RU2583188C1 - High-temperature alloy - Google Patents
High-temperature alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2583188C1 RU2583188C1 RU2015119446/02A RU2015119446A RU2583188C1 RU 2583188 C1 RU2583188 C1 RU 2583188C1 RU 2015119446/02 A RU2015119446/02 A RU 2015119446/02A RU 2015119446 A RU2015119446 A RU 2015119446A RU 2583188 C1 RU2583188 C1 RU 2583188C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- nickel
- heat
- chromium
- alloys
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Arc Welding In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении труб коллекторов (реакционных труб) высокотемпературных установок производства водорода, метанола, аммиака и др., с рабочими режимами при температуре от плюс 800°С до плюс 1080°С при давлении до 46 атм. В обоснованных случаях изделия из указанных сплавов (трубы, листы, поковки и др. металлопрокат) могут быть использованы в нефтегазохимическом и др. оборудовании в качестве коррозионно-стойкого материала.The invention relates to metallurgy, in particular to compositions of heat-resistant low-carbon chromium-nickel alloys of the austenitic class, and can be used in the manufacture of manifold pipes (reaction tubes) of high-temperature plants for the production of hydrogen, methanol, ammonia, etc., with operating conditions at temperatures from plus 800 ° C up to plus 1080 ° С at a pressure up to 46 atm. In justified cases, products from these alloys (pipes, sheets, forgings, and other metal products) can be used in petrochemical and other equipment as a corrosion-resistant material.
Известен жаропрочный сплав KHR35CL японской фирмы KUBOTA, содержащий в мас.%: углерод 0,18÷0,23; кремний 0,5÷1,2; марганец ≤0,5; хром 24,0÷26,0; никель 36,5÷38,5; ниобий ≤1,5; железо остальное. Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора не превышает следующих значений, мас.%: сера 0,03, фосфор 0,03 (KUBOTA HEAT RESISTANT ALLOYS, Catalog, 1997).Known heat-resistant alloy KHR35CL of the Japanese company KUBOTA, containing in wt.%: Carbon 0.18 ÷ 0.23; silicon 0.5 ÷ 1.2; manganese ≤0.5; chrome 24.0 ÷ 26.0; nickel 36.5 ÷ 38.5; niobium ≤1.5; iron the rest. The content in the heat-resistant alloy of sulfur and phosphorus does not exceed the following values, wt.%: Sulfur 0.03, phosphorus 0.03 (KUBOTA HEAT RESISTANT ALLOYS, Catalog, 1997).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав, описанный в опубликованной заявке на выдачу патента РФ №2149210, кл. С22С 38/50 30/00, опубл. 20.05.2000. Бюл. №14, и содержащий в масс. %: углерода 0,08÷0,14; хрома 19,0÷21,0; никеля 31,0÷34,0; ниобия 0,90÷1,35; железо - остальное, дополнительно содержит в мас.%: кремния 0,0005÷0,79; марганца 0,5005÷1,21; ванадия 0,0005÷0,20; титана 0,0005÷0,10; алюминия 0,0005÷0,10. Жаропрочный сплав может дополнительно содержать молибден и медь с обязательным одновременным выполнением двух условий: %Ni+32×%С+0,6×%Mn+%Cu=34,96984÷39,406%; %Cr+3×%Ti+%V+%Мо+1,6×%Si+0,6×%Nb=19,5433÷23,16786%. Жаропрочный сплав может содержать фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк, молибден и медь в количествах, не превышающих следующие значения в мас.%: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01; молибден - 0,5; медь - 0,2.Closest to the claimed technical essence and the achieved result is a heat-resistant alloy described in the published application for the grant of a patent of the Russian Federation No. 2149210, class. C22C 38/50 30/00, publ. 05/20/2000. Bull. No. 14, and containing in mass. %: carbon 0.08 ÷ 0.14; chromium 19.0 ÷ 21.0; nickel 31.0 ÷ 34.0; niobium 0.90 ÷ 1.35; iron - the rest, additionally contains in wt.%: silicon 0.0005 ÷ 0.79; manganese 0.5005 ÷ 1.21; vanadium 0.0005 ÷ 0.20; titanium 0.0005 ÷ 0.10; aluminum 0.0005 ÷ 0.10. The heat-resistant alloy may additionally contain molybdenum and copper with the obligatory simultaneous fulfillment of two conditions:% Ni + 32 ×% С + 0.6 ×% Mn +% Cu = 34.96984 ÷ 39.406%; % Cr + 3 ×% Ti +% V +% Mo + 1.6 ×% Si + 0.6 ×% Nb = 19.5433 ÷ 23.16786%. The heat-resistant alloy may contain phosphorus, lead, tin, arsenic, zinc, molybdenum and copper in amounts not exceeding the following values in wt.%: Sulfur - 0.03; phosphorus - 0.03; lead - 0.01; tin - 0.01; arsenic - 0.01; zinc - 0.01; molybdenum - 0.5; copper - 0.2.
Характер строения литой структуры у известных сплавов: относительно крупные зерна аустенита (от 0,1 до 0,25 мм) при существенной разнозернистости (соотношение максимальной площади зерна аустенита к минимальной составляет от 2 до 7).The nature of the structure of the cast structure of known alloys: relatively large grains of austenite (from 0.1 to 0.25 mm) with significant different grain sizes (the ratio of the maximum grain area of austenite to minimum is from 2 to 7).
Известные жаропрочные низкоуглеродистые хромоникелевые сплавы выплавляются в индукционных печах с основной футеровкой.Known heat-resistant low-carbon chromium-nickel alloys are smelted in induction furnaces with a main lining.
Коллекторные трубы (реакционные трубы), предназначенные для нефтегазоперерабатывающих установок, обычно изготавливаются сваркой трубных заготовок из хромоникелевых сплавов, полученных методом центробежного литья (ASTM [American Society for Testing and Materials], A608, Centrifugally Cast iron-chromium-nickel High Alloy Tubing for pressure application at high temperatures). Из указанного низкоуглеродистого жаропрочного сплава возможно изготавливать трубы не только центробежно-литым способом, но и прессованием, прокаткой и др. методами пластической деформации. Центробежно-литые трубные заготовки обычно предварительно подвергают механической обработке по внутренней поверхности для удаления дефектов металлургического происхождения (Yoshikazu Kuriyama, Yasuhisa Yamazaki, Iwao Kawashima, IHI, Engineering Review, 3, No. 5, September, 1970) и в дальнейшем сваривают для получения реакционной трубы требуемой длины. Жаропрочные трубы из рассматриваемых хромоникелевых сплавов можно получить, в частности, методом центробежного литья.Manifold pipes (reaction tubes) designed for oil and gas processing plants are usually made by welding tube blanks of chromium-nickel alloys obtained by centrifugal casting (ASTM [American Society for Testing and Materials], A608, Centrifugally Cast iron-chromium-nickel High Alloy Tubing for pressure application at high temperatures). It is possible to produce pipes from the indicated low-carbon heat-resistant alloy not only by centrifugal casting, but also by pressing, rolling, and other methods of plastic deformation. Centrifugally cast tubular billets are usually pre-machined on the inner surface to remove defects of metallurgical origin (Yoshikazu Kuriyama, Yasuhisa Yamazaki, Iwao Kawashima, IHI, Engineering Review, 3, No. 5, September, 1970) and then welded to obtain a reaction pipes of the required length. Heat-resistant pipes from the considered chromium-nickel alloys can be obtained, in particular, by centrifugal casting.
Коллекторные трубы (реакционные трубы в сборе) как правило используются в трубчатых печах риформинга и крекинга установок производства водорода, аммиака, метанола и др. нефтеперерабатывающих, химических и нефтехимических производств. В обоснованных случаях эти реакционные трубы могут быть использованы в теплообменном оборудовании и др. в качестве коррозионно-стойкого материала.Collector pipes (complete reaction tubes) are usually used in tubular reforming and cracking furnaces of hydrogen, ammonia, methanol and other oil refining, chemical and petrochemical plants. In justified cases, these reaction tubes can be used in heat exchange equipment, etc. as a corrosion-resistant material.
Учитывая необходимость проведения сварки центробежно-литых трубных заготовок для получения реакционных труб требуемой длины, последние должные иметь качественные сварные соединения.Given the need to weld centrifugally cast tube blanks to obtain the reaction tubes of the required length, the latter should have high-quality welded joints.
Срок службы реакционных труб, сваренных из центробежно-литых трубных заготовок из известных сплавов в нефтегазоперерабатывающих установках, работающих при температурах от плюс 800°С до плюс 1080°С при давлении до 46 атм составляет от 20000 до 65000 часов, после чего их необходимо заменять, т.к. после такого длительного периода эксплуатации их прочность в рабочих условиях (температура, давление, состав среды) резко понижается, что может привести к аварийному разрушению реакционной (сваренной) трубы и выходу из строя всей установки с непредсказуемыми последствиями.The service life of reaction tubes welded from centrifugally cast tube billets of known alloys in oil and gas refineries operating at temperatures from plus 800 ° C to plus 1080 ° C at pressures up to 46 atm is from 20,000 to 65,000 hours, after which they must be replaced, because After such a long period of operation, their strength under operating conditions (temperature, pressure, composition of the medium) decreases sharply, which can lead to emergency destruction of the reaction (welded) pipe and failure of the entire installation with unpredictable consequences.
Повреждение реакционных труб (полученных сваркой центробежно-литых трубных заготовок) в трубчатых печах производства водорода, метанола, аммиака и др., в частности, происходит вследствие комбинированного воздействия термических напряжений в околошовной сварной зоне (из-за перепада температур на наружной и внутренней стенке трубы) и напряжений в околошовной сварной зоне, возникающих из-за высокого давления технологического газа внутри трубы. Суммарные напряжения и вызывают ползучесть, которая в основном (в начальной стадии) проявляется в объеме жаропрочного сплава вблизи внутренней поверхности труб в околошовной сварной зоне.Damage to the reaction tubes (obtained by welding of centrifugally cast tube blanks) in tube furnaces for the production of hydrogen, methanol, ammonia, etc., in particular, occurs due to the combined effect of thermal stresses in the heat-affected weld zone (due to temperature differences on the outer and inner pipe walls ) and stresses in the weld zone arising due to the high pressure of the process gas inside the pipe. The total stresses cause creep, which mainly (in the initial stage) is manifested in the volume of the heat-resistant alloy near the inner surface of the pipes in the welded zone.
Известно, что главной и общей особенностью сварки центробежно-литых трубных заготовок из хромоникелевых сплавов аустенитного класса является склонность к образованию в околошовной сварной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер. Таким образом, свариваемость хромоникелевых сталей и сплавов аустенитного класса является важной характеристикой, определяющей качество указанных материалов.It is known that the main and common feature of welding centrifugal cast billets made of austenitic chromium-nickel alloys is the tendency to form hot cracks in the heat-affected welded zone with an intercrystalline character. Thus, the weldability of chromium-nickel steels and alloys of the austenitic class is an important characteristic that determines the quality of these materials.
Горячие трещины возникают в сварном шве и в зоне термического влияния (ЗТВ) основного материала (хромоникелевого сплава аустенитного класса), когда деформации, развивающиеся при охлаждении сварного соединения или под действием извне, превосходят пластичность металла в определенной зоне сварного соединения. Они имеют размеры от очень малых (менее 1 мм) ликвационных трещин в ЗТВ до крупных кристаллизационных трещин, которые могут распространяться на всю длину сварных соединений.Hot cracks occur in the weld and in the heat-affected zone (HAZ) of the base material (austenitic chromium-nickel alloy), when the deformations that develop when the weld is cooled or externally exceeded the ductility of the metal in a specific weld zone. They range in size from very small (less than 1 mm) segregation cracks in the HAZ to large crystallization cracks that can extend over the entire length of the welded joints.
Хромоникелевые стали и сплавы аустенитного класса считаются поддающимися сварке (обладающими свариваемостью) до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые центробежно-литые трубные заготовки отвечали техническим требованиям как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию реакционной трубы, которую они образуют (ГОСТ 29273-92 Свариваемость. Определение).Nickel-chromium steels and austenitic alloys are considered to be weldable (having weldability) to a specified extent in these processes and for this purpose, when metal integrity is achieved by welding with the appropriate technological process, so that the welded centrifugally cast tubular workpieces meet the technical requirements both with regard to their own qualities , and in relation to their influence on the design of the reaction tube, which they form (GOST 29273-92 Weldability. Definition).
Горячие трещины относятся к межкристаллитным разрушениям и разделяются на кристаллизационные и ликвационные. Ликвационные горячие трещины образуются при расплавлении ликватов в зоне термического влияния (ЗТВ) основного металла (хромоникелевого сплава аустенитного класса). Вероятность появления кристаллизационных трещин определяется характером изменения пластичности хромоникелевых сплавов при их деформировании в твердожидком состоянии. Кристаллизационные трещины - горячие трещины, образующиеся при кристаллизации жидкой фазы металла сварного шва.Hot cracks are related to intergranular fractures and are divided into crystallization and segregation ones. Liquidation hot cracks are formed during the melting of liquids in the heat affected zone (HAZ) of the base metal (austenitic chromium-nickel alloy). The probability of crystallization cracks is determined by the nature of the change in the ductility of nickel-chromium alloys upon their deformation in the solid-liquid state. Crystallization cracks - hot cracks formed during crystallization of the liquid phase of the weld metal.
Повышению сопротивляемости образованию кристаллизационных горячих трещин хромоникелевых сплавов аустенитного класса может служить обеспечение чистоты сплавов по примесям, которые способствуют образованию при кристаллизации легкоплавких фаз. Эти мероприятия сужают температурный интервал хрупкости и повышают запас пластичности.Ensuring the purity of alloys by impurities, which contribute to the formation of low-melting phases during crystallization, can increase the resistance to the formation of crystallization hot cracks of austenitic chromium-nickel alloys. These measures narrow the temperature range of brittleness and increase the margin of ductility.
Для повышения сопротивляемости хромоникелевых сплавов аустенитного класса образованию ликвационных горячих трещин необходимо их легирование элементами, снижающими диффузионную подвижность атомов в решетке или способствующими созданию фрагментарной литой структуры (искривление границ кристаллитов, образование в процессе кристаллизации дисперсных вторых фаз и выделений при последующем охлаждении), а также обеспечение чистоты хромоникелевых сплавов по примесям внедрения. Кроме того, повышению сопротивляемости горячим трещинам может служить измельчение структуры металла (при одновременном снижении разнозернистости) при введении определенных легирующих элементов.To increase the resistance of austenitic chromium-nickel alloys to the formation of segregation hot cracks, it is necessary to alloy them with elements that reduce the diffusion mobility of atoms in the lattice or contribute to the creation of a fragmentary cast structure (curvature of crystallite boundaries, the formation of dispersed second phases and precipitates during crystallization during subsequent cooling), as well as ensuring purity of chromium-nickel alloys based on interstitial impurities. In addition, grinding of the metal structure (while reducing the different grain size) with the introduction of certain alloying elements can serve to increase the resistance to hot cracks.
Установлены следующие наиболее важные металлургические факторы, способствующие повышению сопротивляемости металла образованию горячих трещин при сварке хромоникелевых аустенитных сталей и сплавов: ограничение содержания примесей, образующих легкоплавкие фазы, с целью сужения эффективного интервала кристаллизации.The following most important metallurgical factors have been identified that contribute to increasing the resistance of the metal to hot cracking during welding of nickel-chromium austenitic steels and alloys: limiting the content of impurities forming low-melting phases in order to narrow the effective crystallization interval.
Полезным мероприятием также может служить ограничение в основном и наплавленном металлах содержания вредных и ликвирующих примесей, а также растворенных газов.A useful measure can also be the limitation in the base and deposited metals of the content of harmful and liquor impurities, as well as dissolved gases.
Газы оказывают своеобразное действие на структуру хромоникелевых сталей. Влияние газов, как и легирующих примесей, на стойкость против образования горячих трещин связано с их действием на первичную структуру основного металла и сварных швов.Gases have a peculiar effect on the structure of chromium-nickel steels. The effect of gases, as well as alloying impurities, on the resistance to the formation of hot cracks is associated with their effect on the primary structure of the base metal and welds.
Азот действует и как аустенизатор, и как инокулятор (модификатор, добавка), измельчая литую структуру основного металла центробежно-литой заготовки, а также структуру сварных швов.Nitrogen acts both as an austenitizer and as an inoculator (modifier, additive), grinding the cast structure of the base metal of a centrifugally cast billet, as well as the structure of welds.
Водород не оказывает существенного влияния на первичную микроструктуру основного металла и структуру сварного шва. Водород сам по себе не вызывает горячих трещин, но способен усиливать трещинообразование, вызываемое другими элементами. В этом случае водород, при его избытке в металле шва, диффундирует в трещины, которые образовались по каким-либо причинам. С понижением температуры атомы водорода ассоциируют в молекулы, внутреннее давление газа в трещинах резко возрастает и микроскопические трещины превращаются в макроскопические.Hydrogen does not significantly affect the primary microstructure of the base metal and the structure of the weld. Hydrogen alone does not cause hot cracks, but is able to enhance crack formation caused by other elements. In this case, hydrogen, with its excess in the weld metal, diffuses into the cracks that formed for some reason. With decreasing temperature, hydrogen atoms associate into molecules, the internal gas pressure in the cracks increases sharply, and microscopic cracks turn into macroscopic ones.
Кислород в относительно небольшой концентрации препятствует образованию измельченной структуры (в отличие от азота). С увеличением содержания кислорода он действует аналогично азоту. Кислород, окисляя ферритообразующие примеси, способствует аустенизации. Азот же, растворяясь в γ-железе, непосредственно изменяет структуру основного металла и сварного шва.Oxygen in a relatively small concentration prevents the formation of a crushed structure (unlike nitrogen). With an increase in oxygen content, it acts similarly to nitrogen. Oxygen, oxidizing ferrite-forming impurities, promotes austenization. Nitrogen, dissolving in γ-iron, directly changes the structure of the base metal and the weld.
Известно также, что при взаимном влиянии водорода и азота уменьшается пористость сварных швов (Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 192 с.: ил.).It is also known that with the mutual influence of hydrogen and nitrogen, the porosity of welds decreases (Shirshov I.G., Kotikov V.N. Plasma cutting. - L.: Mechanical engineering. Leningrad. Department, 1987. - 192 pp., Ill. )
Если количества азота и кислорода приблизительно равны, основной металл и сварной шов приобретают дезориентированную структуру.If the amounts of nitrogen and oxygen are approximately equal, the base metal and the weld become disoriented.
Состав газов (кислород, водород, азот) в хромоникелевых жаропрочных сталях и сплавах аустенитного класса в основном определяется их количеством в шихтовых материалах, которые участвуют при выплавке, а также их растворимостью в конкретных сплавах. Для увеличения содержания кислорода, водорода и азота в составе жаропрочного сплава были также использованы специальные технологические приемы, которые составляют самостоятельное «ноу-хау» и не описываются в настоящем материале. Превышение максимальных значений содержания газов в жаропрочных сплавах можно контролировать широко известными мероприятиями, например дегазацией, а также, используя при выплавке шихту, содержащую минимальное количество растворенных в ней газов.The composition of gases (oxygen, hydrogen, nitrogen) in chromium-nickel heat-resistant steels and alloys of the austenitic class is mainly determined by their amount in charge materials that are involved in smelting, as well as their solubility in specific alloys. To increase the oxygen, hydrogen and nitrogen content in the composition of the heat-resistant alloy, special technological methods were also used, which constitute an independent “know-how” and are not described in this material. Exceeding the maximum values of the gas content in heat-resistant alloys can be controlled by well-known measures, for example, degassing, as well as using a mixture containing the minimum amount of dissolved gases in it during smelting.
Снижению содержания газов в составе жаропрочных сплавов аустенитного класса способствует продувка расплавленного металла аргоном. При этом каждый пузырек аргона представляет собой «вакуумную камеру», так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю, поэтому газы, растворенные в металле, переходят в пузырь и вместе с ним удаляются в атмосферу. Кроме того, при продувке аргоном происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава. Содержание кислорода при этом можно снизить в 2÷3 раза, водорода - на 10÷70% и азота - на 10÷60%.Reducing the gas content in the heat-resistant alloys of the austenitic class contributes to the purging of the molten metal with argon. In addition, each argon bubble represents a “vacuum chamber”, since the partial pressures of hydrogen and nitrogen in such a bubble are zero, therefore, gases dissolved in the metal pass into the bubble and are removed to the atmosphere with it. In addition, when purging with argon there is intense mixing of the metal, averaging its composition. The oxygen content can be reduced by 2–3 times, hydrogen by 10–70% and nitrogen by 10–60%.
Известно, что вредное влияние водорода и азота можно снизить при введении в металл примесей, связывающих водород и азот в прочные гидриды и нитриды, например, при введении редкоземельных металлов. Вводимые редкоземельные металлы (РЗМ), например иттрий, частично взаимодействуют с кислородом, находящимся в составе ранее образовавшихся включений, а частично с серой, образуя сульфиды. Температура плавления сульфидов РЗМ около 2000°С, и они, так же как оксиды РЗМ, располагаются при кристаллизации не по краям зерна, а сами являются центрами кристаллизации и располагаются в центре зерна. Тем самым их отрицательное влияние на свойства стали сводится к минимуму. Возможно также образование оксисульфидов РЗМ типа Y2O2S (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. - 528 с., ил.).It is known that the harmful effects of hydrogen and nitrogen can be reduced by introducing into the metal impurities that bind hydrogen and nitrogen to strong hydrides and nitrides, for example, by introducing rare-earth metals. Introduced rare earth metals (REM), for example, yttrium, partially interact with oxygen, which is part of previously formed inclusions, and partially with sulfur, forming sulfides. The melting point of REM sulfides is about 2000 ° C, and they, like REM oxides, are not located at the edges of the grain during crystallization, but they themselves are crystallization centers and are located in the center of the grain. Thus, their negative impact on the properties of steel is minimized. It is also possible the formation of rare-earth oxysulfides of type Y 2 O 2 S (V. Kudrin. Theory and technology of steel production: Textbook for high schools. - M.: Mir, Publishing House AST, 2003. - 528 p., Ill. )
Известно, что вредное влияние мышьяка, цинка, свинца, сурьмы, олова сказывается на жаропрочности сплавов не только в интервале рабочих температур, но также при более высоких температурах.It is known that the harmful effects of arsenic, zinc, lead, antimony, and tin affect the heat resistance of alloys not only in the range of operating temperatures, but also at higher temperatures.
Сера при большом ее содержании приводит к резкому снижению жаропрочности, образуя с железом, никелем и кобальтом легкоплавкие эвтектики. Особенно вредное влияние оказывает сера в никелевых жаропрочных сплавах или сталях с высоким содержанием никеля. Для уменьшения вредного влияния серы в готовых сплавах добавляют редкоземельные элементы (например, иттрий), чтобы связать серу в более тугоплавкие соединения.Sulfur with its large content leads to a sharp decrease in heat resistance, forming fusible eutectics with iron, nickel and cobalt. Sulfur is particularly detrimental in high temperature nickel alloys or high nickel steels. To reduce the harmful effects of sulfur in the finished alloys, rare earth elements (for example, yttrium) are added to bind sulfur to more refractory compounds.
Кроме того, сера оказывает вредное влияние на свариваемость аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов, вызывает микрорастрескивание, связанное с горячей хрупкостью (Жаропрочные стали и сплавы. Химушин Ф.Ф. Изд-во «Металлургия», 1969, 2-е изд., 752 с.).In addition, sulfur has a detrimental effect on the weldability of austenitic chromium-nickel steels and alloys, causes microcracking associated with hot brittleness (Heat-resistant steels and alloys. Khimushin F.F. Metallurgy Publishing House, 1969, 2nd ed., 752 s .).
Известно, что микролегирование редкоземельными элементами (например, иттрием) аустенитных сталей (сплавов) в определенном соотношении улучшает их структурную стабильность при рабочих температурах и, как следствие, повышает жаропрочность.It is known that microalloying with rare-earth elements (for example, yttrium) of austenitic steels (alloys) in a certain ratio improves their structural stability at operating temperatures and, as a result, increases heat resistance.
Микролегирование иттрием приводит к снижению диффузионной подвижности атомов водорода в кристаллической рещетке аустенитной стали (сплава), а также способствует повышению работы зарождения и развития дислокационных и межзеренных хрупких трещин при рабочих условиях эксплуатации.Microalloying with yttrium leads to a decrease in the diffusion mobility of hydrogen atoms in the crystal lattice of austenitic steel (alloy), and also contributes to an increase in the work of nucleation and the development of dislocation and intergranular brittle cracks under operating conditions.
При этом микролегироавние иттрием повышает коррозионную стойкость сталей (сплавов) за счет измельчения зерна аустенита, рафинирования металла и повышения стойкости поверхности против общей коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением (Заводская лаборатория. Диагоностика материалов. №2, 2010. Том 76. Исследование кавитационно-коррозионной стойкости направленной стали 06Х23Н18М5, микролегированной иттрием. - А.В. Патюпкин, А.С. Рудычев, Е.В. Федосеев, А.Г. Александров).At the same time, microlelegree yttrium increases the corrosion resistance of steels (alloys) by grinding austenite grains, refining of metal and increasing surface resistance against general corrosion and stress corrosion cracking (Factory Laboratory. Diagnostics of materials. No. 2, 2010. Volume 76. Cavitation-corrosion research resistance of directional steel 06Kh23N18M5 microalloyed with yttrium - A.V. Patyupkin, A.S. Rudychev, E.V. Fedoseev, A.G. Aleksandrov).
Улучшение служебных характеристик сталей (сплавов), легированных иттрием, обусловлено снижением размеров аустенитных зерен и стабилизацией их дисперсности, т.к. в процессе кристаллизации металла иттрий тормозит рост аустенитного зерна.The improvement of the service characteristics of yttrium alloy steels (alloys) is due to a decrease in the size of austenitic grains and stabilization of their dispersion, because during crystallization of the metal, yttrium inhibits the growth of austenitic grain.
Для изготовления реакционных (сварных) труб следует использовать центробежно-литые трубные заготовки из хромоникелевых сталей и сплавов аустенитного класса с проведением жесткого контроля на содержание указанных примесей. При выплавке в индукционных печах особо следует обратить внимание на использование только чистых шихтовых материалов. Для дошихтовки недопустимо использование металла, бывшего в эксплуатации, и сильно окисленных компонентов.For the manufacture of reaction (welded) pipes, centrifugal cast billets of chromium-nickel steels and austenitic alloys should be used with tight control on the content of these impurities. When smelting in induction furnaces, special attention should be paid to the use of only pure charge materials. For retrofitting, the use of used metal and strongly oxidized components is not permissible.
Потенциальную склонность к образованию горячих трещин имеют практически все хромоникелевые стали и сплавы аустенитного класса при любых видах сварки плавлением.Almost all chromium-nickel steels and austenitic alloys have a potential tendency to form hot cracks in all types of fusion welding.
Существуют многочисленные способы и критерии оценки качества хромоникелевых сталей и сплавов аустенитного класса в отношении образования горячих трещин при сварке (процессах, протекающих при высоких температурах и механических напряжениях).There are numerous methods and criteria for assessing the quality of chromium-nickel steels and austenitic alloys with respect to the formation of hot cracks during welding (processes occurring at high temperatures and mechanical stresses).
В частности, расчетно-статистический метод оценки стойкости (ранее исследованных) хромоникелевых сталей и сплавов против образования горячих трещин. Этот метод основан на использовании параметрических уравнений, составленных с помощью регрессионного анализа. В параметрические уравнения входят ферритообразующие (Cr, Ti, Mo, Si, Nb) и аустенитообразующие химические элементы (Ni, С, Mn, N, Cu), где Cr, Ti, Mo, Si, Nb, Ni, С, Mn, N, Cu - обозначения элементов согласно периодической системы химических элементов (таблицы Д.И. Менделеева).In particular, the calculation and statistical method for assessing the resistance (previously investigated) of nickel chromium steels and alloys against the formation of hot cracks. This method is based on the use of parametric equations compiled using regression analysis. The parametric equations include ferrite-forming (Cr, Ti, Mo, Si, Nb) and austenite-forming chemical elements (Ni, С, Mn, N, Cu), where Cr, Ti, Mo, Si, Nb, Ni, С, Mn, N , Cu - designations of elements according to the periodic system of chemical elements (tables of D.I. Mendeleev).
Известна также зависимость стойкости к образованию горячих трещин у хромоникелевых сталей и сплавов аустенитного класса от соотношения эквивалентов хрома и никеля: (CrЭ/NiЭ), где CrЭ - эквивалент хрома; NiЭ - эквивалент никеля (Сварка и свариваемые материалы: В 3-х томах Т. 1. Свариваемость материалов. Справ. изд. / Под ред. Э.Л. Макарова. - М., Металлургия, 1991, с. 528). Параметрическое уравнение в виде эквивалента хрома: CrЭ=f(Cr, Ti, Mo, Si, Nb) представляет собой зависимость CrЭ от ферритообразующих элементов. Параметрическое уравнение в виде эквивалента никеля: NiЭ=f(Ni, С, Mn, N, Cu) представляет собой зависимость NiЭ от аустенитообразующих элементов. Чем больше соотношение (CrЭ/NiЭ), тем выше сопротивляемость хромоникелевых сплавов аустенитного класса образованию горячих трещин.The dependence of the resistance to hot cracking of chromium-nickel steels and alloys of the austenitic class on the ratio of equivalents of chromium and nickel is also known: (Cr E / Ni E ), where Cr E is the equivalent of chromium; Ni E is the equivalent of nickel (Welding and materials to be welded: In 3 volumes of T. 1. Weldability of materials. Reference ed. / Ed. By E.L. Makarov. - M., Metallurgy, 1991, p. 528). The parametric equation in the form of the equivalent of chromium: Cr E = f (Cr, Ti, Mo, Si, Nb) is the dependence of Cr E on ferrite-forming elements. The parametric equation in the form of a nickel equivalent: Ni E = f (Ni, C, Mn, N, Cu) is the dependence of Ni E on austenite-forming elements. The greater the ratio (Cr E / Ni E), the higher the resistance of nickel-chromium alloys austenitic hot cracking.
