Жароміцна сталь

Изобретение относится к металлургии, в частности, к составам аустенитной стали для изготовления отливок технологической оснастки - арматуры термических печей, работающих в условиях термоциклических нагрузок. В промышленных усло виях для изготовления арматурных отливок термических печей, работающих в условиях циклических теплосмен в диапазоне температур 20-1120°С, применяют жаропрочные никелевые сплавы типа ХН77ТЮР ГОСТ 5632-72. В последнее время, в связи с существенным ростом мировых цен на никель и отсутствием собственных месторождений этого металла на Украине, использование таких дорогостоящих материалов как никелевые сплавы для изготовления малоответственных изделий стало неприемлемым. Возникла необходимость замены их на более дешевые стали и сплавы на основе железа. Широко известна аустенитная хромоникелевая сталь марки Х25Н19С2Л ГОСТ 5632-61, которая содержит (массовая доля, %): углерод < 0,20; кремний -2,0...3,0; марганец < 1,5; хром - 23...27; никель - 18...20; сера £ 0,030; фосфор £0,035; железо-остальное. Данная сталь является жаростойкой и применяется для изготовления оборудования термических печей, однако обладает недостаточной жаропрочностью для работы в условиях термоциклических нагрузок при температурах 20 - 1120°С. Известна хромоникелевая сталь, предназначенная специально для изготовления литых изделий (поддонов термических печей) эксплуатируемых при термоциклических нагрузках при температурах 6001050°С, взятая авторами за прототип (Автхвид. № 1712456, кл. С 22 С 38/50, Бюл. №6,1992 г.). Сталь содержит (массовая доля, %): углерод-0,1...0,4; кремний 0,5.,.3,0; марганец 0,3...1,5; хром 20...30; никель 12...20; медь 0,1...0,5; ниобий 0,4. .1,0; титан 0,05...0,3; железо - остальное. Однако, как показали испытания, при эксплуатации с большим перепадом температур, жаропрочность данной стали также оказывается недостаточной и не обеспечивает необходимой термостойкости изделия, что объясняется недостаточной стабильностью границ зерен аустенита при циклических сменах температур от 20 до 1120°С. Задачей данного изобретения является создание новой экономнолегированной хромом и никелем жаропрочной хромоникелевой стали для изготовления литых изделий, работающих при циклических теплосменах в интервале температур 20-1120°С, которая обладала бы повышенной жаропрочностью и теплостойкостью за счет стабилизации границ зерен аустенита. Поставленная задача осуществляется тем, что жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан и железо, дополнительно содержит редкоземельные металлы и барий пир следующем соотношении компонентов, мас.%: Нижние пределы массовой доли редкоземельных металлов и бария 0,01% и 0,005%, соответственно, выбраны исходя из необходимости достижения заданного эффекта влияния. Повышение массовой доли редкоземельных металлов и бария свыше 0,06% и 0,01%, соответственно, не дает существенного повышения служебных характеристик и ухудшает экономические показатели использования предлагаемой стали. Кроме того существует опасность перемодифицирования стали редкоземельными металлами. Для определения оптимального химсостава заявляемой стали был проведен ряд опытно-промышленных плавок. Химсоставы испытываемых сплавов и аналогов приведены в табл. № 1. В качестве шихтовы х материалов для разрабатываемой марки стали применялись: стальные пакеты, стальной лом, феррохром низкоуглеродистый, никель электролитический, кремний кристаллический, ферросплавы легирующих элементов. Расплав модифицировался в ковше вводом под струю комплексной литературы АКЦе, содержащей не менее 20% церия и силико-барием, содержащим 22% бария. Выплавку металла осуществляли в 1,5-тонной дуговой электропечи в основной футеровкой. Для проведения сравнительных испытаний из применяемых по технологии и опытных сталей изготавливалась наиболее широко применяемая и наименее стойкая в эксплуатации технологическая оснастка в виде поддонов весом 120 кг, которые затем устанавливались в промышленные проходные термические печи типа СТО.16-105. Цикл испытаний: нагрев от 20 до 1120°С в течение 5 часов, выдержка при этой температуре в течение 9-10 часов, охлаждение на воздухе до комнатной температуры. Критерием оценки выхода из строя поддонов считалось растрескивание и коробление ПОДДОНОВ. Параллельно с поддонами заливались литые пробы, из которых вырезались образцы для проведения кратковременных высокотемпературных (при 975°С) механических испытаний. Испытания проводились на стандартных образцах диаметром 5 мм. Результаты кратковременных высокотемпературных механических испытаний и испытаний оснастки на термоциклическую стойкость приведены в табл.2. Из табл.1 и 2 видно, что выбранное соотношение элементов в составе предлагаемой жаропрочной стали является оптимальным для достижения поставленной задачи. Массовая доля углерода в пределах 0,1-0,4% способствует стабилизации аустенита и расширяет возможности твердого раствора с сохранением аустенитной структуры. Нижний предел массовой доли углерода 0,1% установлен исходя из необходимости обеспечения требуемой жидкотекучести. Увеличение концентрации углерода выше 0,4% приводит к интенсивному росту размеров включений карбидной фазы, что ухудшает свойства отливок и охрупчивает сталь. Кроме того, крупные включения карбидов выступают в качестве сильных концентратов напряжений, что приводит к зарождению и рост у трещин при термоциклических нагрузках. Массовая доля кремния в пределах 0,5-3,0% обеспечивает высокую жаростойкость за счет образования плотной пленки окислов на поверхности отливок. Нижний предел массовой доли по кремнию 0,5% установлен из требований жидкотекучести стали. Верхний предел 3,0% установлен исходя из того, что большая массовая доля кремния сужая у - область, способствует плавлению двухфазной аустенитно-ферритной структуры, а также приводит к охрупчиванию стали. Марганец, расширяя у -область, стабилизирует аустенит, частично увеличивает растворимость карбидов хрома в аустените. При этом расширяются допустимые пределы массовой доли углерода в жаропрочной стали. Нижний предел массовой доли по марганцу 0,3% обусловлен необходимостью достижения минимального положительного эффекта от его ввода. Повышение массовой доли марганца более 2,5% приводит к образованию феррита. Для получения высокой жаростойкости и окалиностойкости аустенитной стали концентрация хрома устанавливается в пределах 15-23%, Нижний предел 15% установлен исходя из необходимости обеспечения окалиностойкости. Превышение массовой доли хрома свыше 23% приводит к снижению прочности и стабильности свойств. Оптимальный выбор массовой доли никеля в пределах 12-20% обусловлен исходя из необходимости получения аустенитной структуры в литом состоянии в широком интервале температур. Нижний предел массовой доли никеля 12% выбран исходя из этих условий. С увеличением массовой доли никеля выше 20% положительный эффект присутствия никеля в сплаве практически не влияет на структур у и механические свойства, но существенно повышает стоимость стали. Наличие в атмосфере термической печи кислорода приводит к образованию окалины на внешней поверхности литых деталей и внутреннему окислению в их объеме. При температурах вы ше 800°С объемное проникновение кислорода становится доминирующим процессом. Развитие межкристаллитной коррозии и трещин преимущественно идет вдоль границ зерен аустенита. Наличие в стали большого количества концентратов напряжений, например неметаллических включений по границам зерен, способствует процессу объемной диффузии кислорода, что безусловно снижает трещиностойкость литых деталей при термоциклических нагрузках. Введение в состав стали титана в количестве 0,05-0,3% позволяет реализовать эффект блокировки роста трещин в устье концентратов напряжений и повысить термоциклическую стойкость стали. Высокотемпературные карбиды и нитриды титана играют роль инокуляторов, резко измельчая строение первичной структуры. Вследствие их высокой температуры плавления они расположены в виде включений внутри зерна, а не впадают по их границам, как это наблюдается с более низкотемпературными карбидами и нитридами. Нижний предел массовой доли титана 0,05% выбран исходя из необходимости достижения эффекта измельчения зерна и частичного связывания углерода в карбиды. Повышение массовой доли титана свыше 0,3% не дает существенного приращения служебных характеристик. Введение в сталь редкоземельных металлов и бария в количествах 0,01-0,06% и 0,005-0,01%, соответственно, позволяет связать в прочные соединения вредные примеси, в частности, примеси легкоплавких цветных металлов, которые, как правило, сосредотачиваются по границам зерен. Обработка жидкого металла редкоземельными металлами и барием позволяет также измельчить остающиеся в металле неметаллические включения, придать им благоприятную глобулярную форму. Редкоземельные металлы, кроме того, образуют на границах зерен субмикроскопические выделения оксидов в виде игл, волокон и пластинок, стабилизирующие границы и повышающие сцепление окалины с основой, что многократно снижает скорость окисления стали. Перечисленные факторы стабилизируют и упрочняют границы аустенитных зерен, предотвращают их обезуглероживание и окисление. Этим объясняется механизм повышения термоциклической стойкости за счет легирования титаном и комплексного модифицирования редкоземельными металлами и барием. Присадка бария существенно повышает жидкотекучесть стали, что позволяет уйти от перегревов при выплавке и разливке стали, и, соответственно, уменьшить размер зерна и количество литейных дефектов в отливках. Нижние пределы массовой доли редкоземельных металлов и бария 0,01 и 0,005%, соответственно, выбраны исходя из необходимости достижения заданного эффекта влияния. Повышение массовой доли редкоземельных металлов и бария свыше 0,06% и 0,01%, соответственно, не дает существенного повышения служебных характеристик и ухудшает экономические показатели использования предлагаемой стали. Кроме того, существуе т опасность перемодифицирования стали редкоземельными металлами. Из приведенных результатов (табл.2) видно, что предлагаемая сталь близка по свойствам к никелевому сплаву ХН77ТЮР и, по сравнению с прототипом, обладает в среднем на 30% большей прочностью и на 10% большей пластичностью. Поддоны из предлагаемой стали обладают- в два раза большей термической стойкостью, чем поддоны из стали - прототипа.