Трубная заготовка из микролегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств заготовки, а также свариваемости и повышенной стойкости к отпускной хрупкости трубная заготовка изготовлена из стали, содержащей в мас.%: углерод 0,10-0,20, марганец 0,50-1,70, кремний 0,10-0,60, ванадий 0,01-0,20, ниобий 0,005-0,05, молибден 0,001-0,10, хром 0,005-0,30, никель 0,005-0,80, медь 0,005-0,30, титан 0,001-0,04, алюминий 0,020-0,060, сера 0,005-0,020, фосфор 0,005-0,025, азот 0,005-0,020, 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 соблюдении соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; (Cu+Cr+Mo)≤0,45. Заготовка непрерывнолитая, горячекатаная, обточенная имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, шероховатость поверхности R_z - не более 80 мкм, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, шероховатость поверхности R_z не более 80 мкм, временное сопротивление разрыву 390-730 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм², относительное удлинение не менее 19%. 3 з.п. ф-лы.

 

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

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, молибден, ванадий, азот, алюминий, серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму, имеющая заданные параметры механических свойств и заданную структуру (SU 1754790 А1, С22С 38/60, 15.08.1992).

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

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из микролегированной 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, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, а также свариваемости и повышенной стойкости к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка из микролегированной стали, имеющая заданные параметры структуры, механических свойств, выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,10-0,20
марганец	0,50-1,70
кремний	0,10-0,60
ванадий	0,01-0,20
ниобий	0,005-0,05
молибден	0,001-0,10
хром	0,005-0,30
никель	0,005-0,80
медь	0,005-0,30
титан	0,001-0,04
алюминий	0,020-0,060
сера	0,005-0,020
фосфор	0,005-0,025
азот	0,005-0,020
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:

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

сумма: (медь + хром + молибден) ≤ 0,45.

Заготовка выполнена горячекатаной, подвергнута отжигу и обточке, имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов 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 баллов по каждому виду включений, шероховатость поверхности R_z - не более 80 мкм, механические свойства нормализованной заготовки составляют при содержании углерода ≤ 0,16%, марганца 0,50-1,50%, ванадия ≤ 0,05% и выполнении соотношения сумма (ниобий + титан + ванадий) ≤ 0,05: временное сопротивление разрыву 390-530 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм, относительное удлинение не менее 24%; при содержании углерода ≤ 0,18%, марганца 0,90-1,70%, ванадия ≤ 0,10% и выполнении соотношения сумма (ниобий + титан + ванадий) ≤ 0,12: временное сопротивление разрыву 490-650 Н/мм², предел текучести не менее 355 Н/мм², относительное удлинение - не менее 22%; при содержании углерода ≤ 0,12%, и марганца - 0,90-1,70%, ванадия ≤ 0,20% и выполнении соотношения сумма (ниобий + титан + ванадий) ≤ 0,22: временное сопротивление разрыву 560-730 Н/мм², предел текучести не менее 460 Н/мм², относительное удлинение не менее 19%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, повышенной свариваемости 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 (0,20%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,10% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий и ниобий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, повышения характеристик прочности и вязкости. При этом ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области, в то время как ниобий - в верхней (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 - 0,20% и ниобия - 0,05% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,01% 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 - 1,70%, молибдена - 0,10% и хрома - 0,30% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0,50%, молибдена - 0,001% и хрома - 0,005% соответственно, - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,10% - обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,60% неблагоприятно сказывается на пластичности стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,005% - обусловлен необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0,80% - необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Медь определяет характеристики горячей пластичности стали. При этом нижний уровень ее содержания - 0,005% - определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень - 0,30% - обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

Титан и алюминий - сильные карбонитридообразователи и раскислители стали. Верхний предел содержания титана - 0,04% и алюминия - 0,06% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали и защиты бора от связывания азотом, а нижний - 0,001% и 0,02% соответственно - вопросами технологичности производства.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Фосфор - элемент, упрочняющий твердый раствор и повышающий склонность стали к различным видам хрупкого разрушения. Верхний предел содержания фосфора - 0,025% - обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0,005% - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,020% - 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 As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости, а соотношение Cu+Cr+Mo≤0,45 определяет характеристики прокаливаемости и комплекс механических свойств стали.

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, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Примеры осуществления изобретения.

