RU2781573C1 - Heat-resistant austenitic steel - Google Patents

Heat-resistant austenitic steel Download PDF

Info

Publication number
RU2781573C1
RU2781573C1 RU2021131374A RU2021131374A RU2781573C1 RU 2781573 C1 RU2781573 C1 RU 2781573C1 RU 2021131374 A RU2021131374 A RU 2021131374A RU 2021131374 A RU2021131374 A RU 2021131374A RU 2781573 C1 RU2781573 C1 RU 2781573C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
heat
niobium
chromium
carbon
Prior art date
Application number
RU2021131374A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Фёдорович Дегтярев
Владимир Николаевич Скоробогатых
Александр Сергеевич Орлов
Сергей Юрьевич Логашов
Николай Сергеевич Ершов
Василий Анатольевич Михеев
Евгений Валерьянович Гаврилов
Кристина Евгеньевна Осипова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (АО "НПО "ЦНИИТМАШ")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (АО "НПО "ЦНИИТМАШ") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (АО "НПО "ЦНИИТМАШ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2781573C1 publication Critical patent/RU2781573C1/en

Links

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to heat-resistant, heatproof austenitic steel, intended for the manufacture of products operating in the combustion products of highly aggressive organic fuels, in particular high-sulfur fuel oil, coal, shale, oil cracking products, at temperatures of 650-700°C. Steel contains components in the following ratio, wt. %: carbon 0.01-0.03, silicon 2.20-2.80, manganese 16.50-18.00, chromium 16.00-18.00, nickel 2.50-4.50, copper 2.00-2.50, cerium and/or yttrium 0.005-0.02, titanium 0.080-0.15, niobium 0.80-1.00, aluminum 0.005-0.02, boron 0.0008-0.001, nitrogen 0.10-0.30, calcium 0.005-0.02, iron and unavoidable impurities the rest. As unavoidable impurities, it contains, wt. %: sulfur ≤0.010, phosphorus ≤0.015 and oxygen ≤0.005, and the contents of niobium, titanium and carbon satisfy the ratio: 10≤Nb+Ti/C≤15.
EFFECT: increase in the stability of the austenitic structure and resistance to intercrystallite corrosion is provided.
4 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаростойкой, жаропрочной аустенитной стали, предназначенной для изготовления изделий, работающих в продуктах сгорания высокоагрессивных органических топлив, например: высокосернистых мазутов, углей, сланцев, продуктов крекинга нефти и др., при температурах 650-700°С.The invention relates to metallurgy, in particular to heat-resistant, heat-resistant austenitic steel, intended for the manufacture of products operating in the combustion products of highly aggressive organic fuels, for example: high-sulfur fuel oil, coal, shale, oil cracking products, etc., at temperatures of 650-700°C .

Известен состав аустенитной жаростойкой, коррозионностойкой стали, содержащей углерод, хром, марганец, кремний, никель, медь, титан, ниобий и железо, дополнительно содержит алюминий, цирконий, церий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,15; кремний 1,0-2,0; марганец 8,0-16,0; хром 8,0-15,0; никель 0,5-3,8; медь 0,5-6,0; цирконий 0,01-0,09; церий 0,01-0,15; титан 0,04-0,1; ниобий 0,2-3,0; алюминий 0,01-0,25; бор 0,001-0,08. Железо и неизбежные примеси – остальное.Known composition of austenitic heat-resistant, corrosion-resistant steel containing carbon, chromium, manganese, silicon, nickel, copper, titanium, niobium and iron, additionally contains aluminum, zirconium, cerium and boron in the following ratio, wt.%: carbon 0.05- 0.15; silicon 1.0-2.0; manganese 8.0-16.0; chromium 8.0-15.0; nickel 0.5-3.8; copper 0.5-6.0; zirconium 0.01-0.09; cerium 0.01-0.15; titanium 0.04-0.1; niobium 0.2-3.0; aluminum 0.01-0.25; boron 0.001-0.08. Iron and inevitable impurities are the rest.

(RU2155821, С22С 38/58, опубл. 10.09.2000)(RU2155821, С22С 38/58, published on September 10, 2000)

При указанном соотношении компонентов известной стали не обеспечивается необходимый уровень жаростойкости в условиях частых пусков - остановов, а также длительной пластичности. В результате наблюдается преждевременный выход отдельных труб, в частности гибов, из строя вследствие локального утонения стенок и образования трещин.With the specified ratio of known steel components, the required level of heat resistance is not provided under conditions of frequent starts-stops, as well as long-term ductility. As a result, premature failure of individual pipes, in particular bends, is observed due to local thinning of the walls and the formation of cracks.

Кроме того, при легировании на нижнем уровне не обеспечивается стабильность аустенитной структуры, а также резко снижается коррозионная стойкость стали и устойчивость против межкристаллитной коррозии.In addition, when alloying at a lower level, the stability of the austenitic structure is not ensured, and the corrosion resistance of steel and resistance to intergranular corrosion are also sharply reduced.

Известна аустенитная сталь (ДИ59), имеющая химический состав в мас.%: С 0,06-0,10, Si 1,8-2,2, Mn 12,0-13,5, Р≤0,03, S≤0,02, Cr 11,5-13,0, Ni 1,8-2,5, Ti≤0,1, Nb 0,6-1,0, Cu 2,0-2,5, Се≤0,08, В≤0,003, Al≤0,25, Zr≤0,l, Fe - остальное.Known austenitic steel (DI59), having a chemical composition in wt.%: C 0.06-0.10, Si 1.8-2.2, Mn 12.0-13.5, P≤0.03, S≤ 0.02, Cr 11.5-13.0, Ni 1.8-2.5, Ti≤0.1, Nb 0.6-1.0, Cu 2.0-2.5, Ce≤0, 08, B≤0.003, Al≤0.25, Zr≤0.l, Fe - rest.

