научная статья по теме МИКРО- И ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННАЯ ТЕПЛОСТОЙКАЯ CR-MO-V СТАЛЬ Металлургия

Текст научной статьи на тему «МИКРО- И ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННАЯ ТЕПЛОСТОЙКАЯ CR-MO-V СТАЛЬ»

68 НАУКА•ТЕХНИКА•ПРОИЗВОДСТВО

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» - 70 лет

УДК 669.14.018.44

МИКРО- И ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННАЯ ТЕПЛОСТОЙКАЯ Cr-Mo-V СТАЛЬ

© Куликова Людмила Викторовна, канд. техн. наук; Шевакин Александр Федорович, канд. физ.-мат. наук;

Филиппов Георгий Анатольевич, д-р техн. наук; Пантюхин Александр Павлович

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Россия, Москва. E-mail: shevakin@bk.ru Статья поступила 07.02.2014 г.

Приведены результаты исследования структуры, механических свойств, длительной и циклической прочности стали 12Х1МФ с пониженным содержанием молибдена и различными микродобавками бора, циркония, церия, а также комплексного микролегирования этими элементами. Установлено, что комплексное легирование стали микродобавками этих элементов позволяет значительно повысить длительную прочность, механические свойства стали и температуру эксплуатации изделий из нее до 610 °С.

Ключевые слова: микролегирование; длительная прочность; механические свойства.

Эксплуатационная стойкость сталей, применяемых в теплоэнергетике, где температура эксплуатации достигает 500-600 °С, определяется запасом вязкости и уровнем длительной прочности в интервале рабочих температур.

Теплоустойчивые хромомолибденованадие-вые стали широко используются в промышленности для производства крепежных изделий, роторов, корпусов и труб, так как обладают высоким комплексом прочностных и пластических свойств в течение длительного времени при высоких температурах.

Наиболее широко распространена низколегированная Сг-Мо-У-сталь 12Х1МФ. Из этой стали изготовляются трубы (паропроводные, коллекторные и пароперегревательные) различных размеров для тепловой и атомной энергетики, химической и нефтехимической промышленности, а также она используется для изготовления листа, поковок, сорта, проволоки и другой продукции. Эксплуатация и массовое производство из нее различных элементов котлов и паропроводов показали, что сталь 12Х1МФ технологична и теплостойка до 570 °С и обеспечивает надежную работу энергоблоков.

В практике современного металлургического 2 производства одним из перспективных направле-

о

ний повышения качества металлопроката и улуч-™ шения потребительских свойств, не требующих значительных сырьевых и энергетических затрат, £ является микролегирование сталей.

Малые количества бора и редкоземельных мег таллов - активные дегазаторы, десульфураторы,

сильные нитридообразующие, модификаторы и легирующие добавки, которые в первую очередь упрочняют границы зерен и имеют решающее значение при работе в условиях высоких температур. Такие элементы, как бор и цирконий, способны самостоятельно повышать жаропрочные свойства сталей и сплавов.

Ввод церия и циркония способствует очищению металла от неметаллических включений и газов. Уменьшая количество неметаллических включений, в особенности сульфидных, редкоземельные металлы повышают прочность границ зерен при высоких температурах [1].

Ввод циркония и бора приводит к увеличению прокаливаемости стали, способствует повышению ее прочности и ударной вязкости [2].

Небольшое количество РЗМ ослабляет и в некоторых случаях совсем устраняет отрицательное влияние легкоплавких примесей (олова, свинца, сурьмы, мышьяка и др.), образуя с ними тугоплавкие химические соединения.

Добавка РЗМ используется также для предохранения от высокотемпературного растрескивания, возникающего при сварке стали. Положительное влияние РЗМ проявляется только до определенного их содержания в стали, свыше которого образуются скопления РЗМ, которые могут служить центрами зарождения микротрещин при ползучести и снижать жаропрочность.

Учитывая положительное влияние микродобавок бора, РЗМ и циркония на структуру и свойства стали 12Х1МФ, а также с целью повы-

НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО 69

700

[23 600

щ- 500 а

I

| 400

ер

с 300

200

100

св ___

♦ Предел прочности

Предел текучести

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Концентрация циркония, %

100-, 90

* 80

а;

к 70

а;

I 60

* 50 з

£ 40 х

3

§ 30 20 10

Сужение Удлинение Ударная вязкость

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Концентрация циркония, %

5,0 ■4,5

■ 4,0 -3,5

■ 3,0 .2,5 .2,0

1,5

1,0

.0,5

.0 0,14

Рис. 1. Изменение механических свойств стали 12Х1МФ с содержанием Мо 0,30%, комплекснолегированой, 0,003-0,005% В, 0,05-0,07% РЗМ в зависимости от микролегирования цирконием

шения эксплуатационных свойств и экономии дефицитного молибдена (ввиду массового производства из нее промышленных изделий) решено было провести выплавку этой стали с пониженным содержанием молибдена при использовании микродобавок бора, циркония и РЗМ.

На базе экспериментального комплекса ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» были проведены исследования структуры, механических свойств, длительной прочности стали 12Х1МФ со стандартным (0,25-0,35%) и пониженным (0,10-0,14%) содержанием молибдена, микролегированной бором, цирконием, церием в различных сочетаниях.

