Трубная заготовка из легированной борсодержащей стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств при минимальном уровне анизотропии механических свойств заготовку получают из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,26-0,30, марганец 1,20-1,40, кремний 0,17-0,37, хром 0,40-0,65, никель 0,005-0,25, медь 0,005-0,35, алюминий 0,02-0,06, титан 0,02-0,05, бор 0,001-0,004, азот 0,005-0,010, мышьяк 0,0001-0,03, олово 0,0001-0,02, свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, серу не более 0,025 и фосфор не более 0,025, железо - остальное, при выполнении (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; (Ti/48+Al/27+N/14)≥(0,6×10^-3), при этом она 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 2 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 862 Н/мм², предел текучести не менее 758 Н/мм², относительное удлинение не менее 11,5%, относительное сужение не менее 34%. 1 з.п. ф-лы.

 

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

Известна трубная заготовка из легированной 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 и структуру (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

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 борсодержащей стали, имеющая заданную структуру, механические свойства, в состав стали включены углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ниобий, алюминий, бор, азот (RU 2070585 C1, C21D 9/14, 20.12.1996).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из легированной борсодержащей 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 благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, а также повышенных характеристик прокаливаемости и низкой склонности к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка из легированной борсодержащей стали выполнена из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,26-0,30
марганец	1,20-1,40
кремний	0,17-0,37
хром	0,40-0,65
никель	0,005-0,25
медь	0,005-0,35
алюминий	0,02-0,06
титан	0,02-0,05
бор	0,001-0,004
азот	0,005-0,010
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 (титан/48 + алюминий/27 + азот/14)≥(0,6×10^-3).

Заготовка произведена непрерывнолитой, горячекатаной и имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов. Макроструктура: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски не более 2 баллов. Неметаллические включения: 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 862 Н/мм², предел текучести не менее 758 Н/мм², относительное удлинение не менее 11,5%, относительное сужение не менее 34%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит (мас.%): серу не более 0,025 и фосфор не более 0,025.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, вязкости, прокаливаемости, пониженной склонности к отпускной хрупкости.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,30%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,26% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец 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 1,40% и хрома 0,65% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - марганца 1,20% и хрома 0,40% 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 скажется 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 0,25% - 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 0,35% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

Титан и алюминий - сильные карбонитридообразователи и раскислители стали. Верхний предел содержания титана 0,05% и алюминия 0,06% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали и защиты бора от связывания азотом, а нижний 0,02% и 0,02% соответственно - вопросами технологичности производства.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора 0,004% определяется соображениями пластичности стали, а нижний 0,001% - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота 0,010% 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

определяет характеристики прокаливаемости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07 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, минимального уровня анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Пример получения трубной заготовки.

Выплавку исследуемой стали (химический состав, в мас.%: углерод 0,29, марганец 1,32, кремний 0,25, хром 0,51, никель 0,12, медь 0,07, алюминий 0,041, титан 0,032, бор 0,0032, мышьяк 0,009, олово 0,005, свинец 0,003, цинк 0,001, азот 0,007) 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 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 производятся наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%., доводка металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОСе 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 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 M_i 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 ⊘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 балла, подусадочная ликвация 0,5 балла, 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: временное сопротивление разрыву 954 Н/мм², предел текучести 821 Н/мм², относительное удлинение 12%, относительное сужение 42%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022

Внедрение производства трубной заготовки из легированной стали обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при благоприятном соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальный уровень анизотропии механических свойств, пониженную склонность к обратимой отпускной хрупкости, повышенную прокаливаемость, низкое содержание неметаллических включений, однородную макро- и микроструктуру проката.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из легированной борсодержащей стали, горячекатаная с заданными неметаллическими включениями, структурой, механическими свойствами, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,26-0,30
марганец	1,20-1,40
кремний	0,17-0,37
хром	0,40-0,65
никель	0,005-0,25
медь	0,005-0,35
алюминий	0,02-0,06
титан	0,02-0,05
бор	0,001-0,004
азот	0,005-0,010
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:

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

(титан/48 + алюминий/27 + азот/14)≥(0,6·10^-3),

при этом она нормализована, 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 2 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 862 Н/мм², предел текучести не менее 758 Н/мм², относительное удлинение не менее 11,5%, относительное сужение не менее 34%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: серу не более 0,025 и фосфор не более 0,025.