МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

СТАЛИ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ, ОСНОВЫ ИХ ЛЕГИРОВАНИЯ И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ

Принципы легирования теплоустойчивых сталей отличаются от принципов создания конструкционных сталей, так как основным тре­бованием к теплоустойчивым сталям является стабильность структу­ры и свойств при высоких температурах

Наиболее широкое применение теплоустойчивые стали нашли в теплоэнергетике, однако в последнее время низколегированные тепло­устойчивые стали применяются также в химическом машиностроении.

В этом случае, наряду с пределом длительной прочности, выстав­ляется требование и по пределу прочности.

Из низколегированных теплоустойчивых сталей наиболее широ­кое применение в отечественной промышленности нашли Сг—Мо—V стали, например, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Отличаются эти стали, в ос­новном, содержанием молибдена — в первой стали его содержание колеблется в пределах 0,25—0,35 %, а во второй — 0,9—1,2 %.

Длительный опыт эксплуатации этих сталей (более 100 тыс. ч) при температурах до 560 °С на мощных энергоблоках 300—800 Дж подтвердил их хорошую работоспособность и надежность.

Свойства этих сталей, их надежность в процессе длительной служ­бы в исходном состоянии определяются структурой, которая, в свою очередь, определяет механизм их упрочнения.

При правильном выборе химического состава стали и оптимальном режиме термической обработки упрочнение может проходить по трем механизмам в результате фазового наклепа при у -> а превра­щении; дисперсионного твердения частицами второй фазы (в низко­легированных сталях, в первую очередь, карбидов); взаимодействия атомов легирующих элементов (молибдена и пар V—Сг с дислокация­ми в твердом растворе).

Как правило, наибольший вклад в упрочнение вносится в резуль­тате выделения высокодисперсных частиц (в Сг—Mo—V стали, на­пример, карбидов VC) ~55 %, меньший вклад от упрочнения твер­дого раствора ~30 % и наименьший (от фазового наклепа) ~15 %. Однако чем ниже температура использования стали и меньше дли­тельность пребывания стали при высоких температурах, тем значи­тельнее вклад от фазового наклепа. Этот эффект может достигать 30 %.

Механизмы упрочнения частицами второй фазы и фазового на­клепа взаимосвязаны. Создание субструктуры, полученной в резуль­тате фазового наклепа, предопределяет равномерное распределение частиц карбидной фазы, что, в свою очередь, увеличивает эффект дисперсионного твердения, а также способствует наиболее длитель­ному сохранению общего упрочнения.

Все три механизма упрочнения реализуются в Сг—Mo—V стали, подвергнутой закалке и затем отпуску, в интервале максимального выделения мелкодисперсных частиц второй фазы. В этом случае до­стигается максимальная жаропрочность при сохранении удовлетво­рительной длительной пластичности. В этой же стали, подвергнутой нормализации и отпуску, реализуется также три механизма упроч­нения, но только частично. Упрочнение от фазового наклепа является недостаточным и в этом случае жаропрочность значительно ниже, чем в закаленном и отпущенном состоянии. В случае замедленного охлаждения с температуры аустенизации (отжига) или, например, охлаждения особо толстостенных изделий на воздухе реализуется только один механизм упрочнения — от твердого раствора, при этом эффект упрочнения наиболее низкий.

Если рассматривать Сг—Мо стали, содержащие даже в 2—3 раза больше молибдена, но не содержащие ванадий, то в них реализуется только два механизма упрочнения, а именно: от фазового наклепа

и взаимодействия атомов молибдена с дислокациями. Третий механизм отсутствует. Благодаря этому, жаропрочность Сг—Мо сталей зна­чительно ниже, чем Сг—Мо—V. Стабильность структуры, определя­ющей стабильность свойств, значительно ниже, чем в Сг—Мо—V сталей, так как отсутствие термически стабильных частиц карбидов YC приводит к более быстрому протеканию процесса пластической деформации от действия напряжений, а также рекристаллизации. Исходя из этого, Сг—Мо стали, даже с высоким содержанием молиб­дена ~1 %, нецелесообразно использовать при высоких температу­рах и давлениях, а следует применять при низких температурах.

Основные элементы теплоустойчивых низколегированных сталей, хром, молибден, ванадий. Первый является обязательным элементом так как повышает сопротивление стали к коррозии от воздействия воды, пара, газовой среды и других агрессивных сред. Кроме того, хром, входя в твердый раствор, повышает прокаливаемость стали и уменьшает склонность к рекристаллизации, а входя в карбиды М3С, повышает их термическую устойчивость.

Молибден — основной элемент, упрочняющий твердый раствор. Он повышает прокаливаемость стали: чем его больше в стали, тем больше в структуре бейнитной составляющей, и выше кратковремен­ная прочность (пределы прочности и текучести). По данным дифферен­циального фазового анализа примерно 50 % Мо может находиться

в твердом растворе и 50 % — в карбидной фазе. Причем молибден распределяется между тремя карбидами, находящимися в стали, М3С, VC и М23Св. Молибден, входя в карбиды, способствует повыше­нию их термической устойчивости, а также влияет на их размеры — уменьшает их.