Выплавка исследуемой стали - три варианта химического состава стали (в мас.%).

Пример 1: углерод - 0,14, марганец - 1,0, кремний - 0,45, хром - 0,27, молибден - 0,06, никель - 0,14, медь - 0,08, ниобий - 0,01, титан - 0,01, ванадий - 0,02, алюминий - 0,035, сера - 0,011, фосфор - 0,013, мышьяк - 0,009, олово - 0,006, свинец - 0,005, цинк - 0,001, азот - 0,009.

Пример 2: углерод - 0,17, марганец - 1,43, кремний - 0,48, хром - 0,21, молибден - 0,05, никель - 0,10, медь - 0,04, ниобий - 0,01, титан - 0,023, ванадий - 0,08, алюминий - 0,035, сера - 0,010, фосфор - 0,011, мышьяк - 0,008, олово - 0,005, свинец - 0,004, цинк - 0,001, азот - 0,008.

Пример 3: углерод - 0,19, марганец - 1,62, кремний - 0,24, хром - 0,17, молибден - 0,07, никель - 0,14, медь - 0,05, ниобий - 0,01, титан - 0,015, ванадий - 0,14, алюминий - 0,036, сера - 0,011, фосфор - 0,015, мышьяк - 0,010, олово - 0,006, свинец - 0,004, цинк - 0,001, азот - 0,009.

Выплавку производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) 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 раскисляется 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 1800-1150°С и заканчивают при температуре 840-950°С.

Механические характеристики при комнатной температуре определяют на образцах, тип I, ГОСТ 1497-84, на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца - 5 мм/мин. Определяют характеристики прочности σ_b и σ_0.2 и пластичности - δ и ϕ.

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

где: M₁ и М₂ - 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 контролируют в соответствии с ТУ 14-1-5212-93 и ГОСТ 10243-75.

В результате горячей прокатки получают трубную заготовку ⊘100 мм, длиной - 11800 мм.

Пример 1: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 9. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 2 балла, оксиды точечные - 2 балла, оксиды строчечные - 2 балла, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 450 Н/мм², предел текучести 310 Н/мм², относительное удлинение 26%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025, Cu+Cr+Mo=0,41; Nb+Ti+V=0,04.

Пример 2: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 9. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные - 3 балла, оксиды строчечные - 21 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 520 Н/мм², предел текучести 395 Н/мм², относительное удлинение 23%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022, Cu+Cr+Mo-0,30; Nb+Ti+V=0,113.

Пример 3: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 9. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 21 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 585 Н/мм², предел текучести 480 Н/мм², относительное удлинение - 21%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025, Cu+Cr+Mo-0,29, Nb+Ti+V=0,165

Внедрение трубной заготовки обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из микролегированной стали, горячекатаная с заданными параметрами структуры, неметаллических включений, механических свойств, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,10-0,20
марганец	0,50-1,70
кремний	0,10-0,60
ванадий	0,01-0,20
ниобий	0,005-0,05
молибден	0,001-0,10
хром	0,005-0,30
никель	0,005-0,80
медь	0,005-0,30
титан	0,001-0,04
алюминий	0,020-0,060
сера	0,005-0,020
фосфор	0,005-0,025
азот	0,005-0,020
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 соблюдении соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; (Cu+Cr+Mo)≤0,45,

нормализованной и обточенной, при этом имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду включений, шероховатость поверхности R_z не более 80 мкм, временное сопротивление разрыву 390-730 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм², относительное удлинение не менее 19%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: углерода ≤0,16, марганца 0,50-1,50, ванадия ≤0,05 и соблюдении соотношения: (Nb+Ti+V)≤0,05, она имеет временное сопротивление разрыву 390-530 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм², относительное удлинение не менее 24%.

3. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: углерода ≤0,18, марганца 0,90-1,70, ванадия ≤0,10 и соблюдении соотношения: (Nb+Ti+V)≤0,12, она имеет временное сопротивление разрыву 490-650 Н/мм², предел текучести не менее 355 Н/мм², относительное удлинение не менее 22%.

4. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: углерода ≤0,12, марганца 0,90-1,70, ванадия ≤0,20 и соблюдении соотношения: (Nb+Ti+V)≤0,22, она имеет временное сопротивление разрыву 560-730 Н/мм², предел текучести не менее 460 Н/мм², относительное удлинение не менее 19%.