RU2350674C1 - Heat-resistant alloy - Google Patents
Heat-resistant alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2350674C1 RU2350674C1 RU2008102046/02A RU2008102046A RU2350674C1 RU 2350674 C1 RU2350674 C1 RU 2350674C1 RU 2008102046/02 A RU2008102046/02 A RU 2008102046/02A RU 2008102046 A RU2008102046 A RU 2008102046A RU 2350674 C1 RU2350674 C1 RU 2350674C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nickel
- iron
- alloy
- heat
- boron
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов с литой структурой на железохромоникелевой основе с карбидным упрочнением и может использоваться при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности, в частности при изготовлении реакционных змеевиков.The invention relates to the metallurgy of heat-resistant alloys with a cast structure on an iron-chromium-nickel basis with carbide hardening and can be used to create high-temperature pyrolysis plants for the petrochemical industries, in particular in the manufacture of reaction coils.
Температурный интервал работы материалов указанных конструкций находится в пределах 900-1100°С. Контакт наружной поверхности реакционных змеевиков с воздухом при температуре 1000-1100°С вызывает окисление применяющихся для их изготовления жаропрочных жаростойких сталей и сплавов.The temperature range of the materials of these structures is in the range of 900-1100 ° C. Contact of the outer surface of the reaction coils with air at a temperature of 1000-1100 ° C causes oxidation of the heat-resistant heat-resistant steels and alloys used for their manufacture.
Наиболее заметное развитие этого типа повреждаемости наблюдается у материалов с литой структурой по границам кристаллов. Наибольшую опасность для живучести конструкций трубной системы змеевиков, как показывает многолетний опыт их эксплуатации, представляют те участки, где воздействие локально-структурной коррозии на границе кристаллов усиливается статическими напряжениями.The most noticeable development of this type of damage is observed in materials with a cast structure along the boundaries of the crystals. The greatest danger to the survivability of the designs of the pipe system of the coils, as shown by many years of experience in their operation, are those areas where the effect of local structural corrosion at the crystal boundary is amplified by static stresses.
Материалы, характеризующиеся низкой длительной пластичностью, как правило, имеют низкую сопротивляемость коррозионно-механическому воздействию. В этих условиях подрастание длины трещин происходит с большими скоростями, что уменьшает до критического уровня живое сечение стенки литого изделия.Materials characterized by low long-term ductility, as a rule, have a low resistance to corrosion and mechanical stress. Under these conditions, the growth of the length of the cracks occurs at high speeds, which reduces to a critical level the living section of the wall of the molded product.
Склонность жаропрочных жаростойких материалов к локально-структурному окислению обычно выявляется по глубине окисляемости границ, имеющих выход на поверхность литых изделий.The tendency of heat-resistant heat-resistant materials to local structural oxidation is usually revealed by the depth of oxidizability of the boundaries having access to the surface of cast products.
Известен сплав [1], имеющий состав, обладающий сверхвысокой стойкостью к равномерному окислению. Однако его пластичность как в исходном состоянии, так и после изотермических выдержек оказывается низкой - меньше 5-7%, а склонность к образованию σ-фазы при рабочих температурах является самым серьезным недостатком. В качестве прототипа [2] выбран сплав, содержащий, мас.%:Known alloy [1] having a composition having ultra-high resistance to uniform oxidation. However, its ductility both in the initial state and after isothermal holdings is low — less than 5–7%, and the tendency to form the σ phase at operating temperatures is the most serious drawback. As a prototype [2] selected alloy containing, wt.%:
Железо остальное,Iron the rest,
при выполнении условияunder the condition
Микролегирование жаропрочного сплава указанного состава такими элементами, как иттрий, цирконий и бор, способствовало значительному улучшению жаропрочных свойств. К недостаткам сплава относится следующее:The microalloying of the heat-resistant alloy of the indicated composition by such elements as yttrium, zirconium and boron, contributed to a significant improvement in the heat-resistant properties. The disadvantages of the alloy include the following:
- низкий уровень пластичности (меньше 5%) в условиях статических напряжений при температуре 1000°С;- low ductility (less than 5%) under static stress at a temperature of 1000 ° C;
- низкая сопротивляемость сплава к коррозионно-механическому воздействию при 1100°С.- low resistance of the alloy to mechanical corrosion at 1100 ° C.
