RU2688017C1 - Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class - Google Patents

Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class Download PDF

Info

Publication number
RU2688017C1
RU2688017C1 RU2018126676A RU2018126676A RU2688017C1 RU 2688017 C1 RU2688017 C1 RU 2688017C1 RU 2018126676 A RU2018126676 A RU 2018126676A RU 2018126676 A RU2018126676 A RU 2018126676A RU 2688017 C1 RU2688017 C1 RU 2688017C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
deformation
hours
cooling
heating
Prior art date
Application number
RU2018126676A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Рустам Оскарович Кайбышев
Надежда Рузилевна Дудова
Валерий Александрович Дудко
Александра Эдуардовна Федосеева
Роман Владимирович Мишнев
Евгений Сергеевич Ткачев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority to RU2018126676A priority Critical patent/RU2688017C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2688017C1 publication Critical patent/RU2688017C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/54Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with boron

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to thermomechanical treatment of heat-resistant chromium steel of martensite class, used for production of elements of boilers and steam lines, and also steam turbines of power plants with operating steam temperature up to 650 °C. To increase long-term durability, method includes homogenisation at 1,150 °C with holding for 16 hours and cooling in air to room temperature, forging at temperature of 1,150 °C with degree of deformation of 20 % and heating of workpiece between passes to 1,150 °C, cooling in air to room temperature. Heating to temperature of 1,050 °C, holding at said temperature for 2 hours, cooling in furnace to 900 °C with further holding for 1 hour, deformation by forging at temperature 900 °C with degree of deformation of 80 % with workpiece heating up to 900 °C between passes, isothermal annealing at deformation temperature for 3 hours with subsequent cooling in air to room temperature, tempering at 770 °C is cured for 3 hours and cooled in air to room temperature.EFFECT: increased index of long-term strength.1 cl, 2 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке жаропрочных хромистых сталей мартенситного класса, содержащих 5-13% Cr, предназначенных для изготовления элементов котлов и паропроводов, а также лопаток паровых турбин энергетических установок с рабочими температурами до 650°C. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the processing of heat-resistant chromium steels of martensitic class, containing 5-13% Cr, intended for the manufacture of elements of boilers and steam pipes, as well as steam turbine blades of power plants with operating temperatures up to 650 ° C.

На сегодняшний день в России в качестве материалов изготовления элементов энергетических установок предложены новые химические составы жаропрочных высокохромистых сталей мартенситного класса типа 10Х9К3В2МФБР, 10Х9К3В3МФБР, 10Х10К3В2МФБР, 02Х9К3В2МФБР и другие. Температура применения новых сталей может достигать 600°С при длительной эксплуатации и 620°С при краткосрочной эксплуатации. В результате данные стали способны обеспечить высокий уровень жаропрочности при сверхкритических параметрах пара 550-620°С, 20-25 МПа, однако, ограничены в применении для суперсверхкритических параметров пара 620-650°С, 25-30 МПа. Дальнейшее повышение жаропрочности сталей мартенситного класса может быть достигнуто только за счет комбинации совершенствования легирующей базы с применением термомеханической обработки. To date, new chemical compositions of heat-resistant high-chromium steels of martensitic class of the type 10Kh9K3V2MFBR, 10Kh9K3V3MFBR, 10Kh10K3V2MFBR, 02H9K3V2MFBR, and others have been proposed in Russia as materials for the production of power plants. The application temperature of new steels can reach 600 ° С with long-term operation and 620 ° С with short-term operation. As a result, the data became capable of providing a high level of heat resistance at supercritical steam parameters of 550–620 ° C, 20–25 MPa, however, they are limited in use for supercritical steam parameters of 620–650 ° C, 25–30 MPa. A further increase in the heat resistance of steels of the martensitic class can only be achieved through a combination of improving the alloying base with the use of thermomechanical processing.

