RU2426814C2 - Heat resistant steel for power engineering - Google Patents

Heat resistant steel for power engineering Download PDF

Info

Publication number
RU2426814C2
RU2426814C2 RU2009137168/02A RU2009137168A RU2426814C2 RU 2426814 C2 RU2426814 C2 RU 2426814C2 RU 2009137168/02 A RU2009137168/02 A RU 2009137168/02A RU 2009137168 A RU2009137168 A RU 2009137168A RU 2426814 C2 RU2426814 C2 RU 2426814C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
molybdenum
chromium
impurities
tungsten
Prior art date
Application number
RU2009137168/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009137168A (en
Inventor
Георгий Павлович Карзов (RU)
Георгий Павлович Карзов
Герман Николаевич Филимонов (RU)
Герман Николаевич Филимонов
Ирина Владимировна Теплухина (RU)
Ирина Владимировна Теплухина
Ирина Ивановна Грекова (RU)
Ирина Ивановна Грекова
Ирина Михайловна Бурочкина (RU)
Ирина Михайловна Бурочкина
Евгения Леонидовна Матюшева (RU)
Евгения Леонидовна Матюшева
Александра Олеговна Зотова (RU)
Александра Олеговна Зотова
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей")
Priority to RU2009137168/02A priority Critical patent/RU2426814C2/en
Publication of RU2009137168A publication Critical patent/RU2009137168A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2426814C2 publication Critical patent/RU2426814C2/en

Links

Landscapes

  • Heat Treatment Of Steel (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: steel contains carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, vanadium, nitrogen, niobium, tungsten, titanium, boron, aluminium, copper, iron and impurities at following ratio of components, wt %: carbon 0.005 - 0.02, silicon 0.30 - 0.50, manganese 0.40 - 0.60, chromium 8.00 - 9.00, nickel 0.40 - 0.60, molybdenum 0.40 - 0.60, tungsten 0.80 - 1.00, vanadium 0.20 - 0.30, niobium 0.04 - 0.06, nitrogen 0.04 - 0.06, titanium 0.01 - 0.03, aluminium 0.005 - 0.015, boron 0.001 - 0.002, copper 0.20 - 0.30, iron and impurities the rest. As impurities steel contains sulphur 0.001 - 0.01 wt %, phosphorus 0.001 - 0.015 wt %, and also tin, antimony and arsenic, also summary contents of phosphorus, antimony, tin and arsenic is not more, than 0.02 wt %.
EFFECT: increased durability and stable heat resistance at super-overcritical parameters of steam, which increases operational reliability and general resource of equipment operation.
2 cl, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных сталей мартенситного класса, содержащих в качестве основы железо с различным сочетанием легирующих элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при изготовлении элементов паровых турбин со суперсверхкритическими параметрами пара.The invention relates to the field of metallurgy of heat-resistant steels of the martensitic class, containing iron with a different combination of alloying elements as a base, and is intended for use in power engineering in the manufacture of steam turbine elements with supercritical steam parameters.

В России и за рубежом в указанной области техники применяются стали типа 9Cr-1MoVNb и 9Cr-0,5Mo-1,8WVNb [1, 2].In Russia and abroad, steels of the type 9Cr-1MoVNb and 9Cr-0.5Mo-1.8WVNb are used in the indicated field of technology [1, 2].

С увеличением параметров пара для повышения эффективности работы паровых турбин возникла необходимость в создании материалов для ССКП-блоков, обладающих более высокой, чем применяемые материалы, длительной прочностью и большей стабильностью физико-механических свойств при длительном воздействии давления и повышенных температур.With the increase in steam parameters, in order to increase the efficiency of steam turbines, it became necessary to create materials for SSCP units with higher durability and greater stability of physicomechanical properties under prolonged exposure to pressure and elevated temperatures than the materials used.

Наиболее близкой по химическому составу и техническим характеристикам к предлагаемой стали является сталь по патенту RU 2328547 С2 [3] (прототип), содержащая легирующие компоненты, мас.%:Closest to the chemical composition and technical characteristics of the proposed steel is steel according to patent RU 2328547 C2 [3] (prototype) containing alloying components, wt.%:

углеродcarbon 0,10-0,180.10-0.18 кремнийsilicon 0,05-0,100.05-0.10 марганецmanganese 0,10-0,700.10-0.70 хромchromium 9,50-11,009.50-11.00 никельnickel 0,00-0,700.00-0.70 молибденmolybdenum 1,00-2,001.00-2.00 ванадийvanadium 0,15-0,300.15-0.30 ниобийniobium 0,02-0,080.02-0.08 азотnitrogen 0,01-0,050.01-0.05 кальцийcalcium 0,001-0,050.001-0.05 сераsulfur 0,002-0,0120.002-0.012 фосфорphosphorus 0,002-0,0120.002-0.012 железоiron остальноеrest

при этом суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020%.while the total content of sulfur and phosphorus does not exceed 0.020%.