Указанные недостатки в условиях эксплуатации приводят к выходу из строя реакционной трубной системы пиролизных змеевиков, работающих в условиях высоких температур 1000-1100°С, что значительно уменьшает срок «межремонтного пробега».These shortcomings in operating conditions lead to the failure of the reaction tube system of pyrolysis coils operating at high temperatures of 1000-1100 ° C, which significantly reduces the period of "overhaul run".
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава, обладающего повышенной стойкостью в воздушной среде к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения при максимальных рабочих температурах 1100°С, и повышение его пластичности без ухудшения длительной прочности при температурах 1000°С и 1100°С, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока «межремонтного пробега» высокотемпературных змеевиков.The technical result of the invention is the creation of a heat-resistant alloy with increased resistance in air to corrosion-mechanical effects under long-term static loading at maximum operating temperatures of 1100 ° C, and increasing its ductility without compromising long-term strength at temperatures of 1000 ° C and 1100 ° C That provides an increase in operational reliability and an increase in the period of "overhaul mileage" of high-temperature coils.
Технический результат изобретения достигается тем, что жаропрочный сплав на железохромоникелевой основе, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор и железо, при выполнении условия , дополнительно содержит лантан, церий, празеодим и неодим при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:The technical result of the invention is achieved in that a heat-resistant alloy based on iron-chromium-nickel base containing carbon, nitrogen, chromium, nickel, niobium, tungsten, molybdenum, titanium, silicon, manganese, aluminum, copper, magnesium, zirconium, yttrium, boron and iron, when performing conditions , additionally contains lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium in the following ratio of ingredients, wt.%:
при этом должно выполняться условие while the condition
Высокие концентрации хрома (22-27%) и никеля (25 - до 40%) обеспечивают наилучшие сочетания характеристик длительной прочности, стойкости против окисления и науглероживания.High concentrations of chromium (22-27%) and nickel (25 - up to 40%) provide the best combination of characteristics of long-term strength, resistance to oxidation and carburization.
Введение углерода, азота, ниобия и титана обеспечивает повышение жаропрочности за счет увеличения в структуре сплава объемного содержания стабильных избыточных фаз.The introduction of carbon, nitrogen, niobium and titanium provides an increase in heat resistance by increasing the volume content of stable excess phases in the alloy structure.
Вольфрам и молибден повышают стабильность структурного состояний сплава при высоких температурах, а также улучшают технологические характеристики сплава, в частности свариваемость в литом состоянии.Tungsten and molybdenum increase the stability of the structural states of the alloy at high temperatures, and also improve the technological characteristics of the alloy, in particular, weldability in the cast state.
Кремний и алюминий, наряду с хромом, повышают стойкость сплава против окисления, увеличивая стабильность окисной пленки в условиях науглероживания.Silicon and aluminum, along with chromium, increase the resistance of the alloy to oxidation, increasing the stability of the oxide film under carbonization conditions.
Введение меди в указанных количествах снижает склонность сплава к науглероживанию посредством стабилизации окисной пленки, препятствуя ее разрушению.The introduction of copper in these amounts reduces the tendency of the alloy to carburize by stabilizing the oxide film, preventing its destruction.
Магний, цирконий и иттрий, кроме очистки металла от кислорода и серы, увеличивают прочность сцепления массивных выделений избыточных эвтектических фаз, препятствуя развитию межкристаллитного смещения.Magnesium, zirconium and yttrium, in addition to purifying the metal from oxygen and sulfur, increase the adhesion strength of massive precipitates of excess eutectic phases, preventing the development of intergranular displacement.
Введение в состав литого жаропрочного сплава микродобавок церия, лантана, неодима и празеодима, которые характеризуются высоким сродством к кислороду и низкой растворимостью в аустенитном γ-твердом растворе, обеспечивает их распределение преимущественно по границам кристаллов и в междендритном пространстве, что способствует образованию стойких высокотемпературных окислов, препятствующих проникновению кислорода по границам кристаллов.The introduction of cerium, lanthanum, neodymium and praseodymium microadditives into the composition of the heat-resistant alloy, which are characterized by high affinity for oxygen and low solubility in the austenitic γ-solid solution, ensures their distribution mainly along the crystal boundaries and in the interdendritic space, which contributes to the formation of stable high-temperature oxides, preventing the penetration of oxygen along the boundaries of the crystals.
С целью увеличения прочности сцепления межкристаллитных границ с прослойками окислов в условиях воздействия статических нагрузок в сплав вводится бор, являющийся, как и углерод, элементом внедрения и характеризующийся малым атомным радиусом и предельно низкой растворимостью в аустенитной матрице.In order to increase the adhesion strength of the intergranular boundaries with oxide layers under static loads, boron is introduced into the alloy, which, like carbon, is an intercalation element and is characterized by a small atomic radius and extremely low solubility in the austenitic matrix.
Соотношение суммарного количества редкоземельных элементов и бора определяет их оптимальную концентрацию на межкристаллитных границах, что обеспечивает прочность межфазового сцепления и отсутствие выделения вредных боридных фаз.The ratio of the total amount of rare earth elements and boron determines their optimal concentration at the intergranular boundaries, which ensures the strength of interfacial adhesion and the absence of release of harmful boride phases.
Выбранные пределы микролегирования поверхностно-активными элементами La, Се, Nd, Pr и В, сохраняя практически неизменным кристаллическое строение и фазовый состав сплава, существенно улучшают состояние межкристаллитных границ, обеспечивающее при высокой температуре увеличение стойкости к коррозионно-механическому воздействию, повышение уровня пластичности и прочности в условиях длительного статического нагружения.The selected limits of microalloying with the surface-active elements La, Ce, Nd, Pr, and B, while maintaining the crystalline structure and phase composition of the alloy almost unchanged, significantly improve the state of the intergranular boundaries, which at high temperatures increases the resistance to corrosion and mechanical stress, increases the level of ductility and strength in conditions of prolonged static loading.
В ЦНИИ КМ «Прометей» была проведена выплавка и исследованы свойства заявляемого сплава, сплава с содержанием ингредиентов, выходящих за пределы заявляемых концентраций, а также сплава, совпадающего по составу с прототипом.The Central Research Institute of CM "Prometheus" was smelted and investigated the properties of the inventive alloy, an alloy containing ingredients that go beyond the declared concentrations, as well as an alloy that coincides in composition with the prototype.
Сплавы получали в открытой индукционной печи с использованием высококачественных шихтовых материалов и специальной лигатуры, содержащей вводимые редкоземельные элементы и бор. Жидкий металл, который в процессе ведения плавок находился под защитой аргона, разливали чугунные изложницы. Вес слитков составлял 23-25 кг.Alloys were obtained in an open induction furnace using high-quality charge materials and special ligatures containing rare-earth elements and boron introduced. The molten metal, which was under the protection of argon in the process of conducting the heat, cast iron molds were cast. The weight of the ingots was 23-25 kg.
Для проведения коррозионно-механических испытаний и испытаний на длительную прочность из центральной части слитка на расстояние 10 мм от края вырезали разрывные образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 30 мм.To conduct corrosion-mechanical tests and tests for long-term strength, discontinuous samples with a diameter of the working part of 6 mm and a length of 30 mm were cut from the central part of the ingot to a distance of 10 mm from the edge.
В табл.1 представлен химический состав исследуемых сплавов. В табл.2 представлены результаты испытаний коррозионно-механической прочности и результаты испытаний на длительную прочность.Table 1 shows the chemical composition of the studied alloys. Table 2 presents the results of tests of corrosion-mechanical strength and the results of tests for long-term strength.
Коррозионно-механические испытания образцов сплава проводили на воздухе продолжительностью 500 часов при температуре 1100°С и напряжении 5 МПа. После испытаний, используя металлографический метод, на границах, имеющих выход на поверхность образца, определяли максимальную глубину повреждаемости сплава.Corrosion-mechanical tests of alloy samples were carried out in air for 500 hours at a temperature of 1100 ° C and a voltage of 5 MPa. After testing, using the metallographic method, the maximum depth of damage to the alloy was determined at the boundaries with access to the surface of the sample.