В настоящее время традиционная термическая обработка жаропрочных сталей мартенситного класса представляет собой выдержку в аустенитной области при 1000-1200°C с последующим охлаждением на воздухе и отпуском при температурах 720-800°C с охлаждением на воздухе. Различные вариации термической обработки в рамках вышеуказанной схемы применяют к сталям мартенситного класса с химическими составами типа (мас.%): углерод 0,01-0,2, кремний не более 0,2, марганец 0,01-0,6, хром 9,0-13,0, никель не более 0,2, вольфрам 0,5-2, молибден 0,5-1,0, кобальт 0,1-5,0, ванадий 0,18-0,25, ниобий 0,03-0,1, азот 0,04-0,1, бор 0,0005-0,005, сера не более 0,01, фосфор не более 0,01, алюминий не более 0,02, медь не более 0,05, железо – остальное. В процессе выдержки при температурах 1000 - 1200°С происходит практически полное растворение частиц вторичных фаз типа карбидов М23С6 и карбонитридов МХ, присутствовавших в сталях, что имеет значительное влияние на размер исходного аустенитного зерна. При дальнейшем охлаждении на воздухе или в воде в сталях реализуется мартенситное превращение, в результате которого формируется структура пакетного мартенсита. Последующий отпуск при температурах 720 - 800°С приводит к выделению частиц карбидов М23С6 (размером 50 - 170 нм) и карбонитридов MX (размером 14 – 30 нм) [K. Maruyama, K. Sawada, J. Koike Strengthening mechanisms of creep resistant tempered martensitic steel // ISIJ Int. - 2001. - Vol.41. - P. 641-653]. Стабильность сформировавшейся после отпуска структуры троостита отпуска при ползучести определяется объемной долей, распределением и размером частиц вторичных фаз. Частицы карбидов М23С6, расположенные по границам исходных аустенитных зерен и мартенситных реек, сдерживают миграцию границ, стабилизируя реечную структуру троостита отпуска. Дисперсные частицы карбонитридов МХ, равномерно распределенные внутри матрицы, сдерживают перестройку свободных дислокаций в более устойчивые конфигурации. В результате, границы реек троостомартенсита сохраняют свою структуру в процессе ползучести при повышенных температурах. Сочетание дислокационной структуры троостита отпуска с наночастицами вторичных фаз обеспечивает уникальные жаропрочные характеристики новых сталей мартенситного класса по сравнению с бейнитными или ферритными сталями типа 08X13, 12X13, 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, которые в настоящее время используются в качестве материалов для паровых турбин энергетических установок. Сочетание легирования и термической обработки дало возможность эксплуатировать новые стали при сверхкритических температурах. Применение термомеханической обработки для сталей с химическим составом типа 10Х9М1ФБР, 10Х9В1М1ФБР и 10Х9В2МФБР, российские аналоги широко используемых за рубежом сталей Р91, Р911 и Р92, приводит к повышению сопротивления ползучести этих сталей. Так, в источниках US 6899773B2 и US 7470336B2 для повышения жаропрочности предлагается схема термомеханической обработки, заключающаяся в нагреве в аустенитную область до температур свыше 1000°С с выдержкой более 2 часов, горячей деформации при температуре выше 1000°С со степенью деформации не менее 20%, охлаждении на воздухе, в источнике US 6966955B2 – нагрев до температур 1100-1250°С и выдержка при данных температурах в течение 1-3 часов, горячая деформация с понижением температуры в температурном интервале 1040-780°С, степень деформации более 40%, последующее охлаждение со скоростью 1°С/мин до температуры 10°С, в источнике US 6162307В2 – нагрев в аустенитную область до температуры 1150°С, горячая деформация в температурном интервале 850-1100°С, охлаждение со скоростью от 10°С/ч до 1500°С/час, рекристаллизационный отжиг при температуре 700°С в течение 5 ч, гомогенизация в температурном интервале 920-1050°С в течение 10-180 мин (охлаждение на воздухе, в масле или в воде) и отпуск при температуре 700°С в течение 30-120 мин. At present, the traditional heat treatment of heat-resistant steels of the martensitic class is an exposure in the austenitic region at 1000-1200 ° C, followed by air cooling and tempering at temperatures of 720-800 ° C with air cooling. Various variations of heat treatment in the framework of the above scheme are applied to martensitic steel with chemical compositions of the type (wt.%): Carbon 0.01-0.2, silicon not more than 0.2, manganese 0.01-0.6, chromium 9 , 0-13.0, nickel not more than 0.2, tungsten 0.5-2, molybdenum 0.5-1.0, cobalt 0.1-5.0, vanadium 0.18-0.25, niobium 0 , 03-0.1, nitrogen 0.04-0.1, boron 0.0005-0.005, sulfur not more than 0.01, phosphorus not more than 0.01, aluminum not more than 0.02, copper not more than 0.05 iron - the rest. In the process of aging at temperatures of 1000 - 1200 ° C, almost complete dissolution of particles of secondary phases such as M 23 C 6 carbides and MX carbonitrides present in steels occurs, which has a significant effect on the size of the original austenitic grain. With further cooling in air or in water, martensitic transformation occurs in steels, as a result of which the structure of packet martensite is formed. Subsequent tempering at temperatures of 720–800 ° C leads to the precipitation of particles of M 23 C 6 carbides (50–170 nm in size) and MX carbonitrides (14–30 nm in size) [K. Maruyama, K. Sawada, J. Koike Strengthening mechanisms of creep resistant tempered martensitic steel // ISIJ Int. - 2001. - Vol.41. - P. 641-653]. The stability of the creep tempering structure formed after tempering of troostite is determined by the volume fraction, distribution and particle size of the secondary phases. Particles of carbides M 23 C 6 , located along the boundaries of the original austenitic grains and martensitic rails, restrain the migration of boundaries, stabilizing the lath structure of the temporal troostite. The dispersed particles of MX carbonitrides uniformly distributed inside the matrix hinder the reorganization of free dislocations into more stable configurations. As a result, the borders of the laths of trostro martensite retain their structure in the creep process at elevated temperatures. The combination of the dislocation structure of temporal troostite with nanoparticles of secondary phases provides unique heat-resistant characteristics of new martensitic steels compared to bainitic or ferritic steels of type 08X13, 12X13, 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, which are currently used as materials for steam turbines of power plants. The combination of alloying and heat treatment made it possible to operate new steels at supercritical temperatures. The use of thermomechanical processing for steels with a chemical composition of the type 10H9M1FBR, 10H9V1M1FBR and 10H9V2MFBR, the Russian analogues of the steels P91, P911 and P92 used abroad, leads to an increase in creep resistance of these steels. Thus, in sources US 6899773B2 and US 7470336B2, to increase heat resistance, a scheme of thermomechanical processing is proposed, consisting in heating in the austenitic region to temperatures above 1000 ° C with an exposure of more than 2 hours, hot deformation at temperatures above 1000 ° C with a degree of deformation of at least 20% , air cooling, in the source US 6966955B2 - heating to temperatures of 1100-1250 ° C and holding at these temperatures for 1-3 hours, hot deformation with decreasing temperature in the temperature range 1040-780 ° C, the degree of deformation more than 40%, subsequent cooling at a rate of 1 ° C / min to a temperature of 10 ° C, in source US 6162307В2 - heating in the austenitic region to a temperature of 1150 ° C, hot deformation in the temperature range of 850-1100 ° C, cooling at a rate of 10 ° C / h to 1500 ° C / hour, recrystallization annealing at 700 ° C for 5 h, homogenization in the temperature range 920-1050 ° C for 10-180 min (cooled in air, in oil or in water) and tempering at 700 ° C for 30-120 minutes