Данную марку стали рекомендуется использовать для изготовления роторов, валов и других деталей паровых турбин высокого и среднего давления, но недостатком прототипа является недостаточная длительная прочность и отсутствие стабильности характеристик жаропрочности в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации.This steel grade is recommended for use in the manufacture of rotors, shafts and other parts of high and medium pressure steam turbines, but the disadvantage of the prototype is the insufficient long-term strength and the lack of stability of the heat resistance characteristics in the conditions of long-term high-temperature operation.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание жаропрочной стали, обладающей повышенным уровнем длительной прочности (не менее 120 МПа на базе 100000 часов при температуре 600°С: σ600105≥120 МПа) и стабильностью характеристик жаропрочности при суперсверхкритических параметрах пара, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы современного паросилового оборудования тепловых энергоблоков и электростанций.The technical result of the present invention is the creation of heat-resistant steel with an increased level of long-term strength (not less than 120 MPa on the basis of 100,000 hours at a temperature of 600 ° C: σ 600 10 5 ≥120 MPa) and the stability of the characteristics of heat resistance at super supercritical steam parameters, which ensures an increase in operational the reliability and overall service life of modern steam-powered equipment of thermal power units and power plants.

Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, азот, кальций, серу, фосфор и железо, дополнительно вводится вольфрам, титан, бор, алюминий и медь, а также снижается содержание углерода и хрома и увеличивается содержание кремния, контролируется содержание примесей сурьмы, мышьяка, олова при следующем соотношении компонентов, мас.%:The technical result is achieved due to the fact that the composition of the known steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, vanadium, niobium, nitrogen, calcium, sulfur, phosphorus and iron, additionally introduced tungsten, titanium, boron, aluminum and copper, and also the carbon and chromium content decreases and the silicon content increases, the content of antimony, arsenic, and tin impurities is controlled in the following ratio of components, wt.%:

углеродcarbon 0,005-0,020.005-0.02 кремнийsilicon 0,30-0,500.30-0.50 марганецmanganese 0,40-0,600.40-0.60 хромchromium 8,00-9,008.00-9.00 никельnickel 0,40-0,600.40-0.60 молибденmolybdenum 0,40-0,600.40-0.60 вольфрамtungsten 0,80-1,000.80-1.00 ванадийvanadium 0,20-0,300.20-0.30 ниобийniobium 0,04-0,060.04-0.06 азотnitrogen 0,04-0,060.04-0.06 титанtitanium 0,01-0,030.01-0.03 алюминийaluminum 0,005-0,0150.005-0.015 борboron 0,001-0,0020.001-0.002 медьcopper 0,20-0,300.20-0.30 железо и примеси, в том числе сера 0,001-0,01 и фосфор 0,001-0,015iron and impurities, including sulfur 0.001-0.01 and phosphorus 0.001-0.015 остальное,rest,

в качестве примесей сталь дополнительно содержит олово, сурьму и мышьяк при их содержании:as impurities, steel additionally contains tin, antimony and arsenic when they are contained:

оловоtin 0,001-0,0050.001-0.005 сурьмаantimony 0,001-0,0050.001-0.005 мышьякarsenic 0,001-0,0070.001-0.007

при этом должны соблюдаться следующие соотношения:the following ratios must be observed:

а) хромовый эквивалент:a) chromium equivalent:

Crэкв=Cr+0.8Si+2Mo+1W+4V+2Nb+1.7Al+60B+2Ti-2Ni-0.4Mn-0.6Cu-20N-20C≤9,5%;Cr eq = Cr + 0.8Si + 2Mo + 1W + 4V + 2Nb + 1.7Al + 60B + 2Ti-2Ni-0.4Mn-0.6Cu-20N-20C≤9.5%;

б) молибденовый эквивалент: Moэкв=Mo+0.5W не должен превышать 1,0%b) molybdenum equivalent: Mo equiv = Mo + 0.5W should not exceed 1.0%

в) суммарное соотношение примесей (P+Sn+Sb+As) должно быть не более 0,020%;c) the total ratio of impurities (P + Sn + Sb + As) should be no more than 0.020%;

г) 0,20≤(Ti+N)/(Nb+V)≤0,25;d) 0.20 ((Ti + N) / (Nb + V) 0 0.25;

д) 0,650≤(Ti+C+N)/(Nb+C+N)≤0,910;d) 0.650≤ (Ti + C + N) / (Nb + C + N) ≤0.910;

e) 0,060≤(C+N)/(Mo+0.5W)≤0,070.e) 0.060≤ (C + N) / (Mo + 0.5W) ≤0.070.

Соотношение указанных легирующих элементов и принятые ограничения суммарного содержания некоторых из них выбраны таким образом, чтобы сталь после соответствующей специальной термической обработки обеспечивала требуемый уровень длительной прочности и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях эксплуатации оборудования. При указанном содержании легирующих элементов после проведения термической обработки в стали достигается эффект упрочнения за счет выделения наноразмерных (не более 20-30 нм) частиц, которые закрепляют дислокации в процессе эксплуатации стали и обладают высокой стабильностью при воздействии повышенных температур и напряжений.The ratio of these alloying elements and the accepted limitations of the total content of some of them are selected in such a way that steel, after appropriate special heat treatment, provides the required level of long-term strength and stability of the most important physical and mechanical properties that determine the material's working ability under operating conditions of the equipment. At the indicated content of alloying elements after heat treatment in steel, a hardening effect is achieved due to the release of nanosized (no more than 20-30 nm) particles that fix dislocations during steel operation and are highly stable when exposed to elevated temperatures and stresses.

