SU1033567A1 - Alloy - Google Patents

Abstract

СПЛАВ, содержащий никель, марганец, хром, кремний, азот и железо , отличающийс  тем, что, с целью повышени  технологкческой пластичности и улучшени  свариваемости сплава, он дополнительно содержит алюминий, титан кальций и магний при следующем соотношении компонентов , весД: 35.0-37.0 Никель 0,2-0,6 Марганец 0,2-0,6 Хром . 0,1-0,3 Кремний 0,002-0,02 Азот 0,005-0,01 Алюминий 0,005-0,01 Титан S 0,005-0- 03 Кальций МаУний 0,005-0,03 Остальное .ЖелезоAn alloy containing nickel, manganese, chromium, silicon, nitrogen and iron, characterized in that, in order to improve the technological plasticity and improve the weldability of the alloy, it additionally contains aluminum, titanium calcium and magnesium in the following ratio of components, weightD: 35.0-37.0 Nickel 0.2-0.6 Manganese 0.2-0.6 Chromium. 0.1–0.3 Silicon 0.002–0.02 Nitrogen 0.005–0.01 Aluminum 0.005–0.01 Titanium S 0.005–0–03 Calcium MaUnium 0.005–0.03 Else. Iron

Description

еe

САдGarden

&0 СП& 0 JV

о м Изобретение относитс  к черной металлургии, в частности к разработ составов прецизионных сплавов дл  криогенной техники. Дл  транспортировки сжиженных га зов требуютс  трубопроводы без компенсаторов . Это требование может быть обеспечено при использовании сплавов инварного типа, имеющих тем пературный коэффициент линейного ра . ширени  менее 2-10 К в которых температурные напр жени , возникающ при охлаждении до температур кипени сжиженного газа, не превышают преде текучести сплава. Материал трубопро водов сжиженного газа должен иметь высокие и стабильные характеристики временного сопротивлени , предела т кучести, ударной в зкости. Металл должен обеспечивать вакуумную плот ность при глубоком вакууме. Известен сплав с низким температ ным коэффициентом линейного расшире ни  (ТКЛР), содержащий, вес.%: Никель35-37 0,3-0,6 Марганец Железо Остальное Сплав может содержать углеродй до 0,05 вес.4, кремни  до 0,3-вес.% хрома до 0,15 вес.%. Сплав в диапазоне температур от +100С имеет ТКЛР 1 ,5 . Недостаток сплава состоит в том, что при температурах ниже под воздействием напр жений он претерпевает мартенситное превращение, сопровождающеес  увеличением ТКЛР. Сплав не пригоден дл  изготовлени  трубопровода сжиженных газов. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному  вл етс  сплав, содержащий , -вес.;: Никель 35-37 0,3-0,6 Марганец 0,-0,6 Хром Железо Остальное Сплав может содержать .в качестве примесей азот, углерод до 0,05 вес. кремний до 0,3 вес.%, медь до 0,25 вес Д. Сплав в диапазоне темпе ратур от -258 до имеет ТКЛР не более и примен етс  дл конструкций и трубопроводов, работа щих при низких температурах tl , Недостаток известного сплава состоит в плохой свариваемости. Сварн шов содержит мелкие поры и не всегд удовлетвор ет требовани м вакуумной 67 плотности. Кроме того, сварной шов имеет пониженные характеристики временного сопротивлени  и пластичности и  вл етс  наиболее слабым участком конструкции. При этом сплав нетехнологичен в изготовлении и при пластической деформации имеет низкий выход годного металла. Целью изобретени   вл етс  повышение технологической пластичности и улучшение свариваемости. Цель достигаетс  тем, что сплав, содержащий никель, марганец, хром, кремний, азот и железо, допс лнительно содержит алюминий, титан, кальций и магний при следующем соотношении компонентов , вес.%: 35-37 Никель 0,2-0,6 Марганец 0,2-0,6 0,1-0,3 Кремний 0,002-0,02 0,005-0,01 Алюминий 0,005-0,01 0,005-0,03 Кальций 0,005-0,03 Магний Остальное Железо Сплав в диапазоне температур от -258 до +100°С имеет ТКПР (1 . . . 2)-10 , хорошую свариваемость и может обрабатыва1ьс  методами гор чей пластической деформации. Никель в сплаве с железом стабилизирует аустенит и в количестве 3537 1 создает инварные свойства сплаваминимальный ТКЛР. При содержании никел  менее 35 вес. снижаетс  устойчивость аустенита в области отрицательных температур и повышаетс  ТКЛР. Увеличение содержани  никел  более 37 вес. хот  и приводит к получению устойчивости аустенитной структуры, однакорезко увеличивает-ТКЛР. Марганец в количестве 0,2-0,6 вес. расшир ет область аустенитной фазы. При содержании марганца менее 0,2вес.; при напр жени х, приближающихс  к пределу текучести сплава, возможно образование мартенсита в области температур кипениа жидкого водорода (20К). При содержании марганца более 0,6 вес. ТКЛР может превысить 2-10 , в особенности в сплаве с содержанием никел  Зб, вес. и хрома 0,5-0,6 вес.4. Хром в сплаве в количестве 0,30 ,6 вес. стабилизирует аустенитную структуру при воздействии высоких сдвиговых напр жений в области отрицательных температур в основном за счет образовани  нитридов хрома, закреплени  ими дислокаций и предотвра щени  образовани  мартенсита. Содержание хрома менее 0,3 вес. недостаточно дл  стабилизации аустенита при содержании никел  ,5 вес.. При содержании, хрома более 0,6 вес. измен ютс  тепловые характеристики аусте нита, и ТКЛР увеличиваетс  более . Кремний повышает температуру мартенситного превращени , но с другой стороны кремний улучшает технологичность металла при разливке. При соде жании кремни  менее 0,05 вес.% значительно ухудшаетс  разливаемость жидкого металла, увеличиваетс  количество дефектов и снижаетс  выход годного сплава. Содержание кремни  0,3 вес/- ;  вл етс  предельным с точки зрени  обеспечени  оптимальных тепловых характеристик сплава. При увеличении содержани  кремни  более 0,3 вес. ТКЛР увеличиваетс  более z-io-bK-. Азот в с плаве в количестве 0,002-0,02 вес.  