В настоящее время сталь подвергается термической обработке, заключающейся в закалке от температуры 1050-1100°С. Технические условия ТУ 14-ЗР-55-2001. Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов.Currently, steel is subjected to heat treatment, which consists in hardening from a temperature of 1050-1100°C. Specifications TU 14-ZR-55-2001. Seamless steel pipes for steam boilers and pipelines.

В последнее время на некоторых трубах из стали (ДИ59) производства ЗАО «Красный октябрь» и ПАО «Днепроспецсталь» произошло разрушение, как показали исследования из-за межкристаллитной коррозии (МКК). МКК подвергались в основном трубы, имеющие отношение Nb/C≤8.Recently, some pipes made of steel (DI59) produced by Krasny Oktyabr CJSC and Dneprospetsstal PJSC have been destroyed, as studies have shown due to intergranular corrosion (ICC). MCC was mainly subjected to pipes having a ratio of Nb/C≤8.

Проведен анализ аварийных разрушений труб, изготовленных из стали 10Х13Г12БС2Н2Д2 (ДИ59), IV ступеней пароперегревателей котлов при небольших наработках эксплуатации (до 15000 часов). При металлографических исследованиях представленных разрушений выявлено, что причиной разрушения во всех случаях явилось развитие межкристаллитной коррозии (МКК).The analysis of emergency destruction of pipes made of steel 10Kh13G12BS2N2D2 (DI59), IV stages of boiler superheaters with short operating time (up to 15,000 hours) was carried out. In metallographic studies of the presented destructions, it was revealed that the cause of the destruction in all cases was the development of intergranular corrosion (ICC).

Р.В.Рутковский. Об эксплуатационной надежности труб поверхностей нагрева котлов из стали 10Х13Г12БС2Н2Д2 (ДИ 59) «Вестник арматуростроения», № 2 (36), 2017, с. 76-77.R.V. Rutkovsky. On the operational reliability of pipes for heating surfaces of boilers made of steel 10Kh13G12BS2N2D2 (DI 59) "Bulletin of Valve Engineering", No. 2 (36), 2017, p. 76-77.

Наиболее близкой по технической сущности является коррозионно-стойкая аустенитная сталь, имеющая следующий состав в мас.%: углерод 0,01-0,03; кремний 0,2-0,7; марганец 16-18; хром 16-18; ниобий 0,5-0,9; азот 0,25-0,6; бор 0,002-0,006; церий 0,01-0,03; кальций 0,001-0,1; ванадий 0,17-0,3; железо - остальное.The closest in technical essence is a corrosion-resistant austenitic steel having the following composition in wt.%: carbon 0.01-0.03; silicon 0.2-0.7; manganese 16-18; chrome 16-18; niobium 0.5-0.9; nitrogen 0.25-0.6; boron 0.002-0.006; cerium 0.01-0.03; calcium 0.001-0.1; vanadium 0.17-0.3; iron - the rest.

(SU 1357457 А1, С22С 38/38, опубл. 12.07.1987).(SU 1357457 A1, C22C 38/38, publ. 07/12/1987).

Сталь обладает высокой устойчивостью к МКК, однако из-за низкого содержания кремния имеет недостаточно высокую жаростойкость. Кроме того содержание бора 0,002-0,006 мас. % снижает устойчивость к МКК, что подтверждает работа Мазничевского А.Н., Гойхенберга Ю.Н., Сприкут Р.В. «Влияние кремния и микролегирующих элементов на коррозионную стойкость аустенитной стали. «Вестник ЮУрГУ». Серия. «Металлургия». 2019, т.19, №2, с. 14-24.Steel has a high resistance to MCC, however, due to the low silicon content, it has insufficiently high heat resistance. In addition, the boron content is 0.002-0.006 wt. % reduces resistance to MCC, which is confirmed by the work of Maznichevsky A.N., Goykhenberg Yu.N., Sprikut R.V. «Influence of silicon and microalloying elements on the corrosion resistance of austenitic steel. Bulletin of SUSU. Series. "Metallurgy". 2019, v.19, no.2, p. 14-24.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание жаростойкой коррозионно-стойкой стали, обладающей повышенной стабильностью аустенитной структуры и более высокой устойчивостью к межкристаллитной коррозии в условиях воздействия продуктов сгорания высоко агрессивных органических топлив: высокосернистых мазутов, углей, сланцев, продуктов крекинга нефти и др., при температурах 650-700°С.The objective and technical result of the invention is to create a heat-resistant corrosion-resistant steel with increased stability of the austenitic structure and higher resistance to intergranular corrosion under conditions of exposure to combustion products of highly aggressive organic fuels: high-sulphur fuel oil, coal, shale, oil cracking products, etc., when temperatures 650-700°C.

Технический результат достигается тем, что жаростойкая аустенитная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, азот, бор, кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, медь, церий и или иттрий, титан и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,01-0,03; кремний 2,20-2,80; марганец 16,50-18,00; хром 16,00-18,00; никель 2,50-4,50; медь 2,00-2,50; церий и/или иттрий 0,005-0,02; титан 0,08-0,15; ниобий 0,80-1,00; алюминий 0,005-0,02; бор 0.0008-0,001; азот 0,10-0,30; кальций 0,005-0,02; железо и неизбежные примеси остальное.The technical result is achieved in that the heat-resistant austenitic steel contains carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, niobium, nitrogen, boron, calcium, iron and inevitable impurities, characterized in that it additionally contains nickel, copper, cerium and or yttrium, titanium and aluminum in the following ratio of components, wt.%: carbon 0.01-0.03; silicon 2.20-2.80; manganese 16.50-18.00; chrome 16.00-18.00; nickel 2.50-4.50; copper 2.00-2.50; cerium and/or yttrium 0.005-0.02; titanium 0.08-0.15; niobium 0.80-1.00; aluminum 0.005-0.02; boron 0.0008-0.001; nitrogen 0.10-0.30; calcium 0.005-0.02; iron and inevitable impurities the rest.

Технический результат также достигается тем, что должно выполняться соотношение 10<Nb+Ti/C <15, при снижении содержания бора в стали до <0,001 мас.%.The technical result is also achieved by the fact that the ratio 10<Nb+Ti/C<15 must be fulfilled, while reducing the boron content in steel to <0.001 wt.%.

Технический результат также достигается тем, что содержание примесей серы, фосфора, кислорода, не превышает, мас.%: сера <0,010; фосфор <0,015; кислород <0,005.The technical result is also achieved by the fact that the content of impurities of sulfur, phosphorus, oxygen, does not exceed, wt.%: sulfur <0.010; phosphorus <0.015; oxygen <0.005.

Технический результат также достигается тем, что теплостойкую аустенитную сталь подвергают термической обработке, включающей закалку от 1050-1100°С и стабилизирующий отжиг при 920-950°С 2-5 ч, с предварительным ступенчатым нагревом при температуре 400-420°С в течение 2-4 ч и при температуре 700-720°С - 2-4 ч.The technical result is also achieved by the fact that heat-resistant austenitic steel is subjected to heat treatment, including hardening from 1050-1100°C and stabilizing annealing at 920-950°C for 2-5 hours, with preliminary stepwise heating at a temperature of 400-420°C for 2 -4 hours and at a temperature of 700-720°C - 2-4 hours.

Пониженное содержание углерода 0,01-0,03 мас.% является оптимальным. Углерод при содержании более 0,03 мас.% способствует обеднению хромом границы зерен, связывая хром в карбид типа Сr23С6, что препятствует созданию на поверхности стали защитной оксидной пленки, устойчивой в высокосернистых мазутах, углях, сланцах и продуктах крекинга нефти и др. Кроме того, при оптимальном содержании углерода уменьшается склонность сварных соединений стали к локальному разрушению металла в околошовной зоне при тепловой выдержке при температурах в области 650-700°С.Reduced carbon content of 0.01-0.03 wt.% is optimal. Carbon at a content of more than 0.03 wt.% contributes to the depletion of chromium grain boundaries, linking chromium into Cr 23 C 6 type carbide, which prevents the formation of a protective oxide film on the steel surface, which is stable in high-sulphur fuel oils, coals, shale and oil cracking products, etc. In addition, with an optimal carbon content, the tendency of steel welded joints to local destruction of metal in the heat-affected zone decreases during thermal exposure at temperatures in the range of 650-700°C.

Кремний в количестве 2,20-2,80 мас.% является не только эффективным раскислителем, но и значительно повышает коррозионную стойкость и жаростойкость в высокосернистых мазутах, углях, сланцах и продуктах крекинга нефти и др., способствуя формированию более плотной оксидной пленки. При содержании кремния выше заявленного предела по границам зерен отмечается образование силикатов, что вызывает охрупчивание стали и снижение ее технологичности.Silicon in the amount of 2.20-2.80 wt.% is not only an effective deoxidizer, but also significantly increases the corrosion resistance and heat resistance in high-sulfur fuel oils, coals, shale and oil cracking products, etc., contributing to the formation of a denser oxide film. When the silicon content is higher than the stated limit along the grain boundaries, the formation of silicates is noted, which causes embrittlement of the steel and a decrease in its manufacturability.

Марганец содержанием 16,50-18,00 мас.% обеспечивает аустенитную структуру и связывает серу с образованием дисперсных сульфидов, что способствует их более равномерному распределению в объеме стали. Применение марганца способствует уменьшению содержания никеля. Присутствие в стали марганца более 18,00 мас.% экономически не целесообразно.Manganese with a content of 16.50-18.00 wt.% provides an austenitic structure and binds sulfur with the formation of dispersed sulfides, which contributes to their more uniform distribution in the volume of steel. The use of manganese helps to reduce the nickel content. The presence of more than 18.00 wt.% manganese in steel is not economically feasible.

Хром (16,00-18,00 мас.%) и кремний (2,20-2,80 мас.%) обеспечивают повышенную коррозионную стойкость в высокосернистых мазутах, углях, сланцах и продуктах крекинга нефти и др., и кроме того, обеспечивает необходимую жаростойкость и высокую устойчивость к межкристаллитной коррозии.Chromium (16.00-18.00 wt.%) and silicon (2.20-2.80 wt.%) provide increased corrosion resistance in high-sulphur fuel oils, coals, shale and oil cracking products, etc., and in addition, provides the necessary heat resistance and high resistance to intergranular corrosion.

Содержание никеля до 2,50-4,50 мас.% способствует стабильности аустенитной структуры и высокого уровня коррозионной стойкости в высокосернистых мазутах, углях, сланцах и продуктах крекинга нефти и др. Содержание никеля более 4,50 мас.% способствует образованию легкоплавкой сульфидной эвтектики, увеличивающей скорость высокотемпературной коррозии.The nickel content of up to 2.50-4.50 wt.% contributes to the stability of the austenitic structure and a high level of corrosion resistance in high-sulphur fuel oils, coals, shale and oil cracking products, etc. The nickel content of more than 4.50 wt.% contributes to the formation of low-melting sulfide eutectic , increasing the rate of high-temperature corrosion.