В заявляемой марке стали по сравнению с прототипом снижено содержание углерода до минимально достижимого на практике при выплавке в вакуумно-индукционной печи: не более 0,02% вместо 0,10-0,18% в известной стали. Это позволяет подавить выделение неустойчивых карбидов и реализовать действие азота, образующего нитриды и карбонитриды, обладающие большей термодинамической устойчивостью и, следовательно, оказывающие более благоприятное воздействие на длительную прочность, чем карбиды. Повышение содержания углерода выше указанного в формуле способствует быстрому выделению карбидов и ускоренной их коагуляции, особенно, по границам зерен, уменьшению дисперсности выделяющихся фаз, что ведет к снижению характеристик длительной прочности.In the inventive steel grade, in comparison with the prototype, the carbon content is reduced to the minimum achievable in practice when smelted in a vacuum induction furnace: not more than 0.02% instead of 0.10-0.18% in known steel. This makes it possible to suppress the release of unstable carbides and realize the action of nitrogen, forming nitrides and carbonitrides, which have greater thermodynamic stability and, therefore, have a more favorable effect on long-term strength than carbides. An increase in the carbon content above that indicated in the formula contributes to the rapid precipitation of carbides and their accelerated coagulation, especially along grain boundaries, to a decrease in the dispersion of precipitated phases, which leads to a decrease in long-term strength characteristics.

Содержание азота выбрано таким образом, чтобы оно было достаточным для образования мелкодисперсных нитридов и в то же время не способствовало образованию Z-фазы (комплексного нитрида Cr(Nb,V)N), быстро коагулирующей при высоких температурах и приводящей при длительной работе к снижению жаропрочности.The nitrogen content was chosen so that it was sufficient for the formation of finely dispersed nitrides and at the same time did not contribute to the formation of the Z phase (complex nitride Cr (Nb, V) N), which rapidly coagulates at high temperatures and leads to a decrease in heat resistance during long-term operation .

Хром является ферритообразующим элементом. Хром - основной элемент в жаропрочных мартенситных и феррито-мартенситных сталях, обеспечивающий мартенситную прокаливаемость и высокое сопротивление коррозии и окислению. Как правило, в стали такого класса его вводят в количестве более 8%. Он упрочняет твердый раствор и обеспечивает образование карбидов хрома, в основном, Сr23С6. Однако карбиды хрома выделяются в основном по границам зерен и очень быстро коагулируют при высоких температурах эксплуатации. Кроме того, хром подавляет выделение более термически стабильных мелкодисперсных карбидов молибдена, ванадия и ниобия, которые медленнее коагулируют и, следовательно, вносят больший вклад в упрочнение и обеспечивают более стабильные характеристики длительной прочности [8]. Вследствие этого предельное содержание хрома не должно превышать 9,00%. Увеличение содержания хрома выше обозначенного предела отрицательно влияет на длительную прочность.Chrome is a ferrite-forming element. Chromium is the main element in heat-resistant martensitic and ferritic-martensitic steels, which provides martensitic hardenability and high resistance to corrosion and oxidation. As a rule, in steel of this class it is introduced in an amount of more than 8%. It strengthens the solid solution and provides the formation of chromium carbides, mainly, Cr 23 C 6 . However, chromium carbides are released mainly along grain boundaries and coagulate very quickly at high operating temperatures. In addition, chromium inhibits the release of more thermally stable finely dispersed carbides of molybdenum, vanadium and niobium, which coagulate more slowly and, therefore, make a greater contribution to hardening and provide more stable long-term strength characteristics [8]. As a result, the maximum chromium content should not exceed 9.00%. An increase in the chromium content above the specified limit negatively affects the long-term strength.

В связи с этим было снижено содержание хрома в заявляемой марке стали по сравнению с прототипом до 8,00-9,00%, что позволит уменьшить выделение карбидов хрома по границам зерен.In this regard, the chromium content in the inventive steel grade was reduced compared to the prototype to 8.00-9.00%, which will reduce the emission of chromium carbides at the grain boundaries.

Молибден и вольфрам обычно вводятся в стали для деталей энергетического оборудования, работающих при высоких температурах, с целью повышения длительной прочности и пластичности. Это связано с их способностью задерживать диффузионные процессы, повышать температуру рекристаллизации и упрочнять основной твердый раствор.Molybdenum and tungsten are usually introduced into steel for parts of power equipment operating at high temperatures in order to increase long-term strength and ductility. This is due to their ability to delay diffusion processes, increase the temperature of recrystallization, and harden the basic solid solution.