вл етс  элементом, повышающим прочностные свойства спла ва и стабилизирующим аустенит в области отрицательных температур за счет закреплени  дислокаций нитридам Кроме того, азот  вл етс  элементом, ухудшающим свариваемость сплава. При содержании азота менее 0,002 вес.% не достигаетс  упрочнение сплава и стабилизаци  аустенита при отрицательных температурах. При содержании азота более 0,02 вес.% снижаютс  пла тические свойства сплава и ухудшаетс его свариваемость. Алюминий  вл етов сильным раскислителем и в предла1 ае1 ом сплаве, в количестве 0,005-0,1 вес.% очищ-ает матрицу металла от кислорода, наход щегос  в твердом растворе, и за счет этого улучшает инварные характе ристики сплава. При содержании алюми ни  менее 0,005 вес,% не достигаетс  необходима  степень раскислени  спла ва и не обеспечиваетс  получение низ кого ТКЛР. Увеличение содержани  алю мини  более 0,1 вес. способствует увеличению в сплаве содержани  недеформирующих неметаллических В1 лючений55 гическую пластичность осуществл етс  при окислении алюмини  атмосферным путем воздействи  на нитридные вклювоздухом в процессе разливки сплава. чениа. В присутствии поверхностноКроме того,- при содержании алюмини  активного элемента магни  формирование более 0,1 вес.% резко ухудшаетс  технологичность металла при гор чей пластической деформации (увелич1 ваетс  количество рванин и трещин) за счет выделени  нитридов алюмини , а также ухудшаетс  свариваемость сплава. Титан обладает высоким средством к азоту и уменьшает содержание азота в твердом растворе, предотвращает образование нитридов алюмини  и улучшает технологичность металла при гор чей пластической деформации. Нитриды титана, образующиес  в жидком металле , в большинстве своем удал ютс  из расплава, а формирующиес  в процессе кристаллизации и охлаждении сплава нитриды титана упрочн ют металл. В процессе сварки нитриды титана в отличие от нитридов хрома, алюмини  и т.п. не разлагаютс . В результате в сварном шве не образуютс  газовые раковины , сварной шов полумаетс  более плотным. Содержание титана менее 0,005 вес. недостаточно дл  эффективного улучшени  деформируемости и свариваемости сплава. При содержании титана более 0,1 вес.% возможно образование в сплаве локальных объемов с повышенной концентрацией титана и крупными нитридными включени ми, ухудшение свариваемости и снижение вакуумной плотности сплава. Кальций .обладает высоким сродством к кислороду и сере. В предлагаемом сплаве кальций контролирует состав и свойства оксидных и сульфидных неметаллических включений деформироваино- . го сплава, способствует их глобул ризации и повышению пластичности металла при гор чей деформации. Содержание кальци  в сплаве предлагаемого состава менее 0,0005 вес.% недостаточно дл  улучшени  гор чей пластичности .сплава. При содержании кальци  более 0,0.3 вес.% в сплаве по вл ютс  недопустимо крупные недеформирующиес  неметаллические включени , которые  вл ютс  инициативными центрами разрушени  металла при гор чей деформации и снижают вакуумную плотность сплава и в особенности сварного шва. Магний введен в сплав в качестве элемента, регулирующего технологическую пластичность, однако в отличие от кальци  вли ние магни  на технолокрупных нитридных включении и скоплений нитридов подавл етс , В сплаве предлагаемого состава, содержащем Ma НИИ в количестве 0,0005-0,03 вес.1, нитридные включени  дисперсны и равномерно распределены в объеме метал ла. Границы зерен чистые. Кроме того магний, внедр  сь в решетку металлической матрицы, замещает в ней атом никел  и улучшает упругие характерис тики кристаллической решетки и сплава в целом. При содержании магни  менее 0,0005 вес.% технологичность сплава при прокатке ухудшаетс , а пр содержании магни  более 0,03 вес. возможно образование фаз Лавеса и охрупчивание сплава. Сплав может содержать примесные элементы, не измен ющие свойства спл ва и изделий из него, в количестве до 0,4 вес.%. В сплаве допускаетс  содержание углерода до 0,05 вес., серы до 0,02 вес.%, фосфора до 0,02 вес.. П р и м е р ы. В 0 кг индукционной печи выплавили серию сплавов. При выплавке сплава предложенного состава дополнительно введечые.в его состав элементы присаживали в виде ферросиликокальци  0,05-0,82%, алюмини  0,13-1,, ферротитана ( 0,,37%.Ферросплавы и алюминий присаживали на дно ковша перед его заполнением металлом, имеющим температуру 1550-1560 С, Полученные слитк сплавов проковывали, а затем прокаты вали дл  изготовлени  образцов, разцы сплава предложенного состава перед испытанием механических свойств и ТКЛР подвергали термической обработке -по следующему режиму: нагрев ДО 900 С, выдержка 1 ч, закалка в воде и последующий отпуск при 315 С в . течение 1 ч. Химический состав известных и предложенного сплавов приведены в табл.1. Свойства сплавов предлагаемых и известных представлены в табл.2. Как видно из табл.2, предлагаемый сплав имеет ТКЛР не более , предел текучести не менее 2б7 МПа и пригоден дл  использовани  в качестве материала трубопроводов сжиженного газа. Сплав обладает более высокой технологической пластичностью при гор чей деформации, благодар  чему сокращаетс  расход металла на производс-тво. листового сплава. Сплав имеет хорошую свариваемость, что позвол ет изготавливать из него трубопроводы ожиженного газа ййтодом сварки листа. Сплав имеет более высокий предел текучести, что позвол ет увеличить диаметр изготавливаемых из него трубопроводов и уменьшить их металлоемкость . Экономический эффект основан на увеличении выхода годного металла при производстве листа, снижении металлоемкости трубопроводов ожиженного газа, сокращении затрат на изготовление и ксплуатацию трубопроводов и оцениватс  в размере более 1 00 тыс . руб . в год . 