При введении в сталь ниобия в количестве 0,80-1,00 мас.% в слитках при остывании образуются мелкодисперсные карбонитриды, что способствует увеличению центров кристаллизации и получению более мелкого зерна и высокой коррозионной стойкости. Ниобий обладает более низкой энергией образования карбидов по сравнению с хромом, поэтому избыточный углерод по границам зерен связывается в первую очередь в карбиды ниобия, а хром остается в твердом растворе и обеспечивает высокую стойкость стали к межкристаллитной коррозии в высокосернистых мазутах, углях, сланцах, продуктах крекинга нефти и др. при температурах до 700°С. Температура растворения карбидов ниобия в аустените выше, чем карбидов хрома, в результате чего карбиды ниобия ограничивают рост аустенитного зерна.When niobium is introduced into steel in an amount of 0.80-1.00 wt.%, fine carbonitrides are formed in ingots during cooling, which contributes to an increase in crystallization centers and obtaining finer grains and high corrosion resistance. Niobium has a lower energy of formation of carbides compared to chromium, so excess carbon along the grain boundaries binds primarily to niobium carbides, while chromium remains in solid solution and provides high resistance of steel to intergranular corrosion in high-sulphur fuel oils, coals, slates, cracking products oil, etc. at temperatures up to 700°C. The dissolution temperature of niobium carbides in austenite is higher than that of chromium carbides, as a result of which niobium carbides limit the growth of austenite grains.

Для обеспечения высокого уровня коррозионной стойкости, структурной стабильности и жаропрочности азот вводится до 0,10-0,30 мас.%, что компенсирует недостаток углерода. При содержании азота 0,10-0,30 мас.% образующиеся нитриды CrN могут связывать лишь 0,10-0,74 мас.% хрома. Нижний предел содержания азота в 0,10 мас.% обусловлен необходимостью снижения в стали

Figure 00000001
- феррита и повышения коррозионной стойкости связыванием ниобия и хрома в мелкодисперсные частицы нитридов. Мелкодисперсные частицы нитридов, способствуют образованию мелкозернистой структуры. При сохранении повышенной коррозионной стойкости и связывании ниобия и хрома в мелкодисперсные частицы нитридов верхний предел ограничивается 0,30 мас.%, определяется пределом его растворимости в процессе кристаллизации стали при нормальном атмосферном давлении, что исключает образование в слитках раковин, пористости, обеспечивает технологичность стали и удовлетворительную свариваемость.To ensure a high level of corrosion resistance, structural stability and heat resistance, nitrogen is introduced up to 0.10-0.30 wt.%, which compensates for the lack of carbon. At a nitrogen content of 0.10-0.30 wt.% the resulting CrN nitrides can bind only 0.10-0.74 wt.% chromium. The lower limit of the nitrogen content of 0.10 wt.% is due to the need to reduce in steel
Figure 00000001
- ferrite and increasing corrosion resistance by binding niobium and chromium into fine particles of nitrides. Fine particles of nitrides contribute to the formation of a fine-grained structure. While maintaining increased corrosion resistance and binding niobium and chromium into fine particles of nitrides, the upper limit is limited to 0.30 wt.%, determined by the limit of its solubility during steel crystallization at normal atmospheric pressure, which eliminates the formation of shells and porosity in ingots, ensures the manufacturability of steel and satisfactory weldability.

Содержание титана 0,08-0,15 мас.% в стали способствует образованию мелкодисперсных нитридов, выполняющих функции дополнительного (к твердорастворному) упрочнения. Выбранный предел легирования по содержанию ниобия, обеспечивает сохранение максимального количества азота в твердом растворе. При температурах 700-720°С карбиды хрома распадаются а в присутствии добавок Ti и Nb образуются специальные карбиды TiC и NbC, которые обеспечивают сохранение хрома в твердом растворе и стойкость стали к межкристаллитной коррозии, при этом должно выполнятся соотношение 10<Nb+Ti /С <15. При соотношении менее 10 сталь склонна к МКК.The titanium content of 0.08-0.15 wt.% in steel contributes to the formation of fine nitrides, which perform the functions of additional (to solid-solution) hardening. The selected doping limit for the content of niobium ensures the preservation of the maximum amount of nitrogen in the solid solution. At temperatures of 700-720°C, chromium carbides decompose, and in the presence of Ti and Nb additives, special TiC and NbC carbides are formed, which ensure the preservation of chromium in a solid solution and the resistance of steel to intergranular corrosion, while the ratio 10<Nb + Ti /С <15. At a ratio of less than 10, the steel is prone to ICC.

Отношение 10<Nb+Ti /С <15 обеспечивает стабильную аустенитную структуру, а при отношении Nb+Ti /С < 10 в структуре возможно появление нежелательной ферритной фазы и не обеспечивается необходимый комплекс механических свойств и коррозионной стойкости, а при отношении Nb+Ti /0 15 экономически не целесообразно вводить Nb и Ti, а также происходит снижение механических свойств и коррозионной стойкости.The ratio 10<Nb+Ti /C <15 provides a stable austenitic structure, and with the ratio Nb+Ti /C < 10, an undesirable ferrite phase may appear in the structure and the necessary set of mechanical properties and corrosion resistance is not provided, and with the ratio Nb + Ti / 0 15 it is not economically feasible to introduce Nb and Ti, and there is also a decrease in mechanical properties and corrosion resistance.

