Способ термической обработки деформируемого аустенитного сплава

(51) М. Кл,С 21 П 1/78 С 21 П б/00 Государственный квинтет ссср оо делаи кзооретеннй к, открыткй(72) Автори изобретении Иностранцы Садао Охта и Ясуо Ватасе(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРА ОТКИДЕФОРМИРУЕМОГО АУСТЕНИТНОГО СПЛАВА Изобретение относится В способу термичесВой обработки аустенитных сталей и сплавов,Широко известна аустенитная сталь, содержащая около 25% хрома, 20% никеля, до 3%кремния 1 1 1, бОбладая высоким сопротивлением оВнслению, эта сталь имеет весьма низкий пределоползучести при температурах выше 950,Известна таВже целая группа сталей и сплавов аналогичного состава, предел ползучести 1 Окоторых после закалки невысок21.Целью изобретения является обеспечениеспособа получения жаропрочной стали с высоВим содержанием хрома и никеля, годной дляпоковок н проката или горячей штамповки вы- Идавливанием, обладающей отличными хараВте.ристиВами, позволяющими получать из такойстали трубы с требуемой толщиной стенки итребуемой длиной, а также позволяющей полу.чить стальные листы. 20Было обнаружено, что жаропрочная сталь свысоким содержанием хрома н никеля, обладающая высокой прочностью при повышенныхтемпературах и имеющая требуемые хараВтеристнки, делающими ее годной для получения поковок, проВата и т.д., может быть получена в результате применения нового способа термической обработки.Было установлено, что механизм предела ползу-чести стали при 800-1000 С отличается от механизма предела ползучести стали при 600-700 С. Другими словами, при использовании стали определенного состава при температурах выше 800 С с целью увеличения предеола ползучести, например при 1000 С, необходимо осадить карбид на линии раздела зерен в сплошной или часпяно сплошной форме, причем коэффициент расположения карбида на линиях раздела зерен должен быль выше 30%, предпочтительно выше 5 Щ.Предлагаемый способ обеспечивает получе. ние жаропрочной аустеннтной стали, имеющей высокую прочность при повышенной температуре и содержащей, вес.%;Углерод 0,11 Кремний 0,01-3Марганец 0,01-10 Хром 13-35Способ термической обработки деформируе мого аустенитного сплава, преимущественного состава, вес.%: Углерод 0,1- 1,0 Кремний 0,01-3,0 Марганец 0,01-10,0 Хром 13,0-35,0 Никель 15,0-50,0 Железо и примеси Остальное включающий нагрев, выдержку и закалку,лрукпуро ( ) 66059620отличающийся тем,что,сцельюповышения предела ползучести, сплав нагрева.ют в интервале температур от 1150 до линииосолидуса за 10-30 мин., охлаждают до 950 Св течение 5,0 с,0 ч, после чего производятзакалку в воде или на воздухе,Источники информации, принятые во внима.ние прн экспертизе1. Гудремон Э. Специальные стали. Том 1,1966, с. 638.2, Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали исплавы. М., "Металлургия", 1969, с. 167-180.(%) Составитель А. ЛяпуновТехред М.Петко Корректор М.Ряшко Павлова ктор Тираж 652 ПоштисноеЦНИИПИ Государственного комиета СССРпо делам изоорстеиии и открытии113035, Москва. Ж, Раушская иаб., д, 4/5 аз 2173 14 Филиал ППП "Патснг", г. Ужгород, ул. ПроектнаяНикель 15 50Железо и примеси Остальное,и включает осаждение карбидов на линияхразделов зерен в сплошной или частичносплошной форме,Кроме того, изобретение отличается тем,что после литья или обработки указаннойстали ее нагревают до температуры, лежащейов пределах от 1150 С до солидусной температуры после чего следует медленное охлаждеОфние стали от указанной температуры до 950 Си выше в течение промежутка времени от5 с до 1 ч, после чего осуществляют закалкув воде.На фиг. 1 проиллюстрированы структуры15аустенитных сталей, содержащих от 0,004 до1,2% углерода, около 25% хрома и от 8 до50% никеля, причем указанные стали в своюочередь были в течение 10 мин нагреты доо 2 О1280 С, медленно охлаждены до температуры950 С в течение 1 ч и далее закалены в водепри комнатной температуре; на фиг. 2 проиллюстрировано влияние коэффициента рас.