Добавка молибдена является средством повышения жаропрочности сталей, содержащих повышенные и высокие количества хрома. При содержании молибдена до 1,5% он ограничивает коагуляцию карбидов. При более высоком содержании молибдена (выше 1,5%) он участвует в образовании карбидной фазы, представляющей собой как специальные карбиды молибдена типа МеС, Ме2С, так и карбиды типа Ме3С, Ме7С3, Ме23С6, основной составляющей которых является хром [4], а также интерметаллидных фаз Лавеса, склонных к быстрой коагуляции. Наличие этих фаз отрицательно влияет на жаропрочность. В связи с этим в заявленной марке стали было ограничено содержание молибдена значениями 0,40-0,60% вместо 1,00-2,00% в прототипе. В заявленной марке стали молибден также был частично заменен на вольфрам в количестве 0,80-1,00%, что способствует повышению жаропрочности.Molybdenum additive is a means of increasing the heat resistance of steels containing elevated and high amounts of chromium. When the molybdenum content is up to 1.5%, it limits the coagulation of carbides. At a higher molybdenum content (above 1.5%), it participates in the formation of the carbide phase, which is both special molybdenum carbides of the type MeC, Me 2 C, and carbides of the type Me 3 C, Me 7 C 3 , Me 23 C 6 , the main component of which is chromium [4], as well as the intermetallic phases of Laves, prone to rapid coagulation. The presence of these phases negatively affects the heat resistance. In this regard, in the declared steel grade, the molybdenum content was limited to 0.40-0.60% instead of 1.00-2.00% in the prototype. In the declared steel grade, molybdenum was also partially replaced by tungsten in an amount of 0.80-1.00%, which contributes to increased heat resistance.

Вольфрам способствует образованию включений вторичной (упрочняющей) фазы, которой является либо сложный карбид с участием вольфрама, либо богатые вольфрамом интерметаллидные соединения типа фаз Лавеса ((Fe,Cr)2(Mo,W)). Входя в сложные карбиды, такие как Ме23С6, вольфрам задерживает их коагуляцию. Тем не менее, содержание вольфрама выше указанных пределов (выше 1,00%) может оказывать негативное влияние на сопротивление ползучести и снижать длительную прочность при длительном эксплуатационном воздействии за счет ускорения выделения и коагуляции фаз Лавеса.Tungsten promotes the formation of inclusions of the secondary (hardening) phase, which is either complex carbide with the participation of tungsten or tungsten-rich intermetallic compounds of the Laves phase type ((Fe, Cr) 2 (Mo, W)). Entering complex carbides, such as Me 23 C 6 , tungsten delays their coagulation. However, the tungsten content above the specified limits (above 1.00%) can have a negative effect on creep resistance and reduce long-term strength during long-term operation due to the acceleration of the release and coagulation of the Laves phases.

При легировании стали молибденом и вольфрамом необходимо, чтобы молибденовый эквивалент Moэкв=Mo+0.5W не превышал 1,0% (формула б)). При значении молибденового эквивалента 7,0% длительная прочность достигает своего максимума. Это связано с тем, что при более высоких значениях молибденового эквивалента в стали образуется значительное количество интерметаллидных фаз (фаз Лавеса), что приводит к повышению длительной прочности при относительно непродолжительных испытаниях, но затем при более длительных испытаниях характеристики длительной прочности снижаются вследствие коагуляции этих фаз.When alloying steel with molybdenum and tungsten, it is necessary that the molybdenum equivalent of Mo equiv = Mo + 0.5W does not exceed 1.0% (formula b)). With a molybdenum equivalent of 7.0%, long-term strength reaches its maximum. This is due to the fact that at higher values of the molybdenum equivalent in steel, a significant amount of intermetallic phases (Laves phases) is formed, which leads to an increase in long-term strength with relatively short tests, but then during longer tests the characteristics of long-term strength decrease due to the coagulation of these phases.

Для получения мелкозернистой структуры и высокой длительной прочности оптимальное содержание ниобия составляет ≈0,04-0,06% [5]. Введение в состав теплоустойчивой стали добавок ниобия в количестве 0,04-0,06% способствует образованию мелкодисперсных карбонитридов ниобия игольчатой формы, расположенных по телу зерна, характеризующихся высокой плотностью распределения, размером порядка нескольких нанометров и повышенной стабильностью при высокотемпературной эксплуатации. Это обеспечивает достижение требуемого уровня длительной прочности. Улучшение структурной стабильности стали, образование при отпуске достаточного количества мелкодисперсных карбонитридов ниобия, устойчивых в широком интервале температур, способствует обеспечению высокого уровня прочности как после основной термической обработки, так и в процессе эксплуатационных нагревов.To obtain a fine-grained structure and high long-term strength, the optimal niobium content is ≈0.04-0.06% [5]. The introduction of niobium additives in the amount of 0.04-0.06% into the composition of heat-resistant steel promotes the formation of finely dispersed needle-shaped niobium carbonitrides located on the grain body, characterized by a high distribution density, a size of the order of several nanometers, and increased stability during high-temperature operation. This ensures that the required level of long-term strength is achieved. Improving the structural stability of steel, the formation during the tempering of a sufficient amount of finely dispersed niobium carbonitrides, stable over a wide temperature range, helps to ensure a high level of strength both after the main heat treatment and during operational heating.

Более высокое содержание Nb нежелательно вследствие его низкой растворимости при температурах аустенизации 1100-1150°С, в результате чего он будет присутствовать в стали с составе неметаллических включений, а не выделяться при отпуске в виде дисперсных карбонитридов и нитридов. Также повышенное содержание ниобия ухудшает технологичность стали при горячей обработке.A higher Nb content is undesirable due to its low solubility at austenitization temperatures of 1100-1150 ° C, as a result of which it will be present in steel with non-metallic inclusions, and not be released during tempering in the form of dispersed carbonitrides and nitrides. Also, the high niobium content degrades the processability of steel during hot processing.

В заявляемой стали были сужены пределы содержания никеля до 0,4-0,6% вместо 0,0-0,7%. Никель является аустенитообразующим элементом, в связи с чем повышение нижнего предела содержания никеля до 0,4% позволит подавить образование δ-феррита, оказывающего отрицательное воздействие на длительную прочность стали. Увеличение содержания никеля сверх установленных пределов приведет к увеличению чувствительности к отпускной (в случае замедленного охлаждения при отпуске) и тепловой хрупкости (при длительной работе при повышенных температурах), в результате может значительно снизиться эксплуатационная надежность.In the inventive steel, the nickel content was narrowed to 0.4-0.6% instead of 0.0-0.7%. Nickel is an austenite-forming element, in connection with which an increase in the lower limit of nickel content to 0.4% will suppress the formation of δ-ferrite, which has a negative effect on the long-term strength of steel. An increase in the nickel content over established limits will lead to an increase in sensitivity to tempering (in the case of delayed cooling during tempering) and thermal brittleness (during prolonged operation at elevated temperatures), as a result, operational reliability can significantly decrease.

Для подавления образования δ-феррита в состав заявляемой стали в качестве аустенитообразующего элемента была введена также медь в количестве 0,2-0,3%.To suppress the formation of δ-ferrite, copper in an amount of 0.2-0.3% was also introduced into the composition of the inventive steel as an austenite-forming element.

Для повышения длительной прочности при эксплуатации в условиях повышенных температур и возможности реализации упрочнения мелкодисперсными частицами в заявленную марку стали был дополнительно введен титан в количестве 0,01-0,03%. Титан является чрезвычайно сильным карбидообразующим элементом. Даже при относительно низких содержаниях титана в сталях наряду с цементитом появляются наноразмерные (20-30 нм) выделения карбида титана ТiС. Карбид титана отличается высокой стабильностью и растворяется только при очень высоких температурах. В то же время повышение содержания титана выше указанного предела приводит к ухудшению технологичности сталей, затрудняя проведение горячей пластической обработки, и усложнению выплавки сложнолегированных сплавов [8].To increase the long-term strength during operation at elevated temperatures and the possibility of implementing hardening with fine particles, titanium in an amount of 0.01-0.03% was additionally introduced into the declared steel grade. Titanium is an extremely strong carbide forming element. Even at relatively low titanium contents in steels, along with cementite, nanosized (20–30 nm) precipitates of TiC titanium carbide appear. Titanium carbide is highly stable and dissolves only at very high temperatures. At the same time, an increase in the titanium content above the specified limit leads to a decrease in the manufacturability of steels, making it difficult to conduct hot plastic processing, and complicating the smelting of complex alloys [8].

В заявленной марке стали был увеличено содержание кремния от 0,05-0,10% в прототипе до 0,30-0,50%. При производстве стали, выбранной в качестве прототипа, для раскисления использовался углерод, в заявленной марке стали в связи с ограничением содержания углерода в качестве раскислителя применяют кремний. Кроме того, легирование жаропрочной высокохромистой стали кремнием в количестве 0,30-0,50% позволит получить более плотные окисные защитные пленки, благодаря чему повысить жаростойкость.In the claimed steel grade, the silicon content was increased from 0.05-0.10% in the prototype to 0.30-0.50%. In the production of steel selected as a prototype, carbon was used for deoxidation; silicon is used as a deoxidizing agent in the declared steel grade due to the limitation of carbon content. In addition, alloying of heat-resistant high-chromium steel with silicon in an amount of 0.30-0.50% will make it possible to obtain more dense oxide protective films, thereby increasing the heat resistance.

Для повышения окалиностойкости и измельчения зерна в заявляемую марку стали был дополнительно введен алюминий в количестве 0,005-0,015%, который также является хорошим раскислителем и десульфуратором. Содержание алюминия выше заданных пределов может привести к снижению жаропрочности в связи с образованием на границах зерен грубых нитридов алюминия Al-N и ухудшения металлургического качества из-за образования значительного количества неметаллических включений. На границах нитридов алюминия, в свою очередь, инициируются пустоты при ползучести, а таюке снижается содержание азота, способного образовывать карбонитриды ванадия, ниобия и титана, более термодинамически стойких, чем карбиды, и обеспечивающих высокое сопротивление ползучести [9].To increase the scale resistance and grain refinement, aluminum in the amount of 0.005-0.015%, which is also a good deoxidizer and desulfurizer, was additionally introduced into the inventive steel grade. The aluminum content above the specified limits can lead to a decrease in heat resistance due to the formation of coarse Al-N aluminum nitrides at the grain boundaries and deterioration of metallurgical quality due to the formation of a significant amount of non-metallic inclusions. At the boundaries of aluminum nitrides, in turn, voids during creep are initiated, and the nitrogen content decreases, which can form vanadium, niobium, and titanium carbonitrides that are more thermodynamically stable than carbides and provide high creep resistance [9].

