CC BY
9УДК 669.74
Ю.А. Зиновьев, А.А. Колпаков, И.О. Леушин, В.Д. Швецов, Г.И. Белявский, А.М. Тимофеев
УВЕЛИЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ЖАРОПРОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
ТЕРМИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
ОАО «ГАЗ»
В работе приведены результаты исследования нового жаропрочного сплава для термических агрегатов. Длительная прочность звеньев цепей увеличилась более чем в четыре раза.
Ключевые слова: жаропрочный сплав, длительная прочность, звенья цепи, термические агрегаты.
Жаропрочность - это способность стали и сплавов длительно противостоять при высоких температурах действию внешних механических нагрузок, вызывающих пластическую деформацию и разрушение. Естественно, что жаропрочные стали и сплавы будут отвечать своему назначению только в том случае, если они будут обладать одновременно высокими характеристиками прочности и пластичности при высоких температурах, а также высокой окалиностойкостью (жаростойкостью).
Условия эксплуатации жаропрочных сталей могут резко различаться по длительности сроков службы, по величине и сложности напряженного состояния и по рабочим температурам [1]. Так, в прямоточных котлах и паровых турбинах параметры пара могут доходить до 300 с лишним ат/см2 при 600-650оС. Требуемая длительность службы деталей установок исчисляется десятками тысяч часов.
В газовых турбинах и реактивных двигателях лопатки, диски, трубы и другие детали работают при температурах около 700-1000оС в сложно нагруженном состоянии, но более короткое время, исчисляемое несколькими сотнями часов.
В зависимости от назначения и условий эксплуатации к сталям и сплавам предъявляются весьма различные требования. Основным требованием к стали для котлотурбинных установок является высокое сопротивление ползучести, т.е. сопротивление к накоплению пластической ползучести материала во времени под действием постоянного напряжения. Детали турбореактивных двигателей должны иметь высокую длительную прочность, т.е. противостоять разрушению под влиянием постоянно действующей механической нагрузки, а также высокое сопротивление коррозионному разрушению. К техническим требованиям, предъявляемым к жаропрочным сталям и сплавам, относятся также и хорошие технологические свойства (хорошая свариваемость, деформируемость, отсутствие склонности к трещи-нообразованию, хорошие литейные свойства и пр.).
Удовлетворение всех этих сложных и разнообразных требований возможно только при комплексном легировании стали и создании сложнолегированных сплавов, в которые вводят большие количества никеля и хрома. Кроме того, в такие стали и сплавы вводят титан, алюминий, вольфрам и молибден.
Высокую окалиностойкость сталям и сплавам придают хром, алюминий, никель и кремний. Под воздействием кислорода воздуха в поверхностных слоях нержавеющей стали и сплавов, легированных хромом, возникает оксидная труднопроницаемая защитная пленка, обогащенная хромом, вследствие чего и создается высокая окалиностойкость хромистой стали и сплавов.
Для надежной защиты металла от дальнейшего окисления, особенно при высоких
© Зиновьев Ю.А., Колпаков А.А., Леушин И.О., Швецов В.Д., Белявский Г.И., Тимофеев А.М., 2011.
температурах, образуемая элементами окисная пленка должна быть прочной, плотной, непроницаемой для кислорода атмосферы. Именно такую пленку на железных сплавах и образует хром, окислы которого имеют плотность и молекулярный вес, близкие к окислам железа. При циклических нагревах и охлаждениях таких сталей и сплавов не происходит ни растрескивания, ни отслаивания оксидной пленки.
Никель в жаропрочных сталях и сплавах повышает окалиностойкость и способствует образованию однофазной стабильной аустенитной структуры.
Стабильность структуры и свойств жаропрочных сталей и сплавов при высоких температурах обеспечивают легированием элементами, образующими очень стойкие против коагуляции при высоких температурах карбиды и интерметаллические соединения. К таким элементам относятся титан, ниобий, молибден, вольфрам и др.
Высокие жаропрочные свойства создаются при последующей термической обработке. Задача термической обработки жаропрочных сталей и сплавов заключается в получении вначале обогащенного легирующими элементами аустенита, а затем - в выделении из этого аустенита дисперсных частиц упрочняющих фаз: карбидов и интерметаллидов. Это осуществляется закалкой с высоких температур и высоким отпуском, при котором происходит дисперсионное твердение стали и сплавов.
Большей стабильностью структуры и более высокими механическими свойствами при высоких температурах обладают жаропрочные сплавы на нежелезной основе, например, на никелевой.
Основным недостатком жаропрочной литейной стали типа 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ [2], применяемой для изделий, работающих под нагрузкой при температуре 800-900оС, является слабое сопротивление межкристаллитной коррозии и ползучести ввиду диффузии хрома из пограничных районов зерна в границу зерна с образованием карбида хрома (Сг, Fe)2зC6, дисперсные частицы которого располагаются по границам зерен. Данная фаза является упрочняющей и препятствует движению дислокаций, однако в интервале температур 620-670оС сложный карбид хрома (Сг, Fe)23C6 коагулирует с образованием крупных частиц, которые уже слабо препятствуют высокотемпературной ползучести и, кроме того, уже сами становятся концентраторами напряжения с последующим превращением их в микротрещины и дальнейшим разрушением изделия. Раскисление алюминием и ввод титана сопровождается падением ударной вязкости из-за неблагоприятного распределения неметаллических включений в виде плен и остроугольных нитей и увеличению усадочной пористости. Ввод бора приводит к образованию хрупкой фазы по границам зерен.
Поэтому необходимо было провести дополнительное легирование с целью предотвращения диффузии хрома из приграничной области зерна аустенита в границы зерен, поскольку тем самым снижается вероятность межкристаллитной коррозии. Для этого ввели новые легирующие элементы ЫЬ, Се и Са, которые, образуя тугоплавкие карбиды, препятствуют высокотемпературной ползучести при температурах 800-900оС. При высокотемпературной эксплуатации атомы вольфрама частично диффундируют из раствора внедрения в границу зерна с образованием фазы Лавеса, что также является упрочняющей фазой, противостоящей высокотемпературной коррозии.
Содержание W и N ограничивается соответственно 2,5-3,2 W и 0,7-1,0 ЫЬ, т.к. при превышении этих норм возрастает опасность образования феррита и снижения пластичности материала ввиду образования значительного количества карбидной фазы.
Длительная прочность жаропрочных изделий - звеньев цепи при 800оС термических агрегатов из стали 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ составляет 2 месяца, и их заменяют на новые ввиду их большого износа и образования трещин.
Другим недостатком этой стали было низкое содержание углерода, что приводило к малой жидкотекучести и плохой заполняемости тонких стенок звеньев цепей, и как следствие, к появлению дефектов: спай, недолив, неслитина, усадочная пористость, что также уменьшало ресурс работы звеньев цепей.
Задачей данной работы было увеличение долговечности звеньев цепей и других изделий для термических агрегатов.
Технический результат достигается тем, что сталь [3], содержащая углерод, хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, дополнительно содержит ниобий, РЗМ, кальций и цирконий, при следующем соотношении компонентов, масс, %:
Углерод 0,15-0,28
Хром 16,0-20,0
Никель 28,0-32,0
Кремний 1,8-2,2
Марганец 0,4-0,9
Вольфрам 2,5-3,2
Ниобий 0,7-1,0
РЗМ 0,005-0,2
Кальций 0,005-0,2
Цирконий 0,04-0,06
Сера < 0,02
Фосфор < 0,03
Железо остальное
Так как W и № обладают большей активностью по отношению к углероду, чем хром, то они оттягивают на себя значительное количество углерода и предотвращают диффузию хрома из приграничной области зерна аустенита в границу зерна, тем самым снижая вероятность межкристаллитной коррозии. Кроме этого, образуя тугоплавкие карбиды (коагуляция этих карбидов происходит при температурах 800-900оС), препятствуют высокотемпературной ползучести при более высоких температурах.
Высокие концентрации хрома (16-20%) и никеля (28-32%) обеспечивают наилучшие сочетания длительной прочности и стойкости против окисления.
Повышенное содержание углерода (0,15-0,28% против до 0,08%) улучшает жидкоте-кучесть, достаточную для получения бездефектных, без спаев и микропор, тонких стенок (34 мм) жаропрочных изделий.Увеличивать содержание углерода более 0,28% нельзя, так как уменьшается жаропрочность сплава.
Кремний в приведенных пределах повышает стойкость против окисления, увеличивая стабильность окисной пленки. Верхний предел по кремнию ограничен (2,2%) из-за опасности ферритообразования и ускорения образования дельта-фазы, которая снижает ударную вязкость и пластичность при высоких температурах.
Верхний предел по марганцу ограничен из-за роста зерна при высокой температуре (800оС) и сопровождается повышением концентрации вредных примесей, приводящим к снижению механических свойств. Кроме того, повышение содержания марганца может инициировать образование дельта-фазы, которая снижает предел текучести стали и приводит к возникновению микротрещин.
Ниобий тормозит диффузионный обмен при высоких температурах (800оС), затрудняя коагуляцию дисперсных фаз и вызывая тем самым повышение предела текучести. Превышение содержания ниобия выше 1,0% приводит к неоднородному распределению соединений ниобия при повышенных температурах, что может вызвать появление разностенности и развитие микротрещин в междендритном пространстве.
Наименьшее пленообразование достигнуто при вводе 0,12% силикокальция (Са=0,01%) и РЗМ (Е=0,15%). При такой обработке устраняются дефекты отливок по пленам, спаю и горячим трещинам. Кроме того, эти добавки устраняют локальные скопления оксидных включений, способствуя их глобуляризации, что приводит к повышению пластичности, ударной вязкости при высоких температурах.
Цирконий, обладая большим сродством к кислороду, сере и азоту, образует с ними интерметаллиды глобулярной формы, кроме очистки границ зерен, замедляет рост зерна при
нагреве, увеличивая прочность сцепления эвтектических фаз, препятствуя межкристаллит-ному разрушению.
На ГАЗе , в условиях литейного цеха, были проведены сравнительные плавки стали с известным и предложенным химсоставом, с заливкой звеньев цепи термического агрегата. Сталь выплавляли в индукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали: сталь 10, отходы жаропрочной стали, FtCr, Бе', Бе№, FeSi, FeMn. Раскисляли SiCa и ФС ЗОРЗМЗО с добавлением FeZr. Химсостав приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химсостав плавок стали
Сплав Химический состав Наличие термообработки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
С Мп Сг N1 Т1 В А1 № Се Са 2г
Предлагаемый 1 0,18 1,7 0,3 15,0 27,0 2,3 - - - 0,6 0,05 0,02 0,03 без т/о
2 0,20 1,8 0,4 16,0 28,0 2,5 - - - 0,7 0,06 0,03 0,04 без т/о
3 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 0,04 0,05 без т/о
4 0,28 2,2 0,9 20,0 32,0 3,2 - - - 1,0 0,1 0,06 0,06 без т/о
5 0,30 2,3 1,0 21,0 33,0 3,3 - - - 1,2 0,08 0,04 0,07 без т/о
6 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 - 0,04 0,05 без т/о
7 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 - 0,05 без т/о
8 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 0,04 - без т/о
9 0,24 2,0 0,6 18,0 30,0 3,0 - - - 0,8 0,08 0,04 0,05 без т/о
Известный 10 0,06 0,2 0,3 15,0 32,0 4,5 2,6 0,03 1,7 - - - - с т/о
11 0,08 0,5 0,6 18,0 35,0 5,5 3,2 0,05 2,1 - - - - с т/о
Как видно из табл. 2, звенья цепи из известного сплава (табл. 2, сплавы № 10-11) имели больший брак по спаю, горячим трещинам и усадочной пористости. Звенья цепи, отлитые из известного сплава, разрушились в термическом агрегате через 2 месяца. Звенья цепи, отлитые из предлагаемого сплава (табл. 1, сплавы № 2-4), не имели названных дефектов и стоят в термическом агрегате 8 месяцев без разрушения (табл. 2, сплавы № 2-4).
Таблица 2
Дефекты отливок у известного и предлагаемого сплавов
Сплав Брак по спаю в Брак по горячим Усадочная по- Время до разрушения в терми-
№ стенке толщиной трещинам, % ристость, % ческом агрегате
3 мм, % при Т=800-900оС
1 3 4 6 не ставились
2-4 0 0 0 8 месяцев, не разрушились
5 0 0 0 8 месяцев, не разрушились
6 8 5 4 не ставились
7 12 6 5 не ставились
8 9 12 7 не ставились
9 0 0 0 не ставились
10-11 18-24 15-17 10-12 2 месяца
Сравнительный анализ признаков, отличающих данное предложение от известных в этой области технических решений, показал, что в данном сочетании проявляется новое свойство - исключение пористости при повышении долговечности.
Суммарное содержание составляет Сa+Ce+Zr=0,13-0,22%. При содержании менее 0,13% увеличивается брак по спаю, горячим трещинам, усадочной пористости. При содержании более 0,225 увеличивается количество неметаллических включений, и долговечность уменьшается.
Библиографический список
1. Паисов, И.В. Термическая обработка стали и чугуна / И.В. Паисов. - М.: Изд-во «Металлургия». 1970. - 264 с.
2. Жаропрочная сталь 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ. ГОСТ 5632-72.
3. Пат. на изобретение № 2416669 С 22 С 38/50. Жаропрочная сталь / Зиновьев Ю.А. и др. Бюллетень № 11. 2011.
Дата поступления в редакцию 04.10.2011
Yu.A. Zinoviev, A.A. Kolpakov, I.O. Leushin, V.D. Shvetsov, G.I. Beliavsky, A.M. Timofeev
INCREASING THE LONG-TERM STRENGTH OF HEAT-TREATING FURNACES
HEATPROOF PRODUCTS
The article suggests results of research into a new heatproof alloy for heat-treating furnaces. The long-term strength of chains links has more than quadrupled.
Key words: heatproof alloy, long-term strength, chains links, heat-treating furnaces.
