Патент на изобретение №2333967

(54) ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ, МОЛИБДЕНСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств заготовку получают из стали, содержащей в мас.%: углерод 0,35-0,41, марганец 0,50-0,80, кремний 0,17-0,37, хром 0,50-0,80, молибден 0,08-0,14, ниобий 0,005-0,06, ванадий 0,005-0,12, медь 0,005-0,25, азот 0,005-0,015, мышьяк 0,0001-0,03, олово 0,0001-0,02, свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси – остальное при соотношении: (As+Sn+Pb+5×Zn)0,07; [C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5]0,71. Примеси (мас.%): фосфор не более 0,045, сера не более 0,045, никель не более 0,25. Заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной, термоулучшенной и имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов. По макроструктуре – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски не более 1 балла. По неметаллическим включениям: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 баллов по каждому виду включений. Механические свойства заготовки – временное сопротивление разрыву не менее 600 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм повышенной прокаливаемости и пониженной склонности к различным видам хрупкого разрушения.

Известна трубная заготовка из легированной молибденсодержащей стали, включающей углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан, сурьму, олово, мышьяк и железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные механические свойства, структуру (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Известна трубная заготовка из легированной молибденсодержащей стали, включающей углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан, железо и неизбежные примеси, горячекатаная, имеющая заданные механические свойства, структуру (RU 2251587 C2, 10.05.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из легированной молибденсодержащей стали, является, с одной стороны, обеспечение однородности микро- и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны – обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, теплостойкости, на минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, а также повышенной стойкости к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка из легированной молибденсодержащей стали, имеющая заданные параметры механических свойств, структуры и прокаливаемости выполнена из стали, содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

при выполнении следующих соотношений:

сумма (мышьяк + олово + свинец + 5 × цинк)0,07;

[углерод + марганец/6 + (хром + молибден + ванадий + ниобий)/5]0,71.

Трубная заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной и термоулучшенной, имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 балл, макроструктуру – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 балла по каждому виду, ликвационные полоски не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 балл по каждому виду включений, механические свойства термоулучшенной заготовки: при содержании ванадия не более 0,02 мас.% и ниобия не более 0,02 мас.% – временное сопротивление разрыву не менее 600 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 17%, относительное сужение не менее 45%, при содержании ванадия не более 0,02 мас.% и ниобия 0,03-0,06 мас.% – временное сопротивление разрыву не менее 620 Н/мм², предел текучести не менее 450 Н/мм², относительное удлинение не менее 17%, относительное сужение не менее 45%, при содержании ванадия 0,08-0,12 мас.% и ниобия не более 0,02 мас.% – временное сопротивление разрыву не менее 640 Н/мм², предел текучести не менее 490 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%, при содержании ванадия 0,08-0,12 мас.% и ниобия 0,03-0,06 мас.% – временное сопротивление разрыву не менее 680 Н/мм², предел текучести не менее 510 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,045, серу не более 0,045, никель не более 0,25.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, повышенной прокаливаемости и повышенной сопротивляемости различным видам хрупкого разрушения.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,41%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0,35% – обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ниобий и ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом ниобий управляет процессами в верхней части аустенитной области, в то время как ванадий – в нижней (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер –-превращения). Верхняя граница содержания ванадия – 0,12% и ниобия – 0,06% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0,005% и 0,005% – обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца – 0,80%, молибдена – 0,14% и хрома – 0,80% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний – марганца – 0,50%, молибдена – 0,08% и хрома – 0,50% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию – 0,17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно сказывается на характеристиках пластичности стали.

Медь определяет характеристики горячей пластичности стали. При этом нижний уровень ее содержания – 0,005% определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень – 0,25% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота – 0,015% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел – 0,005% – вопросами технологичности производства.

Мышьяк, олово, свинец и цинк – цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний – (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/50,71 определяет характеристики теплостойкости и вязкости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект – повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной теплостойкости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Примеры осуществления изобретения

Выплавка четырех вариантов исследуемой стали с химическим составом в мас.%:

1 – углерод 0,37, марганец 0,67, кремний 0,26, хром 0,77, молибден 0,10, ниобий 0,005, ванадий 0,005, медь 0,06, мышьяк 0,010, олово 0,006, свинец 0,004, цинк 0,001, азот 0,009;

2 – углерод 0,35, марганец 0,69, кремний 0,27, хром 0,71, молибден 0,11, ниобий 0,04, ванадий 0,005, медь 0,05, мышьяк 0,009, олово 0,005, свинец 0,004, цинк 0,001, азот 0,007;

3 – углерод 0,37, марганец 0,65, кремний 0,22, хром 0,68, молибден 0,10, ниобий 0,005, ванадий 0,09, медь 0,06, мышьяк 0,009, олово 0,006, свинец 0,005, цинк 0,001, азот 0,008;

4 – углерод 0,39, марганец 0,69, кремний 0,21, хром 0,72, молибден 0,13, ниобий 0,04, ванадий 0,11, медь 0,06, мышьяк 0,009, олово 0,004, свинец 0,004, цинк 0,001, азот 0,008.

