СТАЛЬ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ
HEAT-RESISTANT LOW ALLOYED STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к низколегированным сталям повышенной жаропрочности, применяемым при производстве корпусов и внутренних элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов и крекинговых труб, задвижек, деталей насосов, также подходит для спецкрепежа труб, трубопроводной арматуры, деталей трубопроводов, коммуникационных и печных труб, используемых в тепловых сетях и энергомашиностроении.
Известна жаропрочная сталь, предназначенная для изготовления роторов паровых турбин большой мощности (заявка на изобретение №93033596/02, С22С 38/32, 20.09.1996).
Углерод
0,19-0,30
Кремний
0,01-0,12
Марганец
0,05-0,40
Хром
2,4-3,3
Молибден
0,35-0,55
Вольфрам
0,30-0,50
Кальций
0,003-0,020
Бор
0,002-0,008
Железо
Остальное
Недостатки стали известного состава состоят в том, что сталь имеет низкие прочностные характеристики при +650°C и хладостойкость при -40°C, что влияет на эксплуатационные характеристики металлопродукции.
Наиболее близкой к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является взятая за прототип сталь (патент РФ 2277604 С1, С22С 38/48, 10.06.2006), мас. %:
Углерод
0,17-0,24
Марганец
0,35-0,65
Кремний
0,17-0,37
Хром
0,20-0,50
Никель
0,20-0,50
Ниобий
0,05-0,08
Железо
Остальное
при выполнении соотношения:
[Марганец]+0,3*[Хром]+0,5*[Никель]+0,7*[Медь]/[Ниобий]=10÷20.
Недостатком стали известного состава является недостаточная жаропрочность и пониженная ударная вязкость.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении жаропрочности стали и ударной вязкости при отрицательных температурах.
Для решения поставленной технической задачи сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод
0,10-0,16
Марганец
0,20-0,60
Кремний
0,10-0,50
Хром
4,2-5,0
Никель
0,10-0,30
Молибден
0,30-0,60
Медь
0,05-0,20
Сера
Не более 0,010
Фосфор
Не более 0,015
Железо
Остальное
при выполнении соотношения:
[Углерод]+[Марганец]/6+([Хром]+[Молибден])/5+[Кремний]/7=1,0-1,4, при этом структура состоит из мелкозернистого бейнита с баллом зерна 12÷14.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что при содержании элементов в стали в предложенном соотношении позволяет получить требуемые жаропрочность и хладостойкость стали.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,10% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,16% ухудшается ударная вязкость стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочностные характеристики. При концентрации кремния менее 0,10% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,50% снижается пластичность.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,20% прочность стали недостаточна. Содержание свыше 0,60% приводит к перерасходу легирующих элементов.
Хром обеспечивает увеличение прочности при повышенных температурах, а также обеспечивает стойкость к коррозии и окислению. При его концентрации менее 4,2% прочность при повышенных температурах ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 5,0% приводит к потере пластичности.
При содержании никеля менее 0,10% снижается прочность и ударная вязкость стали. Повышение его массовой доли свыше 0,30% экономически нецелесообразно и приводит к увеличению себестоимости.
Молибден повышает прочность и вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,30% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,60% ухудшает пластичность и приводит к перерасходу легирующих элементов.
Медь способствует повышению прочностных свойств. Но если содержание этого элемента для данного состава превышает 0,20%, то может иметь место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.
Фосфор и сера в стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации фосфора не более 0,015% и серы не более 0,010% их отрицательное влияние незначительно.
Экспериментально было установлено, что максимально влияющим параметром на получение оптимального комплекса свойств и необходимой структуры, является соотношение:
[Углерод]+[Марганец]/6+([Хром]+[Молибден])/5+[Кремний]/7=1,0÷1,4
При величине данного соотношения менее 1,0 металл обладает недостаточными прочностными характеристиками, в том числи и при повышенной температуре. При величине данного соотношения более 1,4 наблюдается ухудшение пластичности, а также ударной вязкости при отрицательных температурах.
Обеспечений бейнитной микроструктуры с баллом зерна №12-14 позволяет одновременно гарантировать и жаропрочность, и хладостойкость. Структура другого типа не позволяет этого сделать. Разнобалльность структуры приводит к резкому падению характеристик вязкости при отрицательных температурах.
Пример реализации
Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в слябы. Слябы подвергали термической обработке при следующих технологических параметрах: скорость нагрева металла - 20-30°C/ч; температура нагрева - 870°C; продолжительность выдержки 12 ч; скорость охлаждения до температуры 200°C - не более 50°C/ч. Затем слябы нагревали до температуры 1200-1260°C и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы до конечной толщины (8,0-40,0 мм) при температуре конца прокатки 830-850°C. После окончания процесса деформации осуществляли окончательное охлаждение листового проката до температуры окружающей среды. После охлаждения осуществляли нагрев до температуры 850°C с последующей выдержкой 1,5-2,5 мин/мм и охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды. Далее осуществляли еще один нагрев до температуры 730°C с последующей выдержкой 3-5 мин/мм и окончательное охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды.
Из табл. 1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы 2-3) имеет более высокие прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре KCV - 40°C. Кроме того, сталь характеризуется высокой стойкостью к общей коррозии.
При запредельных концентрациях элементов (составы 1, 5-8) прочностные характеристики при повышенных температурах и ударная вязкость стали ухудшаются. Также более низкие свойства по прочности и ударной вязкости имеет сталь по прототипу (состав 4).
Испытания при повышенных температурах показали удовлетворительные результаты даже при более высоких температурах. Так, при +650°C уменьшение значения предела текучести происходит на 6-8% в сравнении с комнатной температурой, при +700°C - на 16-18%, при +750°C - на 40-43%, что свидетельствует о гарантированном обеспечении прочности и при +700°C.