Заявляемая сталь дополнительно легирована бором в количестве 0,001-0,002%. Присадки небольших количеств бора способствуют значительному упрочнению границ зерен и повышению длительной прочности высоколегированных сталей для паросиловых установок, работающих при температурах свыше 620°С [8].The inventive steel is additionally alloyed with boron in an amount of 0.001-0.002%. Additives of small amounts of boron contribute to a significant strengthening of grain boundaries and increase the long-term strength of high alloy steels for steam power plants operating at temperatures above 620 ° C [8].

Для достижения максимальной прочности сталь должна иметь целиком мартенситную структуру и не содержать δ-феррита после охлаждения на воздухе, поскольку, как было установлено [7], наличие δ-феррита снижает ее прочность, кроме того, с увеличением количества феррита увеличивается степень охрупчивания стали при длительном воздействии повышенной температуры. Чтобы предсказать количество образовавшегося δ-феррита в структуре высокохромистых сталей, было введено понятие хромового эквивалента. Формула а) выражает хромовый эквивалент как линейную зависимость от содержания различных легирующих элементов. Коэффициенты перед химическими элементами являются оценкой их влияния на образование δ-феррита. Критерием отсутствия δ-феррита является значение хромового эквивалента, не превышающее 9,5% (формула а)).To achieve maximum strength, steel should have a completely martensitic structure and not contain δ-ferrite after cooling in air, since it was established [7] that the presence of δ-ferrite reduces its strength, in addition, the degree of embrittlement of steel increases with an increase in the amount of ferrite prolonged exposure to elevated temperature. In order to predict the amount of δ ferrite formed in the structure of high-chromium steels, the concept of chromium equivalent was introduced. Formula a) expresses the chromium equivalent as a linear dependence on the content of various alloying elements. The coefficients for chemical elements are an estimate of their influence on the formation of δ-ferrite. The criterion for the absence of δ-ferrite is the value of the chromium equivalent, not exceeding 9.5% (formula a)).

При длительном воздействии повышенных рабочих температур от 500 до 630°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как, Р, Sn, Sb и As, на границах зерен, что может привести к появлению участков межзеренного разрушения в изломах образцов. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, повышение критической температуры хрупкости стали. В связи с этим необходимо ограничивать суммарное содержание данных элементов (P+Sn+Sb+As) до значения не более 0,020% (формула в)).With prolonged exposure to elevated operating temperatures from 500 to 630 ° C, segregation of impurity elements, such as P, Sn, Sb, and As, at grain boundaries is possible, which can lead to the appearance of areas of intergranular fracture in fractures of samples. In this case, there is a decrease in resistance to brittle fracture, an increase in the critical temperature of brittleness of steel. In this regard, it is necessary to limit the total content of these elements (P + Sn + Sb + As) to a value of not more than 0.020% (formula c)).

Кроме указанных соотношений состав заявляемой стали должен иметь дополнительные ограничения, выраженные формулами г)-е).In addition to these ratios, the composition of the inventive steel must have additional restrictions expressed by formulas d) -f).

Ограничение по формуле г) связано с тем, что Nb и V могут выделяться на фасетках первоначально выделившихся нитридов титана, которые не растворяются даже при температуре 1200°С. Это приводит к уменьшению объема выделений при отпуске, увеличивает размер частиц и уменьшает эффективность их воздействия на размер зерна и прочность.The limitation in formula d) is due to the fact that Nb and V can be released on the facets of the initially released titanium nitrides, which do not dissolve even at a temperature of 1200 ° C. This leads to a decrease in the volume of precipitates during tempering, increases the particle size and reduces the efficiency of their impact on grain size and strength.

Ограничение по формуле д) обеспечивает оптимальное соотношение карбонитридов титана и ниобия, являющихся основными упрочнителями.The limitation by the formula d) provides the optimal ratio of titanium and niobium carbonitrides, which are the main hardeners.

Ограничение по формуле е) устанавливает соотношение, позволяющее достигать упрочнения твердого раствора, выделения карбидов и карбонитридов молибдена и вольфрама и ограничивающее образование фаз Лавеса.The restriction according to formula e) establishes a ratio that allows hardening of the solid solution, the liberation of molybdenum and tungsten carbides and carbonitrides and limits the formation of Laves phases.

На ООО "Ласмет" при участии ФГУП ЦНИИ КМ "Прометен" были выполнены три опытно-промышленные плавки весом по 100 кг. Металл выплавлялся в вакуумных индукционных печах. Разливка в слитки производилась в вакууме. Полученный металл подвергался горячей обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.Three experimental-industrial swimming trunks weighing 100 kg each were carried out at Lasmet LLC with the participation of FSUE CRI CM Prometin. Metal was smelted in vacuum induction furnaces. The ingots were cast in a vacuum. The resulting metal was subjected to hot pressure treatment on industrial forging and rolling equipment.

