RU2662512C2 - Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь - Google Patents
Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662512C2 RU2662512C2 RU2015130171A RU2015130171A RU2662512C2 RU 2662512 C2 RU2662512 C2 RU 2662512C2 RU 2015130171 A RU2015130171 A RU 2015130171A RU 2015130171 A RU2015130171 A RU 2015130171A RU 2662512 C2 RU2662512 C2 RU 2662512C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- less
- resistant
- steel
- nitrogen
- corrosion
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам аустенитных жаропрочных и коррозионно-стойких сталей, используемых в атомной энергетике, энергомашиностроении, машиностроении в установках, работающих длительное время при температурах 500÷650°С. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод (С) 0,01-0,06, кремний (Si) 0,3÷0,8, марганец (Мn) 1,0÷1,7, хром(Сr) 15,0÷17,0, никель (Ni) 10÷12, молибден (Мо) 2,0÷2,5, титан (Ti) 0,05÷0,10, ниобий (Nb) 0,03-0,2, азот (N) 0,03÷0,10, сера (S) 0,01 и менее, фосфор (Р) 0,015 и менее, медь (Сu) 0,2 и менее, кальций (Са) 0,004-0,015, олово (Sn) 0,005 и менее, сурьма (Sb) 0,005 и менее, мышьяк (As) 0,005 и менее, свинец (Рb) 0,005 и менее, висмут (Bi) 0,005 и менее, железо – остальное. Для компонентов стали выполняется следующее условие: (Nb+Ti)/C≥3. Повышаются кратковременные и длительные механические свойства при высоких температурах, а также стойкость против питтинговой и межкристаллитной коррозии. 4 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии и изысканию сталей, используемых в атомной энергетике, машиностроении, в установках, работающих длительное время при повышенных температурах и флюенсе.
Известны применяемые в настоящее время марки аустенитных сталей, эксплуатируемых при повышенных температурах (AISI 321, AISI 316, AISI 304, 03Х16Н15М3, 08Х16Н11М3, 08Х16Н13М2Б) [1-5]. Основными недостатками указанных сталей являются более низкие кратковременные и длительные механические свойства. Низкая стойкость против питтинговой коррозии и межкристаллитной коррозии (МКК) в воде, имеющей повышенную концентрацию хлоридов.
Наиболее близкой по составу ингредиентов и назначению к предлагаемой стали является сталь по WO 2011155296 А1, С22С 38\58, 15.12.2011, содержащая, масс. %:
углерод | 0,2 или менее |
кремний | 2,0 или менее |
марганец | 0,1-3,0 |
хром | 14÷28 |
никель | 6,0÷30 |
молибден | 5,0 или менее |
титан | 0,5 или менее |
ванадий | 1,0 или менее |
азот | 0,3 или менее |
кальций | 0,02 или менее |
железо и примеси | остальное |
Известная сталь имеет недостаточно высокие кратковременные и длительные прочностные характеристики, как при комнатной, так и при повышенных температурах, а также низкую стойкость против МКК и питтинговой коррозии в контакте с водой, имеющей повышенную концентрацию хлоридов.
Техническим результатом изобретения является повышение кратковременных и длительных механических свойств, повышение стойкости против МКК и питтинговой коррозии.
Для выполнения поставленной задачи необходимо вводить такие элементы, которые способствуют появлению дисперсных частиц в структуре, как при изготовлении, так и при эксплуатации материала. Необходимо также очистить металл от легкоплавких соединений серы, фосфора свинца, сурьмы, мышьяка, олова, висмута и соединений, быстро коагулирующих (Cr23С6) в процессе эксплуатации в реакторах при температурах 500-650°С. С этой целью в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, азот, кальций, железо, серу, и фосфор, дополнительно введены ниобий, мышьяк, сурьма, олово, свинец, медь и висмут при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод (С) | 0,01-0,06 |
кремний (Si) | 0,3÷0,8 |
марганец (Мn) | 1,0÷1,7 |
хром(Сr) | 15,0÷17,0 |
никель (Ni) | 10÷12 |
молибден (Мо) | 2,0÷2,5 |
титан (Ti) | 0,05÷0,10 |
ниобий (Nb) | 0,03-0,2 |
азор(N) | 0,03÷0,10 |
сера (S) | 0,01 и менее |
фосфор (Р) | 0,015 и менее |
медь (Сu) | 0,2 и менее |
кальций (Са) | 0,004-0,015 |
олово (Sn) | 0,005 и менее |
сурьма (Sb) | 0,005 и менее |
мышьяк (As) | 0,005 и менее |
свинец (Рb) | 0,005 и менее |
висмут (Bi) | 0,005 и менее |
Основное отличие изобретения от аналога заключается во введении и контроле ниобия, меди, олова, сурьмы, мышьяка, свинца, висмута, серы и фосфора
При введении ниобия в слитки при остывании образуются мелкодисперсные карбонитриды, что способствует увеличению центров кристаллизации и получению более мелкого зерна.
Частичная замена углерода азотом и введение ниобия позволяет не допускать появления и роста карбидов Ме23С6 в процессе изготовления полуфабрикатов и эксплуатации.
Атомы меди олова, свинца, сурьмы, мышьяка и висмута находятся на границах зерен, они имеют низкую температуру плавления, к тому же создают легкоплавкие эвтектики. Границы зерен ослабляются, и по ним происходит разрушение при длительном высокотемпературном нагружении.
Ограничение содержания меди, олова, сурьмы, мышьяка, свинца, висмута, серы и фосфора позволяет получать более чистые границы зерен и более высокую высокотемпературную длительную пластичность и прочность.
Атомы углерода с атомами хрома образуют крупные карбиды, коагулирующие при высокотемпературной эксплуатации. После термической обработки (аустенизация) при отсутствии ниобия выделяются карбиды размером 0,03-0,3 мкм. Длительная высокотемпературная эксплуатация приводит к укрупнению карбидов и значительному выделению их по границам зерен. Размеры выделений карбидов подрастают до 0,3-0,5 мкм, а их количество снижается в несколько раз. Увеличение расстояния между карбидами за счет их укрупнения приводит к снижению прочностных характеристик (кратковременных и длительных) [1].
Атомы азота равномерно распределены в γ и α-твердых растворах и базируются на дислокациях. Атомы азота взаимодействуют с титаном, ниобием, имеющими большее сродство к азоту, чем к углероду. При этом образуются мелкие термостойкие нитриды и карбонитриды, равномерно распределенные в теле зерен.
При легировании азотом и ниобием дисперсность частиц (Nb, N) значительно меньше, чем карбида Ме23С6.
Максимальный размер нитридной фазы, распределенной преимущественно внутри зерен, составляет 0,01-0,05 мкм [5].
Таким образом, частичная замена углерода на азот и добавление ниобия и титана приводят к снижению дисперсности выделившихся частиц и повышению устойчивости к коагуляции упрочняющей фазы. Следствием этого является повышение высокотемпературной кратковременной и длительной прочности.
Для повышения технологической пластичности в аустенитной стали необходимо снижение содержания серы и фосфора. Они образуют легкоплавкие эвтектики и окислы, понижающие высокотемпературную пластичность. Поэтому в заявляемой стали необходимо ограничить содержание серы (до 0,010 мас. %).
Вредное влияние фосфора на горячую пластичность проявляется при содержании его больше 0,015 мас. %. Поэтому в заявляемой стали необходимо ограничить содержание фосфора до 0,015 мас. %.
Кальций имеет большое сродство с серой, образуя соединение CaS. Для очищения стали от серы и фосфора и связывания остатков этих элементов в высокотемпературные тугоплавкие соединения в заявляемую сталь необходимо вводить при выплавке кальций (0,004-0,015 мас. %). Очищение границ зерен от серы и фосфора с помощью кальция приводит к повышению высокотемпературной пластичности, длительной прочности.
Для изделий, применяемых в энергомашиностроении и атомной энергетике, необходимо также обеспечение стойкости против МКК и питтингообразования. Известно [6, 7], что введение азота в аустенитную сталь повышает температуру начала питтингообразования.
