Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали, и может быть использовано для изготовления корпусов арматуры и трубопроводов для высокого давления, преимущественно для труб линий получения полиэтилена высокого давления. Задачей изобретения является создание стали, обладающей высокими прочностными свойствами в диапазоне температур 20-350ºС в сочетании с повышенными значениями вязкости и пластичности. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: углерод 0,26-0,32, кремний 0,17-0,33, хром 1,55-1,85, никель 1,8-2,2, молибден 0,3-0,5, ванадий 0,10-0,15, марганец 0,25-0,45, азот 0,005-0,015, кальций 0,005-0,055, магний 0,003-0,025, иттрий 0,02-0,06, железо остальное, при выполнении следующих условий: сумма азота и углерода ≦0,33. 4 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления корпусов арматуры и трубопроводов высокого давления, преимущественно, для труб линий получения полиэтилена высокого давления. Наиболее близкой по технической сущности к достигаемому результату к предлагаемой является сталь (Ту 108.1029-81) марки И6ХНЗМ2ФА. следующего состава: мас. углерод 0,25-0,35, кремний 0,06, хром 1,3-1,7, никель 3,4-3,8, молибден 0,5-0,7, ванадий 0,12-0,18, марганец 0,3-0,6, железо остальное.

Эта сталь имеет следующие достаточно высокие значения прочностных свойств предел прочности не ниже 930 МПа, предел текучести 813-883 МПа.

Эта сталь имеет удовлетворительную свариваемость, достаточно высокий уровень прочностных длительных и кратковременных свойств при температурах до 550^oС, однако пластические и вязкие свойства известной стали в диапазоне 20-З50^oС, как показали испытания, являются недостаточно высокими.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание стали, обладающей высокими прочностными свойствами в диапазоне температур 20-350^oС в сочетаниb с повышенными значениями вязкости и пластичности.

Для достижения указанной задачи сталь, содержащая углерод, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, марганец, кальций и железо, дополнительно содержит азот, магний, иттрий при следующем соотношении ингредиентов, мас. углерод 0,26-0,32; кремний 0,17-0,33; хром 1,55-1,85; никель 1,8-2,2; молибден 0,3-0,5; ванадий 0,10-0,15; марганец 0,25-0,45; азот 0,005-0,015; магний 0,003-0,025; иттрий 0,02-0,06; железо остальное.

При этом должны выполняться следующие соотношения: 0,185 ≅К≅0,290, где , а суммарное содержание азота и углерода ≅0,33 мас.

Вновь введенные в сталь элементы иттрий и магний в определенной концентрации, в сочетании с легирующим комплексом стали и при выполнении условий 0,185≅К≅0,290 и сумма азота и углерода ≅0,33 мас. позволяют повысить пластические и вязкие свойства стали, снизить переходную T₅₀ хрупкости за счет сфероидизации сульфидных включений, рафинирования стали от кислорода, изменения морфологии неметаллических включений и образования сложных мелкодисперсных нитридных и карбонитридных включений глобулярной формы. Иттрий в выбранном интервале легирования способствует десульфарации и рафинированию стали от кислорода. Изменяет морфологию неметаллических включений, что способствует повышению вязкости и эластичности стали, снижению переходной температуры хрупкости. Введение в сталь иттрия в концентрации менее 0,02% неэффективно, так как его влияние не проявляется, а превышение концентрации над 0,06% не улучшает далее свойств стали и с экономической точки зрения не рентабельно.

Магний снижает упругость паров и, тем самым, повышает термодинамическую активность кальция, способствуя более эффективному модифицированию и рафинированию стали. Содержание его менее 0,003% не эффективно, а превышение концентрации над 0,025% не оказывает дополнительного эффекта.

Из источников информации известно, что такие элементы как иттрий и магний, уже нашли применение при разработке новых марок сталей. Особенно широко применяется монолегирование стали иттрием. Иттрий широко вводится в стали в интервале микролегирования (0,001-0,5 А.С. СССР N 595420, кл. С 22 С 38/58, 1976) как для модифицирования, так и со специально создаваемыми свойствами. С целью повышения стойкости материала к окислению вводится он в стали, предназначенные для вязких температур (А. С.СССР N 827586, кл. С 22 С 38/50, 1979, иттрий 0,0005-0,03 мас. и 0,0001-0,01 мас. А.С. СССР N 823451, кл. С 22 С 38/38, 1979).