Ванадий — основной элемент, вызывающий эффект дисперсион­ного твердения. В результате отпуска из пересыщенного твердого раствора выделяются высокодисперсные частицы карбида VC, вызы­вающие значительное упрочнение. Причем чем мельче эти частицы и чем равномернее они распределены и больше их плотность, тем больше упрочнение. Однако ~25—30 % V входит в твердый раствор* вызывая его упрочнение.

Содержание этих элементов в стали должно быть строго опре­делено: оно зависит от общего химического состава стали, входя­щих в сталь других элементов, а также содержания углерода в ней. Повышенное содержание одного иэ этих элементов не способствует упрочнению стали, а в некоторых случаях даже уменьшает его. Ра­нее было сказано, что увеличение содержания молибдена в стали до 1—1,5 % не повышает ее свойства, а способствует тому, что образу­ются новые карбидные фазы, не способствующие упрочнению.

Никель и марганец являются элементами, снижающими жаропроч* ные свойства, прежде всего, потому, что они понижают критические точки и разупрочнение происходит при более низких температурах. Однако, как известно, эти элементы способствуют повышению крат­ковременной прочности. Исходя из сказанного, никель и марганец вводят в жаропрочные стали в ограниченных количествах.

В таблице приведен химический состав сталей, применяемых в СССР и за рубежом для изготовления сосудов высокого давления в сварном многослойном рулонированном исполнении, а также меха­нические свойства и температура их использования. Кан видно, наименее легированная сталь 08Г2СФБ рассчитана на применение

до 300 °С, затем следуют стали примерно одинакового легирования — 12ХГНМ (СССР), применяемая до 450°, 2Н — Super (Япония) и Т1 (США). Эти стали содержат повышенное количество никеля, марган­ца, хрома, молибдена и обеспечивают кратковременную прочность при 20 °С, равную 700—800 МПа.

В течение последних пяти лет усилиями трех институтов: ЦНИИчермет, ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и ИркутскНИИхиммаш сталь 12ХГНМ была несколько усовершенствована с тем, чтобы ее можно было использовать до более высоких температур (до 560 °С). В сталь был введен ванадий в количестве ~ 0,1%, а также уменьшено содержание марганца, хрома, никеля. Уменьшение содержания этих элементов и введение ванадия в сталь привело к повышению сопротив­ления ползучести, а также сделало сталь более технологичной в про­цессе горячей деформации. В конце таблицы приведен примерный состав новых, созданных ЦНИИчермет и ИЭС, экономнолегированных сталей. Это не один состав разработанных сталей, а несколько. Об этих сталях будет сказано ниже.

На рисунке показаны кривые ползучести при температуре 560 °С и напряжении 100 МПа сталей, химический состав которых был при­веден выше. Как видно, наименьшее сопротивление ползучести имеет сталь 12ХГНМ. Только уменьшение содержания марганца и никеля уже приводит к тому, что сопротивление ползучести повышается (рисунок, кривая 2); введение ванадия в количестве 0,15 % также повышает сопротивление ползучести (рисунок, кривая 3). В том слу­чае, если одновременно понижается содержание никеля и марганца, вводится ванадий в количестве 0,13 %, сопротивление ползучести сильно повышается. Для разработанной стали 12ХГНМФ при задан­ных температуре и напряжении (рисунок, кривая 4) скорость ползу­чести практически равна нулю.

Сталь 12ХГНМФ с пониженным содержанием никеля и марганца следует отнести к стали бейнитного класса^ в которой только при

очень малых скоростях охлаждения ~5 град/с выделяется феррит. Эта сталь, подданным сотрудников ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, лучше сваривается, чем сталь 12ХГНМ.

Несмотря на то что в стали 12ХГНМФ, по сравнению со сталью 12ХГНМ, уменьшено содержание легирующих элементов, она все равно содержит достаточно много дефицитных элементов. Как извест­но, никель и молибден являются остро дефицитными элементами^ благодаря чему широкое использование сталей, содержащих эти элементы, становится ограниченным.

Учитывая полученные данные по сопротивлению ползучести ис­следованных сталей, одним из эффективных направлений создания более экономнолегированных сталей можно считать комплексное микролегирование поверхностно активными элементами — бороду РЗМ, цирконием и титаном. Сочетание и количество этих элементов должно быть строго определенным, исходя из их свойств и механизма влияния. Заметим, что эти элементы должны вводиться в опреде­ленной последовательности.

В настоящее время созданы теплоустойчивые стали, предна­значенные для работы при 560 °С* с комплексным микролегированием и уменьшенным содержанием никеля и молибдена и не содержа­щих их в своем составе. Предел прочности этих сталей при 20 °С ^колеблется от 650 до 800 МПа в зависимости от их легирования. Поэтому при выборе сталей необходимо учитывать свойства и мас­совость производства этих сталей, а также дефицитность легирую­щих элементов. Может быть, при выборе стали в некоторых случаях можно поступиться несколько свойствами, особенно в тех случаях^ когда производство этих сталей должно быть массовым.