Аустенитная сталь марки 03Х16Н15М3 может быть не склонна к МКК после аустенизации и провоцирующего отпуска при 650°С в течение 2 часов. Однако при эксплуатации (после 1000 ч при температуре 500-600°С) склонность к МКК проявляется, так как образуются крупные карбиды хрома на границах зерен и наблюдается обеднение хромом приграничных зон. При введении ниобия происходит образование термодинамически устойчивых карбидов, при этом хром остается в твердом растворе и МКК отсутствует.
Для обеспечения получения мелкозернистой структуры и стойкости против МКК необходимо иметь определенное соотношение ниобия и титана к углероду (Nb+Ti)/C≥3 Это соотношение обеспечивает мелкозернистую структуру и стойкость против МКК.
В заявляемой стали изменено содержание молибдена с 2,5-3,0 мас. % до 2,0-2,5 мас. %. Это объясняется тем, что молибден при высокотемпературной эксплуатации образует интерметаллиды (Fe2Mo, Сr2Мо) и повышает содержание α-фазы, что приводит к снижению длительной прочности и пластичности. Тем не менее, содержание молибдена должно быть достаточным для обеспечения образования пассивной пленки, устойчивой к воздействию хлоридов. Качественным показателем стойкости стали к питтинговой коррозии является индекс PREN (pitting resistant equivalent number [8]), который для стали аустенитного класса определяется выражением: PREN=%Сr+3,3×%Mo+30×%N, где содержание химических элементов выражено в массовых процентах. Следовательно, стойкость к питтинговой коррозии стали (с учетом дополнительного легирования азотом) возможно обеспечить при содержании молибдена не менее 2,0-2,5 мас. %, при одновременном повышении содержания азота.
В промышленных условиях на ОАО «ЧМК» были выплавлены плавки в вакуумно-индукционной и основной дуговой печах. Масса слитков после вакуумно-индукционной выплавки не превышала 300 кг. Из слитков изготовлены листовые заготовки (сутунки) размером 50×190×1010 мм и термически обработаны (аустенизация при 1050°С), затем были изготовлены образцы для испытаний. Химический состав предлагаемых плавок приведен в таблице 1.
Испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9651-84 при температурах 20, 600 и 550°С. Определены кратковременные свойства заявляемой и известной стали при комнатной температуре на цилиндрических образцах по ГОСТ 1497-84 и при 600 и 650°С по ГОСТ 9651-84 (по три образца на каждую температуру каждой плавки). В таблице 2 представлены результаты испытаний, которые свидетельствуют о явном преимуществе заявляемой стали по временному сопротивлению, пределу текучести и относительному удлинению при 20,550 и 600°С.
Были проведены испытания на длительную прочность при температурах 550 и 600°С на 3 образцах заявляемых плавок и известной плавки. На базе этих испытаний определяли время до разрушения и длительную пластичность.
Результаты представлены в таблице 3, из которой следует, что все плавки заявляемой стали имеют более высокие пределы длительной прочности. Испытания при 550°С показали, что время до разрушения у плавок заявляемой стали на 25% выше чем у известной. Это свидетельствует о преимуществе заявляемой стали.
Для оценки коррозионной стойкости было проведено изучение стойкости против питтингообразования ускоренным методом по ГОСТ 9.912-89.
Метод заключается в выдерживании образцов в растворе 10% FeCl3⋅6H2O при (20±1)°С в течение 5 ч с последующим определением потери массы образцов (не менее 5 шт.). Чем больше потери массы, тем меньше стойкость против питтинговой коррозии.
Снижение содержания серы и фосфора и наличие азота при достаточном уровне содержания молибдена способствует снижению скорости питтинговой коррозии. В таблице 4 представлены результаты ускоренных испытаний на коррозионную стойкость стали с содержанием серы 0,003 мас. %, 0,006 мас. %, 0,010 мас. % и известной стали с 0,014 мас. % S. Сравнение коррозионной стойкости показывает, что заявляемая сталь (плавка 1-3) характеризуется более высокими результатами, чем известная (плавка 4), то есть, чем больше серы (сульфидов), тем меньше стойкость к питтингообразованию. Кальций, взаимодействуя с серой и создавая тугоплавкие соединения (CaS), позволяет увеличивать стойкость к питтингообразованию.