Магний также нашел применение при легировании сталей, в частности для литых материалов (магний 0,005-0,05% А.С.СССР N 711155, кл. С 22 С 38/46) и в сталях конструкционного назначения, где его применение совместно с иттрием (магний 0,005-0,01% и иттрий 0,05-0,1 мас. А.С.СССР N 1027272, кл. С 22 С 38/34, 1987).

В ходе патентного поиска не было обнаружено сталей одновременно легированных иттрием и магнием при ограничениях, определяющих заявляемое соотношение ингредиентов, имеющих высокий уровень прочностных свойств в диапазоне температур 20-350^oС при одновременном сочетании их с повышенными значениями вязкости и пластичности.

На основании вышеизложенного авторы считают, что заявляемая сталь соответствует критерию охраноспособности "Изобретательский уровень".

Для получения стали были изготовлены 13 плавок, химический состав которых приведен в табл. 1.

Металл опытных плавок заявляемой стали, стали-прототипа 26ХНЗМ2ФА был выплавлен в открытой высокочастотной индукционной печи с основным тиглем.

Ограничения по содержанию каждого из элементов, указанные в табл. 1, связаны с комплексным влиянием на свойства стали всей совокупности элементов в целом и каждого из них в отдельности, а также экономическими соображениями и были установлены экспериментальным путем.

Полученные слитки были распакованы по технологии, принятой для стали 26ХНЗМ2ФА по ТУ 108.11.837-85, и термически обработаны на заданный уровень прочности по режиму: закалка от 850^oС в масло и высокий отпуск при 620^oС в течение 4 ч.

Испытания заявляемой стали, стали-прототипа стали 26ХНЗМ2ФА проводились в соответствии с ГОСТ 1497-73 (статическое растяжение ГОСТ 9651-73 (статическое растяжение при повышенных температурах), ГОСТ 9454-78 (ударная вязкость и переходная температура хрупкости T₅₀), ГОСТ 9012-59 (твердость сталей), а также по методике, разработанной в НПО ЦКТИ испытания деформационной способности сталей. Результаты испытаний представляют собой средние значения 5-6 измерений.

Механические свойства заявляемой стали и стали-прототипа при 20^oС и повышенных температурах приведены в табл. 2. Как следует из приведенных данных, результаты, полученные на плавках NN 2, 5, 6, где не выполняются условия 0,185≅К≅0,290 и сумма азота и углерода ≅0,33 ниже, чем для остальных экспериментальных составов.

В табл. 3 приведены результаты исследования деформационной способности заявляемой стали, стали 26ХНЗМ2ФА и стали-прототипа при 350^oС.

В табл. 4 приведена ударная вязкость сталей при 20^oС после тепловой выдержки при 450^oС.

Под исходным состоянием в табл. 4 понимается состояние стали после термической обработки по приведенному выше режиму.

Из приведенных выше результатов исследования видно, что у заявляемой стали (по отношению к стали-прототипу стали 26ХВЗМ2ФА) и при выполнении условий заявки: 0,185≅K≅0,290 и сумма азота и углерода ≅0,33 повышается кратковременная пластичность на 2,5-7,0% кратковременное сужение на 15-25% деформационная способность (длительная пластичность) на 3-7% Возрастает также ударная вязкость стали в исходном состоянии и после тепловой выдержки при 450^oС в среднем на 0,75-0,95 МДж/м² и по отношению к стали 26ХНЗМ2ФА снижается переходная температура хрупкости на 10-25^oС. При этом уровень прочностных свойств стали практически не изменился и находится на одном уровне со свойствами стали-прототипа и стали 26ХНЗМ2ФА. Такое улучшение свойств достигается за счет оптимизации соотношения элементов внутри легирующего комплекса стали, дополнительного ее модифицирования иттрием, введением магния, приводящих к наиболее оптимальному структурному состоянию.

Предлагаемый материал проходит в настоящее время опытно-промышленное опробывание в качестве материала фитингов для устaнoвок нефтепереработки в химической промышленности. ТТТ1

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, марганец, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот, кальций, иттрий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,26 0,32 Кремний 0,17 0,33 Хром 1,55 1,85 Никель 1,8-2,2 Молибден 0,3-0,5 Ванадий 0,10-0,15
Марганец 0,25-0,45
Азот 0,005-0,015
Кальций 0,005-0,055
Магний 0,003-0,025
Иттрий 0,02-0,06
Железо Остальное
при выполнении следующих соотношений: сумма азота и углерода ≅ 0,33,

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3