пределения карбида на линиях раздела зеренЯна предел ползучести сталей, содержащих, %;0,4 утлерода, 25 хрома и 20 никеля.На фиг. 1 обозначена структура 1, в кото.рой отсутствует осаждение карбида на линияхраздела зерен, структура 11, где карбид осаж 36ден частично на линиях раздела зерен с козф.фициентом распределения до 30%, в структуре 11 карбид осажден на линиях раздела зерен в сплошной форме и в структуре 1 Ч осаж-.ден внутри зерен,35В табл. 1 приведены структуоы в соответствии с фотографиями на фиг. 1, предел наразрыв аустенитной нержавеющей стали, содер.жащей от 0,04 до 1,15% углерода, около 25%хрома и около 25% никеля, обработанной ков- .кой, вслед за которой следует термообработка,4 ОКак следует из табл. 1, образец Р 101, имеющий структуру 1, где нет осаждения карбидана линиях раздела зерен, и образец И 102,имеющий структуру 1 с частичным осаждениемкарбида на линии раздела зерен, имеют крайне низкий предел ползучести. Напротив, образцы КЧЧ 103 - 109, имеющие структуру 111,имеют увеличенный предел нолэучести,Чем выше коэффициент распределения карбидов, тем выше предел ползучести (см,фиг. 2), но в том случае, если указанныйкоэффициент распределения карбидов меньше20%, предел ползучести воз.астает весьма умеренно, в то время как при коэффициенте распределения карбидов большем 30% пределползучести значительно увеличивается и практически равен пределу ползучести материалаотливки. Предел ползучести увеличивается еще больше, когда указанный коэффициентраспределения карбидов по линиям разделазерен больше 50%,Из полученных и указанных выше результатов можно сделать вывод, что указанный коэффициент распределения карбидов должен бытьболее 30%, предпочтительно более 50%,Что касается таких элементов сплава какуглерод и никель, играющих важную роль соструктурной точки зрения, то при содержанииуглерода менее 0,1% получают структуру 1или 11 скорее, чем структуру 111, причем, какпоказано в табл. 1, при содержании в сплавеуглерода менее 0,1% предел ползучести значительно ниже, чем при содержании углерода выше 0,1%. С другой стороны, хотя предел ползучести сталей, имеющих структуру 111, с увеличением содержания углерода возрастает, нов случае, если содержание утлерода превышаетопределенный предел, предел ползучести падает,что следует из табл.,1 (образец У 110). Кроме этого, чем выше содержание углерода, темхуже сталь поддается холодной обработке. При.нимая во внимание все упомянутые факторы,предпочтительно, чтобы углерод содержался встали в количестве до 1%.Количество никеля в стали может менятьсяот 15 до 50%, В табл. 2 приведены значенияпределов ползучестей стали, содержащей около0,4% углерода, около 45% хрома и 8-45%никеля, причем укаэанная сталь была в течеание 10 мин нагрета до температуры 1280 С,затем в течение. одного часа медленно охлажде.на от 1280 С до 950 С, после чего следовалобыстрое охлаждение до комнатной температуры.Как видно из табл. 2, образцы 201 и 202, имеющие структуру 1, имеют более низкий пределползучести, чем образцы УУ 203-208, имеющиеструктуру 111 и повышенный предел ползучести при содержании никеля свыше 15,7%, Чемвыше содержание никеля, тем выше пределползучести, Однако содержание никеля в стали более 50% приводит к увеличению стоимости стали,Содержание кремния в стали составляет от 0,01 до 3%. Кремний добавляют в расплавленную сталь с целью раскисления, при этом содержание кремния должно быть выше 0,1%, Хотя присутствие кремния и увеличивает стойкость стали к окислению, работающей при повышенной температуре, содержание кремния в стали выше 3% ведет к значительному ухудшению свариваемости и обрабатываемости при увеличении образования сигма-фазы.Марганец присутствует в стали в количестве от 0,01 до 10%, его добавляют для полу. чения стали, устойчивой к окислению. С этой целью содержание марганца в стали должнобыть выше 0,01%. Марганец стабилизируетаустенит и предотвращает образование сигма.фазы. При содержании марганца в стали в количестве вьппе 10% стойкость, стали к окисле.