1 Таблица 1About the invention The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the development of compositions of precision alloys for cryogenic engineering. Pipelines without expansion joints are required to transport liquefied gases. This requirement can be met when using invar-type alloys with a temperature coefficient of linear ra. widths of less than 2-10 K in which the temperature stresses arising when cooled to the boiling temperatures of the liquefied gas do not exceed the yield strength of the alloy. The material of the liquefied gas pipelines must have high and stable characteristics of temporal resistance, maximum strength, impact toughness. The metal should provide vacuum density under high vacuum. Known alloy with a low temperature coefficient of linear expansion (TCLE), containing, wt.%: Nickel35-37 0.3-0.6 Manganese Iron Rest The alloy may contain carbon up to 0.05 wt.4, silicon up to 0.3 - weight.% chromium to 0.15 wt.%. The alloy in the range of temperatures from + 100C has a thermal expansion coefficient of 1, 5. The disadvantage of the alloy is that at temperatures below under the influence of stresses, it undergoes martensitic transformation, accompanied by an increase in thermal expansion coefficient. The alloy is not suitable for making a liquefied gas pipeline. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed is an alloy containing, - weight.:: Nickel 35-37 0.3-0.6 Manganese 0, -0.6 Chromium Iron The rest The alloy may contain nitrogen as impurities carbon up to 0.05 wt. silicon up to 0.3 wt.%, copper up to 0.25 wt. D. An alloy in the temperature range from -258 to TCLE has no more and is used for structures and pipelines operating at low temperatures tl. A disadvantage of the known alloy is poor weldability. The weld seam contains small pores and does not always satisfy the requirements of vacuum density 67. In addition, the weld has reduced temporal and ductility characteristics and is the weakest section of the structure. At the same time, the alloy is non-technological in manufacturing and, at plastic deformation, has a low yield of suitable metal. The aim of the invention is to increase the technological plasticity and improve weldability. The goal is achieved by the fact that an alloy containing nickel, manganese, chromium, silicon, nitrogen and iron additionally contains aluminum, titanium, calcium and magnesium in the following ratio of components, wt.%: 35-37 Nickel 0.2-0.6 Manganese 0.2-0.6 0.1-0.3 Silicon 0.002-0.02 0.005-0.01 Aluminum 0.005-0.01 0.005-0.03 Calcium 0.005-0.03 Magnesium Rest Iron Alloy in the temperature range from -258 to + 100 ° С has TKPR (1... 2) -10, good weldability and can be processed by methods of hot plastic deformation. Nickel in the alloy with iron stabilizes austenite and, in an amount of 3537 1, creates invar properties of minimal minimum thermal expansion coefficient. When the nickel content is less than 35 wt. the stability of austenite decreases in the region of negative temperatures and increases the thermal expansion coefficient. The increase in nickel content is more than 37 weight. although it leads to the stability of the austenitic structure, but it sharply increases the-thermal expansion coefficient. Manganese in the amount of 0.2-0.6 weight. expands the region of the austenitic phase. When the content of manganese is less than 0.2 weight; At voltages approaching the yield strength of the alloy, the formation of martensite is possible in the boiling point region of liquid hydrogen (20K). When the content of manganese more than 0.6 weight. TCLE may exceed 2-10, especially in the alloy containing nickel Zb, weight. and chromium 0.5-0.6 weight.4. Chromium alloy in the amount of 0.30, 6 wt. stabilizes the austenitic structure when exposed to high shear stresses in the region of negative temperatures mainly due to the formation of chromium nitrides, the fixation of dislocations and the prevention of the formation of martensite. The chromium content is less than 0.3 weight. not enough to stabilize austenite with nickel content, 5 weight .. When content is, chromium is more than 0.6 weight. the thermal characteristics of the auste- nite change, and the thermal expansion coefficient increases more. Silicon increases the temperature of the martensitic transformation, but on the other hand, silicon improves the processability of the metal during casting. When silicon is less than 0.05 wt.%, The spillability of the liquid metal deteriorates significantly, the number of defects increases, and the yield of the alloy decreases. The silicon content of 0.3 weight / -; is the ultimate in terms of optimum thermal performance of the alloy. With increasing silicon content more than 0.3 weight. TCLE increases over z-io-bK-. Nitrogen in the melt in the amount of 0.002-0.02 weight. is an element that improves the strength properties of the alloy and stabilizes austenite in the region of negative temperatures by fixing dislocations to nitrides. In addition, nitrogen is an element that worsens the weldability of the alloy. When the nitrogen content is less than 0.002% by weight, alloy hardening and austenite stabilization at negative temperatures are not achieved. When the nitrogen content is more than 0.02 wt.