Конструкционная легированная сталь с повышенной прочностью и способ термоупрочнения горячекатаного проката

Авторы патента:

C21D8/10 - при изготовлении полых изделий

Владельцы патента RU 2541255:

Закрытое акционерное общество "Омутнинский металлургический завод" (RU)

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству рессорно-компрессорных штанг нефтяных насосов, выполненных из среднеуглеродистой легированной конструкционной стали. Выплавляют сталь, содержащую в мас.%: углерод 0,40-0,45, кремний 0,15-0,30, марганец 0,75-1,00, сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, медь не более 0,30, никель не более 0,30, хром 0,80-1,10, молибден 0,15-0,25, алюминий 0,015 - 0,05, бор 0,00010-0,00025, азот не более 0,008, железо и примеси - остальное. Осуществляют разливку стали, горячую прокатку, нормализацию, охлаждение на воздухе и отпуск. Нормализацию проводят при температуре 880°С, а отпуск проводят при температуре 580-600°С. Обеспечиваются требуемые эксплуатационные свойства: предел текучести не менее 720 МПа и предел прочности 930-1000 МПа при сохранении требуемого уровня пластичности. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству легированной конструкционной стали для изготовления рессорно-компрессорных штанг нефтяных насосов.

Известна среднеуглеродистая легированная конструкционная сталь 40ХГМ, содержащая, мас.%:

углерод - 0,40-0,45;

кремний - 0,15-0,30;

марганец - 0,75-1,00;

сера - не более 0,025;

фосфор - не более 0,025;

медь - не более 0,30;

никель - не более 0,30;

хром - 0,80-1,10;

молибден - 0,15-0,25;

железо и примеси - остальное. [1]

Эта сталь наиболее близка к предлагаемой по механическим свойствам, составу и назначению и взята за прототип.

Указанная сталь после термоупрочнения проката (нормализации при температуре нагрева 870-880°С с охлаждением на воздухе, с последующим отпуском при температуре 650°С) имеет недостаточный уровень механических свойств готовых изделий.

Задачей, на которую направлено предлагаемое техническое решение, - получение стали для изготовления насосных штанг с обеспечением требуемых потребителем эксплуатационных свойств: минимальным пределом текучести 720 МПа, пределом прочности 930-1000 МПа при сохранении пластичности на уровне аналога.

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается среднеуглеродистая конструкционная сталь, микролегированная бором и алюминием, содержащая в мас.%:

углерод - 0,40-0,45

кремний - 0,15-0,30;

марганец - 0,75-1,00;

сера - не более 0,025;

фосфор - не более 0,025;

медь- не более 0,30;

никель- не более 0,30;

хром- 0,80-1,10;

молибден- 0,15-0,25;

алюминий- 0,015 - 0,05;

бор- 0,00010-0,00025;

азот- не более 0,008;

железо и примеси - остальное,

а также режим термообработки горячекатаного проката, включающий нормализацию при температуре 880°С, охлаждение на воздухе и отпуск при температуре 580-600°С.

Рассмотрим влияние компонентов на функциональные свойства и структуру предлагаемой стали.

Углерод эффективно влияет на механические свойства стали. Для достижения желаемых функциональных свойств предлагаемой стали содержание углерода должно быть не менее 0,40%. При превышении 0,45% происходит падение пластических характеристик.

Кремний увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Минимальное содержание марганца 0,75% устанавливается для обеспечения прокаливаемости, прочности и ударной вязкости. Содержание марганца более 1,0% снижает вязкость феррита (снижение ударной вязкости).

Введение в сталь хрома менее 0,8% не обеспечивает заданный уровень прокаливаемости, прочности и ударной вязкости. Содержание хрома свыше 1,1% вызовет укрупнение частиц карбидов и снижение ударной вязкости.

Молибден улучшает процессы нитридообразования, измельчает зерно, повышает прочность и износостойкость, трещиноустойчивость стали. При содержании в предложенной стали менее 0,15% влияние молибдена незначительно, а при содержании более 0,25% проявляется снижение ударной вязкости и удорожание стали.

Алюминий обычно добавляется в сталь как раскислитель. В присутствии азота образуется нитрид алюминия, предотвращающий рост зерна и обеспечивающий улучшение микроструктуры стали, повышение прочности и ударной вязкости. Образование нитрида алюминия способствует увеличению растворимости бора и существенному повышению прокаливаемости стали. Для эффективной защиты бора от связывания в нитрид бора минимальное содержание алюминия в предложенной стали должно быть не менее 0,015%. Однако значительное повышение содержания алюминия (более 0,05%) ухудшает качество поверхности слитков по поверхностным пленам и трещинам, снижает жидкотекучесть стали и может вызвать сложности при разливке на МНЛЗ. Поэтому для исключения негативного влияния алюминия на жидкотекучесть стали необходимо совместное раскисление алюминием и ферро- или силикокальцием.

Бор, даже в небольших количествах, существенно повышает прокаливаемость стали, предел прочности, ударную вязкость. При содержании бора менее 0,0001% его влияние незначительно. При содержании более 0,00025% бор образует легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зерен, что снижает прочностные свойства стали при высоких температурах.

Азот, соединяясь с нитридообразующими элементами (Al, B), способствует измельчению зерна и нитридному и карбонитридному упрочнению стали. Увеличение содержания азота свыше указанного предела (при высоком содержании алюминия) приводит к снижению показателей ударной вязкости (в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита; образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно свидетельствует об ухудшении свойств стали).

Практический пример выполнения.

Выплавка заявленной марки стали проводится на ЗАО "Омутнинский металлургический завод" в сталеплавильном агрегате. В СПА выплавляют сталь основного состава, содержащую углерод, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, после нагрева до 1620-1640°С выпускают в сталеразливочный ковш. Раскисление стали алюминием проводят на сливе из сталеплавильного агрегата в ковш, вводят в донную зону ковша компоненты для раскисления при оптимальном соотношении [Mn]/[Si]≤3. Проводится достаточно глубокое раскисление стали вторичным алюминием для получения оптимальных условий всплытия образовавшихся крупных оксидов алюминия. Дополнительно контролируется кислород (не более 0,001% на предлагаемой марке стали).

После выпуска плавки из СПА производят удаление печного шлака из сталеразливочного ковша. При внепечной обработке с продувкой металла аргоном наводят известково-глиноземистый шлак присадками извести и алюмосодержащего материала.

Получают раскисленный рафинировочный «белый» шлак, далее присадкой ферросплавов достигают марочного содержания основных элементов (углерод, марганец, кремний, хром, молибден).

Затем нагревают металл до температуры, гарантирующей заданный перегрев металла над температурой ликвидус стали в промежуточном ковше при разливке на МНЛЗ, с учетом существующих тепловых потерь и последующего раскисления и микролегирования алюминием, ферро- или силикокальцием, бором. Ввод бора в сталь осуществляют порошковой проволокой при помощи трайб-аппарата после раскисления алюминий- и затем кальцийсодержащей проволокой.

Разливку на МНЛЗ производят с защитой металла от вторичного окисления способом «под уровень». Оголение поверхности металла в промковше (искрение) не допускают.

В результате разливки получают непрерывно-литую заготовку, которую затем прокатывают в круг диаметром 10,0-40,0 мм на стане горячей прокатки 280-2.

Полученный горячекатаный профиль подвергается термическому упрочнению при изготовлении насосной штанги на базе потребителя - Очерского машиностроительного завода. Для оценки возможностии получения заданного уровня механических свойств готового изделия у потребителя в условиях ЗАО"ОМЗ" проведена термообработка образцов двух плавок с предложенным хим. составом, по скорректированному режиму термообработки, проводимой у потребителя, с последующими испытаниями.

Испытания механических свойств термически обработанных образцов (обточенных до диаметра 10 мм) проводились на 25-тонной разрывной машине фирмы "QUASAR 250", испытания твердости проводились на твердомере типа ТШ-2М по методу Бриннеля. Ударную вязкость испытывали на маятниковом копере КМ-30. Результаты исследования механических свойств известной и предлагаемой стали, а также ударная вязкость приведены в таблице 2.

Под номерами 1-3 для сравнения приведены показатели механических свойств образцов плавок исходного химического состава с известным режимом термообработки. Они соответствуют требованиям прототипа.

Под номерами 4, 5 приведены результаты исследования образцов от первой из предложенных плавок, с содержанием алюминия 0,0226%, термообработанных по исходному режиму.

Под номерами 6, 7 показаны результаты исследования образцов от второй из предложенных плавок, с содержанием алюминия 0,0364%, также термоупрочненных по режиму прототипа.

По результатам испытаний видно, что образцы из стали с предложенным химическим составом имеют более высокие показатели прочностных свойств при термоупрочнении по известному режиму, при этом наиболее значительное повышение прочностных свойств наблюдается на образцах второй из предложенных плавок (с алюминием 0,0364%).

Под номерами 8, 9 приведены результаты исследования образцов от первой из предложенных плавок, с содержанием алюминия 0,0226%, термообработанных по предлагаемому режиму. Результаты соответствуют заявленной марке стали.

Под номерами 10-13 приведены результаты оценки образцов второй из исследуемых плавок, с содержанием алюминия 0,0364%, термоупрочненных по предлагаемому режиму. Номера 10, 11 соответствуют результатам, полученным при нижнем значении интервала температуры отпуска (580°С). Номера 12, 13 соответствуют результатам, полученным при верхнем значении интервала температуры отпуска (600°С). Продукция с указанными параметрами удовлетворила потребителя.

Поступило предложение о замене марки стали для насосных штанг 40ХГМ на 40ХГМ повышенной прочности как наиболее удовлетворяющую условиям эксплуатации.

Таким образом, предложенный химический состав и режим термооупрочнения позволяет получить сталь с повышенным пределом прочности 930-1000 МПа и повышенным пределом текучести не менее 720 МПа с сохранением показателей пластичности на уровне прототипа.

Таблица 1

Сталь	С, %	Mn, %	Si, %	P, %	S, %	Cu, %
1	0,45	0,89	0,18	0,014	0,009	0,24
2	0,44	0,92	0,24	0,014	0,009	0,24
Предлагаемая	0,43-0,45	0,75-1,00	0,15-0,30	≤0,025	≤0,025	≤0,30
Прототип	0,40-0,45	0,75-1,00	0,15-0,30	≤0,025	≤0,025	≤0,30

Продолжение таблицы 1

	Ni, %	Cr, %	Mo, %	Al, %	B, %	N, %
1	0,12	0,99	0,19	0,0226	0,00013	0,01
2	0,12	1,02	0,18	0,0364	0,00012	0,0051
Предлагаемая	≤0,30	0,80-1,10	0,15-0,25	0,02 - 0,05	0,00010-0,00025	≤0,008
Прототип	≤0,30	0,80-1,10	0,15-0,25	-	-	-

Таблица 2

Сталь	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относ. удлинение, %	Относ. сужение, %	Твердость, HB	Ударная вязкость KCU, Дж/см²	Температура отпуска
1	803	617	19	59	237	66	650°С
2	806	622	19	62	237	78	650°С
3	824	635	19	59	241	62	650°С
4	857	655	18	59	255	87	650°С
5	849	646	19	59	249	87	650°С
6	915	710	16	62	269	117	650°С
7	892	702	17	64	269	117	650°С
8	935	742	19	59	277	88	580°С
9	944	746	19	59	277	74	580°С
10	988	797	16	56	285	102	580°С
11	988	813	16	59	293	67	580°С
12	933	740	19	60	285	89	600°С
13	930	734	19	58	272	93	600°С
Прототип	793-965	≥586	≥10	≥45	200-280	≥52
Предлагаемая	930-1000	≥720	≥16	≥52	≤300	≥52

Источники информации

1. ТУ 14-125-768-2013.

1. Рессорно-компрессорная штанга нефтяного насоса, выполненная из среднеуглеродистой конструкционной легированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, медь, никель, хром, молибден, алюминий, бор, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,40-0,45
кремний	0,15-0,30
марганец	0,75-1,00
сера	не более 0,025
фосфор	не более 0,025
медь	не более 0,30
никель	не более 0,30
хром	0,80-1,10
молибден	0,15-0,25
алюминий	0,015 - 0,05
бор	0,00010-0,00025
азот	не более 0,008
железо и примеси	остальное,

при этом она имеет предел прочности 930-1000 МПа и предел текучести не менее 720 МПа.

2. Способ изготовления рессорно-компрессорной штанги нефтяного насоса, включающий выплавку среднеуглеродистой конструкционной легированной стали для изготовления штанги по п.1, ее разливку, горячую прокатку, нормализацию горячекатаного профиля, охлаждение на воздухе и отпуск, при этом нормализацию проводят при температуре 880°С, а отпуск проводят при температуре 580-600°С.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении толстолистовой стали для изготовления деталей транспортных и горнодобывающих машин, обладающих высокой стойкостью против абразивного износа (истирания).

Износостойкий сплав // 2530196

Изобретение относится к области металлургии, а именно к износостойкому сплаву, используемому для получения формованных продуктов, отлитых продуктов, покрытий, а также проволок, электродов, порошков и смесей.

Термостойкая аустенитная сталь, обладающая стойкостью к растрескиванию при снятии напряжений // 2528606

Изобретение относится к области металлургии, а именно к горячекатаной стальной плите, не склонной к растрескиванию при снятии напряжений, применяемой для изготовления корпусов реакторов, штампованных изделий или трубопроводов.

Жаропрочная сталь мартенситного класса // 2524465

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным хромистым сталям мартенситного класса, используемым для изготовления поковок роторов большого диаметра с высокими характеристиками прочности, выносливости и жаропрочными свойствами при температуре 650°С, а также для изготовления паропроводов и котлов энергетических установок с рабочими температурами до 650°С.

Коррозионно-стойкая легированная нейтронно-поглощающая сталь для изготовления шестигранных чехловых труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки ядерного топлива // 2519064

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, используемой в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и уплотненного хранения отработанного ядерного топлива в бассейнах выдержки.

Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь // 2515716

Изобретение относится к области металлургии, а именно к малоактивируемым жаропрочным радиационно стойким сталям, используемым в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов.

Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций // 2506339

Изобретение относится к металлургии, а именно к составу стали, используемой при производстве арматурного периодического профиля для железобетонных конструкций. Сталь содержит, в мас.%: углерод 0,20-0,29, марганец 1,20-1,60, кремний 0,60-0,90, фосфор не более 0,040, сера не более 0,010, хром 0,01-0,25, никель не более 0,30, медь не более 0,30, бор 0,001-0,005, азот не более 0,008, железо остальное.

Сталь // 2502822

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сталей, используемых в машиностроении. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,2-0,25, кремний 0,2-0,25, марганец 0,2-0,25, никель 13,0-15,0, хром 0,2-0,25, молибден 0,2-0,25, медь 1,3-1,7, кобальт 0,5-0,7, цирконий 0,2-0,25, бор 0,05-0,1, алюминий 0,2-0,25, ниобий 1,3-1,7, вольфрам 0,1-0,15, железо остальное.

Коррозионно-стойкая аустенитная сталь // 2499075

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния для использования в ядерной энергетике при изготовлении теплообменного оборудования, работающего при высокой температуре в контакте с пароводяной средой и тяжелым свинцовым жидкометаллическим теплоносителем, в частности, для изготовления теплообменных тонкостенных труб, работающих при 550°С.

Закаленная мартенситная сталь с низким содержанием кобальта, способ получения детали из этой стали и деталь, полученная этим способом // 2497974

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.

Способ изготовления конструктивного элемента из стали, способной к самозакаливанию на воздухе, и конструктивный элемент, изготовленный этим способом // 2539883

Изобретение относится к способу изготовления конструктивных элементов из стали, способной к самозакаливанию на воздухе. Сталь состоит из элементов, мас.%: С ≤ 0,20, Al ≤ 0,08, Si ≤ 1,00, Mn 1,20 до ≤ 2,50, Р ≤ 0,020, S ≤ 0,015, N ≤ 0,0150, Cr 0,30 до ≤ 1,5, Мо 0,10 до ≤ 0,80, Ti 0,010 до ≤ 0,050, V 0,03 до ≤ 0,20, В 0,0015 до ≤ 0,0060, железо и неизбежные примеси - остальное.

Поверхностно-упрочняемая сталь, способ ее получения и машинная конструкционная деталь с использованием поверхностно- упрочняемой стали // 2532770

Изобретение относится к области металлургии, а именно к поверхностно-упрочняемой стали. Сталь содержит в мас.%: 0,05-0,20 С, 0,01-0,1 Si, 0,3-0,6 Mn, 0,03 или менее Р (за исключением 0), 0,001-0,02 S, 1,2-2,0 Cr, 0,01-0,1 Al, 0,010-0,10 Ti, 0,010 или менее N (за исключением 0), 0,0005-0,005 В, железо и неизбежные примеси остальное.

Поверхностно-упрочненная сталь и способ ее изготовления // 2532766

Изобретение относится к области металлургии, а именно к поверхностно-упрочненной стали. Сталь содержит, в мас.%: С от 0,05 до 0,3, Si от 0,01 до 0,6, Mn от 0,20 до 1,0, S от 0,001 до 0,025, Cr от 1 до 2,5, Al от 0,01 до 0,10, Ti от 0,01 до 0,10, Nb от 0,01 до 0,10, В от 0,0005 до 0,005, N от 0,002 до 0,02, железо и неизбежные примеси остальное.

Проволока из высокоуглеродистой стали с превосходными свойствами способности к волочению и усталостными характеристиками после волочения // 2507292

Изобретение относится к области металлургии, а именно к проволоке из высокоуглеродистой стали. Проволока выполнена из стали, содержащей, мас.%: С: 0,70%-1,20%, Si: 0,1%-1,5%, Мn: 0,1%-1,5%, Р: 0,015% или меньше (не включая 0%), S: 0,015% или меньше (не включая 0%), Аl: 0,005% или меньше (не включая 0%), В: 0,0005%-0,010%, N: 0,002%-0,005%, и N в твердом растворе: 0,0015% или меньше (включая 0%), железо и неизбежные примеси - остальное.

Высокопрочная бесшовная стальная труба, обладающая очень высокой стойкостью к сульфидному растрескиванию под напряжением для нефтяных скважин и способ ее изготовления // 2493268

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения высокой стойкости труб для нефтяных скважин к сульфидному растрескиванию под напряжением (СРН-стойкость) бесшовная стальная труба содержит, мас.%: от 0,15 до 0,50 С, от 0,1 до 1,0 Si, от 0,3 до 1,0 Mn, 0,015 или менее P, 0,005 или менее S, от 0,01 до 0,1 Al, 0,01 или менее N, от 0,1 до 1,7% Cr, от 0,4 до 1,1% Мо, от 0,01 до 0,12 V, от 0,01 до 0,08 Nb, от 0,0005 до 0,003 В или дополнительно содержит от 0,03 до 1,0 мас.% Cu и имеет микроструктуру, которая содержит 0,40% или более растворенного Mo и фазу отпущенного мартенсита, которая является главной фазой и которая имеет зерна первичного аустенита с размером зерна 8,5 или более и 0,06 мас.% или более диспергированного осадка M2C-типа, имеющего по существу зернистую форму.

Высокопрочная сталь // 2481416

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам сталей, используемых в энергетическом машиностроении. .

Высокоуглеродистая сталь для производства подката для получения холоднодеформированного арматурного периодического профиля для железобетонных изделий // 2479665

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве подката из высокоуглеродистой стали для изготовления холоднодеформированного арматурного периодического профиля.

Способ производства борсодержащей стали // 2477324

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству горячекатаной сортовой полосовой стали. .

Способ термомеханического придания формы конечному продукту с очень высокой прочностью и полученный таким образом продукт // 2469102

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению деталей для автомобилестроения термомеханической обработкой горячекатаных и/или холоднокатаных стальных полос или листов, снабженных слоем покрытия из цинкового сплава.

Нержавеющая сталь для нефтяной скважины, труба из нержавеющей стали для нефтяной скважины и способ получения нержавеющей стали для нефтяной скважины // 2494166

Изобретение относится к области металлургии, в частности к нержавеющей стали для нефтяной скважины и трубе из нержавеющей стали для нефтяной скважины. Нержавеющая сталь для нефтяной скважины содержит, % по массе: С не более 0,05, Si не более 0,5, Mn от 0,01 до 0,5, Р не более 0,04, S не более 0,01, Cr свыше 16,0 и не более 18,0, Ni свыше 4,0 и не более 5,6, Мо от 1,6 до 4,0, Cu от 1,5 до 3,0, Al от 0,001 до 0,10, и N не более 0,050, причем остальное составляют Fe и примеси.