Горячая или теплая деформация, включенная в процесс термомеханической обработки, примеры которой приведены в вышеуказанных источниках, проводилась с целью обеспечения высокой плотности дислокаций как мест зарождения для мелкой дисперсии карбонитридов МХ. Hot or warm deformation, included in the process of thermomechanical processing, examples of which are given in the above sources, was carried out with the aim of ensuring a high density of dislocations as nucleation sites for the fine dispersion of MX carbonitrides.

Известен способ термомеханической обработки жаропрочной стали мартенситного класса Р91 (10Х9М1ФБР), описанный в патенте US 7520942B2 (опубликован 21.04.2009) включающий: The known method of thermomechanical processing of heat-resistant steel of martensitic class P91 (10H9M1FBR), described in the patent US 7520942B2 (published 04/21/2009) includes:

1) нагрев и выдержку в аустенитной области в интервале температур 1000-1400°С в течение 1-5 часов для формирования 100% аустенита с определенным размером ИАЗ; 1) heating and aging in the austenitic region in the temperature range 1000-1400 ° C for 1-5 hours to form 100% austenite with a certain IAP size;

2) охлаждение до температур 500-1000°С, теплая деформация в этом температурном интервале (прокатка, ковка, экструзия и др.) со степенью деформации не более 20% для формирования дислокаций в микроструктуре, действующие как гетерогенные места зарождения для выделения дисперсии мелких частиц карбонитридов МХ, обогащенных ванадием, ниобием и/или танталом, с подогревом заготовки между проходами; 2) cooling to temperatures of 500-1000 ° C, warm deformation in this temperature range (rolling, forging, extrusion, etc.) with a degree of deformation of not more than 20% for the formation of dislocations in the microstructure, acting as heterogeneous nucleation sites for separating the dispersion of small particles MX carbonitrides, enriched with vanadium, niobium and / or tantalum, with preform heating between passes;

3) после деформации, отжиг в интервале температур 500-1000°С до 10 часов, необходимый для роста частиц до определенного размера; 3) after deformation, annealing in the temperature range 500-1000 ° C up to 10 hours, necessary for the growth of particles to a certain size;

4) охлаждение до комнатной температуры на воздухе или в воде для обеспечения мартенситного или ферритного превращения; 4) cooling to room temperature in air or in water to ensure martensitic or ferritic transformation;

5) дополнительный, но не обязательный, отпуск в температурном интервале 500-850°С для повышения вязкости и пластичности стали.5) additional, but not mandatory, tempering in the temperature range of 500-850 ° C to increase the toughness and ductility of steel.

Как отмечается в указанном патенте микроструктура модифицированной Р91 (10Х9М1ФБР) стали, после термомеханической обработки по описанному в патенте способу, значительно отличалась от микроструктуры, сформированной в процессе традиционной термомеханической обработки: средний размер карбонитридов МХ был снижен в 4 раза, а плотность этих частиц возросла в 3 раза. As noted in the said patent, the microstructure of the modified P91 (10X9M1FBR) steel, after thermomechanical treatment according to the method described in the patent, was significantly different from the microstructure formed during the traditional thermomechanical processing: the average size of MX carbonitrides was reduced by 4 times 3 times.

При этом, наряду с существенным измельчением карбонитридов МХ, размер карбидов М23С6 по границам исходных аустенитных зерен, которые выделяются из твердого раствора в процессе отжига в интервале температур 600-900°С после операции теплой деформации значительно увеличился, что является существенным недостатком представленного способа, т.к. приводит к снижению сопротивления ползучести сталей. В работе [R. Mishnev, N. Dudova, A. Fedoseeva, R. Kaibyshev. Microstructural aspects of superior creep resistance of a 10%Cr martensitic steel // Materials Science and Engineering A. –2016. – Vol. 678. – pp. 178–189] отмечается, что больший вклад в микроструктурную стабильность троостита отпуска в условиях ползучести вносят карбиды М23С6, расположенные по границам мартенситных реек и препятствующие их миграции и трансформации в субзеренные границы, а не карбонитриды МХ. At the same time, along with the significant grinding of carbonitrides MX, the size of carbides M 23 C 6 along the boundaries of the original austenitic grains, which are separated from the solid solution in the annealing process in the temperature range of 600-900 ° C after the operation of warm deformation has increased significantly, which is a significant drawback of way, because leads to lower creep resistance of steels. In [R. Mishnev, N. Dudova, A. Fedoseeva, R. Kaibyshev. Microstructural aspects of superior creep resistance of a 10% Cr martensitic steel // Materials Science and Engineering A. –2016. - Vol. 678. - pp. 178–189] it is noted that M 23 C 6 carbides make a greater contribution to the microstructural stability of temporal troostite under creep conditions located along the martensite rails boundaries and preventing their migration and transformation into subgrain boundaries rather than MX carbonitrides.