Из табл.2 следует, что заявляемый сплав плавок 2, 3, 4 и 5 по сравнению с составами сплава - прототипа 6 и плавки 1, в условиях одновременного воздействия статической нагрузки и высокой температуры отличается высокой стойкостью границ кристаллов к окислению.From table 2 it follows that the inventive alloy swimming trunks 2, 3, 4 and 5 compared with the compositions of the alloy of the prototype 6 and melting 1, under the conditions of simultaneous exposure to static load and high temperature is characterized by high resistance of the boundaries of the crystals to oxidation.
Улучшение состояния границ, достигнутое в результате комплексного микролегирования оптимальными концентрациями поверхностно-активных элементов, проявляется также и в увеличении пластичности при температуре 1000°С, которая при оценке ее по относительному удлинению у состава металла плавок 2, 3 и 4 после испытаний продолжительностью ~ 3000 часов составила минимальный уровень 11-16%, что в 3 раза выше минимального уровня пластичности сплава-прототипа после его испытаний на базе ~ 2500 часов.The improvement of the boundaries achieved as a result of complex microalloying with optimal concentrations of surface-active elements is also manifested in an increase in ductility at a temperature of 1000 ° C, which when assessed by the relative elongation of the metal composition of melts 2, 3, and 4 after tests lasting ~ 3000 hours amounted to a minimum level of 11-16%, which is 3 times higher than the minimum plasticity level of the prototype alloy after testing on the basis of ~ 2500 hours.
Таким образом, составы плавок 2, 3 и 4 по сравнению с составом сплава-прототипа 6 характеризуются наиболее высоким комплексом характеристик жаропрочности при температуре 1000°С.Thus, the compositions of the bottoms 2, 3 and 4 compared with the composition of the alloy of the prototype 6 are characterized by the highest set of characteristics of heat resistance at a temperature of 1000 ° C.
Состав плавки 1 не обеспечивает улучшения комплекса характеристик жаропрочности по сравнению с комплексом характеристик сплава-прототипа. То же самое можно сказать и о сплаве плавки 5, который при значительном ухудшении длительной прочности показывает высокую деформационную способность (δ=30-35%).The composition of the melt 1 does not provide an improvement in the complex of characteristics of heat resistance compared with the complex of characteristics of the prototype alloy. The same can be said of melting alloy 5, which, with a significant deterioration in long-term strength, shows a high deformation ability (δ = 30-35%).
Анализ данных табл.2 свидетельствует о том, что характер изменения характеристик жаропрочности исследованных составов сплава при температуре 1100°С практически аналогичен характеру изменения соответствующих характеристик этих составов материалов при температуре 1000°С.An analysis of the data in Table 2 indicates that the nature of the change in the heat resistance characteristics of the investigated alloy compositions at a temperature of 1100 ° C is almost the same as the change in the corresponding characteristics of these materials compositions at a temperature of 1000 ° C.
Таким образом можно заключить, что комплекс характеристик жаропрочности сплава составов плавок 2, 3 и 4 при температуре 1100°С имеет более высокий уровень длительной прочности и пластичности.Thus, we can conclude that the set of characteristics of the heat resistance of the alloy of the compositions of heats 2, 3 and 4 at a temperature of 1100 ° C has a higher level of long-term strength and ductility.
Из полученных результатов исследований следует, что заявляемый сплав превосходит сплав, совпадающий по составу с прототипом как по стойкости в воздушной среде к коррозионно-механическому воздействию при температуре 1100°С, так и по уровню пластичности и жаропрочности при температурах 1000°С и 1100°С.From the obtained research results it follows that the claimed alloy is superior to the alloy, which coincides in composition with the prototype both in resistance to airborne corrosion and mechanical stress at a temperature of 1100 ° C, and in terms of ductility and heat resistance at temperatures of 1000 ° C and 1100 ° C .
Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из заявленного сплава за счет увеличения его стойкости к коррозионно-механическому воздействию и повышению уровня замечаний характеристик жаропрочности позволит повысить в 2-2,5 раза сроки «межремонтных пробегов» реакционных змеевиков.The manufacture of critical cast products for high-temperature chemical and oil refineries from the claimed alloy due to an increase in its resistance to corrosion and mechanical stress and an increase in the level of remarks on the characteristics of heat resistance will make it possible to increase the terms of “overhaul runs” of reaction coils by 2–2.5 times.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2125110, С22С 19/05.1. RF patent No. 215110, C22C 19/05.
2. Патент РФ №2026401, С22С 19/05 - прототип.2. RF patent No. 2026401, C22C 19/05 - prototype.
Claims (1)
при выполнении условия A heat-resistant alloy based on iron-chromium-nickel base containing carbon, nitrogen, chromium, nickel, niobium, tungsten, molybdenum, titanium, silicon, manganese, aluminum, copper, magnesium, zirconium, yttrium, boron and iron, subject to the conditions: characterized in that it additionally contains cerium, lanthanum, neodymium and praseodymium in the following ratio of ingredients, wt.%:
under the condition
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008102046/02A RU2350674C1 (en) | 2008-01-18 | 2008-01-18 | Heat-resistant alloy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008102046/02A RU2350674C1 (en) | 2008-01-18 | 2008-01-18 | Heat-resistant alloy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2350674C1 true RU2350674C1 (en) | 2009-03-27 |
Family
ID=40542836
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008102046/02A RU2350674C1 (en) | 2008-01-18 | 2008-01-18 | Heat-resistant alloy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2350674C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2447172C1 (en) * | 2011-01-13 | 2012-04-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Refractory alloy |
RU2568547C2 (en) * | 2011-02-23 | 2015-11-20 | Оутокумпу Вдм Гмбх | Nickel-chromium-iron-aluminium alloy with good machinability |
RU2579711C1 (en) * | 2015-06-01 | 2016-04-10 | Байдуганов Александр Меркурьевич | High-temperature alloy |
RU2672169C1 (en) * | 2018-08-10 | 2018-11-12 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Iron-based alloy |
-
2008
- 2008-01-18 RU RU2008102046/02A patent/RU2350674C1/en active
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2447172C1 (en) * | 2011-01-13 | 2012-04-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Refractory alloy |
RU2568547C2 (en) * | 2011-02-23 | 2015-11-20 | Оутокумпу Вдм Гмбх | Nickel-chromium-iron-aluminium alloy with good machinability |
RU2579711C1 (en) * | 2015-06-01 | 2016-04-10 | Байдуганов Александр Меркурьевич | High-temperature alloy |
RU2672169C1 (en) * | 2018-08-10 | 2018-11-12 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Iron-based alloy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4607092B2 (en) | Heat-stable and corrosion-resistant cast nickel-chromium alloy | |
RU2599324C2 (en) | Chrome nickel aluminium alloy with good machinability, creep limit properties and corrosion resistance parameters | |
RU2605022C1 (en) | Nickel chrome alloy with good machinability, creep limit properties and corrosion resistance | |
RU2650659C2 (en) | FABRICABLE, HIGH STRENGTH, OXIDATION RESISTANT Ni-Cr-Co-Mo-Al ALLOYS | |
JP5574953B2 (en) | Heat-resistant steel for forging, method for producing heat-resistant steel for forging, forged parts, and method for producing forged parts | |
JP2015526593A (en) | Ferritic stainless steel | |
EP3733913A1 (en) | Austenite-based heat-resistant alloy | |
JP2013227655A (en) | Cast product having alumina barrier layer | |
JPWO2018003823A1 (en) | Austenitic stainless steel | |
RU2350674C1 (en) | Heat-resistant alloy | |
US20190048433A1 (en) | Low thermal expansion superalloy and manufacturing method thereof | |
JPS6344814B2 (en) | ||
RU2447172C1 (en) | Refractory alloy | |
EP1149181B1 (en) | Alloys for high temperature service in aggressive environments | |
JPH06306550A (en) | Heat resistant steel and heat treatment therefor | |
EA010206B1 (en) | High-temperature corrosion-resistant steel | |
JP3424314B2 (en) | Heat resistant steel | |
JP2863583B2 (en) | Cr-Ni heat-resistant steel | |
JP3921943B2 (en) | Ni-base heat-resistant alloy | |
RU2155821C1 (en) | Heat resistant steel | |
US20180002784A1 (en) | Ni-BASED ALLOY HAVING EXCELLENT HIGH-TEMPERATURE CREEP CHARACTERISTICS, AND GAS TURBINE MEMBER USING THE SAME | |
JPS6249344B2 (en) | ||
RU2026401C1 (en) | Heat-resistant alloy | |
RU2794497C1 (en) | Heat-resistant nickel-based alloy and a product made from it | |
JP7131318B2 (en) | austenitic stainless steel |