нию, работающей при повышенной температуре, понижается.Хром присутствует в стали в количестве от15 до 35%, Присутствие этого элемента в сталиочень важно для повышения стойкости сталик окислению. Для работы стали при темпера.Отурах выше 750 С количество хрома в нейдолжно составлять 15%. Однако в случае присутствия встали хрома в количестве выше35% могут возникнуть трудности, связанныес плохой горячей или холодной обрабатываемостью стали и с тенденцией образования сигма-фазы.В табл. 3 приведены структуры сталей всоответствии с изобретением, которые послековки бьши в течение 30 мин нагреты доо о,1050 С - 1350 С, затем медленно в течениеодного часа охлаждены до температуры 950 С,после чего закалены в воде.В случае, если температура термообработкиотносительно низка, часть карбидов остаетсянерастворенной. В течение последующего охлаждения вышеупомянутые карбиды, служащие вкачестве ядер указанного осаждения, приводятк образованию структуры Ч, в которой ненаблюдается осаждения карбидов на линияхразделов зерен. С другой стороны, чем вышетемпература растворной термообработки, тембольшее количество углерода будет в твердомрастворе. Это приводит к увеличению осаждения карбидов на линии раздела зерен в течение охлаждения, образуя структуру 111, гдекарбиды осаждены на линии раздела зерен всплошной форме. Таким образом, чем вышетемпература растворной термообработки, темтребуется меньше времени для растворениякарбидов. Однако это может вызвать расплавление стали, когда указанная температурадостигнет солидусной линии, Принимая во внимание вышеуказанные факторы, температурарастворной термообработки ограничивается доопределов от 1150 С до солидусной линии,В табл. 4 приведены структуры сталей всоответствии с изобретением и структурысопоставимых сталей. Эти стали после ковкиобыли в течение 10 мин нагреты до 1280 С,затем Медленно охлаждены до 950 С в течение 1,1 с - 1,5 ч.Ранее при получении поковок из стали,содержащей 25% хрома, 20% никеля и менее0,1% углерода и из сплава Зпсайоц 800 ит.п, сплавов, сразу же после нагревания поковки до температуры растворной термообработки ее закаляли в воде. Однако, как пока. зано в табл, 4, при такой обработке, где поковку поюе нагрева охлаждали в течение1,1 с от 1280 до 950 С, получали структу.ру 1, При таком способе термообработки даже прн содержании в стали углерода в количестве выше 1% невозможно получить струк.туру 1(1. С другой стороны, если охлаждениеот 1280 до 950 С осуществляли с помощьюгаза гелия или воздуха в течение 2-4 с, получали только структуру 11 даже при высокомсодержашш в стали углерода и никеля, На.против, когда охлаждение осуществляли в те.чейие более 5 с, получали структуру 11 какв случае стачи, содержйцей 25% хрома, 20%никеля и 0.,9% углерода и выше, так и вслучае стали, содержащей 20% хрома, 32%никеля и 0,5% углерода и выше, а также вслучае стали, содержащей 25% хрома, 47% никеля и 0,2% углерода и выше.В табл, 5 проилчюстрнрованы пределы ползучести прп 1000 С через 1000 ч наиболее типичных образцов, показанных в табл. 4. Каквидно из табл. 5, хорошие результаты былиполучены при времени охлаждения более 5 с.С другой стороны, в случае охлаждения в течение более 1 ч от 1280 до 950 С пределыползучести понижачись. Следовательно, времятребуемое дчя охлаждения от 1280 до 950 Сдолжно составлять от пяти секунд до одного часа,Чем ниже температура, при которой закан.чивают медленное охлаждение образца от тем.пературы растворной термообработки, тембольше осаждается карбидов на линиях раздела зерен. но в то же время, тем меньшебудет элементов, образующих карбиды, содер.жащиеся в качестве твердого раствора внутризерен. Поэтому,чем ниже температура, при ко.торой заканчивается медленное охлаждение, теМвыше предел ползучести, причем максимумапредел ползучести достигает при определеннойтемпературе. Однако, если охлаждение закан.чивается при еше более низкой температуре,предел ползучести понижается.