%, The plastic properties of the alloy are reduced and its weldability is deteriorated. Aluminum is a strong deoxidizing agent and, in the proposed alloy, in an amount of 0.005-0.1 wt.%, It clears the metal matrix from oxygen in solid solution, and thereby improves the invar characteristics of the alloy. When the aluminum content is less than 0.005 wt.%, The degree of alloy deoxidation is not achieved and low TEC is not obtained. The increase in the content of alumi more than 0.1 weight. The increase in the content of non-deforming non-metallic B1 Lungs55 in the alloy is accomplished by the oxidation of aluminum by atmospheric exposure of nitride to air during casting of the alloy. chenia In the presence of a surfactant, In addition, when the aluminum content of the active element of magnesium is more than 0.1 wt.%, The processability of the metal deteriorates with hot plastic deformation (the number of flaws and cracks increases) due to the release of aluminum nitrides, and the weldability of the alloy also deteriorates. Titanium has a high agent for nitrogen and reduces the nitrogen content in the solid solution, prevents the formation of aluminum nitrides, and improves the processability of the metal during hot plastic deformation. The titanium nitrides formed in the liquid metal are mostly removed from the melt, and the titanium nitrides formed during the process of crystallization and cooling of the alloy strengthen the metal. In the process of welding, titanium nitrides, in contrast to chromium, aluminum nitrides, etc. do not decompose. As a result, gas shells are not formed in the welded seam, the weld is half thicker. The content of titanium is less than 0.005 weight. not enough to effectively improve the deformability and weldability of the alloy. When the content of titanium is more than 0.1 wt.%, The formation of local volumes in the alloy with an increased concentration of titanium and large nitride inclusions, deterioration of weldability and decrease in the vacuum density of the alloy. Calcium has a high affinity for oxygen and sulfur. In the proposed alloy, calcium controls the composition and properties of oxide and sulfide non-metallic inclusions deformed. alloy contributes to their globularization and increases the ductility of the metal during hot deformation. The calcium content in the alloy of the proposed composition of less than 0.0005 wt.% Is not enough to improve the hot ductility of the alloy. With a calcium content of more than 0.0.3 wt.% In the alloy, unacceptably large non-deforming non-metallic inclusions appear, which are initiative centers for the destruction of the metal during hot deformation and reduce the vacuum density of the alloy and, in particular, the weld. Magnesium is introduced into the alloy as an element regulating technological plasticity, but unlike calcium, the effect of magnesium on technolabral nitride inclusions and accumulations of nitrides is suppressed. , nitride inclusions are dispersed and evenly distributed in the bulk of the metal. The grain boundaries are clean. In addition, magnesium, embedded in the lattice of the metal matrix, replaces the nickel atom in it and improves the elastic characteristics of the crystal lattice and the alloy as a whole. When the magnesium content is less than 0.0005 wt.%, The processability of the alloy during rolling deteriorates, and the Mg content is more than 0.03 weight. Laves phase formation and alloy embrittlement are possible. The alloy may contain impurity elements that do not change the properties of the alloy and its products, in an amount of up to 0.4 wt.%. In the alloy, carbon content is allowed up to 0.05 wt.%, Sulfur up to 0.02 wt.%, Phosphorus up to 0.02 wt. PRI me R s. In a 0 kg induction furnace, a series of alloys was melted. In the smelting of the alloy of the proposed composition, additional elements were introduced. Its composition was set down in the form of a ferrosilicate 0.05-0.82%, aluminum 0.13-1 ,, ferrotitanium (0, 37%. Ferroalloys and aluminum were seated on the bottom of the ladle before filled with metal having a temperature of 1550-1560 C, the resulting ingot alloys were forged, and then the rentals were made to make samples, the alloy samples of the proposed composition were tested before the testing of mechanical properties, and the thermal expansion coefficient was heat treated according to the following mode: heating to 900 C, holding 1 h, quenching in water and subsequent tempering at 315 C in. for 1 h. The chemical composition of the known and proposed alloys is given in Table 1. The properties of the alloys offered and known are presented in Table 2. As can be seen from Table 2, the proposed alloy has a thermal expansion coefficient of not more than, yield strength no less than 2–7 MPa and is suitable for use as a material for pipelines of liquefied gas. The alloy has a higher technological plasticity under hot deformation, thereby reducing the metal consumption per production. sheet metal. The alloy has good weldability, which makes it possible to produce liquefied gas pipelines from it by using the sheet welding method. The alloy has a higher yield strength, which allows increasing the diameter of pipelines made from it and reducing their metal consumption. The economic effect is based on an increase in the yield of the metal in the production of the sheet, a decrease in the metal intensity of the liquefied gas pipelines, a reduction in the cost of fabrication and operation of the pipelines and is estimated at over 1 00 thousand. rub . in year . 1 Table 1

36 3736 37

3535

ТитанTitanium

0,10.1

0,030.03

35,835.8

0,480.48

0,550 ,10.550, 1

0,00470,0047

0,0050,005

Claims (1)

СПЛАВ, содержащий никель, марганец, хром, кремний, азот и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения технологической пластичности и улучшения свариваемости сплава, он дополнительно со· держит алюминий, титан, кальций и магний при следующем соотношении ком· понентов, вес.%:ALLOY containing nickel, manganese, chromium, silicon, nitrogen and iron, characterized in that, in order to increase technological plasticity and improve weldability of the alloy, it additionally contains aluminum, titanium, calcium and magnesium in the following ratio of components, weight .%: Никель Марганец Хром Кремний Азот Алюминий Титан Кальций Ма?ний ЖелезоNickel Manganese Chrome Silicon Nitrogen Aluminum Titanium Calcium Mineral Iron 35,0-37,035.0-37.0 0,2-0,60.2-0.6 0,2-0,6 ·. oj-o,3 0,002-0,02 0,005-0,01 0,005-0,01 0,005-0?03 0,005-0,03 Остальное >0.2-0.6 oj-o, 3 0.002-0.02 0.005-0.01 0.005-0.01 0.005-0? 03 0.005-0.03 Other> ¹ 1033867 ¹ 1033867