Выплавку производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производят продувку металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляют алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производят наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводку металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергают вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производят окончательную корректировку по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывают силикокальцием и передают на разливку. Разливку производят на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 м/мин с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждают в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 1180-1150°С и заканчивают при температуре 840-950°С.

Механические характеристики при комнатной температуре определяли на образцах типа I, ГОСТ 1497-84 на испытательной машине “INSTRON-1185” с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца – 5 мм/мин. Определяли характеристики прочности _b и _0.2 и пластичности – и .

Средние значения характеристик подсчитывали по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивали с использованием критерия Стьюдента, вычисляемого следующим образом:

где: M₁ и M₂ – средние значения сравниваемых величин; S₁ ² и S₂ ² – дисперсии среднего; t_kr ^0.05() – критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы – .

Макроструктуру контролировали в соответствии с ТУ 14-1-5212-93 и ГОСТ 10243-75.

В результате горячей прокатки получают трубные заготовки 100 мм, длиной – 10000 мм из сталей соответствующих составов 1-4:

Пример 1: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна – 9. Макроструктура: центральная пористость – 1 балл, точечная неоднородность – 1 балл, ликвационный квадрат – 1 балл, подусадочная ликвация – 0,5 балл, ликвационные полоски – 1 балла. Неметаллические включения: сульфиды – 1 балл, оксиды точечные – 1 балл, оксиды строчечные – 2 балла, силикаты хрупкие -1 балл, силикаты пластичные – 2 балла, силикаты недеформирующие – 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 620 Н/мм², предел текучести 450 Н/мм², относительное удлинение – 18%, относительное сужение – 52%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025

C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5=0,658

Пример 2: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна – 9. Макроструктура: центральная пористость – 0,5 балл, точечная неоднородность – 1 балл, ликвационный квадрат – 1 балл, подусадочная ликвация – 1 балл, ликвационные полоски – 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды – 1 балл, оксиды точечные – 1 балл, оксиды строчечные – 2 балла, силикаты хрупкие – 1 балл, силикаты пластичные – 1 балл, силикаты недеформирующие – 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 642 Н/мм², предел текучести 470 Н/мм², относительное удлинение – 18%, относительное сужение – 45%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,023

C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5=0,636

Пример 3: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна – 9. Макроструктура: центральная пористость – 0,5 балл, точечная неоднородность – 2 балла, ликвационный квадрат – 1 балл, подусадочная ликвация – 1 балл, ликвационные полоски – 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды – 1 балл, оксиды точечные – 2 балла, оксиды строчечные – 1 балл, силикаты хрупкие – 2 балла, силикаты пластичные – 2 балла, силикаты недеформирующие – 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 656 Н/мм², предел текучести 492 Н/мм², относительное удлинение – 16%, относительное сужение – 41%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025

C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5=0,660

Пример 4: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна – 8. Макроструктура: центральная пористость – 1 балл, точечная неоднородность – 1 балл, ликвационный квадрат – 1 балл, подусадочная ликвация – 1 балл, ликвационные полоски – 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды – 1 балл, оксиды точечные – 2 балла, оксиды строчечные – 1 балл, силикаты хрупкие – 1 балл, силикаты пластичные – 2 балла, силикаты недеформирующие – 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 688 Н/мм², предел текучести 530 Н/мм², относительное удлинение – 15%, относительное сужение – 40%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025

C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5=0,660

Внедрение трубной заготовки из легированной стали обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости и теплостойкости, низком содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуре проката.

Формула изобретения

1. Трубная заготовка из легированной молибденсодержащей стали, имеющая заданные параметры механических свойств, структуры и прокаливаемости, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

при выполнении соотношений компонентов:

(мышьяк + олово + свинец + 5 · цинк)0,07;

[углерод + марганец/6 + (хром + молибден + ванадий + ниобий)/5]0,71,

при этом получена непрерывнолитой, горячекатаной и термоулучшенной,имеет пластинчатую ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру вида: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски не более 1 балла, неметаллические включения вида: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 баллов по каждому виду включений, механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 600 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас%: фосфор не более 0,045, сера не более 0,045, никель не более 0,25.

3. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия не более 0,02 и ниобия не более 0,02, она имеет временное сопротивление разрыву не менее 600 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 17%, относительное сужение не менее 45%.

4. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия не более 0,02 и ниобия 0,03-0,06 она имеет временное сопротивление разрыву не менее 620 Н/мм², предел текучести не менее 450 Н/мм², относительное удлинение не менее 17%, относительное сужение не менее 45%.

5. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия 0,08-0,12 и ниобия 0,03-0,06 она имеет временное сопротивление разрыву не менее 680 Н/мм², предел текучести не менее 510 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%.