Были выпущены плавки стали типа 12Х1МФ, в которых содержание молибдена варьировали от 0,25-0,35% до 0,10-0,14%, циркония от 0,01 до 0,2%, бора от 0,0015 до 0,0045% и РЗМ от 0,072 до 0,212%. С применением общепринятых схем деформации из слитков были изготовлены поковки

700

, 600

е 500

^ 400

к &

3

X 300

200

а __■

♦ Предел прочности

■ Предел текучести

0,05 0,1 0,15 0,2

Концентрация циркония, %

0,25

0,3

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

♦ Сужение

■ Удлинение

* Ударная вязкость

г 4,5 ■ 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Концентрация циркония, %

0,3

Рис. 2. Изменение механических свойств стали 12Х1МФ с содержанием Мо 0,12%, комплекснолегированой, 0,003-0,005% В, 0,05-0,07% РЗМ в зависимости от микролегирования цирконием

квадратного сечения со стороной 30 мм под молот силой 750 кг. Термообработка проведена по следующему режиму: нормализация 980 °С - 1 ч +730 °С - 3 ч.

Исследования показали, что добавки циркония, РЗМ и бора в стали 12Х1МФ со стандартным и пониженным содержанием молибдена повышают пределы прочности и текучести стали в среднем в 1,2-1,5 раза. При уменьшенном содержании молибдена и тех же количествах микродобавок изменение пределов прочности и текучести происходит в меньшей степени (рис. 1 и рис. 2).

При комплексном микролегировании бором (0,003-0,005%), РЗМ (0,05-0,07%) и переменном содержании циркония при содержании Мо 0,30% предел прочности возрастает от 450 МПа при содержании 7г 0,016% до 700 МПа при содержании 7г 0,12%, предел текучести соответственно от 330 до 560 МПа (см. рис. 1, а). При уменьшенном содержании молибдена и тех же количествах микродобавок изменение пределов прочности и текучести происходит более плавно (см. рис. 2, а). В случае содержания 7г 0,26%, Мо 0,12%, В 0,003-

а

а

0

0

б

6

0

70

НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО

Рис. 3. Микроструктура стали 12Х1МФ с микродобавками В, Zr, РЗМ после нормализации 980 °С, 1 ч + отпуск 730 °С, 3 ч при составе стали: а - Мо 0,30%; 2г 0,12%; В 0,005%; РЗМ 0,07%; б - Мо 0,12%; 2г 0,13%; В 0,005%; РЗМ 0,07% (х500)

я 10000 Е

ср с

я X

X

Сталь 12Х1МФ с 0,10-0,14% Мо и микролегированием гг, В, РЗМ

1000

5

<

=

г

С 100

10

100

1000 Число циклов N

10000

100000

Рис. 4. Малоцикловая усталость стали базового состава и микролегированной Zr, B, РЗМ

1000

100

10

Сталь 12Х1МФ с 0,10-0,14%Мо микролегированная В, РЗМ, 2г ст,„5 = 152 Н/мм2

Сталь 12Х1МФ ст,„5= 80 Н/мм2

Сталь 12Х1МФ микролегированная В, РЗМ

ст,„5 = 105 Н/мм2

10

100 1000 Время, ч

10 000 100 000

Рис. 5. Длительная прочность при 570 °С стали базового состава и микролегированной Zr, B и РЗМ в различных соотношениях

0,005% и РЗМ 0,05-0,07% их значения ниже, чем для стали с 0,30% Мо при тех же количествах микродобавок. Изменение пластических характеристик для всех плавок с раздельным и комплексным микролегированием происходит одинаково, т.е. с увеличением количества микродобавок удлинение, сужение,

а также ударная вязкость понижаются (см. рис. 1, б и рис. 2, б).

Рентгеноспектральный анализ показал, что в сталях с увеличением содержания циркония, бора и РЗМ увеличивается количество бейнитной составляющей при содержании молибдена 0,30 и 0,12%. Микролегирование цирконием, бором и РЗМ позволяет получить бейнитную структуру с 10-15% феррита (рис. 3) и компенсирует разницу в содержании молибдена. Структура стали с пониженным содержанием молибдена и микролегирующими добавками, как и структура стали с 0,30% Мо, длительное время не претерпевает изменений в условиях высоких температур и напряжений.

Установлено, что циклическая прочность образцов, изготовленных из микролегированной стали 12Х1МФ с пониженным (0,100,14%) содержанием молибдена, примерно на 50% выше циклической прочности аналогичных образцов этой же стали без микролегирования (рис. 4).

Длительная прочность экономнолегиро-ванной по молибдену стали при температуре 570 °С для ресурса эксплуатации 105 ч выше, чем для стали 12Х1МФ с содержанием Мо 0,30% = 100 МПа), и даже выше, чем для стали 15Х1М1Ф с 1,0% Мо ^ = 110 МПа), и составляет 152 МПа. Кроме того, в результате ввода микролегирующих добавок бора, РЗМ, циркония и снижения содержания молибдена произошло не только значительное повышение длительной прочности, температуры эксплуатации до 610 °С взамен 550-570 °С, увеличение срока службы изделий, но и изменился характер поведения кривой длительной прочности стали (рис. 5).

Заключение. Внедрение новой стали с повышенными свойствами, температурой эксплуатации до 610 °С и содержащей вдвое меньше молибдена позволяет получить экономию металла в результате увеличения срока службы энергоблоков, а также экономию дефицитного молибдена (1,5 кг на 1 т стали). Кроме того, производство экономнолегиро-ванной по молибдену стали 12Х1МФ с микродобавками 7г, В и РЗМ с повышенными свойствами и температурой эксплуатации позволит использовать хорошо освоенную технологию производства стали 12Х1МФ.

Особенно значительный экономический эффект может иметь место в случае

1

НАУКА•ТЕХНИКА•ПРОИЗВОДСТВО

71

замены стали марки 15Х1М1Ф новой, экономно легированной по молибдену сталью типа 1

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком