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.