RU2798479C1 - Нестабилизированная аустенитная сталь, коррозионно-стойкая в жидком свинце и пароводяной среде - Google Patents
Нестабилизированная аустенитная сталь, коррозионно-стойкая в жидком свинце и пароводяной среде Download PDFInfo
- Publication number
- RU2798479C1 RU2798479C1 RU2022113359A RU2022113359A RU2798479C1 RU 2798479 C1 RU2798479 C1 RU 2798479C1 RU 2022113359 A RU2022113359 A RU 2022113359A RU 2022113359 A RU2022113359 A RU 2022113359A RU 2798479 C1 RU2798479 C1 RU 2798479C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- corrosion
- steel
- silicon
- resistance
- resistant
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния для использования в ядерной энергетике при изготовлении теплообменного оборудования, работающего при высокой температуре в контакте с пароводяной средой и тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, в частности, для изготовления теплообменных труб парогенераторов АЭС, работающих при температурах 350-550°С. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,005-0,04, кремний 1,6-2,5, марганец 0,5-2,0, хром 18,0-23,0, никель 10,0-17,5, молибден 1,8-4,0, азот 0,10-0,22, ванадий 0,01-0,15, вольфрам 0,01-1,00, бор 0,0005-0,008, барий 0,005-0,01, кальций от более 0,02 до 0,15, церий 0,005-0,01, железо и неизбежные примеси остальное. Содержания компонентов стали удовлетворяют следующим соотношениям: (1,5[Cr] + 1,2[Mn] + 1,1[Mo] + 2,4[V] + 0,5[W] - 1,7[Si] - 1,2[Ni] - 2,3[B]) / ([N] + [C]) ≥ 65 и [Cr] + 3,3[Mo] + 0,5[Si] + 20[C] + 20[N] - 0,5[Mn] - 0,25[Ni] ≥ 25. Обеспечивается устранение склонности к межкристаллитной коррозии, термическому старению при температуре 350°С, локальному разрушению околошовной зоны и ножевой коррозии при сохранении стойкости против коррозионного растрескивания, питтинговой и жидкометаллической коррозии соответственно в хлоридсодержащих средах и свинце без снижения уровня механических свойств при 350-550°С. 2 табл.
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния, используемым в ядерной энергетике, в частности, для изготовления теплообменных труб парогенераторов АЭС, работающих в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями и пароводяной средой при температурах 350-550°С.
Известна коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая, мас.%:
углерод | 0,01-0,10 |
кремний | 0,05-2,0 |
марганец | 0,1-3,0 |
хром | 17,0-26,0 |
никель | 11,0-24,5 |
молибден | 1,0-5,0 |
азот | 0,05-0,40 |
ванадий | 0,01-0,25 |
церий | 0,01-0,05 |
кальций | 0,001-0,150 |
железо и неизбежные примеси | остальное |
при выполнении следующих соотношений:
(патент РФ №2409697, МПК С22С 38/58, С22С 38/46, опуб. 20.01.2011.
Недостатком известной стали является ее низкая стойкость в жидкометаллическом свинцовом теплоносителе, что объясняется низким содержанием кремния, не создающего защитную окисную пленку на поверхности стали.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к изобретению является коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий, вольфрам, ниобий, бор (патент RU 2499075, МПК С22С 38/58, С22С 38/54, опуб. 20.11.2013 г.).
Известная коррозионно-стойкая сталь содержит упомянутые ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:
углерод | 0,005-0,04 |
кремний | 1,6-3,0 |
марганец | 0,5-2,0 |
хром | 18,2-21,0 |
никель | 13,0-18,0 |
молибден | 1,8-3,8 |
азот | 0,1-0,4 |
ванадий | 0,01-0,5 |
вольфрам | 0,1-1,0 |
ниобий | 0,01-0,5 |
бор | 0,0005-0,008 |
железо и неизбежные примеси | остальное, |
при выполнении соотношения:
и при выполнении следующей зависимости:
Недостатками известной коррозионно-стойкой стали являются:
- склонность к межкристаллитной коррозии стали при содержании в ней азота, равном половине и более половины его максимальной концентрации, заявленной в патенте.
- двойственное, положительное и отрицательное, влияние легирования кремнием стали на ее стойкость против МКК, вызванное образованием обедненных хромом зон в результате выделения избыточных фаз, с одной стороны, и облегчением пассивируемости этих зон, с другой. Результирующий эффект не является однозначным и зависит от того, какой из этих двух факторов окажется преобладающим [1].
- пониженная растворимость углерода и азота в результате легирования кремнием стали и выделение в ней избыточных фаз при нагреве.
- склонность к локальному разрушению околошовной зоны, находящаяся в прямой зависимости от легирования стали ниобием [2].
- склонность к тепловому старению при температуре 350°С и выделение избыточных фаз по границам зерен аустенита вплоть до сенсибилизации структуры, вызывающей склонность стали к межкристаллитной и питтинговой коррозии в водной среде АЭС (см. [3], с. 31, рис. 6, табл. 1, плавка 2);
Задача, решаемая изобретением, заключается в исключении недостатков прототипа и создании нестабилизированной коррозионно-стойкой аустенитной стали, работающей в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями и пароводяной средой при температурах 350-550°С, не склонной к локальным видам коррозии в хлоридсодержащих средах и термическому старению при 350°С.
Технический результат изобретения состоит в устранении склонности стали к межкристаллитной коррозии, термическому старению при 350°С, локальному разрушению околошовной зоны и ножевой коррозии при сохранении стойкости против коррозионного растрескивания, питтинговой и жидкометаллической коррозии соответственно в пароводяной среде (хлоридсодержащих средах) и жидком свинце без снижения уровня механических свойств при 350-550°С.
Указанный технический результат достигается тем, что известная коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий, вольфрам, бор, железо и неизбежные примеси, дополнительно содержит барий, кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод | 0,005-0,04 |
кремний | 1,6-2,5 |
марганец | 0,5-2,0 |
хром | 18,0-23,0 |
никель | 10,0-17,5 |
молибден | 1,8-4,0 |
азот | 0,10-0,22 |
ванадий | 0,01-0,15 |
вольфрам | 0,01-1,0 |
бор | 0,0005-0,008 |
барий | 0,005-0,01 |
кальций от более | 0,02 до 0,15 |
церий | 0,005-0,01 |
железо и неизбежные примеси | остальное |
при выполнении соотношений:
Пределы содержания легирующих элементов определены, исходя из результатов испытаний заявляемой стали разного химического состава и на основании диаграмм системы Fe-Cr-Ni, с учетом отдельных составляющих в структурообразовании металла.
Стойкость стали против жидкометаллической коррозии в расплаве свинца достигается благодаря легированию кремнием и находится в прямой зависимости от его содержания в пределах 1,6-2,5%. Введение кремния менее 1,6% не эффективно, а его концентрация свыше 2,5% вызывает охрупчивание стали из-за силикатов, выделяющихся по границам зерен аустенита.
Для нейтрализации негативного влияния кремния на стойкость металла против МКК (см. выше), в сталь введены барий, кальций и церий. Наличие в составе стали 0,005-0,01% бария в сочетании с химически активными элементами кальцием (от более 0,02 до 0,15%) и церием (0,005-0,01%) снижает в металле содержание кислорода и серы, уменьшает количество сульфидных включений и очищает границы зерен аустенита, что существенно повышает стойкость стали к термическому старению и межкристаллитной коррозии.
Совместное легирование стали барием и кальцием улучшает кинетику процесса взаимодействия кальция с примесями, способствуя приобретению неметаллическими включениями округлой формы [4], что оказывает положительное влияние на стойкость стали против локальных видов коррозии.
Добавка кальция в количестве от более 0,02 до 0,15% затрудняет выделение избыточных фаз по границам зерен в процессе длительного нагрева при температурах 350-550°С, благодаря чему повышается стойкость стали против сенсибилизации.
Верхний предел по содержанию углерода в стали ограничен 0,04% в целях уменьшения возможности выделения избыточных фаз в процессе нагрева и предотвращения склонности стали к локальным видам коррозии в хлоридсодержащих средах. Содержание углерода менее 0,005% в стали снижает рентабельность ее производства в результате повышения стоимости шихты и усложнения технологии выплавки металла.
