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

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может найти широкое применение в процессе изготовления фасонных отливок для коллекторов и реакционных труб печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола с температурами эксплуатации до 1200°С и давлением до 50 атм.
При изготовлении указанных труб широко применяется метод центробежного литья, предусматривающий последующую механическую обработку центробежнолитых заготовок по внутренней поверхности для удаления дефектов металлургического происхождения.
Срок службы центробежнолитых труб на агрегатах аммиака и метанола, работающих при температурах 900-1200°С и давлениях до 100 атмосфер, составляет от 20000 до 65000 часов. После его истечения их необходимо заменять, так как прочность металла резко понижается, что зачастую приводит к аварийному разрушению трубы и выходу из строя всей установки.
Снижение жаропрочности (способности материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах) труб, изготовленных из известных жаропрочных сплавов, специалисты увязывают с недостаточно высокой однородностью размеров зерен кристаллической структуры этих сплавов и относительно небольшой средней величиной этих зерен.
Известен жаропрочный сплав, описанный в RU №2194785, кл. С22С 30/00, включающий, мас.%: углерод 0,06-0,10, кремний 0,005-0,65; марганец 0,0005-0,74; хром 19,0-23,0; никель 30,0-34,0; титан 0,25-0,80; алюминий 0,0005-0.45, ванадий 0,0005-0.10; вольфрам 0,0006-0,10; железо - остальное. При этом содержание в нем примесей - серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не должно превышать следующие значения, мас.%: сера - 0,02, фосфор - 0,03, свинец - 0.01, олово - 0,01, мышьяк - 0,01, цинк - 0,01, молибден - 0,5 и медь - 0,2.
К его недостаткам следует отнести относительно невысокую температуру эксплуатации труб на его основе.
Известен жаропрочный сплав [RU №2149203, кл. С22С 30/00], содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, церий и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,40-0,50, кремний 1,8995-2,39, марганец 0,0505-0.51, хром 24-28, никель 34-36, ниобий 1,3-1,7, церий 0.08-0,12, железо - остальное и дополнительно ванадий, титан и алюминий, мас.%:
Ванадий
0,0005-0..20
Титан
0,0005-0,10
Алюминий
0,0005-0.10
Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не должно превышать следующие значения, мас.%: сера 0,03, фосфор 0,03, свинец 0,01, олово 0,01, мышьяк 0,01, цинк 0,01, молибден 0,5 и медь 0,2.
В отличие от предыдущего сплава он может эксплуатироваться в интервале температур 950-1200°С, однако при существенно низком давлении (до 10 атм). Это ограничивает области использования реакционных труб и снижает сроки их эксплуатации.
Известен жаропрочный сплав, описанный в RU №2149210, кл. С22С 38/50, 30/00 и включающий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, ванадий, титан, алюминий и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,14, кремний 0,0005-0,79, марганец 0,5005-1.21, хром 19-21, никель 31,0-34,0, ниобий 0.90-1,35, ванадий - 0,0005-0.20, титан 0,0005-0,10, алюминий 0,0005-0.10, железо - остальное
Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не должно превышать следующие значения, мас.%: сера 0,03, фосфор 0,03, свинец 0,01, олово 0,01, мышьяк 0,01, цинк 0,01, молибден 0,5 и медь 0,2.
Кроме этого, для данного жаропрочного сплава необходимо одновременное выполнение двух условий:
%Ni+32%С+0,6%Mn+%Cu=34,96984-39,406%.
%Cr+3%Ti+%V+%Mo+1,6%Si+0,6%Nb=19,5433-23,16786%.
Его существенным недостатком является тот факт, что реальная температура эксплуатации труб в печах риформинга в ряде случаев превышает показатель жаропрочности.
Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный хромоникелевый сплав с аустенитной структурой, описанный в RU №2395608, кл. С22С 30/00. Он содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, ванадий, титан, цирконий, церий, вольфрам, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк, сурьму, азот, молибден, медь и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0.1-0.14; кремний - 0.80 и менее; марганец - 0.50-1.20; хром - 22.0-25.0; никель - 33.0-36.0; ниобий - 0.90-1.35; ванадий - 0.005-0.20; титан - 0,005-0.10; цирконий - 0.10-0.25; церий - 0.005-0.10; вольфрам - 0.005-0.10; а содержание остальных компонентов не превышает следующих значений: сера - 0.025; фосфор - 0.025; свинец - 0.007; олово -0.007; мышьяк - 0.007; цинк - 0.007; сурьма - 0.007; азот - 0.01; молибден - 0.2; медь - 0.2; железо - остальное.