Были проведены испытания на стойкость против МКК. Испытания проводили по ГОСТ 6032-89 в исходном состоянии и после выдержки образцов при температуре 600°С в течение 500 ч.
Образцы выдерживали в кипящем водном растворе сернокислой меди, серной кислоты и металлической меди в течение 24 часов. После кипячения образцы загибали на (90±3)°С и проводили осмотр при увеличении 8-12 крат. Результаты испытаний, представленные в таблице 4, свидетельствуют, что заявляемая сталь не подвержена МКК, в то время как известная сталь склонна к МКК после выдержки при 600°С.
*- Образцы не разрушены, испытания продолжаются
Примечание. В таблице приведены потери массы и стойкости против МКК средние по 5 образцам на каждую плавку.
Таким образом, введение в сталь ниобия, меди, и ограничение содержания углерода, серы, фосфора, олова, сурьмы, свинца, висмута и мышьяка позволяет повысить прочностные и коррозионные свойства заявляемой стали.
Кроме того, замена углерода на азот и связывание азота ниобием позволит уменьшить старение (падение механических свойств в процессе эксплуатации при повышенных температурах).
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом выразится в повышении эксплуатационных характеристик за счет повышения кратковременной и длительной прочности и повышения стойкости против МКК и питтингообразования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марочник сталей и сплавов. Изд-во «Машиностроение», М., 2001, 230 стр.
2. ГОСТ 5632-75 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные», изд-во «Госстандарт», М., 1975.
3. Журавлев В.Н., Николаева О.И. «Машиностроительные стали. Справочник». Изд-во «Машиностроение», М., 1989.
4. Спецификация кода ASME, №SA-508/SA-508M/1995.
5. Ю.З. Колвер. «Сталь» №4, 2010 г., с. 85.
6. Dae Wham Kim. Influence of nitrogen-induced grain refinement on mechanical properties of nitrogen alloyed type 316LN stainless steel. J. of Nucl. Materials, 420 (2012), 473-478.
7. J.Ganesh Kumar and coauthors. High temperatures dasign curves for high nitrogen grades of 316LN stainless steel. Nucl. Eng. And Design 240 (2010), 1363-1370.
8. P.A. Schweitzer., Encyclopedia of corrosion technology., 2004, 671 P.
Claims (22)
- Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, азот, кальций, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, мышьяк, сурьму, олово, свинец, медь и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- углерод (С) 0,01-0,06
- кремний (Si) 0,3÷0,8
- марганец (Мn) 1,0÷1,7
- хром (Сr) 15,0÷17,0
- никель (Ni) 10÷12
- молибден (Мо) 2,0÷2,5
- титан (Ti) 0,05÷0,10
- ниобий (Nb) 0,03-0,2
- aзoт (N) 0,03÷0,10
- cepa (S) 0,01 и менее
- фосфор (Р) 0,015 и менее
- медь (Сu) 0,2 и менее
- кальций (Са) 0,004-0,015
- олово (Sn) 0,005 и менее
- сурьма (Sb) 0,005 и менее
- мышьяк (As) 0,005 и менее
- свинец (Рb) 0,005 и менее
- висмут (Bi) 0,005 и менее
- железо остальное,
- при соблюдении следующего условия:
- (Nb+Ti)/C≥3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015130171A RU2662512C2 (ru) | 2015-07-21 | 2015-07-21 | Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015130171A RU2662512C2 (ru) | 2015-07-21 | 2015-07-21 | Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015130171A RU2015130171A (ru) | 2017-01-25 |
RU2015130171A3 RU2015130171A3 (ru) | 2018-03-27 |
RU2662512C2 true RU2662512C2 (ru) | 2018-07-26 |
Family
ID=58450657
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015130171A RU2662512C2 (ru) | 2015-07-21 | 2015-07-21 | Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2662512C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2716922C1 (ru) * | 2019-08-14 | 2020-03-17 | Общество с ограниченной отвественностью "Лаборатория специальной металлургии" (ООО "Ласмет") | Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110273104A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-09-24 | 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 | 应用于先进超超临界锅炉的奥氏体耐热钢 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5098652A (en) * | 1989-06-13 | 1992-03-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Precision parts of non-magnetic stainless steels |
