Жаропрочная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сталям, в частности, к созданию сталей, которые могут быть использованы для поковок крупногабаритных роторов и другого оборудования тепловых и газовых турбин энергетических установок с рабочей температурой до 620°С.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении поковок роторов большого диаметра, труб паропроводов и котлов с высокими характеристиками прочности, выносливости и жаропрочными свойствами при температурах до 620°С.

Применяемая сталь 15Х12 ВНМФ (ЭИ802) ГОСТ 5632-72 хорошо себя зарекомендовала при производстве заготовок роторов для газовой турбины, работающей при температурах не выше 570°С. Однако при эксплуатации при температурах выше 600°С данная сталь обладает пониженной жаропрочностью.

Известная сталь 13Х11Н2 В2МФ (ЭИ961-Ш), применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, (масс.%):

Недостатком данной стали является пониженная жаропрочность при температурах выше 570°С и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала по содержанию углерода.

Наиболее близкой к предложенной стали по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочная сталь (см. Патент РФ RU 2272852 С1, Кл. С22С 38/48) следующего состава (масс.%):

Эта сталь имеет значительные изменения характеристик жаропрочности и механических свойств при температурах выше 600°С из-за большого разброса по содержанию углерода, хрома, вольфрама, никеля и бора. Кроме того, при содержании углерода выше 0,15% сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок методом ЭШП и требует сложной термической обработки с многократными переохлаждениями для предотвращения образования трещин в поковках в процессе охлаждения от температур ковки. При содержании ферритообразующих на верхнем пределе структура стали становится мартенситно-ферритной со значительным количеством феррита, что существенно снижает жаропрочные и пластические свойства стали, а также сопротивление хрупкому разрушению.

Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит церий, кальций и алюминий при следующем соотношении компонентов (масс.%):

При этом суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 масс.%.

Предлагаемая сталь отличается от известной так же тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 масс.%.

Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании с сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, повышает жаропрочность, пластичность и ударную вязкость, очищает и упрочняет границы зерен, что приводит к общему повышению служебных и технологических свойств материала. При содержании Са и Се ниже нижнего предела их воздействие на жаропрочные свойства стали малоэффективно, а при содержании их выше верхнего предела вызывает избыточное обогащение границ зерен неметаллическими включениями, что отрицательно сказывается на свойствах стали.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления и деформируемость в горячем состоянии. При суммарном содержании церия и кальция в указанных пределах повышается длительная прочность предложенной стали.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела заданного содержания их действие на жаропрочные свойства и сопротивление хрупкому разрушению малоэффективно.

Остаточное содержание алюминия в стали составляет 0,005-0,012 масс.%. При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела в условиях ограничения по содержанию кремния не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению количества оксидных включений и снижению прочностных свойств металла. При увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики жаропрочности и ударной вязкости металла, что обуславливается дополнительным выделением на границе зерен нитридов алюминия.

Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора и серы до 0,010% каждого, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости.

Предлагаемая сталь содержит бор (0,003-0,012 масс.%), что способствует увеличению прокаливаемости, так как весь бор, находясь в твердом растворе, концентрируется в тонких слоях зерен аустенита и уменьшает скорость зарождения центров кристаллизации, кроме того такое содержание бора обеспечивает хорошее сочетание жаропрочности и окалиностойкости, а так же пониженную чувствительность к образованию трещин при сварке и электрошлаковом переплаве.

Содержание бора ниже нижнего предела малоэффективно, а содержание бора выше верхнего предела приводит к превышению предела насыщения на границах аустенита, в результате чего появляются избыточные бористые фазы (бориды), действующие как центры кристаллизации, что снижает окалиностойкость и жаропрочность стали за счет появления избыточных фаз.

Предлагаемая сталь отличается меньшим содержание углерода 0,10-0,14 масс.% против 0,11-0,20 масс.% в известной стали, что является оптимальным для обеспечения высокой технологичности в переплавных процессах, ковке и сварке. Вместе с тем такое содержание углерода для предлагаемой композиции обеспечивает высокую жаропрочность.

При содержании углерода ниже нижнего предела его действие на технологические и служебные свойства малоэффективно, а при содержании углерода выше верхнего предела ускоряется коалесценция карбидов и обеднение твердого раствора Мо, W и V, что снижает прочностные свойства и жаропрочность стали.

Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на литые электроды для получение слитков ЭШП. Полученные слитки ЭШП подвергались ковке в интервале 1230-850°С на заготовки для определения механических и жаропрочных свойств.

В таблице 1 приведен химический состав солей.

В таблице 2 приведены механические свойства, полученные после оптимальной термообработки с учетом реальных условий проведения технологических нагревов при изготовлении поковок для оборудования паровых и газовых турбин.

Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длинны с диаметром рабочей части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Определение ударной вязкости при нормальной температуре производилось на образцах типа 11 по ГОСТ 9454-78.

Жаропрочные испытания проводились по ГОСТ 3248-81 на ползучесть и по ГОСТ 10145-81 - на длительную прочность (таблица 3).

Как видно из таблиц 2 и 3, предлагаемая сталь имеет более высокие механические свойства и жаропрочность.

Использование предложенной стали в качестве материала для поковок крупногабаритных роторов для газовых и тепловых турбин, а так же трубопроводных элементов паропроводов и котлов с достижением суперсверхкритических параметров пара при давлении 300-350 МПа позволяет повысить рабочую температуру турбин до 620°С.

Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и промышленные испытания на ОАО «ОМ3-Спецсталь» и рекомендована к промышленному опробованию в условиях ОАО «Ленинградский металлический завод».

1. Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий, кальций и алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,04 мас.%.