Трубная заготовка из легированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для получения благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости трубная заготовка изготовлена из стали, содержащей в мас.%: углерод 0,16-0,21, марганец 0,70-1,10, кремний 0,17-0,37, хром 0,80-1,10, никель 0,80-1,10, молибден 0,005-0,11, ванадий 0,002-0,015, титан 0,001-0,015, сера 0,020-0,035, кальций 0,001-0,010, 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 следующем соотношении элементов As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; Са/S≥0,065; C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15≤0,70. В качестве неизбежных примесей сталь содержит (мас.%) ниобий не более 0,02, фосфор - не более 0,035. Прокат 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 2 баллов. 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 после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 485 Н/мм², предел текучести не менее 320 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из легированной стали повышенной обрабатываемости резанием.

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, азот, хром, никель, медь, ниобий, молибден, алюминий, титан, железо и неизбежные примеси, горячекатаная (RU 2251587 C2, С22С 38/60, 10.05.2005).

Наиболее близким аналогом является трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, ниобий, титан, алюминий, кальций, серу, фосфор, азот, медь, сурьму, олово, мышьяк, молибден, железо остальное, горячекатаная, с заданными параметрами металлургического качества, структуры, механических свойств, прокаливаемости (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

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

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, удовлетворительной свариваемости и повышенной обрабатываемости резанием, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, удовлетворительной свариваемости и повышенной обрабатываемости резанием, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка из легированной стали, непрерывнолитая, горячекатаная с заданными параметрами неметаллических включений, структуры, механических свойств, свариваемости и обрабатываемости резанием, выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,16-0,21
марганец	0,70-1,10
кремний	0,17-0,37
хром	0,80-1,10
никель	0,80-1,10
молибден	0,005-0,11
ванадий	0,002-0,015
титан	0,001-0,015
сера	0,020-0,035
кальций	0,001-0,010
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 выполнении соотношений элементов:

As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07;

Ca/S≥0,065;

C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15≤0,70,

имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, по макроструктуре: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 балла по каждому виду, ликвационные полоски не более 2 балла, по неметаллическим включениям: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 4,0 баллов по каждому виду включений.

В качестве примесей сталь содержит в мас.%: ниобий не более 0,02%, фосфор - не более 0,035%.

Механические свойства после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 485 Н/мм², предел текучести не менее 320 Н/мм², относительное удлинение - не менее 18%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, свариваемости и обрабатываемости резанием.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,21%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,16% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом он управляет процессами в нижней части аустенитной области: определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения. Верхняя граница содержания ванадия - 0,015% - обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,002% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1,10%, молибдена - 0,11% и хрома - 1,10% - определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0,70%, молибдена - 0,005% и хрома - 0,80% 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.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,80% - обусловлен необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 1,10% - необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,035%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,020%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0,010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,001%) - вопросами технологичности производства.

Титан - сильный карбонитридообразователь и раскислитель стали. Верхний предел (0,015%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,001%) - вопросами технологичности производства.

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)/5+Ni/15≤0,70 определяет характеристики свариваемости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение кальций/сера≥0,065 определяет параметры обрабатываемости стали резанием.

Пример осуществления изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0,18%, марганец - 0,87%, кремний - 0,25%, хром - 0,99%, никель - 1,02%, молибден - 0,09%, ванадий - 0,01%, титан - 0,009%, сера - 0,032%, кальций - 0,006%, мышьяк - 0,009%, олово - 0,005%, свинец - 0,003%, цинк - 0,001%, азот - 0,010%) производят в 150-ти 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 непрерывно-литые 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 тип I, ГОСТ 1497-84, на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца - 5 мм/мин. Определяли характеристики прочности σ_b и σ_0,2 и пластичности - δ и ϕ.

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(α) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы - α.

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

В результате горячей прокатки получают трубную заготовку ⊘120 мм, длиной - 11800 мм, структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 9. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балл, подусадочная ликвация - 0,5 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные - 0 балл, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Механические свойства после нормализации при 900°С, 1 час, воздух: временное сопротивление разрыву 510 Н/мм², предел текучести 395 Н/мм², относительное удлинение - 18%. Соотношения: As+Sn+Pb+5×Zn=0,022; кальций/сера = 0,18; C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni)/15=0,6.

Внедрение трубной заготовки из легированной стали обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, удовлетворительной свариваемости и повышенной обрабатываемости резанием, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из легированной стали, горячекатаная с заданными параметрами неметаллических включений, структуры, механических свойств, свариваемомости и обрабатываемости резанием, отличающаяся тем, что заготовка выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,16-0,21
марганец	0,70-1,10
кремний	0,17-0,37
хром	0,80-1,10
никель	0,80-1,10
молибден	0,005-0,11
ванадий	0,002-0,015
титан	0,001-0,015
сера	0,020-0,035
кальций	0,001-0,010
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 выполнении следующих соотношений компонентов:

As+Sn+Pb+5·Zn≤0,07; Ca/S≥0,065;

C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15≤0,70,

при этом прокат имеет пластинчатую ферритоперлитную 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 2 баллов, 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 после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 485 Н/мм², предел текучести не менее 320 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: ниобий не более 0,02 и фосфор не более 0,035.