Легирование азотом стали повышает ее прочность и стойкость против питтинговой коррозии. Максимальное содержание азота - 0,22% обусловлено необходимостью предотвращения межкристаллитной коррозии металла. При содержании азота менее 0,10% не достигается требуемый уровень прочностных свойств стали и ее стойкости против питтинговой коррозии.
Максимальное содержание хрома - 23,0% связано с предупреждением образования сигма-фазы в аустенитной структуре стали, оказывающей отрицательное влияние на ее коррозионную стойкость и технологичность в процессе горячей деформации. При содержании хрома менее 18,0% сталь становится склонной к коррозионному растрескиванию в хлоридсодержащих средах.
Содержание никеля в пределах 10,0-17,5% обусловлено обеспечением аустенитной структуры стали и ее стойкости против жидкометаллической коррозии в расплавах свинца. При концентрации более 17,5% никель диффундирует из стали в расплав свинца, при концентрации менее 10,0% в структуре металла появляется дельта-феррит, который в процессе длительного нагрева при 550°С превращается в сигма-фазу (типа FeCr), снижающую коррозионную стойкость и пластичность стали.
Содержание марганца в пределах 0,5-2,0% определяется его количеством, необходимым для качественного раскисления стали при выплавке. При более высокой концентрации марганца снижается стойкость стали против жидкометаллической коррозии в расплавах свинца.
Легирование стали молибденом уменьшает выделение избыточных фаз по границам зерен при нагреве, повышает стойкость металла против жидкометаллической коррозии в расплавах свинца и против локальной коррозии в пароводяной среде. Верхний предел содержания молибдена 4,0% предотвращает образование сигма-фазы и дельта-феррита в стали при ее высокотемпературном нагреве. Содержание молибдена менее 1,8% вызывает склонность к локальным видам коррозии стали в процессе ее эксплуатации в питательной воде парогенератора при температурах до 350°С.
Ванадий в азотсодержащей стали ограничивает рост зерна в аустените при термической обработке, образовывает кластеры мелкодисперсных нитридов наноразмеров, выполняющих функцию катодной защиты от коррозии в воде и дополнительного (к твердорастворному) упрочнения металла. Верхний предел по содержанию ванадия ограничен 0,15% с тем, чтобы максимальное количество азота могло остаться в твердом растворе. При содержании ванадия менее 0,01% эффективность его влияния на свойства стали падает.
Легирование вольфрамом стали способствует повышению ее прочностных характеристик при температурах тяжелых жидкометаллических теплоносителей. При содержании вольфрама более 1,0% в структуре стали может появляться дельта-феррит, который в процессе длительной эксплуатации стали при 550°С превращается в сигма-фазу, а при содержании вольфрама менее 0,01% его влияние на свойства стали неэффективно.
Легирование бором от 0,0005 до 0,008% в сочетании с азотом инициирует образование нитридов бора, которые сегрегируют на границах зерен и повышают стойкость стали против коррозионного растрескивания. Введение в сталь бора способствует очищению границ зерен от дисперсных включений, устранению склонности к выделению избыточных фаз в процессе нагрева при температурах 350-550°С, повышению технологической пластичности металла и его стойкости против межкристаллитной коррозии. При содержании бора свыше 0,008% по границам зерен аустенита образуются избыточные фазы - бориды, снижающие стойкость стали против жидкометаллической коррозии в расплаве свинца и повышающие склонность металла к межкристаллитной коррозии в хлоридсодержащих средах. Концентрация бора менее 0,0005% не дает положительного результата.
Соотношение:
характеризует высокий уровень стойкости стали к тепловому старению и, как следствие, к МКК. При значениях соотношения (1) меньше 65 термическая стабильность стали снижается и в процессе длительного нагрева металла при 350°С происходит выделение избыточных фаз в структуре стали с возможным падением ее коррозионной стойкости в пароводяной среде.
Соотношение:
позволяет получать сталь, не склонную к питтинговой коррозии в пароводяной среде и других хлоридсодержащих средах. При значениях соотношения (2) менее 25 стойкость стали к питтинговой коррозии падает.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения. Были изготовлены 3 варианта заявляемой стали и прототип (таблица 1). Сталь выплавляли в открытой 50 кг индукционной печи и разливали в слитки массой 17 кг. Слитки ковали на заготовку 0 60 мм, обтачивали до ∅ 50 мм и после нагрева до 1150°С прошивали в двухвалковом стане винтовой прокатки. Холодную прокатку труб на заданный размер ∅ 18×3 мм проводили на станах ХПТ.
Из готовых труб, термически обработанных по режиму 1100°С, вода, изготавливали образцы, которые подвергали нагреву при температурах 350 и 550°С в течение 3000 ч, после чего изучали их микроструктуру и проводили испытания:
- на стойкость против межкристаллитной коррозии по методу АМУ (ГОСТ 6032-2003) с применением провоцирующего нагрева образцов при температуре 650°С в течение 1 ч;
- на стойкость против питтинговой коррозии химическим методом в растворе 10% FeCl3⋅6H2O (ГОСТ 9.912-89);
- на стойкость к термическому старению путем изучения выделений избыточных фаз в структуре стали после ее нагрева при температуре 350°С в течение 3000 ч. Микроструктуру стали исследовали при помощи электронного микроскопа Jeol JSM-6610 LV, оснащенного системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy Feature XT, а также волнодисперсионного спектрометра INCA Wave 500.
- механических свойств при температурах 350 и 550°С (ГОСТ 19040-81) с целью определения временного сопротивления разрыву σB, условного предела текучести σ0,2 и относительного удлинения после разрыва δ5.
Сущность изобретения поясняется таблицами 1 и 2, в которых представлены химические составы и свойства 3-х вариантов заявляемой стали и прототипа. Из них видно, что заявляемая сталь, в отличие от прототипа, стойка к межкристаллитной коррозии и термическому старению. Склонность заявляемой стали к локальному разрушению околошовной зоны и ножевой коррозии, находящаяся в прямой зависимости от содержания ниобия, отсутствует. Стойкость предлагаемой стали против питтинговой коррозии, коррозионного растрескивания в хлоридсодержащей среде и стойкость в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, а также механические свойства при 350 и 550°С сохраняются на уровне прототипа.
Заявляемая нестабилизированная высокопрочная коррозионно-стойкая сталь рекомендуется для изготовления теплообменных труб парогенераторов первых в мире отечественных ядерных реакторов БРЕСТ-ОД-300 и БРЕСТ-1200 с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.
Библиографические ссылки:
1. Каспарова О.В. Особенности межкристаллитной коррозии кремнийсодержащих аустенитных нержавеющих сталей // Защита металлов. 2004. Т. 40. №5. С. 475-481.
2. Шоршоров М.X., Ерохин А.А., Чернышова Т.А. и др. Горячие трещины при сварке жаропрочных сталей. М.: Машиностроение, 1973. 224 с.
3. Писаревский Л.А., Коростелев А.Б., Филиппов Г.А. Тепловое старение коррозионно-стойкой аустенитной стали повышенной прочности и ее термическая стабильность // Металлург. 2021. №3. С. 25-33.
4. Дегтярев А.Ф., Скоробогатых В.Н., Назаратин В.В. и др. Патент RU 2683173 С1, опуб. 26.03.2019 г.