Для повышения стойкости хромоникелевых сплавов аустенитного класса к образованию горячих трещин при сварке, в частности, необходимо добиваться сведения к минимуму содержания серы и фосфора (сера может образовывать легкоплавкие соединения, в частности, с никелем), не допускать расслоений. Для измельчения структуры аустенитных сталей и сплавов следует их легировать малыми добавками редкоземельных элементов для измельчения структуры и ее стабилизации.To increase the resistance of austenitic chromium-nickel alloys to the formation of hot cracks during welding, in particular, it is necessary to minimize the content of sulfur and phosphorus (sulfur can form fusible compounds, in particular, with nickel), and prevent delamination. To grind the structure of austenitic steels and alloys, they should be alloyed with small additives of rare-earth elements to grind the structure and stabilize it.
Известно, что ползучесть вызывается перемещением определенных групп атомов в структуре сплава. Эти группы атомов в процессе течения через массу металла скапливаются у границ зерен, что приводит к возникновению пустот, в дальнейшем выстраивающихся в линии и приводящих впоследствии к возникновению микротрещин. Этот отрицательный эффект усиливается при размещении на границах зерен аустенита легкоплавких эвтектик. Кроме того, отрицательный эффект усиливается в сплавах с крупнозернистой структурой и со структурой с большим разбросом размеров аутенитных зерен (высокой разнозернистостью).It is known that creep is caused by the displacement of certain groups of atoms in the structure of the alloy. These groups of atoms in the process of flowing through the metal mass accumulate at the grain boundaries, which leads to the appearance of voids, which subsequently line up and subsequently lead to microcracks. This negative effect is enhanced when low-melting eutectics are placed at the grain boundaries of austenite. In addition, the negative effect is amplified in alloys with a coarse-grained structure and with a structure with a large variation in the size of the authentic grain (high grain size).
Процесс формирования дефектов в структуре жаропрочного сплава (реакционных труб) от образования пустот и до возникновения микротрещин вплоть до появления сквозного свища принято рассматривать как трехстадийный, как и сам процесс ползучести.The formation of defects in the structure of a heat-resistant alloy (reaction tubes) from the formation of voids to the occurrence of microcracks up to the appearance of a through fistula is considered to be as three-stage as the creep process itself.
Так, при первичной ползучести, которая фиксируется непосредственно с началом эксплуатации реакционных труб, в процессе упрочнения металла (непосредственно при высокотемпературной эксплуатации под внутренним давлением труб) скорость деформации снижается. При этом происходит замедление перемещения микроэлементов в структуре металла. На этой стадии ползучести происходит начало образования микропор на границе зерен и фаз.So, with primary creep, which is fixed immediately with the start of operation of the reaction tubes, in the process of hardening of the metal (directly during high-temperature operation under the internal pressure of the tubes), the strain rate decreases. In this case, a slowdown in the movement of trace elements in the metal structure occurs. At this stage of creep, the onset of micropore formation occurs at the boundary of grains and phases.
При вторичной (стабильной) ползучести, фактически, в процессе обычного старения жаропрочного сплава (при расчетных значениях температуры и внутреннего давления в реакционных трубах) фиксируется увеличение диаметра труб с постоянной крайне медленной скоростью. В конце этой стадии ползучести происходит рост и объединение микропор.With secondary (stable) creep, in fact, during normal aging of heat-resistant alloy (with calculated values of temperature and internal pressure in the reaction tubes), an increase in the diameter of the tubes with a constant extremely slow speed is recorded. At the end of this creep stage, micropores grow and combine.
Третичная ползучесть характеризуется высокой скоростью деформации и объединением микротрещин в трещины размером больше размеров аустенитного зерна. При этом дефекты (в виде пустот, переходящих в трещины) в структуре жаропрочного сплава увеличиваются, что равносильно возрастанию нагрузки на бездефектные участки труб. Возрастающая скорость деформации в конечном итоге приводит к разрушению реакционной трубы из жаропрочного хромоникелевого сплава аустенитного класса.Tertiary creep is characterized by a high rate of deformation and the union of microcracks into cracks larger than austenitic grain sizes. In this case, defects (in the form of voids turning into cracks) in the structure of a heat-resistant alloy increase, which is equivalent to an increase in the load on defect-free pipe sections. An increasing strain rate ultimately leads to the destruction of the reaction tube from a heat-resistant chromium-nickel alloy of the austenitic class.
Для увеличения работоспособности реакционных труб из жаропрочных хромоникелевых сплавов крайне важно определить момент окончания вторичной ползучести, а также отодвинуть процесс наступления третичной ползучести, при которой пустоты на границах зерен разрастаются вплоть до образования трещин в структуре металла.To increase the operability of reaction tubes made of heat-resistant chromium-nickel alloys, it is extremely important to determine the moment of termination of secondary creep, as well as to postpone the process of tertiary creep, in which voids at the grain boundaries grow up to the formation of cracks in the metal structure.
Известно, что формирование карбидов в микроструктуре жаропрочного сплава приводит к устойчивости сплава к ползучести. Карбиды могут быть подразделены на два типа: первичные карбиды, которые образуются в процессе затвердевания в виде тонкой сетки на границах аустенитных зерен, и вторичные карбиды (образуются уже при высокотемпературной нагрузке реакционных труб из жаропрочных сплавов), которые в ходе эксплуатации труб осаждаются в виде мелкодиспергированных частиц не по границам, а в самих аустенитных зернах жаропрочного сплава (процесс старения). Каждая мелкодиспергированная частица вторичного карбида на уровне микроструктуры действует как препятствие, предотвращающее сдвиги, характерные для ползучих деформаций.It is known that the formation of carbides in the microstructure of a heat-resistant alloy leads to creep resistance of the alloy. Carbides can be divided into two types: primary carbides, which are formed in the process of solidification in the form of a fine mesh at the boundaries of austenitic grains, and secondary carbides (which are formed even at high temperature loading of reaction tubes from heat-resistant alloys), which precipitate in the form of finely dispersed tubes during operation particles not along the boundaries, but in the austenitic grains of the heat-resistant alloy themselves (aging process). Each finely dispersed secondary carbide particle at the microstructure level acts as an obstacle that prevents the shifts characteristic of creeping deformations.
Именно благодаря вторичным карбидам (мелкодиспергированным частичкам) обеспечивается устойчивость жаропрочных хромоникелевых аустенитных сплавов к ползучести. В процессе ползучести эти вторичные карбиды не позволяют смещаться зернам металла, что предотвращает повреждение структуры.It is thanks to secondary carbides (finely dispersed particles) that creep resistance of heat-resistant chromium-nickel austenitic alloys is ensured. In the creep process, these secondary carbides do not allow metal grains to move, which prevents damage to the structure.
Причем, если в процессе старения хромоникелевого сплава происходит медленное увеличение размера вторичных мелкодиспергированных частиц, сплав будет обладать структурной стабильностью при повышенных температурах. Известно, что сплавы со структурной стабильностью менее склонны к образованию горячих трещин при сварке.Moreover, if a slow increase in the size of secondary finely dispersed particles occurs during aging of the chromium-nickel alloy, the alloy will have structural stability at elevated temperatures. It is known that alloys with structural stability are less likely to form hot cracks during welding.
Одной из возможных причин недостаточно высокой жаропрочности реакционных труб и снижения качества реакционных труб, сваренных из центробежно-литых трубных заготовок известных жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, является образование горячих трещин при сварке.One of the possible reasons for the insufficiently high heat resistance of reaction tubes and the decrease in the quality of reaction tubes welded from centrifugally cast tube blanks of known heat-resistant chromium-nickel alloys of the austenitic class is the formation of hot cracks during welding.
Основным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является увеличение структурной стабильности сплава в процессе старения (в процессе длительной эксплуатации под нагрузкой при высоких температурах), а также снижение склонности сплава к образованию горячих трещин при сварке.The main technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to increase the structural stability of the alloy during aging (during long-term operation under load at high temperatures), as well as to reduce the tendency of the alloy to form hot cracks during welding.
Указанный технический результат достигается за счет того, что жаропрочный сплав, содержащий углерод, хром, никель, ниобий, кремний, марганец, ванадий, титан, алюминий, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк, молибден, медь и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, сурьму, кислород, водород и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерода 0,18÷0,23; хрома 24,5÷26,5; никеля 36,0÷38,0; ниобия 0,90÷1,50; кремния 0,5÷1,2; марганца ≤0,5; ванадия 0,0005÷0,10; титана 0,0005÷0,10; алюминия 0,0005÷0,10; иттрия >0÷0,001; кислорода >0,0005÷0,028; водорода >0,0005÷0,0025; азота >0,0005÷0,095; серы ≤0,02; фосфора ≤0,03; свинца ≤0,009; олова ≤0,009; мышьяка ≤0,009; цинка ≤0,009; сурьмы ≤0,009; молибдена ≤0,1; меди ≤0,1; железо - ост., при выполнении следующих условий, мас.%: (CrЭ/NiЭ)≥0,627, где: CrЭ - эквивалент хрома; NiЭ - эквивалент никеля; CrЭ=Cr+2×Al+3×Ti+V+Mo+1,6×Si+0,6Nb; NiЭ=Ni+32C+0,6×Mn+22×N+Cu, а для содержаний серы и фосфора выполняется условие (S+Р)≤0,025.The specified technical result is achieved due to the fact that the heat-resistant alloy containing carbon, chromium, nickel, niobium, silicon, manganese, vanadium, titanium, aluminum, sulfur, phosphorus, lead, tin, arsenic, zinc, molybdenum, copper and iron, characterized the fact that it additionally contains yttrium, antimony, oxygen, hydrogen and nitrogen in the following ratio of components, wt.%: carbon 0.18 ÷ 0.23; chromium 24.5 ÷ 26.5; nickel 36.0 ÷ 38.0; niobium 0.90 ÷ 1.50; silicon 0.5 ÷ 1.2; Manganese ≤0.5; vanadium 0.0005 ÷ 0.10; titanium 0.0005 ÷ 0.10; aluminum 0.0005 ÷ 0.10; yttrium> 0 ÷ 0.001; oxygen> 0,0005 ÷ 0,028; hydrogen> 0.0005 ÷ 0.0025; nitrogen> 0.0005 ÷ 0.095; sulfur ≤0.02; phosphorus ≤0.03; lead ≤0.009; tin ≤0.009; arsenic ≤0.009; zinc ≤0.009; antimony ≤0.009; molybdenum ≤0.1; copper ≤0.1; iron - stop, under the following conditions, wt.%: (Cr E / Ni E ) ≥0.627, where: Cr E is the equivalent of chromium; Ni E is the equivalent of nickel; Cr e = Cr + 2 × Al + 3 × Ti + V + Mo + 1.6 × Si + 0.6Nb; Ni E = Ni + 32C + 0.6 × Mn + 22 × N + Cu, and for the contents of sulfur and phosphorus, the condition (S + P) ≤0.025 is fulfilled.
Структурную стабильность сплава в процессе длительной эксплуатации под нагрузкой при высоких температурах оценивали по величине r, которая определяется как отношение
Склонность сплава к образованию горячих трещин при сварке оценивали визуально (с использование увеличительных приборов) после приложения нагрузки к образцу с наплавленным сварным швом.The tendency of the alloy to form hot cracks during welding was evaluated visually (using magnifying devices) after applying a load to the sample with a weld weld.
Заявленный низкоуглеродистый хромоникелевый жаропрочный сплав является чисто аустенитным и выплавляется только в индукционных печах с основной или нейтральной футеровкой (кислая футеровка приводит к обезуглероживанию сплава) и с использованием чистых шихтовых материалов (первородной шихты). Отходы, обрезь и другие загрязненные материалы при выплавке заявленного сплава не используются. Специфика нагрева и расплавления металла в индукционных печах без образования электрической дуги (в отличие от электродуговых печей) не требует наведения шлаков на поверхности жидкого металла с переводом ряда примесей в наведенный шлак и последующим его удалением. Кроме того, применение высокочастотного принципа нагрева в индукционной печи обеспечивает интенсивное перемешивание компонентов сплава в процессе выплавки, что дополнительно снижает отрицательное воздействие ликвационных процессов. Плавление в индукционной печи происходит в футерованном индукторе. Таким образом, жаропрочный сплав защищен от любых загрязнений. Жаропрочный сплав при плавлении в индукционных печах защищен от насыщения продуктами сгорания топлива (в отличие от плавления в мартеновских и др. печах), от науглероживающего влияния электродов (в отличие от плавления в электродуговых печах) и от насыщения газами (водородом, кислородом и азотом) из окружающей атмосферы (в отличие от плавления в электродуговых печах при наличии сверхвысокотемпературной электрической дуги).The claimed low-carbon chromium-nickel heat-resistant alloy is purely austenitic and is smelted only in induction furnaces with a main or neutral lining (acid lining leads to decarburization of the alloy) and using pure charge materials (primary charge). Waste, trimmings and other contaminated materials are not used in the smelting of the claimed alloy. The specifics of heating and melting of metal in induction furnaces without the formation of an electric arc (in contrast to electric arc furnaces) does not require slag guidance on the surface of a liquid metal with the transfer of a number of impurities to the induced slag and its subsequent removal. In addition, the application of the high-frequency heating principle in an induction furnace provides intensive mixing of alloy components during the smelting process, which further reduces the negative impact of segregation processes. Melting in an induction furnace occurs in a lined inductor. Thus, the heat-resistant alloy is protected from any contamination. The heat-resistant alloy during melting in induction furnaces is protected from saturation of the fuel combustion products (as opposed to melting in open-hearth and other furnaces), from the carburizing effect of electrodes (as opposed to melting in electric arc furnaces) and from saturation with gases (hydrogen, oxygen and nitrogen) from the surrounding atmosphere (in contrast to melting in electric arc furnaces in the presence of an ultrahigh-temperature electric arc).
Индукционная печь представляет собой своеобразный трансформатор, в котором металлическая шихта, подлежащая расплавлению, является вторичной обмоткой, а первичная обмотка трансформатора образована катушкой индуктора, через которую протекает переменный ток высокой частоты (более 1000 Гц). Ток, индуцируемый в металлической шихте, нагревает ее до расплавления. Это обстоятельство позволяет (в отличие от других методов плавления) легко регулировать температуру расплавленного металла в индукционной печи.An induction furnace is a kind of transformer in which the metal charge to be melted is a secondary winding, and the primary winding of the transformer is formed by an inductor coil through which an alternating current of high frequency (over 1000 Hz) flows. The current induced in the metal charge heats it until it melts. This circumstance makes it possible (unlike other melting methods) to easily control the temperature of the molten metal in an induction furnace.
Изделия (реакционные трубы) на основе заявленного жаропрочного сплава получались из центробежно-литых трубных заготовок или отливок, изготовленных путем заливки расплавленного жаропрочного сплава во вращающийся кокиль (для центробежно-литой трубы) с внутренним диаметром, равным наружному диаметру получаемой трубы, или путем заливки расплавленного жаропрочного сплава в специально подготовленную форму (для фасонной отливки). При производстве заявленного жаропрочного сплава в расплавленный металл непосредственно перед его выпуском (заливкой во вращающийся кокиль) вводят по специальным режимам некоторые легирующие компоненты (титан, иттрий и др.) во избежание их окисления и угара. Последовательность и технология ввода легирующих компонентов в настоящей заявке не представлена и является отдельным (самостоятельным) «ноу-хау» на способ легирования. В дальнейшем, после кристаллизации жаропрочного сплава, полученные литые заготовки подвергались механической обработке без деформации структуры материала, т.е. путем снятия стружки.Products (reaction tubes) based on the declared heat-resistant alloy were obtained from centrifugal cast billets or castings made by pouring molten heat-resistant alloy into a rotating chill mold (for a centrifugally cast tube) with an inner diameter equal to the outer diameter of the pipe obtained, or by pouring the molten heat-resistant alloy in a specially prepared form (for shaped casting). In the production of the declared heat-resistant alloy, some alloying components (titanium, yttrium, etc.) are introduced in special regimes into molten metal immediately before its release (pouring into a rotating chill mold) in order to avoid their oxidation and burning. The sequence and technology of introducing alloying components is not presented in this application and is a separate (independent) know-how on the alloying method. Subsequently, after crystallization of the heat-resistant alloy, the obtained cast billets were machined without deformation of the material structure, i.e. by removing chips.
Основные результаты исследований были получены при использовании сплава следующего состава в масс %: никель - 36,1; углерод - 0,185; марганец - 0,09; медь - 0,05; хром - 26,0; титан - 0,08; алюминий - 0,09; молибден - 0,08; кремний - 1,15; ниобий - 1,45; ванадий - 0,09; сера - 0,012; фосфор - 0,011; свинец - 0,005; олово - 0,005; мышьяк - 0,0045; цинк - 0,0045; сурьма - 0,006; иттрий - 0,0009; кислород - 0,008; водород - 0,0018; азот - 0,03; железо - 34,5463. CrЭ=Cr+2×Al+3×Ti+V+Mo+1,6×Si+0,6Nb=29,3; NiЭ=Ni+32C+0,6×Mn+22×N+Cu=42,784; (CrЭ/NiЭ)=0,685≥0,627; (S+P)=0,023≤0,025.The main research results were obtained using an alloy of the following composition in mass%: nickel - 36.1; carbon 0.185; Manganese - 0.09; copper - 0.05; chrome 26.0; titanium - 0.08; aluminum - 0.09; molybdenum - 0.08; silicon - 1.15; niobium - 1.45; vanadium - 0.09; sulfur - 0.012; phosphorus - 0.011; lead - 0.005; tin - 0.005; arsenic - 0.0045; zinc - 0.0045; antimony - 0.006; yttrium - 0.0009; oxygen is 0.008; hydrogen is 0.0018; nitrogen - 0.03; iron - 34.5463. Cr e = Cr + 2 × Al + 3 × Ti + V + Mo + 1.6 × Si + 0.6Nb = 29.3; Ni E = Ni + 32C + 0.6 × Mn + 22 × N + Cu = 42.784; (Cr E / Ni E ) = 0.685≥0.627; (S + P) = 0.023≤0.025.
Среднюю величину зерна (и мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов) определяли с использованием металлографического микроскопа (ГОСТ 5639 «Сталь. Методы выявления и определения величины зерна»). Исследование проводилось на образцах, вырезанных из центробежно-литых труб, состаренных в течение 200, 2000 часов (при температуре 900°С и давлении в трубах 30 атмосфер) с активным осаждением мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах жаропрочного сплава.The average grain size (and finely divided particles of secondary carbides) was determined using a metallographic microscope (GOST 5639 "Steel. Methods for the detection and determination of grain size"). The study was carried out on samples cut from centrifugally cast pipes aged for 200, 2000 hours (at a temperature of 900 ° C and a pressure in the pipes of 30 atmospheres) with the active deposition of finely dispersed particles of secondary carbides in austenitic grains of a heat-resistant alloy.
Размер зерен аустенита, а также размер мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов был определен с помощью специально разработанного компьютеризированного программного комплекса «Structure Analyser», работающего с фотографиями макро- и микроструктур высокой степени разрешения. Фотографии микроструктуры аустенитного жаропрочного сплава с выявленными зернами аустенита по ГОСТ 5639 переводили в электронный формат (удобный для работы в программе «Structure Analyser») и проводили анализ по следующему алгоритму. Программа «Structure Analyser» в первую очередь идентифицирует границы аустенитных зерен и все мелкодиспергированные частички вторичных карбидов в пределах границ каждого зерна. При этом предусмотрена возможность корректировки полученных данных со стороны специалиста-материаловеда. Далее анализу подвергались все мелкодиспергированные частички вторичных карбидов, попавшие в поле одного зерна аустенита, за исключением частичек, близлежащих к границе аустенитного зерна. С помощью программного комплекса «Structure Analyser» проводили анализ всех зерен аустенита в пределах подготовленного шлифа.The size of austenite grains, as well as the size of finely dispersed particles of secondary carbides, was determined using a specially developed computerized software package “Structure Analyzer”, which works with high resolution macro- and microstructure photographs. Photographs of the microstructure of an austenitic heat-resistant alloy with identified austenite grains in accordance with GOST 5639 were translated into electronic format (convenient for working in the Structure Analyzer program) and the analysis was performed according to the following algorithm. The Structure Analyzer program primarily identifies austenitic grain boundaries and all finely divided particles of secondary carbides within the boundaries of each grain. At the same time, it is possible to adjust the data obtained by a material specialist. Subsequently, all finely dispersed particles of secondary carbides trapped in the field of one austenite grain, with the exception of particles adjacent to the boundary of the austenite grain, were subjected to analysis. Using the Structure Analyzer software package, all austenite grains were analyzed within the prepared thin section.
В известном сплаве-прототипе соотношение среднего размера мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов, состаренных в течение 2000 часов при температуре 900°С, к среднему размеру мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов, состаренных в течение 200 часов при этой же температуре 900°С, составило 1,92, что свидетельствует о структурной нестабильности известного сплава в процессе эксплуатации.In the known prototype alloy, the ratio of the average size of finely dispersed particles of secondary carbides aged over 2000 hours at a temperature of 900 ° C to the average size of finely dispersed particles of secondary carbides aged over 200 hours at the same temperature of 900 ° C was 1.92, which indicates the structural instability of the known alloy during operation.
Для заявленного сплава соотношение составило 1,14, что свидетельствует о структурной стабильности заявленного сплава в процессе старения, где - средний размер мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов состаренных в течение 2000 часов при температуре плюс 900°С; - средний размер мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов, состаренных в течение 200 часов при температуре плюс 900°С.For the claimed alloy ratio amounted to 1.14, which indicates the structural stability of the claimed alloy in the aging process, where - the average size of finely dispersed particles of secondary carbides aged for 2000 hours at a temperature of plus 900 ° C; - the average size of finely dispersed particles of secondary carbides aged for 200 hours at a temperature of plus 900 ° C.
Для проведения оценки склонности хромоникелевых сплавов аустенитного класса к образованию горячих трещин использовали методику ГОСТ Р 54790-2011 «Испытания разрушающие сварных швов металлических материалов. Испытания на сопротивляемость образованию горячих трещин в сварных соединениях. Процессы дуговой сварки. Часть 3. Испытания с приложением внешней нагрузки». Испытания по ГОСТ Р 54790-2011 предоставляют информацию о сопротивляемости образованию горячих трещин основных материалов, металла сварных швов и сварных соединений. Испытания на сопротивляемость образованию горячих трещин связаны с приложением к образцу внешней нагрузки с помощью испытательного оборудования.To assess the tendency of austenitic chromium-nickel alloys to the formation of hot cracks, we used the method GOST R 54790-2011 “Destructive tests on welds of metallic materials. Tests for resistance to hot cracking in welded joints. Arc welding processes. Part 3. Tests with external load. " Tests according to GOST R 54790-2011 provide information on the resistance to hot cracking of basic materials, metal welds and welds. Hot cracking resistance testing involves applying an external load to the sample using test equipment.
При испытании хромоникелевых сплавов аустенитного класса образцы из этого материала нагревали проплавлением металла сваркой в аргоне высшего сорта по ГОСТ 10157 (ГОСТ 10157-79 «Аргон газообразный и жидкий. Технические условия») неплавящимся электродом (используется пруток диаметром 2 мм из лантанированного вольфрама по ТУ 48-19-27-87 «Вольфрам лантанированный в виде прутков») при испытаниях с приложением нагрузки, действующей вдоль сварного шва.When testing austenitic chromium-nickel alloys, samples of this material were heated by metal melting by welding in premium grade argon according to GOST 10157 (GOST 10157-79 "Gaseous and liquid argon. Technical conditions") with a non-consumable electrode (a bar with a diameter of 2 mm from lanthanum tungsten in accordance with TU 48 is used -19-27-87 "Tungsten lanthanized in the form of rods") when tested with a load acting along the weld.
Материал считают чувствительным к горячему растрескиванию, пока он находится в интервале температур хрупкости (BTR), который определяется разницей между температурами нулевой прочности (NST) и восстановления пластичности (DRT).The material is considered sensitive to hot cracking while it is in the range of brittleness temperatures (BTR), which is determined by the difference between the temperatures of zero strength (NST) and ductility recovery (DRT).
Наиболее достоверным критерием оценки чувствительности металла к горячему растрескиванию является коэффициент восстановления пластичности (RDR), который используется для прогнозирования горячего растрескивания в зоне термического влияния основного материала (хромоникелевого сплава аустенитного класса).The most reliable criterion for assessing the sensitivity of a metal to hot cracking is the plasticity recovery coefficient (RDR), which is used to predict hot cracking in the heat-affected zone of the base material (austenitic chromium-nickel alloy).
Для испытания нагрузкой, действующей вдоль сварного шва, были использованы плоские образцы, полученные отливкой в индукционной печи и разливкой в специальную форму, с последующей механической обработкой под размер: длина - 150 мм, ширина - 75 мм, толщина - 25 мм.To test the load acting along the weld, we used flat samples obtained by casting in an induction furnace and casting in a special mold, followed by machining to size: length - 150 mm, width - 75 mm, thickness - 25 mm.
Испытание на склонность металла к образованию горячих трещин заключалось в следующем: а) выполнялся наплавочный шов на основном материале неплавящимся электродом (лантанированным вольфрамом) в аргоне - согласно схеме, приведенной на рисунке 3 ГОСТ Р 54790; б) в фиксированной точке валика (в центре образца) прикладывалась нагрузка (скорость плунжера гидравлического пресса - 1,8 мм/с), приводящая к изгибу образца вокруг специальной оправки; в) по завершении испытаний визуально при 25-кратном увеличении проверяли наличие трещин.The test for the tendency of the metal to form hot cracks was as follows: a) a weld was made on the main material with a non-consumable electrode (lanthanum tungsten) in argon - according to the diagram shown in Figure 3 GOST R 54790; b) a load was applied at a fixed point in the roller (in the center of the sample) (the speed of the plunger of the hydraulic press is 1.8 mm / s), leading to bending of the sample around a special mandrel; c) upon completion of the tests, visually, at 25-fold magnification, the presence of cracks was checked.
Суммарная длина видимых трещин (Ltot) определяется и отражается на графике как функция деформации от изгиба. Кривая, определяющая длину трещин в зависимости от деформации на поверхности образца, дает возможность оценить сопротивляемость образованию горячих трещин. Полученные графические результаты позволяют провести оценку материала с точки зрения прогноза поведения металла при высоких температурах (при сварке) и сделать следующие выводы о сопротивляемости материала к образованию горячих трещин: а) материал с высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин; б) увеличенный риск образования горячих трещин; в) высокий риск образования горячих трещин.The total length of visible cracks (L tot ) is determined and reflected on the graph as a function of bending strain. A curve that determines the length of cracks depending on the deformation on the surface of the sample makes it possible to evaluate the resistance to the formation of hot cracks. The obtained graphic results allow us to evaluate the material from the point of view of predicting the behavior of the metal at high temperatures (during welding) and make the following conclusions about the resistance of the material to the formation of hot cracks: a) a material with a high resistance to the formation of hot cracks; b) increased risk of hot cracking; c) high risk of hot cracking.
Испытанию подвергались 10 образцов из известного сплава-прототипа и 10 образцов из заявленного сплава. В результате испытаний получены следующие данные. Все 10 образцов заявленного сплава показали положительные результаты и все они соответствуют материалу с высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин. Четыре из 10-ти образцов сплава-прототипа показали увеличенный риск образования горячих трещин.10 samples of the known prototype alloy and 10 samples of the claimed alloy were tested. As a result of the tests, the following data were obtained. All 10 samples of the claimed alloy showed positive results and all of them correspond to a material with high resistance to hot cracking. Four out of 10 prototype alloy specimens showed an increased risk of hot cracking.
Анализ результатов испытаний на склонность металла к образованию горячих трещин показал, что достижение поставленного технического результата приводит к качественному сварному соединению, т.е. изготовлению качественных реакционных труб.The analysis of the test results for the tendency of the metal to form hot cracks showed that the achievement of the set technical result leads to high-quality welded joint, i.e. manufacturing high-quality reaction tubes.
Для проведения исследований жаропрочных свойств заявленного сплава от торцевой части, изготовленной центробежно-литой трубной заготовки ⌀110×10 мм, вырезали 2 патрубка длиной 75,0 мм, которые сваривали между собой. Способ сварки - дуговая сварка в среде аргона неплавящимся электродом (допускается при сварке использование присадочных материалов, в качестве которых следует использовать материал идентичный по химическому составу основному свариваемому материалу по ТУ 14-131-994-2003 «Проволока сварочная из высоколегированных сплавов»). Форма подготовленных кромок: со скосом кромок; характер сварного шва: односторонний; условное обозначение сварного соединения - С17 по ГОСТ 16037. Из полученного сваренного патрубка длиной 150 мм изготавливали образцы для испытаний. При этом направление оси вырезаемых образцов совпадало (было параллельно) с направлением оси центробежно-литой трубы. Сварку центробежно-литых трубных заготовок вели согласно РД 3689-002-00220302/31-2008 «Сварка труб радиантных и их элементов для реакционных трубчатых печей. Основные положения».To conduct studies of the heat-resistant properties of the claimed alloy from the end part made of a centrifugally cast tube billet ⌀110 × 10 mm, 2 nozzles 75.0 mm long were cut, which were welded together. The welding method is arc welding in an argon atmosphere with a non-consumable electrode (it is allowed to use filler materials during welding, which should be used as a material identical in chemical composition to the main material being welded according to TU 14-131-994-2003 "Welding wire from high alloy alloys"). Form of prepared edges: with bevelled edges; weld nature: one-sided; the designation of the welded joint is C17 according to GOST 16037. Test samples were made from the obtained welded pipe with a length of 150 mm. The direction of the axis of the cut samples coincided (was parallel) with the direction of the axis of the centrifugally cast pipe. Welding of centrifugally cast tube blanks was carried out in accordance with RD 3689-002-00220302 / 31-2008 “Welding of radiant tubes and their elements for reaction tube furnaces. Key Points. ”
Жаропрочность оценивали по длительной прочности, т.е. напряжению, вызывающему разрушение при данной температуре за данный отрезок времени.Heat resistance was evaluated by long-term strength, i.e. voltage causing destruction at a given temperature for a given period of time.
Комплексной оценкой качества реакционных труб из предлагаемого сплава, в т.ч. свариваемости предлагаемого сплава (склонности к горячим трещинам) служит испытание на длительную прочность сварных образцов. Указанные испытания проводили на цилиндрических образцах с диаметром по расчетной длине 10 мм при температуре плюс 900°С.A comprehensive assessment of the quality of the reaction tubes of the proposed alloy, including the weldability of the proposed alloy (tendency to hot cracks) is a test for long-term strength of welded samples. These tests were carried out on cylindrical samples with a diameter along the calculated length of 10 mm at a temperature of plus 900 ° C.
При длительных испытаниях в условиях высоких температур разрушение (разрыв) сварного образца происходит в результате постоянного нагружения, которое осуществляют с помощью рычажного нагружения (Н.Д. Сазонова «Испытание жаропрочных материалов на ползучесть и длительную прочность, М., Машиностроение, 1965 г.).During long-term tests at high temperatures, the fracture (rupture) of the welded specimen occurs as a result of constant loading, which is carried out using lever loading (ND Sazonova, “Testing heat-resistant materials for creep and long-term strength, M., Mechanical Engineering, 1965) .
Технические требования к машинам для испытания металлов на длительную прочность соответствовали ГОСТ 15533.Technical requirements for machines for testing metals for long-term strength corresponded to GOST 15533.
Образец (тип IV по ГОСТ 1497), установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь, нагревали до заданной температуры (время нагрева не превышало 8 часов) и выдерживали при этой температуре не менее одного часа. После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывали нагрузку для обеспечения требуемого напряжения испытания.The sample (type IV according to GOST 1497), installed in the grips of the testing machine and placed in the furnace, was heated to a predetermined temperature (heating time did not exceed 8 hours) and kept at this temperature for at least one hour. After heating the sample and holding at a given temperature, a load was smoothly applied to the sample to provide the required test voltage.
Основным показателем данного вида испытания является время до разрушения при заданной величине напряжения и температуры. Результаты выполненных испытаний наносили на график жаропрочности в координатах lgτ-lgσ (где τ - время до разрушения, σ - напряжение). Полученный график позволяет прогнозировать напряжение (длительную прочность, ), при котором изделие из данного сплава разрушилось бы за определенный промежуток времени (τ, час) при заданной температуре (t, °С).The main indicator of this type of test is the time to failure at a given voltage and temperature. The results of the tests were plotted on the heat resistance graph in the coordinates logτ-logσ (where τ is the time to failure, σ is the stress). The resulting graph allows you to predict stress (long-term strength, ), in which the product from this alloy would collapse in a certain period of time (τ, hour) at a given temperature (t, ° C).
С целью сокращения длительности испытаний их проводили при относительно высоких напряжениях (испытания на длительную прочность проводили при температуре 900°С и высоких напряжениях в соответствии с ГОСТ 10145), что позволило определить из полученного графика жаропрочности (lgτ-lgσ) конкретные значения 100-часовой длительной прочности , т.е. напряжения, при котором испытуемый при температуре 900°С сварной образец разрушился бы как минимум через 100 часов.In order to reduce the duration of the tests, they were carried out at relatively high voltages (tests for long-term strength were carried out at a temperature of 900 ° C and high voltages in accordance with GOST 10145), which made it possible to determine specific values of the 100-hour long-term from the obtained heat resistance graph (lgτ-lgσ) strength , i.e. voltage at which the test sample at a temperature of 900 ° C, the welded sample would collapse after at least 100 hours.
Анализ результатов испытаний на длительную прочность показал, что достижение поставленного технического результата приводит к повышению его жаропрочности, т.е. в конечном счете приводит к изготовлению более качественных реакционных труб, которые можно будет эксплуатировать более длительный промежуток времени.The analysis of the results of tests for long-term strength showed that the achievement of the set technical result leads to an increase in its heat resistance, i.e. ultimately leads to the manufacture of better reaction tubes that can be operated for a longer period of time.
В результате проведенных комплексных исследований на 12 опытных плавках было выявлено, что в случае, если все компоненты заявленного сплава находятся в пределах, оговоренных в формуле изобретения, достигается ожидаемый технический результат, а 100-часовая длительная прочность образцов труб, изготовленных из заявленного сплава, повышается (по сравнению со сплавом-прототипом) с 39,5 до 44,5 Н/мм2, что в конечном итоге приводит к увеличению на 10÷15% ресурса эксплуатации реакционных труб из заявленного жаропрочного сплава при прочих равных условиях. При этом механические свойства заявляемого сплава в исходном состоянии при комнатной температуре остаются такими же, как и у сплава-прототипа, т.е. предел прочности (σB) не менее 440 МПа; предел текучести (σ02) не менее 185 МПа; относительное удлинение (δ5) не менее 22%.As a result of comprehensive studies on 12 experimental swimming trunks, it was found that if all components of the claimed alloy are within the limits specified in the claims, the expected technical result is achieved, and 100-hour long-term strength pipe samples made from the claimed alloy increases (compared with the prototype alloy) from 39.5 to 44.5 N / mm 2 , which ultimately leads to an increase of 10 ÷ 15% in the life of the reaction tubes from the claimed heat-resistant alloy ceteris paribus. In this case, the mechanical properties of the claimed alloy in the initial state at room temperature remain the same as that of the prototype alloy, i.e. tensile strength (σ B ) not less than 440 MPa; yield strength (σ 02 ) not less than 185 MPa; elongation (δ 5 ) of at least 22%.
Было установлено, что влияние иттрия, кислорода, водорода и азота по отдельности или попарно не приводило к структурной стабильности сплава (соотношение r превышало 1,22). Характер строения литой структуры может быть описан как относительно крупные зерна аустенита при существенной разнозернистости. При превышении содержания кислорода, водорода и азота максимальных значений, оговоренных в формуле, технический результат не будет достигнут. Снижение содержания кислорода, водорода и азота ниже минимальных значений, оговоренных в формуле, встречает существенные технические сложности, в основном из-за наличия растворенных газов в составе практически всех шихтовых материалов. А дегазация до этого уровня представляет собой сверхсложный процесс без достижения технического результата. Экспериментально установлен минимальный предел газонасыщенности (0,0005% по содержанию кислорода, водорода и азота) в заявленном сплаве, при дальнейшем снижении которого жидкий металл приобретает склонность к активному вторичному (повторному) окислению и наводороживанию в процессе разливки в изложницу (форму). При длительном старении разнозернистость увеличивается с увеличением максимального размера зерна аустенита, что отрицательным образом сказывается на склонности к образованию горячих трещин при сварке, т.е. снижению свариваемости. При испытании (по ГОСТ Р 54790-2011) четыре из 10-ти образцов (40%) сплава-прототипа показали увеличенный риск образования горячих трещин, а один образец показал высокий риск образования горячих трещин.It was found that the influence of yttrium, oxygen, hydrogen and nitrogen separately or in pairs did not lead to structural stability of the alloy (the ratio r exceeded 1.22). The nature of the structure of the cast structure can be described as relatively large grains of austenite with significant different grain sizes. If the content of oxygen, hydrogen and nitrogen is exceeded, the maximum values specified in the formula, the technical result will not be achieved. A decrease in the content of oxygen, hydrogen and nitrogen below the minimum values specified in the formula meets significant technical difficulties, mainly due to the presence of dissolved gases in almost all charge materials. And degassing to this level is an extremely complex process without achieving a technical result. The minimum gas saturation limit (0.0005% in terms of oxygen, hydrogen and nitrogen) in the claimed alloy has been experimentally established, with a further decrease in which the liquid metal acquires a tendency to active secondary (re) oxidation and hydrogenation during casting into the mold (mold). With prolonged aging, the heterogeneity increases with increasing maximum austenite grain size, which negatively affects the tendency to form hot cracks during welding, i.e. lower weldability. When testing (according to GOST R 54790-2011), four out of 10 samples (40%) of the prototype alloy showed an increased risk of hot cracking, and one sample showed a high risk of hot cracking.
Было установлено, что только полная комбинация всех отличительных признаков (наличие в составе заявленного сплава иттрия, кислорода, водорода и азота в оговоренных пределах) приводит к уменьшению размеров зерен аустенита, снижению разнозернистости структуры (повышению однородности). Причем при старении дальнейшее изменение разнозернистости и размера мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов практически не наблюдалось, что свидетельствует об увеличенной структурной стабильности заявленного сплава (соотношение r=1,14). При этом не была выявлена склонность заявленного сплава к образованию горячих трещин при сварке, т.е. способствовало улучшению свариваемости. При испытании 10-ти образцов заявленного сплава по ГОСТ Р 54790-2011 все они показали положительные результаты и соответствовали материалу с высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин. Фактически это способствовало повышению качества реакционных труб, сваренных из центробежно-литых заготовок хромоникелевого сплава заявленного состава. Длительная прочность при испытании сварных образцов заявленного сплава увеличилась с 39,5 до 44,5 Н/мм2.It was found that only a complete combination of all the distinguishing features (the presence of yttrium, oxygen, hydrogen and nitrogen in the specified alloy within the specified limits) leads to a decrease in the size of austenite grains, a decrease in the grain size of the structure (increased uniformity). Moreover, with aging, a further change in the grain size and size of finely dispersed particles of secondary carbides was practically not observed, which indicates an increased structural stability of the claimed alloy (ratio r = 1.14). In this case, the tendency of the claimed alloy to the formation of hot cracks during welding, i.e. contributed to improved weldability. When testing 10 samples of the claimed alloy according to GOST R 54790-2011, all of them showed positive results and corresponded to a material with high resistance to hot cracking. In fact, this contributed to improving the quality of reaction tubes welded from centrifugally cast billets of a nickel-chromium alloy of the claimed composition. Long-term strength in testing welded samples of the claimed alloy increased from 39.5 to 44.5 N / mm 2 .
Результаты исследований показали также, что в случае, если будут полностью выполнены два условия, оговоренные в формуле изобретения, то это приведет к исключению расслоений при кристаллизации сплава и к измельчению зеренной структуры (размер зерна аустенита уменьшается) при одновременном снижении разнозернистости структуры (повышению однородности), а также приведет к снижению склонности к образованию горячих трещин при относительной равнозернистости и приведет к структурной стабильности в процессе старения (эксплуатации под нагрузкой при высоких температурах). При испытании (по ГОСТ Р 54790-2011) 10-ти образцов заявленного сплава все они показали положительные результаты и соответствуют материалу с высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин. А это в свою очередь приведет к увеличению длительной прочности сварных образцов из заявленного сплава с 44,5 до 46,7 Н/мм2 (что свидетельствует о качественных сварных соединениях реакционных труб из заявленного жаропрочного сплава, т.е. в целом о качестве самих труб). Для снижения содержания серы и фосфора в составе жаропрочного сплава до заявленных пределов следует использовать один из известных способов десульфурации и дефосфорации, соответственно.The research results also showed that if the two conditions specified in the claims are fully satisfied, this will lead to the elimination of delamination during crystallization of the alloy and to the refinement of the grain structure (austenite grain size decreases) while reducing the grain size of the structure (increasing uniformity) , and also lead to a decrease in the tendency to form hot cracks with relative evenness and lead to structural stability during aging (operation under load at high temperatures). When testing (according to GOST R 54790-2011) 10 samples of the claimed alloy, all of them showed positive results and correspond to a material with high resistance to hot cracking. And this in turn will lead to an increase in the long-term strength of welded samples of the claimed alloy from 44.5 to 46.7 N / mm 2 (which indicates high-quality welded joints of the reaction pipes from the declared heat-resistant alloy, i.e., in general, about the quality of the pipes themselves). To reduce the sulfur and phosphorus content in the composition of the heat-resistant alloy to the declared limits, one of the known methods of desulfurization and dephosphorization, respectively, should be used.
Кроме того, экспериментально подтверждено, что в случае превышения пределов содержания серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка и сурьмы, оговоренных в формуле изобретения, резко увеличивается содержание легкоплавких соединений по границам аустенитных зерен, а это в свою очередь приводит к расслоениям при кристаллизации сплава, увеличению склонности к образованию горячих трещин. Четыре из 10-ти образцов (40%) сплава-прототипа при испытании по ГОСТ Р 54790-2011 показали увеличенный риск образования горячих трещин. В конечном счете это приводит к снижению качества реакционных труб (фактически снижению жаропрочности сварных соединений). Это приводит к уменьшению длительной прочности сплава с 44,5 до 36,3÷38,1 Н/мм2 (что равносильно снижению ресурса эксплуатации реакционных труб). При этом резко ослабляется положительный эффект от аддитивного воздействия всех отличительных признаков на замедление процесса зарождения трещин, т.е. на улучшение состояния границ зерен и на нейтрализацию в жаропрочном сплаве вредных примесей, способных образовывать легкоплавкие эвтектики.In addition, it was experimentally confirmed that if the limits of the content of sulfur, phosphorus, lead, tin, arsenic, zinc and antimony specified in the claims are exceeded, the content of fusible compounds along the boundaries of austenitic grains sharply increases, and this in turn leads to delamination at crystallization of the alloy, an increase in the tendency to form hot cracks. Four out of 10 samples (40%) of the prototype alloy, when tested according to GOST R 54790-2011, showed an increased risk of hot cracking. Ultimately, this leads to a decrease in the quality of the reaction tubes (in fact, a decrease in the heat resistance of welded joints). This leads to a decrease in the long-term strength of the alloy. from 44.5 to 36.3 ÷ 38.1 N / mm 2 (which is equivalent to a decrease in the service life of the reaction pipes). At the same time, the positive effect of the additive effect of all the distinguishing features on the slowdown of the crack nucleation process is sharply weakened, i.e. to improve the state of grain boundaries and to neutralize in a heat-resistant alloy harmful impurities that can form fusible eutectics.
Таким образом, исследования физических параметров заявленного сплава показали, что по механическим свойствам при комнатной температуре (σB, σ02, δ5) он находится на уровне известных аналогов, а по показателям жаропрочности превосходит их за счет увеличения структурной стабильности в процессе старения, а также снижения склонности к образованию горячих трещин при сварке при указанном в формуле изобретения содержании компонентов.Thus, studies of the physical parameters of the claimed alloy showed that it is at the level of known analogues in mechanical properties at room temperature (σ B , σ 02 , δ 5 ), and surpasses them in terms of heat resistance due to an increase in structural stability during aging, and also reducing the tendency to form hot cracks during welding at the content of components specified in the claims.
Claims (2)
углерод 0,18-0,23
хром 24,5-26,5
никель 36,0-38,0
ниобий 0,90-1,50
кремний 0,5-1,2
марганец ≤0,5
ванадий 0,0005-0,10
титан 0,0005-0,10
алюминий 0,0005-0,10
иттрий >0-0,001
кислород >0,0005-0,028
водород >0,0005-0,0025
азот >0,0005-0,095
сера ≤0,02
фосфор ≤0,03
свинец ≤0,009
олово ≤0,009
мышьяк ≤0,009
цинк ≤0,009
сурьма ≤0,009
молибден ≤0,1
медь ≤0,1
железо остальное,
при выполнении следующих условий, мас.%:
(CrЭ/NiЭ)≥0,627,
где CrЭ - эквивалент хрома, NiЭ - эквивалент никеля,
CrЭ=Cr+2×Al+3×Ti+V+Mo+1,6×Si+0,6×Nb,
NiЭ=Ni+32×C+0,6×Mn+22×N+Cu.1. Heat-resistant alloy containing carbon, chromium, nickel, niobium, silicon, manganese, vanadium, titanium, aluminum, sulfur, phosphorus, lead, tin, arsenic, zinc, molybdenum, copper and iron, characterized in that it additionally contains yttrium , antimony, oxygen, hydrogen and nitrogen in the following ratio of components, wt.%:
carbon 0.18-0.23
chrome 24.5-26.5
nickel 36.0-38.0
niobium 0.90-1.50
silicon 0.5-1.2
Manganese ≤0.5
vanadium 0.0005-0.10
titanium 0.0005-0.10
aluminum 0.0005-0.10
yttrium> 0-0.001
oxygen> 0.0005-0.028
hydrogen> 0.0005-0.0025
nitrogen> 0.0005-0.095
sulfur ≤0.02
phosphorus ≤0.03
lead ≤0.009
tin ≤0.009
arsenic ≤0.009
zinc ≤0.009
antimony ≤0.009
molybdenum ≤0.1
copper ≤0.1
iron rest
under the following conditions, wt.%:
(Cr E / Ni E ) ≥0.627,
where Cr E is the equivalent of chromium, Ni E is the equivalent of nickel,
Cr e = Cr + 2 × Al + 3 × Ti + V + Mo + 1.6 × Si + 0.6 × Nb,
Ni E = Ni + 32 × C + 0.6 × Mn + 22 × N + Cu.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015119446/02A RU2583188C1 (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | High-temperature alloy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015119446/02A RU2583188C1 (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | High-temperature alloy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2583188C1 true RU2583188C1 (en) | 2016-05-10 |
Family
ID=55959830
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015119446/02A RU2583188C1 (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | High-temperature alloy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2583188C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5077006A (en) * | 1990-07-23 | 1991-12-31 | Carondelet Foundry Company | Heat resistant alloys |
US5310522A (en) * | 1992-12-07 | 1994-05-10 | Carondelet Foundry Company | Heat and corrosion resistant iron-nickel-chromium alloy |
RU2125110C1 (en) * | 1996-12-17 | 1999-01-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | High-temperature alloy |
RU2149208C1 (en) * | 1998-05-13 | 2000-05-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Refractory alloy |
RU2194789C2 (en) * | 2000-06-27 | 2002-12-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat-resistant alloy |
RU2194788C2 (en) * | 2000-06-27 | 2002-12-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat-resistant alloy |
-
2015
- 2015-05-25 RU RU2015119446/02A patent/RU2583188C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5077006A (en) * | 1990-07-23 | 1991-12-31 | Carondelet Foundry Company | Heat resistant alloys |
US5310522A (en) * | 1992-12-07 | 1994-05-10 | Carondelet Foundry Company | Heat and corrosion resistant iron-nickel-chromium alloy |
RU2125110C1 (en) * | 1996-12-17 | 1999-01-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | High-temperature alloy |
RU2149208C1 (en) * | 1998-05-13 | 2000-05-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Refractory alloy |
RU2194789C2 (en) * | 2000-06-27 | 2002-12-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat-resistant alloy |
RU2194788C2 (en) * | 2000-06-27 | 2002-12-20 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat-resistant alloy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11634804B2 (en) | Austenitic stainless steel weld joint | |
CN115341144B (en) | Austenitic stainless steel material and welded joint | |
CN110520549B (en) | Thick austenitic stainless steel sheet and method for producing same | |
US11352683B2 (en) | Production of HIC-resistant pressure vessel grade plates using a low-carbon composition | |
KR20220124238A (en) | austenitic stainless steel | |
KR102165756B1 (en) | Ferritic heat-resistant steel welded structure manufacturing method and ferritic heat-resistant steel welded structure | |
RU2617272C1 (en) | Refractory alloy | |
RU2579709C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2395607C1 (en) | Heat resistant alloy | |
RU2579710C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2577643C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2579403C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2395608C1 (en) | Heat resistant alloy | |
RU2632728C2 (en) | Heat-resistant alloy | |
RU2583188C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2581323C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2581317C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2579405C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2581322C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2581321C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2579407C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2614973C1 (en) | Refractory alloy | |
RU2581936C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2581318C1 (en) | High-temperature alloy | |
RU2579711C1 (en) | High-temperature alloy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20171201 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180212 Effective date: 20180212 |