RU2107109C1

RU2107109C1 - High-temperature austenitic steel

Info

Publication number: RU2107109C1
Application number: RU94037343/02A
Authority: RU
Inventors: Н.Д. Афанасьев; н О.С. Мурад; О.С. Мурадян; Д.М. Гурков; В.Ф. Ощепков; х А.П. Л; А.П. Лях
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Бумагоделательного машиностроения"
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 1998-03-20
Also published as: RU94037343A

Abstract

FIELD: metallurgy, in particular, high-temperature steels; applicable in production of centrifugal pipes designed for manufacture of coil pipes of tube furnaces, rollers and other parts operating in corrosive media at high temperatures and pressures. SUBSTANCE: steel contains components in the following quantities, wt.%: carbon 0.2-0.3; silicon 1.0-3.0; manganese 4.0-6.0; nickel 14.0-16.0; chromium 24.0-26.0; nitrogen 0.2-0.5; zirconium 0.005-0.05; the balance, iron. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сталям, и может быть использовано при производстве центробежных труб, предназначенных для изготовления змеевиков трубчатых печей, роликов и других деталей, работающих в условиях с агрессивными средами, высоких температур и давлений. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to heat-resistant steels, and can be used in the manufacture of centrifugal pipes intended for the manufacture of coils of tubular furnaces, rollers and other parts operating in aggressive environments, high temperatures and pressures.

Известен немагнитный сплав, содержащий (мас.%):
Марганец - 2,95... 4,9
Никель - 13,5... 29
Хром - 23... 26
Медь - 3... 6,39
Молибден - 3,75... 6
Азот - 0,1... 0,45
Ниобий - 0,3... 2,07
Ванадий - менее 1
Титан - менее 1
Кобальт - менее 5
Церий, лантан - менее 0,3
Сплав характеризуется высокой коррозионной стойкостью в растворах, содержащих хлориды, улучшенной свариваемостью, высокими литейными свойствами [1] .Known non-magnetic alloy containing (wt.%):
Manganese - 2.95 ... 4.9
Nickel - 13.5 ... 29
Chrome - 23 ... 26
Copper - 3 ... 6.39
Molybdenum - 3.75 ... 6
Nitrogen - 0.1 ... 0.45
Niobium - 0.3 ... 2.07
Vanadium - less than 1
Titanium - less than 1
Cobalt - less than 5
Cerium, lanthanum - less than 0.3
The alloy is characterized by high corrosion resistance in solutions containing chlorides, improved weldability, and high casting properties [1].

К недостачам известного сплава можно отнести значительный разброс свойств, в том числе предела прочности и длительной прочности при изменении содержания никеля от 13,5 до 29%. Кроме того, присутствие сильных нитридообразующих (таких, как ванадий до 1%, титан до 1%, ниобий до 2,07%) при содержании азота до 0,45 приводит к резкому снижению механических свойств сплава. The disadvantages of the known alloy include a significant variation in properties, including tensile strength and long-term strength with a change in the nickel content from 13.5 to 29%. In addition, the presence of strong nitride-forming (such as vanadium up to 1%, titanium up to 1%, niobium up to 2.07%) with a nitrogen content up to 0.45 leads to a sharp decrease in the mechanical properties of the alloy.

Известная прочная аустенитная сталь, содержащая (мас.%):
Углерод - менее 0,02
Кремний - менее 0,7
Марганец - 1,5...6,5
Никель - 17,5...30
Хром - 23...35
Молибден - 1,5...5,5
Азот - 0,15...0,45
более одного элемента из группы: ниобий, тантал, ванадий менее 15% [2].Known strong austenitic steel containing (wt.%):
Carbon - less than 0.02
Silicon - less than 0.7
Manganese - 1.5 ... 6.5
Nickel - 17.5 ... 30
Chrome - 23 ... 35
Molybdenum - 1.5 ... 5.5
Nitrogen - 0.15 ... 0.45
more than one element from the group: niobium, tantalum, vanadium less than 15% [2].

К недостаткам известного сплава можно отнести значительный разброс свойств при изменении содержания никеля от 17,5 до 30%, хрома от 23 до 35%. Кроме того, содержание в стали ниобия, тантала, ванадия в количестве до 15% при высоком содержании азота приводит к образованию очень крупных нитридов, являющихся концентраторами напряжения, что вызывает растрескивание металла, снижение длительной прочности при высоких температурах. The disadvantages of the known alloy include a significant range of properties when changing the nickel content from 17.5 to 30%, chromium from 23 to 35%. In addition, the content of niobium, tantalum, vanadium in steel in an amount of up to 15% at a high nitrogen content leads to the formation of very large nitrides, which are stress concentrators, which causes cracking of the metal and a decrease in long-term strength at high temperatures.

Известна сталь для металлических приспособлений печей обжига керамики, содержащая (мас.%):
Углерод - менее 0,20
Кремний - 1...4
Марганец - менее 2
Никель - 10...15
Хром - 20...25
Бор - 0,003...0,05
Азот - 0,02...0,2
Алюминий - 2...4
по крайней мере один из элементов молибден, вольфрам, тантал, ниобий, титан в количестве 0,2...1% в целом. Металлические приспособления, используемые в печах наряду с высокой жаропрочностью, имеют высокое сопротивление высокотемпературному окислению [3].Known steel for metal fixtures of kiln ceramics containing (wt.%):
Carbon - less than 0.20
Silicon - 1 ... 4
Manganese - less than 2
Nickel - 10 ... 15
Chrome - 20 ... 25
Boron - 0.003 ... 0.05
Nitrogen - 0.02 ... 0.2
Aluminum - 2 ... 4
at least one of the elements is molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, titanium in an amount of 0.2 ... 1% as a whole. Metal appliances used in furnaces along with high heat resistance have high resistance to high temperature oxidation [3].

К недостаткам стали можно отнести высокую окисленность жидкой стали в присутствии 2-4% алюминия, высокое содержание кислорода и серы и как следствие неудовлетворительные механические свойства. Кроме того, присутствие в стали указанного количества алюминия (до 4%), ниобия, титана (до 1%), тантала и азота приводит к образованию очень крупных нитридов (уже в процессе выплавки в жидкой стали) и отсутствию твердого раствора внедрения азота (весь азот находится в связанном состоянии). The disadvantages of steel include the high oxidation of liquid steel in the presence of 2-4% aluminum, a high content of oxygen and sulfur, and, as a result, poor mechanical properties. In addition, the presence in the steel of a specified amount of aluminum (up to 4%), niobium, titanium (up to 1%), tantalum and nitrogen leads to the formation of very large nitrides (already in the process of smelting in liquid steel) and the absence of a solid solution of nitrogen incorporation (all nitrogen is bound).

Присутствие в стали крупных нитридов - концентраторов напряжения, отсутствие твердого раствора внедрения азота приводит в растрескиванию стали под нагрузкой и резкому снижению прочностных характеристик, в том числе и длительной прочности при высоких температурах. The presence in steel of large nitrides - stress concentrators, the absence of a solid solution of nitrogen incorporation leads to cracking of steel under load and a sharp decrease in strength characteristics, including long-term strength at high temperatures.

Задачей изобретения является исключение указанных недостатков и повышение прочностных характеристик. Для решения указанной задачи предлагается жаропрочная аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, азот, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении элементов:
Углерод - 0,20...0,30
Кремний - 1,0...3,0
Марганец - 4,0...6,0
Никель - 14,0...16,0
Хром - 24,0...26,0
Азот - 0,20...0,50
Цирконий - 0,0005...0,05
Железо - Остальное
Введение в сталь повышенного в сравнении с прототипом азота (0,2...0,5%) при содержании циркония 0,0005...0,5% обеспечивает оптимальную температуру образования мелкодисперсных нитридов и их оптимальное количество, при этом остальной - несвязанный - азот присутствует в твердом растворе. Повышению растворимости азота в твердом растворе аустенита способствует и повышенное по сравнению с прототипом содержание марганца.The objective of the invention is the elimination of these disadvantages and increase the strength characteristics. To solve this problem, we propose heat-resistant austenitic steel containing carbon, silicon, manganese, nickel, chromium, nitrogen, characterized in that it additionally contains zirconium, in the following ratio of elements:
Carbon - 0.20 ... 0.30
Silicon - 1.0 ... 3.0
Manganese - 4.0 ... 6.0
Nickel - 14.0 ... 16.0
Chrome - 24.0 ... 26.0
Nitrogen - 0.20 ... 0.50
Zirconium - 0.0005 ... 0.05
Iron - Else
The introduction of higher nitrogen in comparison with the prototype steel (0.2 ... 0.5%) with a zirconium content of 0.0005 ... 0.5% provides the optimum temperature for the formation of finely dispersed nitrides and their optimal amount, while the rest is unbound - nitrogen is present in solid solution. To increase the solubility of nitrogen in a solid solution of austenite contributes to increased compared with the prototype content of manganese.

Все это обеспечивает максимальные механические свойства стали, в том числе и длительную прочность при высоких температурах. Следует отметить, что сталь предложенного состава имеет хорошие линейтые свойства, свариваемость, высокую коррозионную стойкость. All this provides maximum mechanical properties of steel, including long-term strength at high temperatures. It should be noted that the steel of the proposed composition has good linear properties, weldability, and high corrosion resistance.

Сталь выплавляли в индукционной печи с легированием азотом азотированными ферросплавами. В таблице приведены химический состав предлагаемой стали и стали-прототипа. Из таблицы видно, что при запредельных значениях по содержанию азота и циркония предел прочности при 20^oC и предел длительной прочности при высоких температурах уменьшается, что можно объяснить неоптимальной температурой нитридообразования и неоптимальным соотношением связанного и растворенного азота. Оптимальными являются составы стали в заявленных пределах. Сталь-прототип вследствие высокого содержания нитридообразующих (алюминия, ниобия и др. ) и азота имеет показатели прочности существенно ниже. Высоконикелиевая сталь также имеет прочностные характеристики ниже, чем заявленная сталь, что можно объяснить отсутствием азота в твердом растворе и высоким содержанием никеля в стали.Steel was smelted in an induction furnace with nitrogen alloying with nitrided ferroalloys. The table shows the chemical composition of the proposed steel and steel prototype. The table shows that, at exorbitant values for the nitrogen and zirconium content, the tensile strength at 20 ^o C and the long-term tensile strength at high temperatures decrease, which can be explained by the non-optimal temperature of nitride formation and the non-optimal ratio of bound and dissolved nitrogen. Optimum are the compositions of steel within the stated limits. Prototype steel due to the high content of nitride-forming (aluminum, niobium, etc.) and nitrogen has a significantly lower strength. High nickel steel also has strength characteristics lower than the declared steel, which can be explained by the absence of nitrogen in the solid solution and the high nickel content in the steel.

Из приведенных результатов видно, что предложенная сталь обладает более высокой длительной прочностью, чем известная сталь. From the above results it is seen that the proposed steel has a higher long-term strength than the known steel.

Claims

Heat-resistant austenitic steel containing carbon, silicon, manganese, nickel, chromium, nitrogen and iron, characterized in that it additionally contains zirconium in the following ratio of elements, wt.%:
Carbon - 0.2 - 0.3
Silicon - 1 - 3
Manganese - 4 - 6
Nickel - 14 - 16
Chrome - 24 - 26
Nitrogen - 0.2 - 0.5
Zirconium - 0.005 - 0.05
Iron - Else $