JP2004043902A (ja) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Nisshin Steel Co Ltd | 耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼材 |
EP2581464A1 (en) * | 2010-06-09 | 2013-04-17 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel tube having excellent steam oxidation resistance, and method for producing same |
RU2507294C2 (ru) * | 2011-11-18 | 2014-02-20 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Аустенитная нержавеющая сталь |
RU2553112C1 (ru) * | 2011-06-28 | 2015-06-10 | Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн | Труба из аустенитной нержавеющей стали |
-
2015
- 2015-07-21 RU RU2015130171A patent/RU2662512C2/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5098652A (en) * | 1989-06-13 | 1992-03-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Precision parts of non-magnetic stainless steels |
JP2004043902A (ja) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Nisshin Steel Co Ltd | 耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼材 |
EP2581464A1 (en) * | 2010-06-09 | 2013-04-17 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel tube having excellent steam oxidation resistance, and method for producing same |
RU2553112C1 (ru) * | 2011-06-28 | 2015-06-10 | Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн | Труба из аустенитной нержавеющей стали |
RU2507294C2 (ru) * | 2011-11-18 | 2014-02-20 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Аустенитная нержавеющая сталь |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2716922C1 (ru) * | 2019-08-14 | 2020-03-17 | Общество с ограниченной отвественностью "Лаборатория специальной металлургии" (ООО "Ласмет") | Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015130171A (ru) | 2017-01-25 |
RU2015130171A3 (ru) | 2018-03-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101698075B1 (ko) | 우수한 가공성, 내크리프성 및 내부식성을 갖는 니켈-크롬 합금 | |
CA1194346A (en) | Corrosion resistant high strength nickel-base alloy | |
KR20050044557A (ko) | 슈퍼 오스테나이트계 스테인레스강 | |
JPH0563544B2 (ru) | ||
JP5838933B2 (ja) | オーステナイト系耐熱鋼 | |
US10883160B2 (en) | Corrosion and creep resistant high Cr FeCrAl alloys | |
TWI551699B (zh) | 沃斯田鐵型合金 | |
RU2662512C2 (ru) | Аустенитная жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь | |
JP6212920B2 (ja) | 金属材料 | |
JP6547599B2 (ja) | オーステナイト系耐熱鋼 | |
JP2010159438A (ja) | 耐粒界腐食性に優れた高耐食合金 | |
RU2451588C2 (ru) | Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса | |
JPWO2018066573A1 (ja) | オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手 | |
CA3032772A1 (en) | Austenitic stainless steel | |
JP2014012877A (ja) | オーステナイト系耐熱合金 | |
JP2014040669A (ja) | 耐粒界腐食性に優れた高耐食合金 | |
RU2633408C1 (ru) | Теплостойкая и радиационно-стойкая сталь | |
RU2188109C2 (ru) | Состав сварочной ленты и проволоки | |
RU2790717C1 (ru) | Нестабилизированная аустенитная сталь, устойчивая к локальной коррозии в скд-воде | |
RU2782832C1 (ru) | Высокопрочная маломагнитная нестабилизированная свариваемая сталь, устойчивая к локальным видам коррозии в зонах термического влияния сварки и длительного нагрева в области опасных температур | |
RU2807233C2 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, изготовленное из него | |
RU2798479C1 (ru) | Нестабилизированная аустенитная сталь, коррозионно-стойкая в жидком свинце и пароводяной среде | |
RU2515716C1 (ru) | Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь | |
RU2716922C1 (ru) | Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом | |
JP2014031526A (ja) | 金属材料 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant |