RU2598725C2 - Heat-resistant steel of martensitic class and preparation method thereof - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to composition of heat-resistant chromium martensite steel used for making elements, including boilers, pipes for steam pipelines in power plants. Steel contains, wt.%: carbon 0.09-0.13, silicon - not over 0.1, manganese 0.3-0.4, chromium 8.5-9.5, nickel not over 0.2, tungsten 1.5-2.0, molybdenum 0.4-0.6, cobalt 2.5-3.5, vanadium 0.15-0.2, niobium 0.04-0.06, tantalum 0.08-0.1, nitrogen - less than 0.005, boron 0.01-0.013, sulfur - not over 0.006, phosphorus not over 0.01, copper not over 0.1, aluminium not over 0.01, iron - the rest.

EFFECT: this steel has high durable strength values.

3 cl, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу жаропрочной хромистой стали мартенситного класса, а также способу ее получения. Предлагаемая сталь может применяться в энергетической промышленности в качестве конструкционного материала для производства котлов, труб паропроводов и другого оборудования тепловых электростанций нового поколения, работающих при температуре пара до 630°C.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the composition of heat-resistant chromium steel of the martensitic class, as well as to a method for its preparation. The proposed steel can be used in the energy industry as a structural material for the production of boilers, steam pipes and other equipment of new generation thermal power plants operating at a steam temperature of up to 630 ° C.

В настоящее время для изготовления элементов тепловых электростанций в Японии и Америке используют сталь марки P92 согласно классификации ASTM A 335 - American Society for Testing and Materials (Американское общество по материалам и методам испытаний). Сталь содержит, мас.%:Currently, for the manufacture of elements of thermal power plants in Japan and America, P92 grade steel is used according to ASTM A 335 classification - American Society for Testing and Materials. Steel contains, wt.%:

Углерод 0,070-0,130Carbon 0.070-0.130

кремний не более 0,500silicon no more than 0,500

марганец 0,300-0,600Manganese 0.300-0.600

хром 8,900-9,500chrome 8,900-9,500

никель не более 0,400nickel no more than 0.400

вольфрам 1,500-2,000tungsten 1,500-2,000

молибден 0,300-0,600molybdenum 0.300-0.600

ванадий 0,150-0,250vanadium 0.150-0.250

ниобий 0,040-0,090niobium 0.040-0.090

азот 0,030-0,070nitrogen 0.030-0.070

бор 0,001-0,006boron 0.001-0.006

сера не более 0,010sulfur not more than 0.010

фосфор не более 0,020phosphorus no more than 0,020

алюминий не более 0,040aluminum no more than 0,040

железо остальноеiron rest

После термической обработки, состоящей из нормализации при температуре Т=1070°С и отпуска при Т=775°С, сталь Р92 имеет структуру троостомартенсита с выделенными частицами вторых фаз, таких как М₂₃С₆, М(C,N). Карбиды M₂₃C₆ выделяются по границам бывших аустенитных зерен, границам субзерен и мартенситных реек (средний размер частиц d=89 нм), а частицы M(C,N) (d=16 нм), которые представлены обогащенными ниобием карбонитридами сфероидальной формы и обогащенными ванадием нитридами пластинчатой формы, распределены однородно по объему материала (Т92/Р92 Book. Vallourec and Mannesmann tubes. - 1998).After heat treatment, consisting of normalization at a temperature of T = 1070 ° C and tempering at T = 775 ° C, P92 steel has a troostomartensite structure with isolated particles of the second phases, such as M ₂₃ C ₆ , M (C, N). M ₂₃ C ₆ carbides are distinguished by the boundaries of former austenitic grains, the boundaries of subgrains and martensitic laths (average particle size d = 89 nm), and the particles M (C, N) (d = 16 nm), which are represented by niobium-enriched spheroidal carbonitrides and vanadium-enriched plate-shaped nitrides, uniformly distributed throughout the material (T92 / P92 Book. Vallourec and Mannesmann tubes. - 1998).

Недостатком стали Р92 является ее низкая длительная прочность при ползучести при температурах выше 600°С, что делает невозможным ее применение для изготовления котлов, труб паропроводов и других деталей электростанций, работающих при повышенных параметрах пара (30 МПа, 600-650°С). Механические свойства стали Р92 следующие: предел прочности=690 МПа, предел текучести=520 МПа, твердость=220 НВ, ударная вязкость=175 Дж/см², предел длительной прочности при температуре 650°С составляет 72 МПа (Т92/Р92 Book. Vallourec and Mannesmann tubes. - 1998; Дудко В. А., Беляков А. Н., Скоробогатых В. Н., Щенкова И. А., Кайбышев Р. О. Структурные изменения в жаропрочной стали 10Х9 В2МФБР в процессе ползучести при 650°С //МиТОМ. - 2010. - №3. - С. 26 - 32). Низкое сопротивление ползучести стали Р92 при температурах выше 600°С обусловлено интенсивной коагуляцией карбидов типа M₂₃C₆ и частиц фазы Лавеса при температурах выше 620°C.The disadvantage of P92 steel is its low long-term creep strength at temperatures above 600 ° C, which makes it impossible to use it for the manufacture of boilers, steam pipes and other parts of power plants operating at elevated steam parameters (30 MPa, 600-650 ° C). The mechanical properties of P92 steel are as follows: tensile strength = 690 MPa, yield strength = 520 MPa, hardness = 220 HB, impact strength = 175 J / cm ² , the ultimate tensile strength at 650 ° C is 72 MPa (T92 / P92 Book. Vallourec and Mannesmann tubes. - 1998; Dudko V.A., Belyakov A.N., Skorobogatykh V.N., Schenkova I.A., Kaybyshev R.O. Structural changes in the heat-resistant steel 10X9 B2MFBR during creep at 650 ° C // MiTOM. - 2010. - No. 3. - S. 26 - 32). The low creep resistance of steel P92 at temperatures above 600 ° C is due to the intense coagulation of carbides of the type M ₂₃ C ₆ and particles of the Laves phase at temperatures above 620 ° C.

Таким образом, одной из основных проблем при создании тепловых электростанций со суперсверхкритическими параметрами пара уровня температур 620-650°С и давлении 30-35 МПа является необходимость разработки более жаропрочных и относительно экономичных конструкционных материалов, в том числе для котлов и труб паропроводов.Thus, one of the main problems in creating thermal power plants with super supercritical parameters of steam at a temperature level of 620-650 ° C and a pressure of 30-35 MPa is the need to develop more heat-resistant and relatively economical structural materials, including for boilers and steam pipelines.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является жаропрочная сталь мартенситного класса, раскрытая в патенте №US 7128791 B2 (C22C38/18, опубл. 31.10.2006). Сталь содержит, мас.%:Closest to the proposed invention is the heat-resistant steel of the martensitic class, disclosed in patent No. US 7128791 B2 (C22C38 / 18, publ. 31.10.2006). Steel contains, wt.%:

углерод 0,030 - 0,150carbon 0.030 - 0.150

кремний 0,010 - 0,900silicon 0.010 - 0.900

марганец 0,010-1,500Manganese 0.010-1.500

хром 8,000-13,000chrome 8,000-13,000

никель не более 0,200nickel no more than 0,200

вольфрам не более 4,000tungsten no more than 4,000

молибден не более 2,000molybdenum no more than 2,000

ванадий 0,050-0,500vanadium 0.050-0.500

ниобий 0,010-0,200niobium 0,010-0,200

азот не более 0,005nitrogen not more than 0.005

бор 0,008-0,030boron 0.008-0.030

кобальт 0,100-5,000cobalt 0,100-5,000

сера не более 0,006sulfur no more than 0,006

фосфор не более 0,010phosphorus no more than 0.010

алюминий не более 0,010aluminum no more than 0.010

железо остальноеiron rest

Данная сталь обладает высокими показателями длительной прочности при ползучести до температуры 620°С. Это позволяет использовать ее для изготовления трубопроводов и пароперегревателей котлов со сверхкритическими параметрами (Т=620°С и Р=300 атм).This steel has high rates of long-term creep strength up to a temperature of 620 ° C. This allows you to use it for the manufacture of pipelines and superheaters of boilers with supercritical parameters (T = 620 ° C and P = 300 atm).

В этой стали, по сравнению со сталью Р92, повышено содержание молибдена и вольфрама до достижения величины молибденового эквивалента (0.5W+Mo)=1,8 с целью повышения твердорастворного упрочнения. Однако увеличение содержания вольфрама более 4% может привести к сильному снижению пластичных свойств из-за образования дельта-феррита и фазы Лавеса. Дисперсионное упрочнение данной стали достигается за счет выделения карбидов типа M₂₃C₆ и карбонитридов М(C,N), объемная доля последних увеличена за счет увеличения количества ниобия до 0,2%. Однако увеличение ниобия более 0,2% приводит к избыточному выделению фазы МХ, обогащенной ниобием, вследствие чего снижается ударная вязкость и свойства сварного шва.In this steel, in comparison with P92 steel, the content of molybdenum and tungsten is increased until the molybdenum equivalent value is reached (0.5W + Mo) = 1.8 in order to increase the solid solution hardening. However, an increase in the tungsten content of more than 4% can lead to a strong decrease in ductile properties due to the formation of delta ferrite and the Laves phase. Dispersion hardening of this steel is achieved due to the precipitation of carbides of the type M ₂₃ C ₆ and carbonitrides M (C, N), the volume fraction of the latter is increased due to an increase in the amount of niobium to 0.2%. However, an increase in niobium of more than 0.2% leads to excessive precipitation of the MX phase enriched in niobium, as a result of which the impact strength and properties of the weld are reduced.

Дополнительное повышение сопротивления деформации при ползучести, а также увеличение сопротивления коррозии под напряжением достигается за счет легирования бором в количестве 0,008-0,03%. Это стало возможным в связи с понижением количества азота до 0,005%, так как при обычном соотношении азота к бору (0,05%:0,005%) происходит выделение нитридов бора BN, что негативно сказывается на пластичности материала и ударной вязкости. Также добавление кобальта в размере до 5% позволило существенно увеличить длительную прочность за счет уменьшения скорости укрупнения частиц вторых фаз, особенно карбидов М₂₃С₆.An additional increase in deformation resistance during creep, as well as an increase in stress corrosion resistance, is achieved by doping with boron in an amount of 0.008-0.03%. This became possible due to a decrease in the amount of nitrogen to 0.005%, since at the usual ratio of nitrogen to boron (0.05%: 0.005%), the release of boron nitrides BN occurs, which negatively affects the ductility of the material and impact strength. The addition of cobalt in the amount of up to 5% made it possible to significantly increase the long-term strength by reducing the rate of coarsening of particles of the second phases, especially M ₂₃ C ₆ carbides.

Основным недостатком стали-прототипа является невозможность использования данной стали при температурах пара выше 620°С. Это связано с недостаточно высокими значениями длительной прочности этой стали для температур выше 620°С, а также с невысокими показателями пластичности и ударной вязкости из-за высокого содержания вольфрама и молибдена.The main disadvantage of the steel of the prototype is the inability to use this steel at steam temperatures above 620 ° C. This is due to the insufficiently high values of the long-term strength of this steel for temperatures above 620 ° C, as well as to low ductility and toughness due to the high content of tungsten and molybdenum.

Наиболее близкий способ получения к предлагаемому способу описывается также в патенте №US 7128791 B2 (C22C38/18, опубл. 31.10.2006) для химического состава жаропрочной мартенситной стали, описанного выше. Способ-прототип получения представляет собой нормализацию с температур 1050-1200°С с последующим отпуском при температурах 750-850°С. Увеличение температуры нормализации связано с увеличением количества ванадия и ниобия в стали-прототипе, что приводит к увеличению количества карбонитридов МХ, не растворяющихся при температурах ниже указанных. В свою очередь, слишком высокое количество карбонитридов МХ вызывает сильное измельчение исходного аустенитного зерна, что снижает показатели длительной прочности при ползучести. Температуры отпуска 750-850°С обеспечивают удовлетворительные показатели ударной вязкости и пластичности, что, в свою очередь, влияет на длительную прочность стали.The closest production method to the proposed method is also described in patent No. US 7128791 B2 (C22C38 / 18, publ. 31.10.2006) for the chemical composition of heat-resistant martensitic steel described above. The prototype method of obtaining is a normalization from temperatures of 1050-1200 ° C, followed by tempering at temperatures of 750-850 ° C. An increase in the normalization temperature is associated with an increase in the amount of vanadium and niobium in the prototype steel, which leads to an increase in the amount of MX carbonitrides that do not dissolve at temperatures lower than those indicated. In turn, an excessively high amount of MX carbonitrides causes a strong grinding of the initial austenitic grain, which reduces the long-term creep strength. Tempering temperatures of 750-850 ° C provide satisfactory toughness and ductility, which, in turn, affects the long-term strength of steel.

Недостатком способа-прототипа является то, что термическая обработка, предложенная в патенте №US 7128791, не может быть использована для обработки заявленной стали.The disadvantage of the prototype method is that the heat treatment proposed in patent No. US 7128791 cannot be used to process the declared steel.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype.

Технический результат предложенной стали заключается в том, что достигнут требуемый уровень такой характеристики жаропрочности, как длительная прочность $${\sigma }_{{10}^5}^{{650}^{o}C}$$

=100 МПа при температуре 650°С при нижеуказанном содержании компонентов и способе получения, включающем нормализацию с температур 1070-1200°С и выдержку из расчета 1 минута на 1 мм поперечного сечения образца с последующим охлаждением на воздухе до комнатных температур, ковку при температуре в интервале 950-1070°С, отпуск при температурах 770-850°С, выдержку не менее 3 часов с последующим охлаждением на воздухе.The technical result of the proposed steel is that the required level of such heat resistance characteristics as long-term strength has been achieved $${\sigma }_{{10}^5}^{{650}^{o}C}$$

= 100 MPa at a temperature of 650 ° C with the following component content and preparation method, including normalization from temperatures of 1070-1200 ° C and holding at the rate of 1 minute per 1 mm of the sample cross section with subsequent cooling in air to room temperature, forging at a temperature of in the range of 950-1070 ° C, tempering at temperatures of 770-850 ° C, holding for at least 3 hours, followed by cooling in air.

Поставленная задача решается предлагаемой жаропрочной сталью мартенситного класса при следующем соотношении компонентов, мас.%:The problem is solved by the proposed heat-resistant steel of the martensitic class in the following ratio of components, wt.%:

углерод 0,090 - 0,130carbon 0.090 - 0.130

кремний не более 0,100silicon no more than 0,100

марганец 0,300-0,400Manganese 0.300-0.400

хром 8,500-9,500chrome 8,500-9,500

никель не более 0,200nickel no more than 0,200

вольфрам 1,500-2,000tungsten 1,500-2,000

молибден 0,400-0,600molybdenum 0.400-0.600

ванадий 0,150-0,200vanadium 0.150-0.200

ниобий 0,040-0,060niobium 0.040-0.060

тантал 0,080-0,100tantalum 0.080-0.100

азот не более 0,007nitrogen no more than 0,007

бор 0,010-0,013boron 0.010-0.013

кобальт 2,500-3,500cobalt 2,500-3,500

сера не более 0,006sulfur no more than 0,006

фосфор не более 0,010phosphorus no more than 0.010

алюминий не более 0,010aluminum no more than 0.010

медь не более 0,10copper no more than 0.10

железо остальноеiron rest

Состав предложенной стали содержит следующие известные признаки.The composition of the proposed steel contains the following known features.

Содержание углерода в количестве 0,09-0,13% повышает прокаливаемость стали, а также обеспечивает образование карбидных фаз типа М₂₃С₆ и МХ. При содержании углерода менее 0,05% резко снижается доля карбидов М₂₃С₆, что негативно сказывается на сопротивлении ползучести. При содержании углерода более 0,15% сталь переупрочняется, вследствие чего ухудшаются характеристики пластичности и ударной вязкости.The carbon content in the amount of 0.09-0.13% increases the hardenability of steel, and also provides the formation of carbide phases of type M ₂₃ C ₆ and MX. When the carbon content is less than 0.05%, the proportion of M ₂₃ C ₆ carbides sharply decreases, which negatively affects the creep resistance. When the carbon content is more than 0.15%, the steel is hardened, as a result of which the ductility and toughness deteriorate.

Кремний в количестве <0,10% и марганец в количестве 0,3-0,4% использованы для раскисления стали. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%. При содержании кремния более 0,1% усиливается склонность к образованию дельта-феррита, который неблагоприятно сказывается на ударной вязкости. Марганец также вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец также способствует выделению карбидов M₂₃C₆. При содержании марганца более 0,8% снижается длительная прочность при ползучести.Silicon in an amount of <0.10% and manganese in an amount of 0.3-0.4% are used for deoxidation of steel. The silicon content as a technological impurity usually does not exceed 0.37%. Silicon as a technological impurity does not affect the properties of steel. In steels intended for welded structures, the silicon content should not exceed 0.12-0.25%. When the silicon content is more than 0.1%, the tendency to form delta ferrite increases, which adversely affects the toughness. Manganese is also introduced into steel as a technological additive to increase the degree of their deoxidation and eliminate the harmful effects of sulfur. Manganese also contributes to the release of carbides M ₂₃ C ₆ . With a manganese content of more than 0.8%, the long-term creep strength is reduced.

Содержание хрома 8,5-9,5% повышает коррозионную стойкость, обеспечивает формирование карбидов типа M₂₃C₆, является необходимым элементом для повышения прочности и коррозионной стойкости при повышенных температурах. При содержании хрома менее 8% сталь не обеспечивается достаточным уровнем коррозионной стойкости. При содержании хрома более 10% в структуре стали возрастает доля дельта-феррита, понижаются ударная вязкость и технологические свойства.The chromium content of 8.5-9.5% increases corrosion resistance, provides the formation of carbides of the type M ₂₃ C ₆ , is a necessary element to increase strength and corrosion resistance at elevated temperatures. When the chromium content is less than 8%, steel is not provided with a sufficient level of corrosion resistance. With a chromium content of more than 10%, the proportion of delta ferrite in the steel structure increases, the toughness and technological properties decrease.

Кобальт в количестве 2,5-3,5% повышает твердорастворное упрочнение. Как аустенитобразующий элемент, кобальт сдерживает образование дельта-феррита. Кобальт уменьшает скорость коагуляции карбидов М₂₃С₆ в процессе ползучести, что повышает сопротивление долговременной ползучести. При содержании кобальта менее 2,5% происходит образование дельта-феррита. При избыточном содержании кобальта более 3,5% происходит уменьшение пластичности стали.Cobalt in the amount of 2.5-3.5% increases solid solution hardening. As an austenite-forming element, cobalt inhibits the formation of delta ferrite. Cobalt reduces the coagulation rate of M ₂₃ C ₆ carbides during creep, which increases long-term creep resistance. When the cobalt content is less than 2.5%, delta ferrite is formed. With an excess cobalt content of more than 3.5%, there is a decrease in the ductility of steel.

Содержание ванадия в количестве 0,15-0,2% обеспечивает упрочнение твердого раствора и получение более мелких карбонитридов, что повышает длительную прочность.The content of vanadium in an amount of 0.15-0.2% provides hardening of the solid solution and the production of smaller carbonitrides, which increases the long-term strength.

Никель в количестве до 0,2% улучшает прокаливаемость стали и вязкость, сдерживает образование дельта-феррита. Повышение содержания никеля свыше 0,2% нецелесообразно, так как уменьшает длительную прочность из-за ускорения укрупнения частиц.Nickel in an amount of up to 0.2% improves hardenability of steel and toughness, inhibits the formation of delta ferrite. An increase in the nickel content of over 0.2% is impractical, since it reduces the long-term strength due to the acceleration of particle enlargement.

Ограничение содержания фосфора до 0,01% и серы до 0,006% способствует получению более высоких характеристик пластичности стали.Limiting the content of phosphorus to 0.01% and sulfur to 0.006% contributes to higher ductility characteristics of steel.

При содержании алюминия свыше 0,01% образуются нитриды, которые снижают длительную прочность.When the aluminum content exceeds 0.01%, nitrides are formed, which reduce the long-term strength.

Кроме того, предложенная сталь включает следующие новые, неизвестные из уровня техники, признаки:In addition, the proposed steel includes the following new, unknown from the prior art, features:

- изменено содержание молибдена и вольфрама, которые являются элементами, упрочняющими твердый раствор. Оптимизация содержания молибдена и вольфрама уменьшает количество выделяемой фазы Лавеса, которая снижает сопротивление ползучести при длительных выдержках (Huiran Cui and other Precipitation of Laves phase in 10%Cr steel X12CrMoWVNbN10-1-1 during short-term creep exposure //Materials Science and Engineering A 527 (2010) 7505-7509). В целях предотвращения образования дельта-феррита и избыточной фазы Лавеса содержание молибдена и вольфрама должно удовлетворять соотношению (Mo,W)=1,9-2,6.- changed the content of molybdenum and tungsten, which are elements that strengthen the solid solution. Optimization of the content of molybdenum and tungsten reduces the amount of Laves phase emitted, which reduces creep resistance during long exposures (Huiran Cui and other Precipitation of Laves phase in 10% Cr steel X12CrMoWVNbN10-1-1 during short-term creep exposure // Materials Science and Engineering A 527 (2010) 7505-7509). In order to prevent the formation of delta ferrite and the excess Laves phase, the content of molybdenum and tungsten should satisfy the ratio (Mo, W) = 1.9-2.6.