Данный сплав характеризуется недостаточно высокой однородностью распределения мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах, что не гарантирует хорошую воспроизводимость физико-механических показателей.
Технической задачей изобретения является оптимизация химического состава и структуры жаропрочного хромоникелевого сплава с аустенитной структурой с целью его использования для изготовления труб, эксплуатируемых при температурах до 1200°С и давлениях до 50 атм.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в жаропрочном сплаве оптимизировано содержание ряда компонентов и дополнительно введен алюминий, что позитивно отразилось на структуре сплава и его физико-механических показателях.
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является жаропрочный хромоникелевый сплав с аустенитной структурой, включающий углерод, хром, никель, железо, ниобий, церий, кремний, марганец, ванадий, титан, вольфрам, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк, сурьму, молибден, медь и дополнительно алюминий при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,10; хром 21-23; никель 30-33; ниобий 0,6-1,5; церий 0,06-0,12; кремний 0,01-0,95; марганец 0.001-0,55; ванадий - менее 0,10; титан - менее 0,10; алюминий 0,001-0,10, вольфрам - менее 0,10, железо и примеси - остальное, а содержание примесей - серы, фосфора, свинца, мышьяка, цинка, молибдена, кобальта и меди не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово+мышьяк+цинк+сурьма - 0,01; молибден - 0.20; медь - 0.10.
Кроме того, для данного сплава выполняются следующие условия:
%Ni+32%С+0,6%Mn+%Cu=31,601-34,950%.
%Cr+3%Ti+%V+%Mo+l,6%Si+0,6%Nb=23,170-26,090%.
Заявляемый сплав является чисто аустенитным, так как его структура сохраняется при нагревании. Он не упрочняется термообработкой, то есть не склонен к дисперсионному твердению, выплавляется только в индукционных печах с основной футеровкой и использованием преимущественно чистых шихтовых материалов. Отходы, обрезь и другие загрязненные материалы при выплавке заявленного сплава применяются в ограниченных количествах, не более 20% мас. Специфика плавления металла в индукционных печах за счет использования высокочастотного способа нагрева обеспечивает хорошее диспергирование компонентов сплава в процессе выплавки, а также позволяет получать сплав с низким содержанием газов и избежать науглероживания, как это происходит в электродуговой печи.
Заявленный сплав является строго литейным, и для него не требуется дополнительных мер по ограничению содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор. В указанных количествах они позитивно влияют на обрабатываемость сплава резанием.
Изделия на основе заявляемого сплава получались методом центробежного литья трубных заготовок путем заливки расплавленного сплава во вращающийся кокиль с внутренним диаметром, равным наружному диаметру получаемой трубы с последующей механической обработкой внутренней поверхности, не деформируя структуру металла.
Пример.
Основные результаты испытаний были получены при использовании сплава следующего состава, мас.%: углерод - 0,08; кремний - 0,40; марганец -0,20; хром - 22,0; никель - 30; ниобий - 1,2; церий - 0,07; ванадий - 0,03; титан - 0,04; алюминий - 0,01; вольфрам - 0,07, сера - 0,02; фосфор - 0,02; медь -0,06; молибден - 0,08; железо - остальное.
Среднюю величину зерна определяли в окуляре металлографического микроскопа на матовом стекле (ГОСТ 5639 "Сталь. Методы выявления и определения величины зерна").
Экспериментально установлено, что средняя величина зерна у заявляемого сплава составляет 254 мкм.
max
min
max
min
Однородность структуры оценивалась с помощью коэффициента неоднородности А, который определяется как отношение А=R/R, где R и R - максимальный и минимальный линейные размеры зерен в структуре сплава соответственно. В известном сплаве-прототипе А=2,672, а для заявляемого сплава А=1,08-1,12, что свидетельствует о более высокой однородности его структуры.
Испытания на длительную прочность были проведены при температуре 960°С на образцах типа ДП-5 с рабочей частью ⌀5, длиной 25 мм с прямым нагружением образцов в соответствии с ГОСТ 10145. Полученные данные позволяют построить график зависимости времени до разрушения от уровня растягивающих механических напряжений.
Значения предела длительной прочности заявляемого сплава при температуре 960°С за 100000 ч, найденные методом экстраполяции, оказались выше данных по жаропрочности сплавов прототипов.
Из описания изобретения следует, что по заявленному техническому решению удается улучшить структуру и механические свойства жаропрочного сплава, предназначенного для изготовления коллекторов и реакционных труб к печам риформинга.
Это позволяет гарантировать эксплуатацию фасонных отливок и реакционных труб печей риформинга при давлении до 50 атм и высоких температурах эксплуатации.