Claims (5)
- Нестабилизированная коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий, вольфрам, бор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит барий, кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
-
углерод 0,005-0,04 кремний 1,6-2,5 марганец 0,5-2,0 хром 18,0-23,0 никель 10,0-17,5 молибден 1,8-4,0 азот 0,10-0,22 ванадий 0,01-0,15 вольфрам 0,01-1,0 бор 0,0005-0,008 барий 0,005-0,01 кальций от более 0,02 до 0,15 церий 0,005-0,01 железо и неизбежные примеси остальное, - при выполнении соотношений:
- (1,5[Cr] + 1,2[Mn] + 1,1[Mo] + 2,4[V] + 0,5[W] - 1,7[Si] - 1,2[Ni] - 2,3[B]) / ([N] + [C]) ≥ 65,
- [Cr] + 3,3[Mo] + 0,5[Si] + 20[C] + 20[N] - 0,5[Mn] - 0,25[Ni] ≥ 25.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2798479C1 true RU2798479C1 (ru) | 2023-06-23 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100689783B1 (ko) * | 2003-06-10 | 2007-03-08 | 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드 | 수소 가스용 오스테나이트 스테인레스강 및 그 제조 방법 |
CA2604968C (en) * | 2005-04-11 | 2012-05-29 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Austenitic stainless steel |
RU2499075C1 (ru) * | 2012-08-21 | 2013-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
RU2603735C2 (ru) * | 2011-05-26 | 2016-11-27 | Юнайтед Пайплайнс Лимитед | Аустенитная нержавеющая сталь |
RU2716922C1 (ru) * | 2019-08-14 | 2020-03-17 | Общество с ограниченной отвественностью "Лаборатория специальной металлургии" (ООО "Ласмет") | Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100689783B1 (ko) * | 2003-06-10 | 2007-03-08 | 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드 | 수소 가스용 오스테나이트 스테인레스강 및 그 제조 방법 |
CA2604968C (en) * | 2005-04-11 | 2012-05-29 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Austenitic stainless steel |
RU2603735C2 (ru) * | 2011-05-26 | 2016-11-27 | Юнайтед Пайплайнс Лимитед | Аустенитная нержавеющая сталь |
RU2499075C1 (ru) * | 2012-08-21 | 2013-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Коррозионно-стойкая аустенитная сталь |
RU2716922C1 (ru) * | 2019-08-14 | 2020-03-17 | Общество с ограниченной отвественностью "Лаборатория специальной металлургии" (ООО "Ласмет") | Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ГОСТ 5632-2014 Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки., М.: "Стандартинформ", 2015, сталь 08Х18Н10Т. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100580119C (zh) | 铁素体类耐热钢 | |
CN109642291B (zh) | 奥氏体系不锈钢 | |
JP4424471B2 (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法 | |
KR101256268B1 (ko) | 오스테나이트계 스테인리스강 | |
CN102409257B (zh) | 一种奥氏体系耐热钢及其制造方法 | |
RU2288967C1 (ru) | Коррозионно-стойкий сплав и изделие, выполненное из него | |
KR20190073614A (ko) | 고Cr계 오스테나이트 스테인리스강 | |
CN106661683A (zh) | 马氏体‑铁素体不锈钢、制成品和使用其的方法 | |
CN103097564A (zh) | 耐氧化性优良的耐热铁素体系不锈钢板 | |
JP6842257B2 (ja) | Fe−Ni−Cr−Mo合金とその製造方法 | |
JP2012255198A (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法及びオーステナイト系ステンレス鋼管 | |
JP7106962B2 (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼 | |
CN101258256A (zh) | 低合金钢 | |
JP6547599B2 (ja) | オーステナイト系耐熱鋼 | |
JP7114998B2 (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼 | |
JP2017166004A (ja) | 加工性、高温強度および時効後の靱性に優れたオーステナイト系耐熱鋼 | |
RU2798479C1 (ru) | Нестабилизированная аустенитная сталь, коррозионно-стойкая в жидком свинце и пароводяной среде | |
CN106319382A (zh) | 一种低镍型中铬铁素体不锈钢及其制造方法 | |
JP3848463B2 (ja) | 溶接性に優れた高強度オーステナイト系耐熱鋼およびその製造方法 | |
JP2018534421A (ja) | 新規なオーステナイト系ステンレス合金 | |
US20160281197A1 (en) | Advanced Fe-5Cr-X Alloy | |
RU2790717C1 (ru) | Нестабилизированная аустенитная сталь, устойчивая к локальной коррозии в скд-воде | |
JP5930635B2 (ja) | 優れた高温強度を有するオーステナイト系耐熱鋼とその製造方法 | |
RU2782832C1 (ru) | Высокопрочная маломагнитная нестабилизированная свариваемая сталь, устойчивая к локальным видам коррозии в зонах термического влияния сварки и длительного нагрева в области опасных температур | |
RU2716922C1 (ru) | Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом |