Способ термической обработки проката из малоуглеродистой низколегированной стали

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве (термической обработке) толстого листа, в том числе заготовки (штрипса) для электросварных нефтегазопроводных труб большого диаметра, а также труб из низколегированной стали, к свойствам которых предъявляются повышенные требования прочности, пластичности, хладостойкости, стойкости против коррозионного растрескивания в наводороживающих средах. Техническим результатом изобретения является получение в процессе термической обработки проката из низколегированной стали с особомелкозернистой структурой и низкой плотностью дислокаций для обеспечения комплекса повышенных свойств прочности, пластичности, ударной вязкости и % вязкой составляющей в изломе образцов DWTTT при отрицательных температурах, а также стойкости к коррозионному растрескиванию в наводороживающих средах. Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ термообработки проката из низколегированной стали включает в себя: нормализацию с прокатного нагрева при регламентированной температуре конца прокатки (Аr₃+100)-(Аr₃+150)°С; закалку (1) при нагреве в аустенитную область температур выше Ас₃ с выдержкой и последующим охлаждением водой; закалку (2) при нагреве в ферритно-аустенитную область температур в интервале (Ас₁+80)-(Ас₃-30)°С с выдержкой и последующим охлаждением водой; высокий отпуск при температуре (500-Ас₁)°С с выдержкой и последующим охлаждением на воздухе. 2 с.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве (термической обработке) толстого листа, в том числе заготовки (штрипса) для электросварных нефтегазопроводных труб большого диаметра, а также труб из низколегированной стали, к свойствам которых предъявляются повышенные требования прочности, пластичности, хладостойкости, стойкости против коррозионного растрескивания в наводороживающих средах.

В современном металлургическом производстве при изготовлении из низколегированной конструкционной стали листового проката, в частности, штрипса для электросварных труб повышенной прочности (предел текучести более 450 H/мм²) используются способы термомеханической обработки (контролируемая прокатка), а также термическое улучшение (закалка и высокий отпуск) [1].

Одним из основных преимуществ данных способов обработки является существенное измельчение действительного зерна, за счет чего достигается комплекс повышенных для данного класса сталей свойств, особенно хладостойкости. Измельчению грубой микроструктуры проката из низколегированных сталей способствует "нормализационная прокатка" [2] или нормализация с прокатного нагрева, связанная с пониженной, регламентированной температурой конца прокатки в нижней части аустенитной области при температурах около 880^oC.

Однако осуществление способа контролируемой прокатки листа требует специального прокатного оборудования повышенной мощности, а в структуре имеет место слоистость (текстура) и внутренняя напряженность (высокая плотность дислокаций 10⁹ - 10¹⁰ см^-2), снижающие ее надежность при работе в условиях объемного нагружения и коррозионных наводороживающих сред.

Недостатком способа термического улучшения является трудная разупрочняемость при отпуске закаленной на бейнитно-мартенситную структуру низколегированной стали, содержащей добавки карбонитридообразующих элементов (ванадий, ниобий и др.), за счет чего понижаются свойства хладостойкости и стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением [3].

Известен способ термической обработки листовой низколегированной стали для электросварных труб, включающий первую нормализацию при нагреве в аустенитную область (выше критической точки Ac₃) и повторную нормализацию при нагреве в 2-фазную ферритно-аустенитную межкритическую область температур (Ac₁ - Ac₃) [4].

Однако при такой обработке не отмечено измельчение действительного зерна, наблюдается только равномерность распределения (без полосчатости) структурных составляющих. За счет этого сталь имеет недостаточный уровень прочности и хладостойкости.

Известен способ термообработки проката, преимущественно листового, из низколегированных малоуглеродистных сталей, включающий (1) закалку с температурой выше Ac₃, (2) нагрев в интервале Ac₁ - Ac₃ с последующим охлаждением на воздухе и (3) высокий отпуск. При этом операции (2) и (3) производятся без выдержки на заданной температуре [5].

Недостатком этого способа являются малые выдержки при нагреве под нормализацию в межкритическую область температур, за счет чего количество образующегося аустенита и измельчение структуры недостаточно, а при отпуске мартенситно-бейнитные структуры мало разупрочняются и не обеспечивают повышенный уровень пластичности и хладостойкости.

Наиболее близким по технической сущности и полученному результату к предлагаемому (прототипом) является способ термической обработки проката (труб нефтяного сортамента) и мало- и среднеуглеродистых низколегированных сталей, включающий нормализацию с прокатного нагрева первый нагрев в аустенитную область температур выше Ac₃ до Ac₃ - (Ac₃ + 50)^oC, охлаждение в воде; второй нагрев в межкритический интервал температур (Ac₁ - Ac₃), охлаждение в воде и высокий отпуск в интервале температур (550 - Ac₁)^oC [6].

Этот недостаток несколько повышает вязкие свойства стали, сохраняет достаточный уровень пластичности, но не обеспечивает требуемую хладостойкость.

Таким образом, существующие способы термической обработки проката из низколегированных сталей не позволяют получить требуемый, в частности к штрипсу для электросварных труб большого диаметра категории прочности К60 (Х70 по стандарту API, США), уровень прочностных свойств, а также хладостойкости и стойкости против коррозионного растрескивания в наводороживающих средах.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение, в процессе термической обработки, проката из низколегированной стали с особомелкозернистой структурой и низкой плотностью дислокации для обеспечения комплекса повышенных свойств прочности, пластичности, ударной вязкости и доли вязкой составляющей в изломе образцов DWTT при отрицательных температурах, а также стойкости к коррозионному растрескиванию в наводороживающих средах.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ термообработки проката из низколегированной стали включает в себя: - нормализацию с прокатного нагрева при регламентированной температуре конца прокатки (Ar₃ + 100) - (Ar₃ + 150)^oC; - закалку (1) при нагреве в аустенитную область температур выше Ac₃ с выдержкой и последующим охлаждением водой; - повторную закалку (2) при нагреве в ферритно-аустенитную межкритическую область температур в интервале (Ac₁ + 80) - (Ac₃ + 30)^oC с выдержкой и последующим охлаждением водой; - высокий отпуск при температуре (500 - Ac₁)^oC с выдержкой и последующим охлаждением на воздухе.

Отличие предлагаемого способа термической обработки проката от способа-прототипа состоит в том, что перед закалкой (1) с нагревом выше критической температуры Ac₃ проводят нормализацию с прокатного нагрева при температуре конца прокатки (Ar₃ + 100) - (Ar₃ + 150)^oC, а повторную закалку (2) ведут от температуры нагрева в узком интервале межкритической области температур (Ac₁ + 80) - (Ac₃ - 30)^oC с получением 60-90% аустенита.

Входящие в предлагаемый способ операции термообработки взаимно дополняют друг друга в достижении технического результата. Нормализация с прокатного нагрева при температуре конца прокатки (Ar₃ + 100) - (Ar₃ + 150)^oC позволяет частично пройти процессам рекристаллизации и получить однородное несколько измельченное зерно; при температуре конца прокатки T_кп > (Ar₃ + 150)^oC наблюдается увеличение размера аустенитного зерна и соответствующее снижение % вязкой составляющей в изломе образцов DWTT; понижение температуры конца прокатки T_кп < (Ar₃ + 100)^oC не дает эффекта повышения свойств пластичности и хладостойкости при больших энергетических затратах. Закалка (1) из аустенитной области температур нагрева выше Ac₃ дает полную перекристаллизацию и дополнительное измельчение зерна стали. Закалка (2) из узкого интервала температур (Ac₁ + 80) - (Ac₃ - 30)^oC межкритической области создает многокомпонентную (феррит, верхний бейнит, мартенсит "старый", образовавшийся после закалки (1), и "новый" мартенсит), особомелкозернистью структуру стали, которая после высокого отпуска имеет относительно низкую плотность дислокаций. Закалка (2) от температуры нагрева ниже (Ac₁ + 80)^oC приводит к снижению прочностных свойств стали ниже требуемого уровня за счет получения малого количества упрочняющей фазы ("новый" мартенсит"); при температуре закалки (2) выше (Ac₃ - 30)^oC количество упрочняющей фазы возрастает и, соответственно, пластичность и % вязкой составляющей в изломе образцов DWTT, снижаются ниже требуемого уровня.

Предлагаемый способ термообработки проката был осуществлен в промышленных условиях ОАО "Северсталь" применительно к штрипсу толщиной 15,7 мм из низколегированной стали марки 10Г2ФБ (ТУ 14-1-4034-96 и др.) для электросварных труб большого диаметра категории прочности K60.

Химический состав опытной стали 10Г2ФБ - 0,10%C; 1,63% Mn; 0,39% Si; 0,014 P; 0,005% S; 0,013% Ti; 0,04% Al; 0,042% Nb; 0,11% V; 0,010% N. Критические точки для этой стали: Ac₁ = 730^oC; Ac₃ = 880^oC; Ar₃ = 780^oC.

Основные элементы технологии производства стали: выплавка в электродуговых печах, внепечная обработки, непрерывная разливка в сляб, прокатка листа на стане "2800" с регламентированной температурой конца прокатки T_кп (нормализация с прокатного нагрева). Последующие операции закалки (1) и (2), а также высокого отпуска осуществлялись при нагреве в проходных газовых печах с временем выдержки 2 - 5 мин/мм; закалочное охлаждение водой со скоростью 30 - 60 град/с.

На металле штрипса и исследовалась микроструктура, в т.ч. тонкая на фольгах под электронным микроскопом с оценкой плотности дислокаций; определялись прочностные, пластические свойства и ударная вязкость, а также оценивалась хладостойкость и стойкость против сероводородного растрескивания.

Стандартные механические свойства (σ_B, σ_0,2, δ₅) определяли на пятикратных образцах диаметром 6 мм на разрывной машине ИМ-4P.

Ударную вязкость определяли на поперечных образцах размером 10х10х55 мм с радиусом надреза 1 мм (тип I) и 0,25 мм (тип IV) согласно ГОСТ 9454 на маятниковом копре МК-30 при температурах -60 и -20^oC, соответственно.

Хладостойкость определяли методом (РМИ 246-28-96) испытания на ударный изгиб при -20^oC полноразмерных (δ · 75 · 305 мм) образцов DWTT, с оценкой доли (%) вязкой составляющей в изломе.

Оценка стойкости металла против сероводородного растрескивания проводилась по методике ТМ 01-77-90 (NACE) при постоянной нагрузке (σ = 0,8σ_0,2) образцов диаметром 6 мм на машине длительной прочности типа АИМА-5-1 в водном растворе 5% NaCl, подкисленным уксусной кислотой (0,5%) до pH 3,5 - 3,8, с оценкой времени до разрушения или порогового напряжения на базе 720 ч.

Опробованные режимы и полученные данные приведены в таблице. Видно, что предлагаемый по изобретению режим N 2 и 3 термической обработки листа, включающий в себя отличительные операции: нормализацию с прокатного нагрева от регламентируемой температуры конца прокатки в отличие от нерегламентируемой - по режиму прототипу N 6; повторную закалку (2) из ферритно-аустенитной межкритической области температур (Ac₁ + 80) - (Ac₃ - 30)^oC с обеспечением образования от 60 до 90% аустенита (против 50% по режиму прототипу N 6) позволяет существенно в 3,5 раза измельчить зерно и за счет этого повысить % вязкой составляющей в изломе образцов DWTT_-20 до 100% против 65%, а также повысить более чем на 80% стойкость против сероводородного растрескивания. Сталь при этом имеет сравнительно низкую плотность дислокаций ρ = 10⁸ см^-2.

Повышение (до 860^oC, режим N 4) или понижение (до 800^oC, режим N 1) температуры нагрева под закалку (2) с образованием 98 и 40% аустенита, соответственно, выходящие за рамки предлагаемого температурного режима (Ac₁ + 80) - (Ac₃ - 30)^oC с образованием 60 - 90% аустенита, приводят к снижению хладостойкости - % вязкой составляющей в изломе образцов DWTT_-20 только 38 и 75%, соответственно (требуется 85%); одновременно снижается ниже требуемого уровень пластичности (режим N 4), также уменьшается стойкость против сероводородного растрескивания.

Металл штрипса, обработанный по предлагаемым режимам, по уровню прочностных, пластических свойств и ударной вязкости не уступает металлу штрипса после термоулучшения (режим N 5), однако по хладостойкости (% В.С. DWTT_-20) существенно (на 69%) превосходит.

Итак, использование предлагаемого по изобретению способа термической обработки проката из низколегированной стали обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: 1. Получение особомелкозернистой многокомпонентной структуры с относительно низкой плотностью дислокаций.

2. Повышение хладостойкости одновременно с высоким уровнем прочности и пластичности.

3. Повышение стойкости к коррозионному растрескиванию в наводороживающих средах.

4. Возможность использования имеющихся на металлургических и трубных заводах проходных закалочных и отпускных печей без реконструкции прокатного оборудования.

Источники информации 1. Основы процессов контролируемой прокатки. Ниобий информация 7/94.

2. Нормализованные высокопрочные низколегированные стали. Ниобий информация 9/95.

3. МиТОМ, 1984, N 2, с. 8 - 10.

4. Сталь, 1978, N 5, с. 457 - 460.

5. Авторское свидетельство СССР N 954446, кл. C 21 D 9/46, C 21 D 1/78.

6. Патент РФ N 2096495, кл. C 21 D 9/08.

Формула изобретения

1. Способ термической обработки проката из малоуглеродистой низколегированной стали в виде листа или трубы, включающий нормализацию с прокатного нагрева, закалку с нагревом выше критической температуры A₃ и охлаждением водой, повторную закалку с нагревом в межкритическую область температур и охлаждением водой, высокий отпуск с нагревом до температуры (500 - Ac₁)^oC и охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что нормализацию осуществляют с температуры конца прокатки, находящейся в интервале (Ar₃+100) - (Ar₃+150)^oC, а нагрев под повторную закалку ведут в интервале (Ac₁+80) - (Ac₃-30)^oC.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев под повторную закалку из межкритической области температур ведут до получения 60-90% аустенита.

РИСУНКИ

Рисунок 1