- в состав стали включен тантал в количестве 0,08-0,1%, что повышает объемную долю устойчивых карбонитридов МХ и увеличивает сопротивление ползучести. При содержании ниобия в количестве 0,04-0,06% целесообразно введение в сталь тантала с целью двухфазного разделения карбонитридов МХ на TaC и NbC, что сильно повышает длительную прочность и предотвращает образование неблагоприятной Z-фазы. Содержание ниобия и тантала должно удовлетворять соотношению Ta/Nb=2.- tantalum in the amount of 0.08-0.1% is included in the composition of the steel, which increases the volume fraction of stable MX carbonitrides and increases creep resistance. When the niobium content is in the amount of 0.04-0.06%, it is advisable to introduce tantalum into steel for the purpose of two-phase separation of MX carbonitrides into TaC and NbC, which greatly increases the long-term strength and prevents the formation of an unfavorable Z phase. The content of niobium and tantalum must satisfy the ratio Ta / Nb = 2.

- повышено содержание азота до 0,007%, что способствует образованию обогащенных ванадием нитридов и повышает длительную прочность. При избыточном содержании азота более 0,007% происходит образование крупных нитридов бора BN, которые снижают свариваемость и ковкость стали. При содержании азота до 0,007% целесообразно повышение содержания бора до 0,01-0,013%. Бор сегрегирует по границам зерен, преимущественно бывшим аустенитным, что подавляет зернограничное проскальзывание и тем самым увеличивает время до разрушения. Бор в предлагаемой стали входит в состав карбидов типа M₂₃C₆ и уменьшает скорость их коагуляции при повышенных температурах, что повышает сопротивление деформации при ползучести. Кроме того, бор повышает сопротивление коррозии под напряжением и нивелирует неблагоприятное влияние повышенного содержания ванадия на окалиностойкость. При содержании бора свыше 0,012% снижается свариваемость и ковкость стали.- increased nitrogen content to 0.007%, which contributes to the formation of vanadium-enriched nitrides and increases long-term strength. With an excess nitrogen content of more than 0.007%, the formation of large boron nitrides BN occurs, which reduce the weldability and ductility of steel. When the nitrogen content is up to 0.007%, it is advisable to increase the boron content to 0.01-0.013%. Boron segregates along grain boundaries, mainly former austenitic, which suppresses grain-boundary slippage and thereby increases the time to failure. Boron in the proposed steel is a part of carbides of type M ₂₃ C ₆ and reduces the rate of their coagulation at elevated temperatures, which increases the resistance to deformation during creep. In addition, boron increases stress corrosion resistance and eliminates the adverse effect of high vanadium content on scale resistance. When the boron content is more than 0.012%, the weldability and ductility of steel is reduced.

- в состав стали включена медь в количестве не более 0,1% для предотвращения образования дельта-феррита в процессе высокотемпературной деформации, а также для образования мелкодисперсной фазы Лавеса на медных кластерах в процессе ползучести, что повышает сопротивление ползучести стали. Количество добавляемой меди определяется из баланса аустенит- и феррит-стабилизирующих элементов.- the composition of the steel includes copper in an amount of not more than 0.1% to prevent the formation of delta ferrite during high-temperature deformation, as well as to form a fine Laves phase on copper clusters during creep, which increases the creep resistance of steel. The amount of copper added is determined from the balance of austenite and ferrite stabilizing elements.

Способ получения предложенной стали заключается в проведении нормализации при температуре в интервале 1070-1200°С с последующим отпуском при температурах 770-850°С, в который введены следующие новые признаки:The method of obtaining the proposed steel is to conduct normalization at a temperature in the range of 1070-1200 ° C, followed by tempering at temperatures of 770-850 ° C, which introduced the following new features:

- проведение операции ковки между операциями нормализации и отпуска;- forging operations between normalization and tempering operations;

- режим ковки при температуре в интервале 950-1070°С,- forging mode at a temperature in the range of 950-1070 ° C,

- отпуск не менее 3 часов с последующим охлаждением на воздухе.- leave at least 3 hours, followed by cooling in air.

Добавление тантала в предложенной стали приводит к увеличению температуры растворения карбонитридов МХ, которые сдерживают рост аустенитных зерен при выдержке в аустенитной области. Уменьшение размера исходного аустенитного зерна приводит к уменьшению длительной прочности. В целях получения оптимального размера исходного аустенитного зерна (10-20 мкм) путем частичного растворения карбонитридов МХ необходимо применять температуру нормализации в интервале 1070-1200°С, отличную от традиционных значений около 1050°С.The addition of tantalum in the proposed steel leads to an increase in the dissolution temperature of MX carbonitrides, which inhibit the growth of austenitic grains during aging in the austenitic region. A decrease in the size of the initial austenitic grain leads to a decrease in long-term strength. In order to obtain the optimal size of the initial austenitic grain (10–20 μm) by partially dissolving MX carbonitrides, it is necessary to apply a normalization temperature in the range of 1070–1200 ° C, different from traditional values of about 1050 ° C.

Операция ковки добавляется с целью повышения пластичности и ударной вязкости, которые снижаются вследствие увеличения содержания и стойкости к коагуляции карбонитридов МХ в стали, что негативно сказывается на длительной прочности. Ковка при температуре в интервале 950-1070°С повышает ударную вязкость и пластичность стали, что повышает длительную прочность.The forging operation is added in order to increase ductility and toughness, which are reduced due to an increase in the content and resistance to coagulation of MX carbonitrides in steel, which negatively affects the long-term strength. Forging at a temperature in the range of 950-1070 ° C increases the toughness and ductility of steel, which increases long-term strength.

Время выдержки при отпуске в течение трех часов обеспечивает завершение процесса глобуляризации карбидов М₂₃(В·С)₆, обусловливает высокую ударную вязкость и пластичность и, соответственно, положительно сказывается на повышении длительной прочности.The exposure time during tempering for three hours ensures the completion of the process of globularization of carbides M ₂₃ (V · C) ₆ , determines high impact strength and ductility and, accordingly, has a positive effect on increasing long-term strength.

Примеры осуществленияExamples of implementation

Были отлиты сплавы предлагаемых химических составов как в рамках заявленных интервалов, так и за их пределами (табл.1). Выплавка сплавов производилась в вакуумно-индукционной печи. В качестве шихты были использованы чистые шихтовые материалы, что позволило получить низкий уровень серы, фосфора и цветных металлов в полученных материалах.Alloys of the proposed chemical compositions were cast both within the declared intervals and beyond (Table 1). Alloys were smelted in a vacuum induction furnace. As a charge, pure charge materials were used, which made it possible to obtain a low level of sulfur, phosphorus, and non-ferrous metals in the obtained materials.

Необходимо отметить, что в первых трех примерах осуществления стали количество легирующих элементов входит в пределы, указанные в настоящем изобретении. Однако в последнем примере было допущено отклонение от заданного химического состава, а именно нарушено соотношение ниобия и тантала, при этом содержание ниобия и тантала меньше нижнего предела.It should be noted that in the first three embodiments, the amount of alloying elements is within the limits indicated in the present invention. However, in the last example, a deviation from the given chemical composition was allowed, namely, the ratio of niobium and tantalum was violated, while the content of niobium and tantalum was less than the lower limit.

Способ осуществления изобретения включал в себя операции нормализации, ковки и отпуска при различных заявленных температурах. С целью проверки допустимости температурных пределов были опробованы различные варианты способа получения для примеров 1-4, отличающиеся температурами нормализации, ковки и отпуска, представленные в таблице 2.The method of carrying out the invention included the normalization, forging and tempering operations at various stated temperatures. In order to verify the admissibility of temperature limits, various variants of the preparation method for Examples 1-4 were tested, differing in the normalization, forging and tempering temperatures presented in Table 2.

Для способа получения по вариантам 1, 2 и 4 температуры операций и время отпуска соответствуют указанным пределам. Для сравнения в варианте 3 была понижена температура отпуска до 720°С, что меньше нижнего предела температуры отпуска.For the production method according to options 1, 2 and 4, the operation temperatures and the tempering time correspond to the indicated limits. For comparison, in option 3, the tempering temperature was reduced to 720 ° C, which is less than the lower limit of the tempering temperature.

Испытания на длительную прочность были проведены по ГОСТ 3248-81 (табл.3). Как видно из табл. 3, механические свойства предлагаемых примеров стали, химический состав которых соответствует заявленным пределам, и подвергнутых термомеханической обработке по вариантам способа получения 1, 2 и 4, выше по сравнению со свойствами стали-прототипа. Если предел длительной прочности известной стали составляет $${\sigma }_{{10}^5}^{{650}^{o}C}$$

=90 МПа, то предлагаемых примеров стали и вариантов способа ее получения в $${\sigma }_{{10}^5}^{{650}^{o}C}$$

=98±6 МПа.Long-term strength tests were carried out according to GOST 3248-81 (Table 3). As can be seen from the table. 3, the mechanical properties of the proposed examples of steel, the chemical composition of which meets the declared limits, and subjected to thermomechanical processing according to the options for the method of obtaining 1, 2 and 4, higher compared with the properties of the steel of the prototype. If the tensile strength of known steel is $${\sigma }_{{10}^5}^{{650}^{o}C}$$

= 90 MPa, then the proposed examples of steel and options for the method of its production in $${\sigma }_{{10}^5}^{{650}^{o}C}$$

= 98 ± 6 MPa.

Однако при легировании стали не в указанных пределах длительная прочность снижается, что связано с низким содержанием ниобия и тантала меньше нижнего предела и с нарушением соотношения ниобия и тантала, которые при таком количестве не оказывает положительного эффекта, что снижает дисперсионное упрочнение. Способ получения по варианту 3 не обеспечивает достижения требуемой длительной прочности вследствие неэффективности дисперсионного упрочнения, обусловленной неполным завершением глобуляризации карбидов М₂₃С₆ и отсутствием обогащенных ванадием карбонитридов после отпуска при низкой температуре.However, when steel alloying is not within the specified limits, the long-term strength decreases, which is associated with a low content of niobium and tantalum less than the lower limit and with a violation of the ratio of niobium and tantalum, which with such an amount does not have a positive effect, which reduces dispersion hardening. The production method according to option 3 does not ensure the achievement of the required long-term strength due to the inefficiency of dispersion hardening due to the incomplete completion of globularization of M ₂₃ C ₆ carbides and the absence of vanadium-rich carbonitrides after tempering at low temperature.

Кроме того, установлено, что достижение поставленной задачи не обеспечивается в случае сокращения времени отпуска менее трех часов даже при соблюдении температурных режимов.In addition, it was found that the achievement of the task is not ensured in the case of reducing the vacation time of less than three hours, even subject to temperature conditions.

Как видно из табл. 3, свойства предлагаемой стали позволяют применять ее для изготовления котлов, роторов и других элементов энергетических установок. Использование стали в теплоэнергетике позволит поднять рабочую температуру тепловых электростанций до 630°C.As can be seen from the table. 3, the properties of the proposed steel allow it to be used for the manufacture of boilers, rotors and other elements of power plants. The use of steel in the power industry will increase the operating temperature of thermal power plants to 630 ° C.

Claims (3)

1. Жаропрочная сталь мартенситного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, азот, бор, кобальт, серу, фосфор, алюминий, медь, тантал и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,09-0,13
кремний не более 0,10
марганец 0,30-0,40
хром 8,50-9,50
никель не более 0,20
вольфрам 1,50-2,00
молибден 0,40-0,60
ванадий 0,15-0,20
ниобий 0,04-0,06
тантал 0,08-0,10
азот до менее 0,005
бор 0,01-0,013
кобальт 2,50-3,50
сера не более 0,006
фосфор не более 0,01
алюминий не более 0,01
медь не более 0,1
железо остальное1. Heat-resistant steel of the martensitic class containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, tungsten, molybdenum, vanadium, niobium, nitrogen, boron, cobalt, sulfur, phosphorus, aluminum, copper, tantalum and iron, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
carbon 0.09-0.13
silicon no more than 0.10
Manganese 0.30-0.40
chrome 8.50-9.50
nickel no more than 0.20
tungsten 1.50-2.00
molybdenum 0.40-0.60
vanadium 0.15-0.20
niobium 0.04-0.06
tantalum 0.08-0.10
nitrogen to less than 0.005
boron 0.01-0.013
cobalt 2.50-3.50
sulfur no more than 0,006
phosphorus no more than 0.01
aluminum no more than 0.01
copper no more than 0.1
iron rest 2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что отношение содержания тантала к содержанию ниобия (Ta/Nb) составляет 2.2. Steel according to claim 1, characterized in that the ratio of the tantalum content to the niobium content (Ta / Nb) is 2. 3. Способ получения жаропрочной стали мартенситного класса по п. 1, характеризующийся тем, что выплавляют сталь, проводят нормализацию при температуре в интервале 1070-1200°С, ковку при температуре в интервале 950-1070°С и последующий отпуск в течение не менее 3 часов при температурах 770-850°С с последующим охлаждением на воздухе. 3. The method of producing heat-resistant steel of martensitic class according to claim 1, characterized in that the steel is melted, normalization is carried out at a temperature in the range of 1070-1200 ° C, forging at a temperature in the range of 950-1070 ° C and subsequent tempering for at least 3 hours at temperatures of 770-850 ° C followed by cooling in air.