Трубная заготовка из легированной никельсодержащей стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для повышения уровня потребительских свойств, обеспечения благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката трубная заготовка выполнена из легированной никельсодержащей стали, содержащей, мас.%: С 0,30-0,38, Mn 0,40-0,70, Si 0,15-0,35, V 0,20-0,30, Cr 0,80-1,20, Ni 1,75-2,25, Cu 0,005-0,30, N 0,005-0,015, As 0,0001-0,03, Sn 0,0001-0,02, Pb 0,0001-0,01, Zn 0,0001-0,005, железо и примеси - остальное, при следующих соотношениях: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; {C+Mn/6+[(Cr+V)]/5+[(Ni+Cu)/15]}≤0,90. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,030 и серу не более 0,030. Заготовка имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 2 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. После нормализации заготовка имеет временное сопротивление разрыву не менее 655 Н/мм², предел текучести не менее 379-552 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из легированной никельсодержащей стали повышенного качества.

Известна трубная заготовка из низколегированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан и железо, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные механические свойства и структуру (RU 2252972 С1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Известна трубная заготовка из легированной никельсодержащей стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, ниобий, титан, алюминий, кальций, серу, фосфор, азот, медь, сурьму, олово, мышьяк, железо, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные механические свойства и структуру (RU 2180691 C1, 20.03.2002, C21D 9/08).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из легированной никельсодержащей 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, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, а также повышенной прокаливаемости и низкой склонности к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка изготовлена из легированной никельсодержащей стали, содержащей следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод	0,30-0,38
марганец	0,40-0,70
кремний	0,15-0,35
ванадий	0,20-0,30
хром	0,80-1,20
никель	1,75-2,25
медь	0,005-0,30
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:

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

сумма: {углерод + (марганец/6) + [(хром + ванадий)/5]+[(Ni+Cu)/15]}≤0,90.

Заготовка выполнена непрерывно-литой, горячекатаной и имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 2 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, механические свойства после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 655 Н/мм², предел текучести не менее 379-552 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,030, серу не более 0,030.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным соотношением прочности, пластичности и вязкости, минимальным уровнем анизотропии механических свойств, низким содержанием неметаллических включений, однородной макро- и микроструктурой проката, а также повышенной прокаливаемостью и низкой склонностью к отпускной хрупкости.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,38%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,30% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной однородной зеренной структуры, а также для обеспечения упрочняемости при термообработке. 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 - 0,30% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.20% - обеспечением требуемого уровня прочности 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 - 0,70% и хрома - 1,20% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0,40% и хрома - 0,80% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,35% неблагоприятно сказывается на пластичности стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 1,75% обусловлен необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 2,25% - 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 - 0.30% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

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+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0,90 определяет характеристики прочности и вязкости 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, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости, низком содержании неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Пример осуществления изобретения.

Выплавку стали в мас.%: углерод - 0,33%, марганец - 0,52%, кремний - 0,26%, хром - 0,97%, никель - 1,99%, медь - 0,09%, ванадий - 0,25%, мышьяк - 0,008%, олово - 0,005%, свинец - 0,003%, цинк - 0,001%, азот - 0,008% 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 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 определяют на образцах типа 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. Структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 0,5 балла, точечная неоднородность - 0,5 балла, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные - 0 балла, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Механические свойства после нормализации при 870°С, 1 час, воздух: временное сопротивление разрыву 680 Н/мм², предел текучести 520 Н/мм², относительное удлинение - 16%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,021, C+Mn/6+(Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15=0,80.

Внедрение производства трубной заготовки из легированной никельсодержащей стали 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, низком содержании неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из легированной никельсодержащей стали, горячекатаная, имеющая заданные механические свойства и структуру, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,30-0,38
марганец	0,40-0,70
кремний	0,15-0,35
ванадий	0,20-0,30
хром	0,80-1,20
никель	1,75-2,25
медь	0,005-0,30
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:

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

{углерод + (марганец/6)+[(хром + ванадий)/5]+[(Ni+Cu)/15]}≤0,90,при этом она нормализована и имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 2 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, временное сопротивление разрыву не менее 655 Н/мм², предел текучести не менее 379-552 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,030, серу не более 0,030.