровых турбин мощностью 300-1200 МВт с рабочими режимами при температурах 540-580°С и давлении от 2,5 до 5,0 МПа. Изобретение может быть также использовано для нефтехимического оборудования.
Известна сталь, применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, (мас.%):
Углерод
0,10-0,28
Кремний
0,05-0,37
Марганец
0,17-0,50
Хром
2,50-3,30
Молибден
0,60-0,80
Ванадий
0,20-0,40
Никель
0,05-0,40
Медь
0,03-0,30
Алюминий
0,01-0,10
Азот
0,005-0,02
Кальций
0,001-0,005
Сера
0,002-0,015
Фосфор
0,002-0,015
Олово
0,001-0,004
Мышьяк
0,002-0,005
Сурьма
0,001-0,005
Цирконий
0,003-0,010
Ниобий
0,001-0,030
Натрий
0,001-0,005
Железо
остальное
(см. Патент РФ RU 2241061 С2, кл. С22С 38/60)
Недостатком данной стали являются плохие литейные характеристики и нестабильность ударной вязкости из-за разброса интервала легирования, особенно по содержанию углерода.
Известна также литейная сталь следующего состава, (мас.%):
Углерод
0,11-0,13
Кремний
0,17-0,37
Марганец
0,90-1,40
Хром
0,80-2,50
Никель
0,20-0,60
Молибден
0,10-0,80
Ванадий
0,03-0,14
Окислы редкоземельных
металлов
0,10-0,50
Ниобий
0,01-0,06
Железо
остальное
(см. Патент РФ RU 2083716 С1, кл. С22С 38/48)
Недостатком данной стали является отсутствие регламентации по примесям (S,P и др.), что существенно снижает качество отливок и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала легирования по хрому и молибдену. Данная сталь обладает также пониженной жаростойкостью, особенно при содержании ингредиентов на нижнем уровне.
Наиболее близкой к предложенному сплаву по технической сущности и достигаемому результату является сталь (см. Патент Великобритании 1558731, кл. С22С 38/60,) следующего состава, (мас.%):
Углерод
0,05-0,20
Кремний
0,01-0,50
Марганец
0,60-2,00
Хром
≤0,80
Никель
0,10-0,60
Молибден
0,10-0.80
Ванадий
0,01-0,15
Ниобий
0,01-0,15
Цирконий
0,01-0.10
Титан
0,01-0,10
Бор
0,0005-0,005
Медь
0,20-0,60
Алюминий
0,01-0,10
Сера
≤0,002
РЗМ
0,008-0,03
Железо
остальное
Недостатками данной стали являются низкие пределы текучести и прочности и низкая окалиностойкость при содержании ингредиентов на нижнем уровне. Кроме того, при содержании углерода на верхнем уровне стали-прототипа (0,20 мас.%) сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок труб методом ЭШП.
Технический результат - получение теплостойкой стали с высокими механическими свойствами и окалиностойкостью, что обеспечивает повышение рабочей температуры турбин до 580°С. Этот результат достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, серу, церий и железо, согласно предложению дополнительно содержит фосфор, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, (мас.%):
Углерод
0,11-0,15
Кремний
0,17-0,37
Марганец
0,40-0,70
Хром
1,10-2,00
Никель
≤0,30
Молибден
0,80-1,10
Ванадий
0,20-0,35
Алюминий
0,001-0,008
Медь
≤0,30
Сера
≤0,006
Фосфор
≤0,008
Азот
0,005-0,012
Кальций
0,005-0,02
Церий
0,005-0,03
Железо
остальное
При этом суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,010-0,05 мас.%.
Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием углерода 0,11-0,15 мас.%, против 0,05-0,20 мас.% в прототипе, что обеспечивает высокую технологичность при ЭШП, центробежном литье и сварке. Вместе с тем такое содержание углерода в предлагаемой стали обеспечивает необходимую прочность и окалиностойкость.
При содержании углерода ниже нижнего предела его воздействие на служебные свойства стали малоэффективно, так как при содержании углерода 0,05 мас.% (как у прототипа) снижаются механические свойства и усложняется технология при центробежном литье, а при содержании углерода на верхнем уровне стали прототипа (0,20 мас.%) происходит повышение прочностных характеристик с одновременным резким снижением ударной вязкости за счет увеличения количества карбидов и их коалесценции и обеднения твердого раствора Mo, Сr и V, что снижает окалиностойкость стали. Кроме того, такое содержание углерода приводит к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок труб методом ЭШП.
Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием кремния 0,17-0,37 мас.%, против 0,01-0,50 мас.% в известной стали, что вполне достаточно для раскисления стали.
При содержании кремния ниже нижнего предела его воздействие на свойства стали малоэффективно, а при содержании кремния выше верхнего предела прочность и окалиностойкость повышаются, но снижается ударная вязкость и технологичность в процессе ЭШП.
Предлагаемая сталь отличается от известной большим содержанием хрома 1,10-2,00 мас.%, против не более 0,80 мас.%, что обеспечивает высокую прокаливаемость и более высокую окалиностойкость.
При содержании хрома ниже нижнего предела его действие на прокаливаемость менее эффективно, а при содержании хрома выше верхнего предела прокаливаемость и окалиностойкость несколько увеличивается, но также повышается стоимость.
Предлагаемая сталь отличается от известной повышенным содержанием молибдена (0,80-1,10 мас.%), против 0,10-0,80 мас.%, что способствует повышению прокаливаемости, прочности и окалиностойкости, не снижая пластичности и препятствуя развитию отпускной хрупкости.