Более того, в способе по патенту US 7520942B2 (опубликован 21.04.2009), присутствует существенная методологическая ошибка: температура нагрева и выдержки в аустенитной области в традиционной термической обработке и модифицированной термомеханической обработке значительно отличаются друг от друга, что влияет на взаимосвязанные структурные параметры: долю выделившихся карбонитридов МХ и размер исходных аустенитных зерен. Оба этих параметра имеют значительное влияние на механические свойства при ползучести. В связи с этим, не представляется возможным точно указать причину, ответственную за повышения механических свойств – проведение деформации на этапе нормализации или повышенная температура нормализации. Moreover, in the method according to patent US 7520942B2 (published 04/21/2009), there is a significant methodological error: the heating and holding temperatures in the austenitic region in traditional heat treatment and modified thermomechanical processing are significantly different from each other, which affects the interrelated structural parameters: the proportion precipitated MX carbonitrides and the size of the original austenitic grains. Both of these parameters have a significant effect on mechanical properties in creep. In this regard, it is not possible to specify the exact cause responsible for the increase in mechanical properties - deformation during the normalization stage or elevated normalization temperature.

Основным недостатком указанного способа по патенту US 7520942B2 является то, что он не применим к сталям с оптимизированным химическим составам, а именно 10-11%Cr сталям, которые уже демонстрируют высокое сопротивление ползучести только за счет оптимально подобранных элементов легирования, напр., по патенту 2655496 от 28.05.2018. The main disadvantage of this method according to patent US 7520942B2 is that it does not apply to steels with optimized chemical compositions, namely 10-11% Cr steels, which already demonstrate high creep resistance only due to optimally selected alloying elements, for example, according to the patent 2655496 dated 05.28.2018.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение механических свойств стали с химическим составом, описанным в патенте RU 2655496 от 28.05.2018. The task of the invention is to improve the mechanical properties of steel with the chemical composition described in the patent RU 2655496 from 28.05.2018.

Технический результат – повышение длительной прочности при ползучести за счет формирования дисперсии мелких частиц карбидов М23С6 и карбонитридов МХ размером около 50 нм и 10 нм соответственно, в стали, содержащей легирующие элементы, при следующем соотношении компонентов, масс. %:The technical result is an increase in long-term creep strength due to the formation of dispersion of fine particles of M23C6 carbides and MX carbonitrides of about 50 nm and 10 nm, respectively, in steel containing alloying elements, in the following ratio of components, mass. %:

углерод 0,08 – 0,12carbon 0.08 - 0.12

кремний не более 0,1silicon is not more than 0.1

марганец менее 0,05manganese less than 0.05

хром от 10,5 до 12,0 chromium from 10.5 to 12.0

никель не более 0,1nickel not more than 0.1

вольфрам 1,5-2,5tungsten 1.5-2.5

молибден 0,4-1,0molybdenum 0.4-1.0

кобальт 3,0-3,5cobalt 3.0-3.5

ванадий 0,18-0,25 vanadium 0.18-0.25

ниобий не более 0,07niobium not more than 0.07

азот не более 0,003nitrogen not more than 0,003

бор 0,008-0,013 boron 0,008-0,013

медь 0,6-0,8copper 0,6-0,8

сера не более 0,01sulfur is not more than 0.01

фосфор не более 0,01phosphorus not more than 0.01

алюминий не более 0,01aluminum not more than 0.01

титан до менее 0,01titanium to less than 0.01

железо остальное.iron else.

В результате увеличивается работоспособность указанной стали при температуре до 650°C на 7-14%. As a result, the efficiency of this steel increases at a temperature of up to 650 ° C by 7-14%.

Предложенный способ термомеханической обработки жаропрочной стали мартенситного класса содержит следующие признаки: The proposed method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class contains the following features:

1) Проводят гомогенизацию путем нагрева до температуры 1150°С с выдержкой в течение 16 часов и последующим охлаждением на воздухе, что позволяет выравнять химический состава стали по заготовке, равномерно распределить элементы легирования, устранить химические и структурные ликваций; 1) Homogenization is carried out by heating to a temperature of 1150 ° C with aging for 16 hours and subsequent cooling in air, which makes it possible to equalize the chemical composition of the steel over the workpiece, to evenly distribute the alloying elements, to eliminate chemical and structural segregations;

2) Затем проводят всестороннюю ковку при температуре 1150°С со степенью деформации 20%, при этом между проходами заготовка подогревается до температуры 1150°С, охлаждение после ковки проводят на воздухе, в результате повышается равноосность структуры и доля границ как мест зарождения карбидов М23С6; 2) Then, a comprehensive forging is carried out at a temperature of 1150 ° C with a degree of deformation of 20%, while between the passes the billet is heated to a temperature of 1150 ° C, cooling after forging is carried out in air, as a result, equilibrium of the structure and the fraction of boundaries as the nuclei of the origin of M 23 carbides increase C 6 ;

3) Далее осуществляют нормализацию путем нагрева в аустенитную область до температуры 1050°С с выдержкой при указанной температуре в течение 2 часов для растворения избыточных фаз и образования 100% аустенита;3) Next, carry out normalization by heating in the austenitic region to a temperature of 1050 ° C with a holding at the specified temperature for 2 hours to dissolve excess phases and form 100% austenite;

4) Охлаждение осуществляют в печи до температуры 900°С с последующей выдержкой при указанной температуре в течение 1 часа;4) Cooling is carried out in a furnace to a temperature of 900 ° C, followed by exposure at the same temperature for 1 hour;

5) Деформацию путем прокатки или ковки осуществляют при температуре 900°С до степени деформации 80% с обязательным подогревом до указанной температуры между проходами с целью формирования большего числа дислокаций как мест зарождения карбонитридов МХ и зарождения карбидов М23С6 высокой плотности на развитой структуре малоугловых границ. 5) Deformation by rolling or forging is carried out at a temperature of 900 ° C to a degree of deformation of 80% with mandatory heating to a specified temperature between passes in order to form a larger number of dislocations as the origin of MX carbonitrides and high density M 23 C 6 carbides boundaries.