Из термически обработанного материала были изготовлены образцы на статическое растяжение при температуре 20°С, удар и длительную прочность.From heat-treated material were made samples for static tension at a temperature of 20 ° C, impact and long-term strength.

Химический состав исследованных материалов и результаты определения механических и служебных свойств приведены в таблицах 1 и 2.The chemical composition of the investigated materials and the results of determining the mechanical and service properties are shown in tables 1 and 2.

Результаты сравнительных испытаний металла плавок показывают некоторое преимущество стали заявленного состава по механическим свойствам и существенное преимущество заявленной стали по служебным характеристикам.The results of comparative tests of metal melts show some advantage of the steel of the claimed composition in mechanical properties and a significant advantage of the claimed steel in terms of performance.

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005

Источники информацииInformation sources

1. В.Ю.Скульский, А.К.Царюк. Проблемы выбора свариваемой стали для высокотемпературных компонентов энергоблоков ТЭС (обзор). // Автоматическая сварка. - 2004. - №3.1. V.Yu. Skulsky, A.K. Tsaryuk. Problems of choosing weldable steel for high-temperature components of TPP power units (review). // Automatic welding. - 2004. - No. 3.

2. В.Ю.Скульский, А.К.Царюк. Новые теплоустойчивые стали для изготовления сварных узлов энергоблоков (обзор). // Автоматическая сварка. - 2004. - №4. - с.35-40.2. V.Yu. Skulsky, A.K. Tsaryuk. New heat-resistant steels for the manufacture of welded units of power units (review). // Automatic welding. - 2004. - No. 4. - p. 35-40.

3. Патент RU 2328547 С2.3. Patent RU 2328547 C2.

4. В.Ф.Резинских, В.И.Гладштейн, Г.Д.Авруцкий. Увеличение ресурса длительно работающих паровых турбин. Гл.2. Теплоустойчивые стали для высокотемпературных элементов паровых турбин. // Москва. - Издательский дом МЭИ. - 2007.4. V.F. Rezinsky, V.I. Gladstein, G.D. Avrutsky. The increase in the resource of long-running steam turbines. Chapter 2. Heat resistant steels for high temperature steam turbine components. // Moscow. - Publishing house MPEI. - 2007.

5. Хизумэ, Такэда, Екота, Такано, Судзуки, Киносита, Кооно, Цутияма. Новая сталь типа 12% Сr для роторов турбин применительно к температуре пара 593°С // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1988, №3. - С.55-66.5. Hizume, Takeda, Ekota, Takano, Suzuki, Kinoshita, Koono, Tsuchiyama. New steel of the 12% Cr type for turbine rotors as applied to a steam temperature of 593 ° C // Theoretical Foundations of Engineering Calculations. - 1988, No. 3. - S. 55-66.

6. К.А.Ланская. Жаропрочные стали. - "Металлургия" - Москва, 1969. - 246 с.6. K.A. Lanskaya. Heat resistant steel. - "Metallurgy" - Moscow, 1969. - 246 p.

7. Ф.Б.Пикеринг. Физическое металловедение и разработка сталей. Пер. с англ. Под ред. д.ф.-м.н. Г.В.Щебердинского // Москва, "Металлургия". - 1982. - 182 с.7. F.B. Pickering. Physical metallurgy and steel development. Per. from English Ed. Doctor of Philosophy G.V.Scheberdinsky // Moscow, "Metallurgy". - 1982. - 182 p.

8. П.Б.Михайлов-Михеев. Металл газовых турбин // ГНТИ Машиностроительной литературы. - 1958. - М.-Л. - 352 с.8. P. B. Mikhailov-Mikheev. Metal gas turbines // GNTI Engineering literature. - 1958. - M.-L. - 352 p.

9. R.L.Bodnar and R.F.Capellini. Effects of residual elements in heavy forgings: past, present and future. // ASTM STP 979. - Philadelphia. - 1988. - p.47-82.9. R. L. Bodnar and R. F. Capellini. Effects of residual elements in heavy forgings: past, present and future. // ASTM STP 979. - Philadelphia. - 1988. - p. 47-82.

Claims (2)

1. Жаропрочная сталь для высокотемпературных элементов энергетического оборудования, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, азот, вольфрам, титан, бор, алюминий, медь, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,005-0,02 кремний 0,30-0,50 марганец 0,40-0,60 хром 8,00-9,00 никель 0,40-0,60 молибден 0,40-0,60 вольфрам 0,80-1,00 ванадий 0,20-0,30 ниобий 0,04-0,06 азот 0,04-0,06 титан 0,01-0,03 алюминий 0,005-0,015 бор 0,001-0,002 медь 0,20-0,30 железо и примеси, в том числе сера 0,001-0,01 и фосфор 0,001-0,015 остальное

при этом соблюдаются следующие соотношения:
хромовый эквивалент:
Crэкв=Cr+0.8Si+2Mo+1W+4V+2Nb+1,7Аl+60B+2Ti-2Ni-0,4Mn-0,6Сu-20N-20C≤9,5%,
молибденовый эквивалент:
Moэкв=Mo+0,5W не должен превышать 1,0%,
0,20≤(Ti+N)/(Nb+V)≤0,25,
0,650≤(Ti+C+N)/(Nb+С+N)≤0,910,
0,060≤(С+N)/(Мо+0,5W)≤0,070.
1. Heat-resistant steel for high-temperature elements of power equipment, containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, vanadium, niobium, nitrogen, tungsten, titanium, boron, aluminum, copper, iron and impurities, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
carbon 0.005-0.02 silicon 0.30-0.50 manganese 0.40-0.60 chromium 8.00-9.00 nickel 0.40-0.60 molybdenum 0.40-0.60 tungsten 0.80-1.00 vanadium 0.20-0.30 niobium 0.04-0.06 nitrogen 0.04-0.06 titanium 0.01-0.03 aluminum 0.005-0.015 boron 0.001-0.002 copper 0.20-0.30 iron and impurities, including sulfur 0.001-0.01 and phosphorus 0.001-0.015 rest

the following ratios are observed:
chrome equivalent:
Cr eq = Cr + 0.8Si + 2Mo + 1W + 4V + 2Nb + 1.7Al + 60B + 2Ti-2Ni-0.4Mn-0.6Сu-20N-20C≤9.5%,
molybdenum equivalent:
Mo equiv = Mo + 0.5W should not exceed 1.0%,
0.20≤ (Ti + N) / (Nb + V) ≤0.25,
0.650≤ (Ti + C + N) / (Nb + C + N) ≤0.910,
0.060≤ (C + N) / (Mo + 0.5W) ≤0.070.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит олово, сурьму и мышьяк, при этом суммарное содержание фосфора, сурьмы, олова и мышьяка составляет не более 0,02 мас.%. 2. Steel according to claim 1, characterized in that it additionally contains tin, antimony and arsenic as impurities, while the total content of phosphorus, antimony, tin and arsenic is not more than 0.02 wt.%.
RU2009137168/02A 2009-10-07 2009-10-07 Heat resistant steel for power engineering RU2426814C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009137168/02A RU2426814C2 (en) 2009-10-07 2009-10-07 Heat resistant steel for power engineering

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009137168/02A RU2426814C2 (en) 2009-10-07 2009-10-07 Heat resistant steel for power engineering

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009137168A RU2009137168A (en) 2011-04-20
RU2426814C2 true RU2426814C2 (en) 2011-08-20

Family

ID=44050863

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009137168/02A RU2426814C2 (en) 2009-10-07 2009-10-07 Heat resistant steel for power engineering

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2426814C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009137168A (en) 2011-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100422409B1 (en) Heat Resistant Steel
EP1081245B1 (en) Heat resistant Cr-Mo alloy steel
US20080112837A1 (en) Ferritic heat resistant steel
KR20090035723A (en) Heat and corrosion resistant cast austenitic stainless steel alloy with improved high temperature strength
JP6388276B2 (en) Heat resistant steel and manufacturing method thereof
KR20190046729A (en) Low alloy steel for geothermal power generation turbine rotor, and low alloy material for geothermal power generation turbine rotor and method for manufacturing the same
KR100985354B1 (en) Low alloy steel
JP7485929B2 (en) Low alloy heat-resistant steel and manufacturing method thereof
JP2017166004A (en) Austenitic heat resistant steel excellent in processability, high temperature strength and toughness after aging
EP0109221B1 (en) High-strength austenitic steel
JP4266194B2 (en) Heat resistant steel, heat treatment method for heat resistant steel, and steam turbine rotor for high temperature
JP2000204434A (en) Ferritic heat resistant steel excellent in high temperature strength and its production
JP3848463B2 (en) High strength austenitic heat resistant steel with excellent weldability and method for producing the same
JPH11209851A (en) Gas turbine disk material
RU2426814C2 (en) Heat resistant steel for power engineering
JP6459681B2 (en) High Cr ferritic heat resistant steel with excellent high temperature creep characteristics
JP3434180B2 (en) Ferritic heat-resistant steel with excellent creep characteristics in the weld heat affected zone
RU2598725C2 (en) Heat-resistant steel of martensitic class and preparation method thereof
JP7131332B2 (en) Austenitic heat-resistant alloys and parts of austenitic heat-resistant alloys
RU2404281C1 (en) Heat-resistant steel for power equipment
JP3642030B2 (en) High strength martensitic stainless steel and method for producing the same
JP2021031771A (en) Low alloy heat-resistant steel and steel pipe
JP3662151B2 (en) Heat-resistant cast steel and heat treatment method thereof
JPH06228713A (en) Austenitic heat resistant cast steel excellent in strength at high temperature and machinability and exhaust system parts using same
RU2782832C1 (en) High-strength low-magnetic non-stabilized weldable steel, resistant to local corrosion in zones of thermal affect of welding and prolonged heating in the area of hazardous temperatures