При содержании молибдена ниже нижнего предела его воздействие на прочность, пластичность и окалиностойкость менее эффективно, а при содержании молибдена выше верхнего предела некоторое повышение прочности, пластичности и окалиностойкости вступает в противоречие с экономической целесообразностью.
Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,010-0,05 мас.%.
Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании со сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает пластичность, ударную вязкость и окалиностойкость, что приводит к повышению служебных и технологических свойств стали. Нижний уровень содержания алюминия определяется требованием обеспечения раскисляемости стали, а верхний уровень - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.
Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления. При суммарном введении церия и кальция в указанных пределах повышается окалиностойкость предложенной стали.
При содержании кальция и церия ниже нижнего предела суммарного содержания их воздействие на теплостойкость малоэффективно, а при содержании их выше верхнего предела суммарного содержания снижается стойкость к окислению и уменьшается теплостойкость предложенной стали.
Остаточное содержание алюминия в стали составляет 0,001-0,008 мас.%. При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению количества оксидных включений и снижению прочностных свойств стали. При увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики теплостойкости и ударной вязкости стали, что обусловлено дополнительным выделением на границе зерен нитридов алюминия.
Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора до 0,008 мас.%, против нет ограничений в стали-прототипе, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости; При повышении содержания легкоплавких примесей серы и фосфора выше заявленных пределов резко увеличивается неоднородность структуры стали, что в свою очередь снижает теплостойкость стали. При увеличении содержания углерода в стали выше заявленного происходит более интенсивное образование сегрегации фосфора, которые объединяются и образуют сетку по границам первичных аустенитных зерен, что приводит к ослаблению межкристаллитных связей. Марганец также способен усиливать охрупчивающее действие фосфора, поэтому при производстве сталей, содержащих марганец, необходимо стремиться к обеспечению в стали минимальных концентраций фосфора. Наличие в составе предлагаемой стали никеля и молибдена значительно ослабляет вредное влияние фосфора на свойства стали.
Предлагаемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием азота 0,005-0,012 мас.%, что способствует увеличению прочности за счет образования нитридов и карбонитридов ванадия и хрома. Высокодисперсные нитриды и карбонитриды этих элементов тормозят рост зерен при нагревании, что способствует сохранению высокой ударной вязкости.
При содержании азота ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании азота выше верхнего предела несколько повышается прочность, но снижается ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами.
Предлагаемая сталь отличается от известной повышенным содержанием ванадия 0,20-0,35 мас.%, против 0,01-0,15 мас.%. Ванадий способствует измельчению зерна, уменьшает склонность стали к перегреву и увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска. Ванадий способствует повышению характеристик прочности и теплостойкости. Верхняя граница содержания ванадия - 0,35 мас.%, обусловлена необходимостью требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,20 мас.% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.
При содержании ванадия ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании ванадия выше верхнего предела снижается прочность и ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами ванадия.
В таблице 1 приведены химический состав предлагаемой стали трех плавок(1,2,3), а также состав стали прототипа (4).
Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи, с разливкой металла на литые электроды с последующим переплавом ЭШП на заготовки труб диаметром 180 мм, длиной 350 мм на лабораторной установке, из которых изготавливались образцы для определения механических свойств и окалиностойкости.
В таблице 2 приведены механические свойства, полученные после термообработки: гомогенизация 1000°С, охлаждение на воздухе, закалка от 980°С в масле, отпуск при температуре 650°С, охлаждение на воздухе.
Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Определение ударной вязкости при нормальной температуре производилось на образцах Менаже по ГОСТ 9454-78.
Испытания на жаростойкость (окалиностойкость) проводились по общепринятым методикам (таблица 3).
Как видно из таблицы 2 и 3, предлагаемая сталь имеет более высокие механические свойства и окалиностойкость, чем сталь-прототип. Кроме того, предлагаемая сталь после проведенной термообработки имеет мартенситную (мартенсит отпуска) структуру, что положительно сказывается на теплостойкости стали.
Использование предложенной стали в качестве материала для отливок ЭШП тепловых турбин позволяет повысить рабочую температуру турбин до 580°С.
Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные исследования в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и рекомендована к промышленному опробованию.
Литература:
1. RU 94018908 А1, С22С 38/00, 05.05.1994.
2. RU 93025219 A, C22C 38/28, 28.04.1993.
3. RU 2081199 C1, C22C 38/26, 19.07.1995.
4. RU 2336330 C1, C21D 8/10, C22C 38/60, C22C 38/48, 25.12.2006.
5. RU 2338796 C2, C21D 8/10, C22C 38/60, C22C 38/48, 18.12.2006.
6. RU 2083716 C1, C22C 38/48, 10.02.1993.
7. RU 2241061 C2, кл. С22С 38/60, 07.09.2001.
8. Патент Великобритании 1558731, кл. С7А.
9. Патент Японии JP 2010209471 (А).
10. ЕР 2192203 (A1).
Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной сталей
Состав стали
Т<sub>исп.,</sub> °C
σ<sub>0,2</sub>,
σ<sub>b</sub>,
δ,
φ,
KCU
Н/мм<sup>2</sup>
%
Дж/см<sup>2</sup>
1
20
550
750
22,0
55,0
130,0
2
20
560
770
21,0
52,0
1250
3
20
555
765
24,0
53,0
125,0
4
20
520
655
18,0
60,0
95,0
Таблица 3
Жаростойкий предлагаемой и известной сталей
Состав стали
Среда
T<sub>исп.,</sub> °С
Скорость коррозии, мм/год
База испытаний, ч
1
Пар
610
0,09
3000
2
0,05
3
0,06
4
0.28
1
Воздух
600
0,16
3000
2
0,15
3
0,16
4
0,41