6) После деформации проводят изотермический отжиг при температуре деформации в течение 3 часов для зарождения частиц карбонитридов МХ на подготовленных в процессе деформации местах зарождения и роста частиц карбидов М23С6 до размера не более 50нм. 6) After deformation, isothermal annealing is carried out at a deformation temperature for 3 hours to nucleate MX carbonitride particles at the sites of nucleation and growth of M 23 C 6 carbides prepared during deformation to a size of no more than 50 nm.

7) Охлаждают на воздухе до комнатной температуры для формирования структуры мартенсита вследствие протекания мартенситного превращения; 7) Air cooled to room temperature to form a martensite structure due to martensitic transformation;

8) Затем проводят отпуск при температуре 770°С с выдержкой в течение 3 часов, охлаждение на воздухе, что обеспечивает снятие внутренних напряжений, формирование структуры троостита отпуска с мелкими частицами вторичных фаз, стабилизирующими неравновесную дислокационную структуру, а также малоугловые и высокоугловые границы исходных аустенитных зерен, блоков, пакетов и мартенситных реек. 8) Then, tempering is carried out at a temperature of 770 ° C with an exposure for 3 hours, air cooling, which provides for the removal of internal stresses, formation of tempering troostite structure with small particles of secondary phases, stabilizing the non-equilibrium dislocation structure, as well as low-angle and high-angle boundaries of the original austenitic grains, blocks, packages and martensitic rails.

Достижение заявленного технического результата подтверждают изображения микроструктуры стали, где : The achievement of the stated technical result is confirmed by the images of the microstructure of steel, where:

- на Фиг. 1а представлено изображение структуры стали после традиционной термической обработки, полученное с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEM JEOL–2100 (далее ПЭМ), оснащенного энерго-дисперсионной приставкой INCA, на тонкой фольге;- in FIG. 1a shows an image of the structure of steel after traditional heat treatment, obtained using a JEM JEOL-2100 transmission electron microscope (hereinafter referred to as TEM), equipped with an INCA energy-dispersive attachment, on a thin foil;

- на Фиг. 1б представлено изображение структуры стали после традиционной термической обработки, полученное с использованием ПЭМ, оснащенного энерго-дисперсионной приставкой INCA, на углеродной реплике;- in FIG. 1b shows the image of the steel structure after traditional heat treatment, obtained using PEM, equipped with the INCA energy-dispersive prefix, on a carbon replica;

- на Фиг. 2в представлено изображение структуры стали после предложенной термической обработки, полученное с использованием ПЭМ, оснащенного энерго-дисперсионной приставкой INCA, на тонкой фольге;- in FIG. 2b shows the image of the structure of the steel after the proposed heat treatment, obtained using PEM, equipped with the INCA energy-dispersive attachment, on a thin foil;

- на Фиг. 2г представлено изображение структуры стали после предложенной термической обработки, полученное с использованием ПЭМ, оснащенного энерго-дисперсионной приставкой INCA, на тонкой фольге.- in FIG. 2d shows the image of the steel structure after the proposed heat treatment, obtained using PEM, equipped with the INCA energy-dispersive attachment, on a thin foil.

Как видно на фигурах, предложенный способ термомеханической обработки ведет к формированию структуры троостита отпуска, размер исходного аустенитного зерна в которой достигает 50-60 мкм с мартенситными рейками со средним размером менее 200 нм, границы которых стабилизированы мелкими частицами карбидов М23С6 с размером около 50 нм. Высокая плотность дислокаций, образующихся как в процессе деформации, так и при мартенситном превращении, обеспечивает формирование дисперсии мелких частиц карбонитридов МХ с размером менее 10 нм высокой плотности около 1022 м-2 (Фиг 2в и 2г) Такая структура, сформированная в вышеуказанной стали, значительно отличается от структуры (фиг.1а и 1б), сформированной в процессе традиционной термической обработки, которая заключается в нагреве в аустенитную область до температуры 1050°С, выдержке в течение 1 ч и охлаждении на воздухе с последующим отпуском в температурном интервале 750-770°С в течение 3 часов. А именно, средний размер карбонитридов МХ снижен в 4 раза, а плотность этих частиц возросла в 3 раза, что привело к измельчению мартенситных реек в 2 раза. Кроме того, совместно с существенным измельчением карбонитридов МХ, значительно снизился размер карбидов М23С6 в 2 раза. Таким образом, повышение длительной прочности при ползучести жаропрочной стали до 650°С в результате предложенной термомеханической обработки, обеспечивается за счет дополнительного дисперсионного упрочнения от измельчения частиц вторичных фаз и субструктурного упрочнения за счет уменьшения размера мартенситных реек. As can be seen in the figures, the proposed method of thermomechanical treatment leads to the formation of a temporal troostite structure, the size of the original austenitic grain in which reaches 50-60 microns with martensitic slats with an average size of less than 200 nm, whose boundaries are stabilized by fine particles of M 23 C 6 carbides 50 nm. The high density of dislocations formed both during the deformation process and during the martensitic transformation ensures the formation of a dispersion of fine MX carbonitrides with a size of less than 10 nm and a high density of about 10 22 m -2 (Fig 2c and 2 g) This structure formed in the above steel, significantly different from the structure (figa and 1b), formed in the process of traditional heat treatment, which consists in heating in the austenitic region to a temperature of 1050 ° C, exposure for 1 h and cooling in air, followed by release in the temperature range of 750-770 ° C for 3 hours. Namely, the average size of MX carbonitrides was reduced by 4 times, and the density of these particles increased by 3 times, which led to the grinding of martensitic slats by 2 times. In addition, together with a significant grinding of MX carbonitrides, the size of carbides M 23 C 6 has significantly decreased by 2 times. Thus, the increase in long-term creep strength of heat-resistant steel to 650 ° C as a result of the proposed thermomechanical processing is provided by additional dispersion hardening from grinding particles of secondary phases and substructural hardening by reducing the size of martensitic slats.

Примеры осуществления.Examples of implementation.

Пример 1. Example 1

Был отлит сплав, химический состав которого описан в патенте RU 2655496 от 28.05.2018 (табл. 1). Выплавка сплава производилась в вакуумно-индукционной печи. В качестве шихты были использованы чистые шихтовые материалы, что позволило получить низкий уровень серы, фосфора и цветных металлов в полученном материале. An alloy was cast, the chemical composition of which is described in patent RU 2655496 of May 28, 2018 (Table 1). The alloy was smelted in a vacuum induction furnace. Pure charge materials were used as the charge, which allowed us to obtain a low level of sulfur, phosphorus and non-ferrous metals in the obtained material.

Таблица 1. Химический состав отлитой стали (в мас.% Fe - основа)Table 1. The chemical composition of cast steel (in wt.% Fe - base)

Figure 00000001
Figure 00000001

Образцы отлитой стали были обработаны тремя разными способами: первый – традиционная термическая обработка, заключающаяся в нормализации при температуре 1050°С, охлаждение на воздухе, с последующим отпуском при температуре 770°С в течение 3 часов, охлаждение на воздухе; второй – по способу, описанному в патенте US 7520942B2, третий – согласно предполагаемому изобретению. Samples of cast steel were treated in three different ways: the first is the traditional heat treatment, consisting in normalization at a temperature of 1050 ° C, air cooling, followed by tempering at a temperature of 770 ° C for 3 hours, air cooling; the second is according to the method described in the patent US7520942B2, the third according to the proposed invention.

После гомогенизации путем нагрева до температуры 1150°С с выдержкой в течение 16 часов и последующим охлаждением на воздухе, проводят всестороннюю ковку при температуре 1150°С со степенью деформации 20%, при этом между проходами заготовку подогревают до температуры 1150°С, охлаждение после ковки проводят на воздухе. Нормализацию осуществляют путем нагрева в аустенитную область до температуры 1050°С с выдержкой при указанной температуре в течение 2 часов с дальнейшим охлаждением в печи до температуры 900°С и последующей выдержкой при указанной температуре в течение 1 часа. Деформацию осуществляют путем прокатки или ковки при температуре 900°С до степени деформации 80% с обязательным подогревом до указанной температуры между проходами. После деформации проводят изотермический отжиг при температуре деформации в течение 3 часов и охлаждают на воздухе до комнатной температуры. Затем проводят отпуск при температуре 770°С с выдержкой в течение 3 часов и охлаждением на воздухе.After homogenization by heating to a temperature of 1150 ° C with a holding for 16 hours and then cooling in air, comprehensive forging is carried out at a temperature of 1150 ° C with a degree of deformation of 20%, while between the passes the workpiece is heated to a temperature of 1150 ° C spend on the air. Normalization is carried out by heating in the austenitic region to a temperature of 1050 ° C with a holding at the specified temperature for 2 hours, followed by cooling in a furnace to a temperature of 900 ° C and then holding at the specified temperature for 1 hour. The deformation is carried out by rolling or forging at a temperature of 900 ° C to a degree of deformation of 80% with mandatory heating to the specified temperature between passes. After deformation, isothermal annealing is carried out at a deformation temperature for 3 hours and cooled in air to room temperature. Then spend the holidays at a temperature of 770 ° C with a holding time for 3 hours and cooling in air.

Пример 2.Example 2

Испытания на длительную прочность были проведены по стандарту ГОСТ 10145-62 Результаты испытаний приведены в таблице 2, из которой видно, что механические свойства стали, подвергнутой термомеханической обработке по заявляемому способу выше по сравнению со свойствами стали, подвергнутой традиционной термической обработке на 7-14 %, а механические свойства отлитой стали, подвергнутой термомеханической обработке по способу, описанному в патенте US 7520942B2 (опубликован 21.04.2009), даже ниже, чем после традиционной термической обработки, что говорит о невозможности использования этого способа к стали нового поколения с оптимизированным химическим составом.Tests for long-term strength were carried out according to the standard GOST 10145-62 The test results are shown in Table 2, from which it can be seen that the mechanical properties of the steel subjected to thermomechanical processing by the present method are higher than those of the steel subjected to traditional heat treatment by 7-14% , and the mechanical properties of the cast steel subjected to thermomechanical processing according to the method described in the patent US7520942B2 (published 04/21/2009) are even lower than after traditional heat treatment, which indicates the possibility of using this method to a new generation of steel with an optimized chemical composition.

Таблица 2. Испытания на длительную прочность стали, подвергнутой различным способам термомеханической обработки (ТМО) температурах 620°С и 650°СTable 2. Tests for long-term strength of steel subjected to various methods of thermomechanical treatment (TMT) temperatures of 620 ° C and 650 ° C

Figure 00000002
Figure 00000002

Если предел длительной прочности стали, подвергнутой традиционной термической обработке, при 650°С составляет

Figure 00000003
= 112±6 МПа, то предел длительной прочности стали, подвергнутой термомеханической обработке по предлагаемому способу, составляет
Figure 00000004
= 120±3 МПа. Пределы длительной прочности были получены с использованием параметра Ларсена-Миллера на основе испытаний, проведенных в течение 2×103 ч. If the limit of long-term strength of steel subjected to traditional heat treatment at 650 ° С is
Figure 00000003
= 112 ± 6 MPa, the limit of the long-term strength of steel subjected to thermomechanical processing by the proposed method is
Figure 00000004
= 120 ± 3 MPa. Limits of long-term strength were obtained using the Larsen-Miller parameter based on tests carried out for 2 × 10 3 h.

Таким образом, приведенные примеры доказывают, что поставленная задача по разработке способа термомеханической обработки жаропрочной стали мартенситного класса с повышенными жаропрочными свойствами решена благодаря достижению заявленного технического результата - формированию дисперсии мелких частиц карбидов М23С6 и карбонитридов МХ размером около 50 нм и 10 нм, соответственно. Как видно из таблицы 2, свойства стали, подвергнутой термомеханической обработке по заявленному способу, позволяют повысить ее работоспособность, что дает возможность применять ее для изготовления элементов паровых турбин для энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.Thus, the above examples prove that the task to develop a method of thermomechanical treatment of martensitic high-temperature steel with enhanced heat-resistant properties has been achieved thanks to the achievement of the stated technical result — formation of a dispersion of small particles of M 23 C 6 carbides and MX carbonitrides of about 50 nm and 10 nm in size respectively. As can be seen from table 2, the properties of steel, subjected to thermomechanical processing according to the claimed method, improve its performance, which makes it possible to use it for the manufacture of steam turbine elements for power plants with a working steam temperature up to 650 ° C.

Claims (3)

Способ термомеханической обработки жаропрочной стали мартенситного класса, включающий получение отливки из стали, содержащей легирующие элементы, мас.%:The method of thermomechanical processing of heat-resistant steel of martensitic class, including obtaining a casting of steel containing alloying elements, wt.%: УглеродCarbon 0,08–0,12            0.08–0.12 КремнийSilicon не более 0,1         no more than 0.1 МарганецManganese менее 0,05           less than 0.05 ХромChromium от 10,5 до 12,0           from 10.5 to 12.0 НикельNickel не более 0,1         no more than 0.1 ВольфрамTungsten 1,5-2,5              1.5-2.5 МолибденMolybdenum 0,4-1,0              0.4-1.0 КобальтCobalt 3,0-3,5              3.0-3.5 ВанадийVanadium 0,18-0,25            0.18-0.25 НиобийNiobium не более 0,07        no more than 0.07 АзотNitrogen не более 0,003            no more than 0,003 БорBoron 0,008-0,013               0,008-0,013 МедьCopper 0,6-0,8                   0.6-0.8 СераSulfur не более 0,01             no more than 0.01 ФосфорPhosphorus не более 0,01        no more than 0.01 АлюминийAluminum не более 0,01        no more than 0.01 ТитанTitanium до менее 0,01        to less than 0.01 ЖелезоIron остальное            rest
гомогенизацию отливки при температуре 1150°С с выдержкой в течение 16 ч и охлаждением на воздухе до комнатной температуры, всестороннюю ковку при температуре 1150°С со степенью деформации 20% и с подогревом заготовки между проходами до температуры 1150°С, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, затем нагрев в аустенитную область до температуры 1050°С с выдержкой в течение 2 ч, охлаждение в печи до температуры 900°С с последующей выдержкой в течение 1 ч, деформацию путем ковки при температуре 900°С со степенью деформации 80% с подогревом заготовки между проходами до 900°С, отжиг при температуре 900°С в течение 3 ч, охлаждение на воздухе до комнатной температуры и отпуск при 770°С с выдержкой в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.homogenization of the casting at a temperature of 1150 ° С with exposure for 16 h and air cooling to room temperature, all-round forging at a temperature of 1150 ° С with a degree of deformation of 20% and with heating of the workpiece between passes to a temperature of 1150 ° С temperature, then heating in the austenitic region to a temperature of 1050 ° C with a holding for 2 hours, cooling in a furnace to a temperature of 900 ° C, followed by holding for 1 hour, deformation by forging at a temperature of 900 ° C with a degree of deformation of 80% billet and between passes up to 900 ° C, annealing at 900 ° C for 3 hours, air cooling to room temperature and tempering at 770 ° C for 3 hours, followed by air cooling to room temperature.
RU2018126676A 2018-07-19 2018-07-19 Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class RU2688017C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126676A RU2688017C1 (en) 2018-07-19 2018-07-19 Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126676A RU2688017C1 (en) 2018-07-19 2018-07-19 Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2688017C1 true RU2688017C1 (en) 2019-05-17

Family

ID=66578975

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018126676A RU2688017C1 (en) 2018-07-19 2018-07-19 Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2688017C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109852778A (en) * 2019-02-22 2019-06-07 无锡宏达重工股份有限公司 The heat treatment process of 10Cr9MoW2VNbBN crystal grain refinement
RU2789958C1 (en) * 2022-10-26 2023-02-14 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method for processing heat-resistant low-carbon martensitic steels
WO2023093923A1 (en) * 2022-04-27 2023-06-01 Comtes Fht A.S. High-chrome steel resistant to creep at temperatures up to 650 °c

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1090735A1 (en) * 1983-03-10 1984-05-07 Уфимский Ордена Ленина Авиационный Институт Им. Орджоникидзе Method for treating martensite stainless steels
RU2415196C2 (en) * 2005-06-28 2011-03-27 Обер Э Дюваль Composition of martensite stainless steel, procedure for fabrication of mechanical tool out of this steel and part fabricated by this procedure
RU2575527C2 (en) * 2011-03-04 2016-02-20 Уддехольмс АБ Tool steel for work at high temperatures and method of manufacturing of tool steel for work at high temperatures
US9322087B2 (en) * 2009-05-18 2016-04-26 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Stainless steel for oil well, stainless steel pipe for oil well, and method of manufacturing stainless steel for oil well
RU2631068C1 (en) * 2016-10-18 2017-09-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method of deformation-thermal processing low-alloy steel
RU2655496C1 (en) * 2017-05-18 2018-05-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Heat-resistant steel of martensitic class

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1090735A1 (en) * 1983-03-10 1984-05-07 Уфимский Ордена Ленина Авиационный Институт Им. Орджоникидзе Method for treating martensite stainless steels
RU2415196C2 (en) * 2005-06-28 2011-03-27 Обер Э Дюваль Composition of martensite stainless steel, procedure for fabrication of mechanical tool out of this steel and part fabricated by this procedure
US9322087B2 (en) * 2009-05-18 2016-04-26 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Stainless steel for oil well, stainless steel pipe for oil well, and method of manufacturing stainless steel for oil well
RU2575527C2 (en) * 2011-03-04 2016-02-20 Уддехольмс АБ Tool steel for work at high temperatures and method of manufacturing of tool steel for work at high temperatures
RU2631068C1 (en) * 2016-10-18 2017-09-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method of deformation-thermal processing low-alloy steel
RU2655496C1 (en) * 2017-05-18 2018-05-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Heat-resistant steel of martensitic class

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109852778A (en) * 2019-02-22 2019-06-07 无锡宏达重工股份有限公司 The heat treatment process of 10Cr9MoW2VNbBN crystal grain refinement
WO2023093923A1 (en) * 2022-04-27 2023-06-01 Comtes Fht A.S. High-chrome steel resistant to creep at temperatures up to 650 °c
RU2789958C1 (en) * 2022-10-26 2023-02-14 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method for processing heat-resistant low-carbon martensitic steels

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8246767B1 (en) Heat treated 9 Cr-1 Mo steel material for high temperature application
JP6562476B2 (en) Ferritic heat resistant steel and its manufacturing method
JPH07238350A (en) Surface-carburized stainless steel alloy for high-temperature use, article produced from it, and its production
JP5288259B2 (en) Pre-quenching method and quenching method for martensitic tool steel
KR101576345B1 (en) High carbon steel sheet and method for manufacturing the same
JP2013533921A (en) Method for producing tempered martensitic heat-resistant steel for high-temperature applications
WO2017120987A1 (en) Steel material for manufacturing bearing, method for performing heat treatment thereto and formed part
JP2015168882A (en) Spheroidizing heat treatment method for alloy steel
JP2019183255A (en) Martensitic stainless steel and manufacturing process therefor
KR930009391B1 (en) Ultrahigh carbon steel containing aluminium
RU2688017C1 (en) Method of thermomechanical treatment of heat-resistant steel of martensitic class
Balan et al. Effect of single and double austenitization treatments on the microstructure and mechanical properties of 16Cr-2Ni steel
JP4077441B2 (en) Method for producing high chromium ferrite / martensitic heat resistant alloy
JP2023501564A (en) Austenitic stainless steel containing a large amount of uniformly distributed nano-sized precipitates and method for producing the same
US9217187B2 (en) Magnetic field annealing for improved creep resistance
JP2013227598A (en) Iron casting and method for manufacturing the same
JP2018204083A (en) Spheroidal graphite cast iron, and manufacturing method therefor
CN113166901B (en) Chromium-molybdenum steel plate with excellent creep strength and preparation method thereof
JP2023517590A (en) Highly corrosion-resistant martensitic stainless steel and its manufacturing method
KR20130053621A (en) Thick austenitic stainless steel and manufacturing method using the same
RU2789958C1 (en) Method for processing heat-resistant low-carbon martensitic steels
JP2018168473A (en) Spheroidizing heat treatment method for alloy steel
KR101177488B1 (en) Ultra High strength and high corrosion resistant stainless steel alloy and method for manufacturing the same
CN106929756B (en) Bearing steel and preparation method thereof
JP7404792B2 (en) Martensitic stainless steel parts and their manufacturing method