Частичная замена углерода азотом и введение ниобия и титана позволяет не допускать появления и роста карбидов Ме23С6 в процессе изготовления полуфабрикатов и эксплуатации, что способствует повышению коррозионной стойкости стали в высокосернистых мазутах, углях, сланцах, продуктах крекинга нефти и др.Partial replacement of carbon with nitrogen and the introduction of niobium and titanium makes it possible to prevent the appearance and growth of Me 23 C 6 carbides during the manufacture of semi-finished products and operation, which helps to increase the corrosion resistance of steel in high-sulphur fuel oils, coals, shale, oil cracking products, etc.

Алюминий в количестве 0,005-0,02 мас. %, как и кремний, является эффективным раскислителем стали. Кроме того, алюминий положительно влияет на коррозионную стойкость стали в высокосернистых мазутах, углях, сланцах, продуктах крекинга нефти и др. и способствует созданию более плотной оксидной пленки. При содержании выше заявленных пределов возможно образование хрупкой пленки и повышенной хрупкости самой стали.Aluminum in the amount of 0.005-0.02 wt. %, like silicon, is an effective steel deoxidizer. In addition, aluminum has a positive effect on the corrosion resistance of steel in high-sulphur fuel oils, coals, shale, oil cracking products, etc., and contributes to the formation of a denser oxide film. If the content is higher than the stated limits, the formation of a brittle film and increased brittleness of the steel itself is possible.

Добавки кальция 0,005-0,020 мас.% церия (и/или иттрия) 0,005 - 0,020 мас.% в сочетании с алюминием благоприятно изменяет форму неметаллических включений, снижают в стали содержание кислорода и серы, уменьшают количество сульфидных включений, очищают и упрочняют границы зерен и измельчают структуру стали, что приводит к повышению прочности, пластичности, ударной вязкости и коррозионной стойкости.Calcium additives 0.005-0.020 wt.% cerium (and/or yttrium) 0.005 - 0.020 wt.% in combination with aluminum favorably changes the shape of non-metallic inclusions, reduces the oxygen and sulfur content in steel, reduces the amount of sulfide inclusions, cleans and strengthens grain boundaries and refine the structure of the steel, which leads to an increase in strength, ductility, impact strength and corrosion resistance.

Кальций и церий (и/или иттрий) также благоприятно воздействуют на характер нитридных включений, способствуют переходу пленочных включений нитридов алюминия в глобулярные комплексы оксисульфонитридных образований. Добавки кальция также затрудняют выделение избыточных фаз по границам зерен, что сильно повышает стойкость против межкристаллитной коррозии и способствует повышению пластичности.Calcium and cerium (and/or yttrium) also favorably affect the nature of nitride inclusions, promote the transition of film inclusions of aluminum nitrides into globular complexes of oxysulfonitride formations. Additives of calcium also make it difficult to separate excess phases along the grain boundaries, which greatly increases the resistance against intergranular corrosion and contributes to an increase in plasticity.

Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей серы до 0,010 мас.%, фосфора до 0,015 мас.%, кислорода до 0,005 мас.%, что способствует получению более высоких значений пластичности, ударной вязкости и коррозионной стойкости.The proposed steel differs from the known one by limiting the content of sulfur impurities to 0.010 wt.%, phosphorus to 0.015 wt.%, oxygen to 0.005 wt.%, which helps to obtain higher values of ductility, toughness and corrosion resistance.

Такое содержание серы и фосфора надежно обеспечивается современными методами получения стали. При превышении содержания заявленных содержаний серы и фосфора резко увеличивается неоднородность структуры стали, что в свою очередь снижает ее прочность, пластичность и коррозионную стойкость в высокосернистых мазутах, углях, сланцах, продуктах крекинга нефти и др.Such a content of sulfur and phosphorus is reliably provided by modern methods of steel production. When the content of the declared contents of sulfur and phosphorus is exceeded, the heterogeneity of the steel structure sharply increases, which in turn reduces its strength, ductility and corrosion resistance in high-sulfur fuel oils, coals, shale, oil cracking products, etc.

Кислород также неизбежно присутствует в составе стали, восновном в виде неметаллических включений. При его содержании свыше 0,005 мас.% в стали растет содержание неметаллических включений, что ухудшает свойства стали и вызывает их неоднородность. Кислород, присутствующий в стали в виде оксидов железа, способен ухудшить коррозионную стойкость за счет возможного восстановления оксидов железа, особенно по границам зерен.Oxygen is also inevitably present in the composition of steel, mainly in the form of non-metallic inclusions. When its content is more than 0.005 wt.% in steel, the content of non-metallic inclusions increases, which worsens the properties of steel and causes their heterogeneity. Oxygen, present in steel in the form of iron oxides, can degrade corrosion resistance due to the possible reduction of iron oxides, especially at grain boundaries.

Содержание меди 2,00-2,50 мас.% является оптимальным, что способствует стабилизации аустенитной структуры и повышению коррозионной стойкости в высокосернистых мазутах, углях, сланцах, продуктах крекинга нефти и др. Повышение содержания меди более 2,50 мас.% снижает горячую пластичность стали.The copper content of 2.00-2.50 wt.% is optimal, which helps to stabilize the austenitic structure and increase corrosion resistance in high-sulphur fuel oils, coals, shale, oil cracking products, etc. An increase in the copper content of more than 2.50 wt.% reduces hot plasticity of steel.

Содержание бора 0,0008-0,001 мас. % является оптимальным, так как бор в количестве более 0,001 мас.% увеличивает склонность к межкристаллитной коррозии.Boron content 0.0008-0.001 wt. % is optimal, since boron in an amount of more than 0.001 wt.% increases the tendency to intergranular corrosion.

Для обеспечения высокой устойчивости к МКК термическая обработка стали должна включать высокотемпературную закалку и ступенчатый отжиг. Закалка аустенитных сталей производится от температуры 1050-1100°С, что выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. В нашем случае из-за присутствия бора в стали рекомендуется применять температуру 1100°С. Длительность выдержки стали при температуре закалки должна быть 1-3 минуты на 1 мм толщины. Охлаждение с температуры закалки - вода или воздух.To ensure high resistance to ICC, the heat treatment of steel should include high-temperature hardening and stepwise annealing. Quenching of austenitic steels is carried out from a temperature of 1050-1100°C, which is higher than the dissolution temperature of chromium carbides and sufficiently rapid cooling, fixing a homogeneous gamma solution. The heating temperature for quenching increases with increasing carbon content. In our case, due to the presence of boron in the steel, a temperature of 1100°C is recommended. The holding time of steel at the hardening temperature should be 1-3 minutes per 1 mm of thickness. Cooling from hardening temperature - water or air.

Проведение стабилизирующего отжига проводится со ступенчатым нагревом при 400-420°С и 700-720°С.Conducting stabilizing annealing is carried out with stepped heating at 400-420°C and 700-720°C.

Проведение ступеньки при 400-420°С с выдержкой 2-4 ч обеспечивает выделение высокой плотности зародышей вторичных фаз, которые при более высокой температуре способны к росту и способствуют образованию гораздо более дисперсной структуры, чем при более высокой температуре сразу после закалки, благодаря более правильному пространственному расположению частиц и меньшему разбросу их по размерам.Carrying out a step at 400-420°C with an exposure of 2-4 h ensures the isolation of a high density of nuclei of secondary phases, which at a higher temperature are capable of growth and contribute to the formation of a much more dispersed structure than at a higher temperature immediately after quenching, due to a more correct spatial arrangement of particles and their smaller spread in size.

Мельчайшие сферические частицы вторичных выделений расположены равномерно по телу и границам зерна. При этих температурах 450-700°С преимущественно выделяются карбиды типа Сr23С6, которые и дают склонность к межкристаллитной коррозии.The smallest spherical particles of secondary precipitates are evenly distributed along the body and grain boundaries. At these temperatures of 450-700°C, carbides of the Cr 23 C 6 type are predominantly precipitated, which give a tendency to intergranular corrosion.

При температурах 700-720°С карбиды хрома распадаются и в присутствии добавок Ti и Nb образуются стойкие карбиды TiC и NbC, которые не вызывает межкристаллитную коррозию.At temperatures of 700-720°C, chromium carbides decompose and in the presence of Ti and Nb additives, stable TiC and NbC carbides are formed, which do not cause intergranular corrosion.

Стабилизирующий отжиг закаленной стали окончательно способствует переводу углерода из карбидов хрома в карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет при температуре 920-950°С в течение 2-5 ч в зависимости от толщины сечения.Stabilizing annealing of hardened steel finally promotes the transfer of carbon from chromium carbides to titanium and niobium carbides. In this case, the released chromium is used to increase the corrosion resistance of steel. The annealing temperature is usually at a temperature of 920-950°C for 2-5 hours, depending on the thickness of the section.

Выплавку стали по изобретению проводили в 10 кг индукционной печи. Химический состав приведен в таблице 1. Металл разливали на слитки, которые после нагрева в печи до температуры 1150-1170°С ковали на прутки для изготовления образцов на механические свойства.The smelting of steel according to the invention was carried out in a 10 kg induction furnace. The chemical composition is shown in Table 1. The metal was poured into ingots, which, after heating in a furnace to a temperature of 1150-1170°C, were forged into rods to make samples for mechanical properties.

Образцы подвергали закалке от температуры 1080-1100°С, выдержка 3 ч, охлаждение в воду, затем проводили стабилизирующий отжиг при температуре 920-950°С в течение 2,5 ч с предварительным ступенчатым нагревом при 400-420°С - 2 ч и 700-720°С -2 ч.The samples were quenched from a temperature of 1080–1100°C, held for 3 h, cooled into water, then stabilizing annealing was carried out at a temperature of 920–950°C for 2.5 h with preliminary stepwise heating at 400–420°C for 2 h and 700-720°C -2 hours

Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84. Определение ударной вязкости при нормальной температуре производилось на образцах типа 11 по ГОСТ 9454-78.Tensile tests were carried out on cylindrical samples of five times the length with the diameter of the calculated part of 6 mm in accordance with GOST 1497-84. Determination of impact strength at normal temperature was carried out on samples of type 11 according to GOST 9454-78.

Фазовый состав металла определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-ЗМ.The phase composition of the metal was determined on a DRON-ZM X-ray diffractometer.

Испытания на жаростойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6130-71.Heat resistance tests were carried out in accordance with GOST 6130-71.

Результаты оценки жаростойкости сталей в условиях, имитирующих продукты сгорания мазутов, показали, что в изотермических условиях при температуре 650°С за 1000 часов испытаний потеря массы образцов состава 1, 2, 3 составляет соответственно 2,80; 2,85 и 2,80 мг/см против 5,2 мг/см для стали прототипа.The results of assessing the heat resistance of steels under conditions simulating fuel oil combustion products showed that under isothermal conditions at a temperature of 650°C for 1000 hours of testing, the weight loss of samples of composition 1, 2, 3 is 2.80, respectively; 2.85 and 2.80 mg/cm versus 5.2 mg/cm for the prototype steel.

Испытания на склонность к МКК проводят по методу AM, ГОСТ 6032-2017 продолжительность кипячения 24 ч. На каждую точку испытывает 4 образца, в тон числе один образец подвергается загибу без кипячения. Образцы стали, предназначенные для испытаний, выдерживают в кипящем растворе сернокислой меди и серной кислоты в присутствии металлической меди. Этот метод используют для большинства аустенитных хромоникелевых и хромомарганцевых коррозионно-стойких сталей.Tests for the tendency to MCC are carried out according to the AM method, GOST 6032-2017, the duration of boiling is 24 hours. 4 samples are tested for each point, including one sample subjected to bending without boiling. Steel samples intended for testing are kept in a boiling solution of copper sulfate and sulfuric acid in the presence of metallic copper. This method is used for most austenitic chromium-nickel and chromium-manganese stainless steels.

Раствор приготавливают следующим образом. В дистиллированную воду объемом 1000 см3 добавляют 130 г сернокислой меди, а затем небольшими порциями добавляют серную кислоту объемом 120 см3.The solution is prepared as follows. 130 g of copper sulphate are added to distilled water with a volume of 1000 cm 3 , and then sulfuric acid with a volume of 120 cm 3 is added in small portions.

Продолжительность выдержки в кипящем растворе - 24 часа. После выдержки образцы промывают водой и просушивают. В случае отложения меди на поверхности ее удаляют, промывая образцы в 20-30%-ном растворе азотной кислоты.Duration of exposure in boiling solution - 24 hours. After exposure, the samples are washed with water and dried. In the case of copper deposition on the surface, it is removed by washing the samples in a 20-30% nitric acid solution.

Для обнаружения межкристаллитной коррозии испытанные образцы изгибают на угол 90 с помощью специальных оправок, радиус закругления которых обычно от 1 мм до 5 мм, в зависимости от толщины образца и марки стали (в некоторых случаях до 10 мм). При изгибе образцу придают Z-образную форму, чтобы проверить обе поверхности. Осмотр изогнутых образцов проводят с помощью лупы с увеличением 8-12 раз.To detect intergranular corrosion, the tested samples are bent at an angle of 90 using special mandrels, the radius of curvature of which is usually from 1 mm to 5 mm, depending on the thickness of the sample and the steel grade (in some cases up to 10 mm). When bending, the sample is given a Z-shape to check both surfaces. Inspection of curved samples is carried out using a magnifying glass with a magnification of 8-12 times.

Для стали химического состава 1-3 (таблица 1) было зафиксировано отсутствие поперечных трещин в месте изгиба, что свидетельствует о высокой стойкости предложенной стали против МКК.For steel of chemical composition 1-3 (table 1), the absence of transverse cracks at the bend was recorded, which indicates a high resistance of the proposed steel against ICC.

Сталь имеет устойчивую аустенитную структуру при любом соотношении легирующих элементов в заданных пределах, характеризуется высокой стабильностью механических свойств при длительных тепловых выдержках.The steel has a stable austenitic structure at any ratio of alloying elements within the specified limits, and is characterized by high stability of mechanical properties during long-term thermal exposure.

Таким образом, очевидно, что предлагаемая сталь и способ термической обработки обеспечивают высокую устойчивость к МКК, а жаростойкость, (особенно в условиях частых пусков - остановов) и долговечность предлагаемой стали (составы 1-3) имеют значительно более высокие значения по сравнению с известной сталью (4), что позволяет увеличить ресурс работы не менее чем в 1,5-2 раза при использовании агрессивных органических топлив (высокосернистые мазуты, угли, сланцы и т.д.).Thus, it is obvious that the proposed steel and the method of heat treatment provide high resistance to ICC, and the heat resistance (especially under conditions of frequent starts-stops) and the durability of the proposed steel (compositions 1-3) have significantly higher values compared to known steel (4), which allows to increase the service life by at least 1.5-2 times when using aggressive organic fuels (high-sulphur fuel oil, coal, shale, etc.).

Таблица 1.Table 1.

Химический состав известной стали и стали по изобретениюThe chemical composition of known steel and steel according to the invention

Figure 00000002
Figure 00000002

Claims (5)

1. Жаростойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ниобий, азот, бор, кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, медь, церий и/или иттрий, титан и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:1. Heat-resistant austenitic steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, niobium, nitrogen, boron, calcium, iron and inevitable impurities, characterized in that it additionally contains nickel, copper, cerium and/or yttrium, titanium and aluminum in the following ratio of components, wt.%: углеродcarbon 0,01-0,030.01-0.03 кремнийsilicon 2,20-2,802.20-2.80 марганецmanganese 16,50-18,0016.50-18.00 хромchromium 16,00-18,0016.00-18.00 никельnickel 2,50-4,502.50-4.50 медьcopper 2,00-2,502.00-2.50 церий и/или иттрийcerium and/or yttrium 0,005-0,020.005-0.02 титанtitanium 0,080-0,150.080-0.15 ниобийniobium 0,80-1,000.80-1.00 алюминийaluminum 0,005-0,020.005-0.02 борboron 0,0008-0,0010.0008-0.001 азотnitrogen 0,10-0,300.10-0.30 кальцийcalcium 0,005-0,020.005-0.02 железо и неизбежные примесиiron and inevitable impurities остальноеrest
2. Жаростойкая аустенитная сталь по п. 1, отличающаяся тем, что для содержаний ниобия, титана и углерода выполняется соотношение: 10≤Nb+Ti/C≤15.2. Heat-resistant austenitic steel according to claim 1, characterized in that for the contents of niobium, titanium and carbon, the following ratio is fulfilled: 10≤Nb+Ti/C≤15. 3. Жаростойкая аустенитная сталь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей она содержит, мас.%: сера ≤0,010, фосфор ≤0,015, кислород ≤0,005.3. Heat-resistant austenitic steel according to claim 1, characterized in that, as unavoidable impurities, it contains, wt.%: sulfur ≤0.010, phosphorus ≤0.015, oxygen ≤0.005. 4. Жаростойкая аустенитная сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она подвергнута термической обработке, включающей закалку от 1050-1100°С и стабилизирующий отжиг при 920-950°С с выдержкой в течение 2-5 ч, проводимый с предварительным ступенчатым нагревом при температуре 400-420°С с выдержкой в течение 2-4 ч и при температуре 700-720°С с выдержкой в течение 2-4 ч.4. Heat-resistant austenitic steel according to claim 1, characterized in that it is subjected to heat treatment, including hardening from 1050-1100 ° C and stabilizing annealing at 920-950 ° C with holding for 2-5 hours, carried out with preliminary step heating at a temperature of 400-420°C with an exposure for 2-4 hours and at a temperature of 700-720°C with an exposure for 2-4 hours.
RU2021131374A 2021-10-27 Heat-resistant austenitic steel RU2781573C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2781573C1 true RU2781573C1 (en) 2022-10-14

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3118761A (en) * 1955-05-09 1964-01-21 Westinghouse Electric Corp Crack resistant austenitic stainless steel alloys
SU1357457A1 (en) * 1986-06-16 1987-12-07 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Heat-resistant stainless steel
RU2233906C1 (en) * 2003-04-03 2004-08-10 Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" Austenite steel
RU2241266C1 (en) * 2003-04-03 2004-11-27 Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" Fast reactor fuel element
RU2293786C2 (en) * 2001-04-04 2007-02-20 В Э М Франс Steel for seamless tubular parts intended for use at high temperature
US9863016B2 (en) * 2012-09-27 2018-01-09 Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation Super non-magnetic soft stainless steel wire material having excellent cold workability and corrosion resistance, method for manufacturing same, steel wire, steel wire coil, and method for manufacturing same
JP2018021260A (en) * 2016-07-25 2018-02-08 新日鐵住金ステンレス株式会社 Thick-sized high-strength stainless steel wire and method for producing the same, and spring component

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3118761A (en) * 1955-05-09 1964-01-21 Westinghouse Electric Corp Crack resistant austenitic stainless steel alloys
SU1357457A1 (en) * 1986-06-16 1987-12-07 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Heat-resistant stainless steel
RU2293786C2 (en) * 2001-04-04 2007-02-20 В Э М Франс Steel for seamless tubular parts intended for use at high temperature
RU2233906C1 (en) * 2003-04-03 2004-08-10 Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" Austenite steel
RU2241266C1 (en) * 2003-04-03 2004-11-27 Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" Fast reactor fuel element
US9863016B2 (en) * 2012-09-27 2018-01-09 Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation Super non-magnetic soft stainless steel wire material having excellent cold workability and corrosion resistance, method for manufacturing same, steel wire, steel wire coil, and method for manufacturing same
JP2018021260A (en) * 2016-07-25 2018-02-08 新日鐵住金ステンレス株式会社 Thick-sized high-strength stainless steel wire and method for producing the same, and spring component

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6766887B2 (en) High-strength stainless seamless steel pipe for oil wells and its manufacturing method
US5069870A (en) High-strength high-cr steel with excellent toughness and oxidation resistance
KR100216683B1 (en) Duplex stainless steel excellent in corrosion resistance
KR100933114B1 (en) Ferritic Heat Resistant Steel
JP6144417B2 (en) High chromium heat resistant steel
EP0787813B1 (en) A low mn-low Cr ferritic heat resistant steel excellent in strength at elevated temperatures
CN110168124B (en) Duplex stainless steel and method for producing same
US20080050265A1 (en) Low alloy steel
KR101570636B1 (en) Ferritic stainless steel
WO2005042793A1 (en) High strength stainless steel pipe for line pipe excellent in corrosion resistance and method for production thereof
JP4816642B2 (en) Low alloy steel
JP6226111B1 (en) Martensitic stainless steel sheet
WO2016079920A1 (en) High-strength stainless steel seamless pipe for oil wells
CN115349024A (en) Stainless steel seamless steel pipe and method for manufacturing stainless steel seamless steel pipe
RU2781573C1 (en) Heat-resistant austenitic steel
JP3757462B2 (en) High strength Cr-Mo-W steel
JP6819837B1 (en) Stainless steel seamless steel pipe
KR100708616B1 (en) Low Activation High Chromium Ferritic Heat Resistant Steels for Fission Reactor, Fast Breed Reactor and Fusion Reactor
CN114450430A (en) Stainless steel seamless steel pipe and method for manufacturing same
JP3177633B2 (en) Extremely low Mn and low Cr ferrite heat resistant steel with excellent high temperature strength
JP7226571B2 (en) Seamless stainless steel pipe and manufacturing method thereof
RU2782832C1 (en) High-strength low-magnetic non-stabilized weldable steel, resistant to local corrosion in zones of thermal affect of welding and prolonged heating in the area of hazardous temperatures
JP2001152293A (en) HIGH Cr FERRITIC HEAT RESISTING STEEL
JPH06299301A (en) 110ksi grade high strength corrosion resistant martensitic stainless steel pipe
JP2008121068A (en) Steel material for iron shell of converter