ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ
HEAT RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.
Известна сталь, содержащая от 0,08% до 0,12% углерода; от 0,17% до 0,37% кремния; от 0,3% до 0,6% марганца; от 8,0% до 10,0% хрома; от 0,6% до 2,0% молибдена; от 0,15% до 0,35% ванадия, от 0,10% до 0,20% ниобия; от 0,02% до 0,05% церия; от 0,005% до 0,05% кальция; от 0,03% до 0,07% азота; не более 0,03% фосфора; не более 0,015% серы (см. патент RU №2229532 С2, C22C 38/26).
Указанная сталь имеет 20-летний опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводовов и других элементов, работающих при температурах до 600°C включительно, но не обеспечивает возможность повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 600°C.
Известна также сталь, выбранная в качестве прототипа, содержащая углерод; марганец; кремний; хром; вольфрам, молибден; ванадий; ниобий; церий; кальций; азот; бор; серу; фосфор и железо (см. патент РФ №2233285 С2, C22C 38/32). Однако эта сталь не обладает необходимой жаропрочностью при температурах до 650°C.
10
5
2
Одной из базовых проблем при создании тепловых энергоблоков с суперсверхкритическими параметрами уровня температур 650°C и давления от 30 до 35 МПа является необходимость разработки более жаропрочных и относительно экономичных конструкционных материалов и в том числе для пароперегревателей и паропроводов. В связи с этим поставлена задача разработки новой жаропрочной стали, обеспечивающей требуемый уровень длительной прочности σ  не менее 98 Н/мм при температуре 650°C и длительной пластичности не менее 10%. За основу разработки была принята сталь с содержанием хрома от 8% до 10% и углерода от 0,08% до 0,12%.
В результате применения оптимизированного комплексного легирования базового состава молибденом, вольфрамом, кобальтом, ванадием, ниобием, алюминием, никелем, микролегирования кальцием, церием, азотом и бором при ограничении содержания фосфора и серы была разработана новая жаропрочная сталь, отвечающая заданным требованиям.
Предложена сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит кобальт, алюминий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод от 0,08% до 0,12%; кремний от 0,15% до 0,20%; марганец от 0,4% до 0,6%; хром от 8,0% до 9,5%; кобальт от 3,0% до 4,0%; молибден от 0,4% до 0,6%; вольфрам от 1,8% до 3,0%; ванадий от 0,15% до 0,30%; ниобий от 0,04% до 0,09%; алюминий не более 0,015%; никель не более 0,2%; кальций от 0,005% до 0,05%, азот от 0,03% до 0,07%; церий от 0,02% до 0,05%; бор от 0,001% до 0,006%; фосфор не более 0,015%, сера не более 0,010%, свинец, олово, мышьяк не более 0,006% каждого; железо - остальное.
Технический результат предложенной стали заключается в том, что достигнут требуемый уровень характеристик жаропрочности (длительная прочность ,  длительная пластичность  при вышеуказанном содержании компонентов.
Введение кобальта в количестве от 3,0% до 4,0% способствует уменьшению скорости диффузии легирующих элементов и, как следствие, увеличению дисперсности упрочняющих карбидных и интерметаллидных частиц, а также уменьшению количества δ-феррита в структуре стали, что приводит к увеличению характеристик длительной прочности.
Введение алюминия способствует эффективному раскислению стали. Содержание алюминия более 0,015% приводит к образованию нитридов AlN и резкому снижению длительной прочности стали.
23
6
2
Введение вольфрама в количестве от 1,8% до 3,0% повышает жаропрочность стали за счет упрочнения твердого раствора и карбида МС, присутствующего в стали, и выделения фазы Лавеса FeW. При введении вольфрама менее 1,8% не достигается нужный эффект повышения длительной прочности, при введении вольфрама более 3% образуется недопустимое количество δ-феррита в стали и снижается ударная вязкость.
Введение бора в количестве от 0,001% до 0,006% повышает длительную прочность и длительную пластичность за счет растворения бора как поверхностно-активного элемента в граничных зонах, упрочняя границы зерен и замедляя протекание диффузионных процессов в этих участках. Содержание бора ниже нижнего предела в количестве менее 0,001% неэффективно, а выше 0,006% может привести к образованию бористых включений (боридов), которые ухудшают пластичность стали.
Ограничение содержания ниобия до 0,04%-0,09% способствует получению более мелких карбонитридов Nb(C, N) и, как следствие, повышению длительной прочности.
Ограничение содержания никеля до 0,2% и легкоплавких элементов Sn, Pb, As не более 0,006% каждого способствует повышению длительной прочности.
Содержание углерода в количестве от 0,08% до 0,12% обеспечивает требуемый уровень заданных свойств. Содержание углерода менее 0,08% не обеспечивает необходимого уровня кратковременных механических свойств и длительной прочности. Повышение содержания углерода свыше 0,12% нецелесообразно, так как ухудшает свариваемость стали.
Кремний в количестве от 0,15% до 0,20% и марганец в количестве от 0,4% до 0,6% использованы для раскисления стали. При содержании кремния менее 0,15% образуются плохо удаляемые жидкие силикаты, при содержании кремния от 0,15% до 0,20% образуются твердые хорошо удаляемые включения кремнезема, при содержании кремния более 0,20% усиливается склонность стали к тепловой хрупкости. При введении марганца менее 0,4% - низкая раскислительная способность кремния, более 0,6% - практически не влияет на раскислительную способность, поэтому нецелесообразно.
Содержание хрома от 8,0% до 9,5% обеспечивает заданное количество, не более 10% структурно-свободного феррита, технологичность стали в трубном производстве, высокую жаропрочность и ударную вязкость стали. При содержании менее 8,0% хрома понижается жаропрочность стали, при содержании более 9,5% хрома в структуре стали возрастает доля структурно-свободного феррита, понижаются ударная вязкость и технологические свойства.
Содержание молибдена от 0,4% до 0,6% обеспечивает жаропрочные свойства стали. Содержание молибдена менее 0,4% не обеспечивает нужной степени легирования твердого раствора, карбидной фазы и жаропрочности, свыше 0,6% экономически нецелесообразно.
Содержание ванадия в количестве от 0,15% до 0,30% способствует повышению длительной прочности. При содержании ванадия менее 0,15% не обеспечивается нужная жаропрочность, при содержании более 0,30% его влияние отрицательно, так как ванадий, находясь в твердом растворе, уменьшает силы межатомных связей.
Содержание кальция от 0,005% до 0,05% повышает изотропность свойств, снижая вторичное окисление стали и способствуя равномерному распределению сульфидных и оксидных включений. Содержание кальция в количестве менее 0,005% нецелесообразно в связи с отсутствием влияния малых концентраций этого элемента на характер неметаллических включений и изотропных свойств стали. Введение кальция в количестве более 0,05% вызывает технологические трудности. В случае применения металлического кальция эти трудности выражаются в сильном пироэффекте и выбросах жидкой стали. В случае применения силикокальция недопустимо увеличивается содержание кремния в стали.
Содержание церия в количестве от 0,02% до 0,05% способствует глобуляризации неметаллических включений, уменьшает количество оксидных включений типа глинозема и шпинелей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость. При содержании церия менее 0,02% указанный эффект не достигается. Содержание церия более 0,05% может привести к повышению загрязненности стали сложными включениями.
Азот в количестве от 0,03% до 0,07% вводится в сталь с целью повышения жаропрочности за счет образования тугоплавких и мелкодисперсных соединений типа карбонитридов V(C, N). При содержании менее 0,03% азота образование карбонитридов не наблюдается. Введение азота более 0,07% может способствовать образованию в слитках раковин и пузырей.
Ограничение содержания фосфора до 0,015% и серы до 0,010% способствует получению более высоких характеристик пластичности.
Применение принципа поликомпонентного легирования при совокупном влиянии перечисленных элементов позволило получить сталь с высоким уровнем служебных и экономических характеристик, как-то: жаропрочность, пластичность, ударная вязкость, стабильность при длительных изотермических выдержках, технологичность и экономичность в металлургическом производстве.
Произведено опробование из предлагаемой стали трубной продукции. На Челябинском филиале ОАО «Уральская кузница» выплавлена промышленная плавка весом 6 тонн способом электроплавки с последующим электрошлаковым переплавом. На ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» изготовлены трубы размером 325×34 мм, на ОАО «Первоуральский новотрубный завод» - трубы размером 32×6 мм. Изготовленная продукция соответствовала заданным требованиям и признана годной.
Химический состав стали приведен в таблице 1, а механические свойства - в таблице 2.
Испытания проводили на материалах, выплавленных в электродуговых печах с последующим электрошлаковым переплавом. Испытание на растяжение проводили на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651, испытания на жаропрочность проводили на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 10 мм по ОСТ 108.901.102-78.
Из таблицы 2 видно, что минимальные значения длительной прочности предлагаемой стали превышают значения известной стали. Если предел длительной прочности известной стали составляет ,  то предлагаемой стали -  а
Сталь рекомендуется для изготовления трубопроводов и пароперегревателей котлов со сверхкритическими параметрами (температура до 650°C, давление до 35 МПа).