В табл. 6 проиллюстрирован эффект влиянияпредельной температуры медленного охлажде.ния на структуры сталей в соответствии сизобретением и на предел ползучести этих ста.олей при 1000 С через 1000 ч. В этом опытеобразцы нагревали до температуры растворнойтермообработки, т.е. до 1280 С в течениео30 мин, потом медленно охлаждали от 1280 Сдо температуры, лежащей в пределах между1265 и 850 С в течение одного часа, послечего закаливали в воде.Как видно из табл. 6, при медленном ох.лаждении до температурыниже 950 С пределползучести будет понижаться. При медленном660596 7охлаждении с 265 С структуране будетполучена, правда, ее можно получить, если проадолжить охлаждение до 1250 С, По этим причинам образцы должны охлаждаться от 1280 Сдо температуры, лежащей между 950 и 1250 С,В табл. 7 проиллюстрирован предел ползучести сталей при 1000 С через 1000 ч, содер.жащих 0,4% углерода, 25% хрома, 20% никеля,которые были подвергнуты ковке, нагреваниюодо 1280 С, медленно охлаждены от 1280 до1050 С в течение одного часа и затем закалены в воде или подвергнуты воздушному охлаждению (быстрому охлаждению) или охлаж.дению в печи.В результате этого опыта были полученывсе без исключения структуры . Однакопредел ползучести сталей, закаленных в водеили охлажденных на воздухе, выше пределаползучести сталей, охлаждаемьтх в печи, кото.рый не намного выше предела ползучести ста.лей, подвергнутых известной термообработке,при которой стали нагревали до температурыо1280 С и затем сразу же закаливали в воде,Причиной этому является то, что во времяохлаждения в печи карбиды осаждались награнице раздела зерен вместе с уменьшениемколичества карбидообразующих элементов, ко.торые содержались в качестве твердого раство.ра в матрице, что вело к уменьшению количества карбидов, осаждающихся в матрице,вследствие чего эффективность осаждения кар.бидов на линии раздела зерен снижается,Предпочтительно после медленного охлаждения,заканчивающегося при. температуре, лежащейв пределах между 950 и 1250 С, осуществитьзакалку в воде или воздушное охлаждениесталей до комнатной температуры с цельюускорения скорости охлаждения,Хотя вышеприведенное описание касаетсяпоковок иэ предлагаемых сталей, оно с такимже успехом может относиться к отливкамиз этих сталей.. П р и м е р 1. В табл. 8 сведены результаты опытов со сталями, содержащими 25%хрома и 15% никеля. Известный материал поковки (образец У 81) имеет гораздо болеенизкий предел ползучести или прочности, чемвысокоуглеродистый материал отливки (образец У 80). Образцы УЪ 82 и 84, которыебыли подвергнуты обычной растворной термообработке, имеют более высокий предел пол.эучести, чем низкоуглеродистый образец У 81,но значительно более низкий предел ползучее.ти, чем у материала отливки (образец Кф 80).Напротив, образшя 83 и 85 имеют болеевысокий предел полэучести, чем образцы М 81,82 и 84, имея практически тот же предел текучести, что и отливки У 80. П р и м е р 2, В табл, 9 сведены резуль."таты опытов со сталями, содержащими 25%хрома и 20% никеля, Образцы УУ 92 и 94из высокоуглеродистой стали, которые были5 подвергнуты известной растворной термообработке, после ковки также, как и образецУ 91 из низкоуглеродистой стали, имели более низкую прочность по сравнению с образцом отливкой Р 90 из высокоуглеродистой литей.10 ной стали, Напротив, образцы РР 93 и 95имели ту же прочность, что и образец Х 90.Образцы УЪ 96 и 97 иллюстрируют изобретение. Образец Р 96 был нагрет до температурыо1280 С в течение 30 мин и сразу же помещен 1 ф в другую печь, где он находился в течение20 мин при 1100 С, после чего был подвергнут закалке в воде, Образец Х 97 в течениео30 мин бал нагрет до 1280 С, после чего по.мешен в охлаждающую печь с температуройо1 1100 С, где выдерживался в течение 10 мин,после чего еще в течение.10 мин был под.вергнут закалке в воде. Оба образца УЪ 96и 97 показали ту же прочность, что и образец М 90,П р и м е р 3. В табл. 10 сведены результаты опытов со сталями, содержащими 15%хрома и 35% никеля, а в табл. 11 сведены результаты опытов со сталями, содержащими19% хрома и 41% никеля. Образцы ХХ 1101Зф и 1201 из низкоуглеродистой ковочной сталии образцы 1102, 1104, 1202 и 1204 из ковочной стали, содержащей свыше 0,15% углерода,подвергнутые известной растворной термооб.работке, показали чрезвычайно низкую прочЗ ность по сравнению с образцами 1100 и 1200цз высокоутлеродистых литьевых сталей. Например, образцы УЪ 1103, 1105 и 1203 и1205 из сталей в соответствии с изобретениемимеют ту же прочность, что и указанные об 4 е разцы 1100 и 1200 из высокоуглеродистыхлитьевьи сталей,Результаты примеров говорят о превосходных характеристиках сталей, получаемых в соответствии, с изобретением, в частности о высоком пределе ползучести сталей, Жаростойкиестали могут использоваться для изготовлениятруб, применяемых в устройствах для осуществления реформинга и крекинга, а также в теп.лообменных устройствах, где требуется высо.50кая прочность материала труб, работающих приповышенных температурах, т,е, выше 850 С,Указанная прочность предлагаемых в соответствии с изобретением сталей, работающих приповышенной температуре, позволяет получатьИиз них трубы с более тонкой стенкой.Кроме того, стали, получаемые в соответствии с настоящим изобретением, обладают превосходными характеристиками, которые дела660596 10Кроме этого, внутренняя поверхность труб,получаемых из сталей в соответствии с иэоб.ретением, не имеет деффектов, что дает возможность получать трубы с очень тонкойстенкой и делает их годными для примененияв теплообменниках, поскольку они обладаютхорошей теплопередающей способностью, и вто же время устраняется вероятность быстрогонауглероживания трубы в восстановительнойатмосфере,ют их годными для ковки, проката, выдавли.вания, Свойства предлагаемых сталей позволя.ют получать из них трубы с наружным диаметром 10 мм и толщиной стенки менее 1 мм,которые, в частности, годятся для теплообменников, а также трубы длиной свыше 10 м,Таким образом, количество сварных швов,которые при реформинге, крекинге и в теплообменнике могут стать с течением временипричиной выхода из строя труб, сводится до 1 Оминимума,Таблица 1 Состав сплава,% Структура Предел ползучести при 1000 С че.й рез 1000 ч, кг/мм Образец 100 Литье 1,90 0,40 24,91 19,92 0,04 25,18 20,40 0,08 25,32 19,99 0,14 24,69 20,38 0,20 25,04 19,57 0,31 25,46 20,59 0,43 25,82 20,41 0,65 25,18 20,23 0,82 25,45 19,74 095 2471 2016 1,15 25,38 20,21 Таблица 2 Структурай Предел полз- чести при 1000 С через 1000 ч,гкг/мм" Образ остав сплава 039 25 24 8 29 0,42 25,56 13,51 0,47 25,38 15,70 0,43 25,80 20,46 0,35 25,42 24,82 0,39 24,75 30,67 0,42 24,96 35,53 0,37 25,18 45,40 201 202 203 204 205 206 207 2,10 2,00 аблица 3 Образец 0 Состав сплава,% Температура растворной термообработки, С Г" " "1 Т 3 Т- с 3 О ГЧ ГЧ ООООО о о-- р Ф о о ) а м и 1 с ФФ с 1а ФФй1цэь1 Ц - 00 Г- м О 00м,О.Гч,Гч щ О,00 00 Г ИМ а" О," О"Г,3с 0 Ф 00 м 3 Гч сО "1 О мм 4)О 1 ООС-И:О ооооооооооо ГЧ Г 4 - Г 4 Г 1 М с 3 О ОО ГЧГМММММ : с 1 Ф Ф:" Ф 3 с Ф с 3 5 ым иЦоао Рс й2 ло яБ, ж."Л й м и я оо ао ц., о 1", й О О О О О а О Ом О О Г О О 1 .- 0 ОО О О О - О -" = - " -" О О О Ом О Омм а ОГГСООООООж ООО О СЧ ОмГ Омм О. Ом О О ГО ОГ Г ГООО- ОО мм Омм Оцм о о О ОООООПредельная температура медленного охлаж.дения, С за Предел ползучести,ръ кгмм,85 1,50 1,35 абл и ца редел ползучести, кг/мм а хлаждениев печи Воздуппое охлаждение Закалкав воде 43 25,83 20,41 2,10 1,90,0 Таблица 8 Термообработк Предел полз чести, кг/мм Образец римеан ня став сплава,Тип обраотк 00 С 1000 опостави Ли 5,1 80 0,55 .;1",24 81 006 038 82 0,54 0,42 2,40 1,5 мая сталь Известная 15,58 510 0,75 ч, закалка в вод ьппт, закалка1,5 1,3 тальТо 2533 1,70 1 240 1 83 м 1 ш, мпн, закалка Предлагае ая сталь 24,93 1,80 ,15 Сопостави-2 50 1 65 Предлагае.и СО Г 4 с СО СО1 Щ Ю 00 СО Р о О С О с фЪ ф с С 1 ", о Р С 1 ОО нС ОССФ 1 14 г О О о Г 1 ГЧ е Г