Сталь

 

Использование: изобретение относится к черной металлургии, в частности к низколегированной стали для изготовления труб, предназначенных для эксплуатации в условиях Севера. Сущность изобретения: для повышения уровня пластических свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах до (-)60°С она дополнительно содержит цирконий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,11; марганец 1.3-1.6: кремний 0,2- 0,6; ниобий 0,005-0,010: иттрий 0,02-0.06 алюминий 0,03-0,06; цирконий 0,01-0,03; железо - остальное, причем отношение циркония к иттрию составляет 0,17-0,90. 2 табл.

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 22 С 38/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ь. тО

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4870305/02 (22) 13.08,90 (46) 23.07.92. Бюл, ¹ 27 (71) Мариупольский металлургический институт и Мариупольский металлургический комбинат "Азовсталь" (72) П.С. Харлашин, В,А. Сахно, О.В. Носоченко, B.Ï, Харчевников. С,г. Мельник. А,В.

Маринин, И.А. Торлов, С.П. Лысяная. И,Л.

Ьузун, Е.А. Иванов и Л.И. Тарасюк (56) Авторское свидетельство СССР № 755881, кл. С 22 С 38/12, 1980, (54) СТАЛЬ (57) Использование: изобретение относится

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к ниэколегированным сталям, применяемым для изготовления трубопроводов. эксплуатируемых в условиях Севера.

Известна сталь для изготовления газопроводных труб, предназначенных к использованию в условиях Севера. имеющая состав, мас.%:

Углерод 0,13 .

Марганец 1,7

Кремний 0,35

Ниобий 0,05

Ванадий 0.09

Железо . Остальное

Допускается содержание в стали серы не более 0,01 мас.%. а фосфора не более

0,02 мас.%.

Данная сталь после контролируемой прокатки, включающей закалку при 930 С и отпуск при 590-600 С. характеризуется от„„5LI ÄÄ 1749295 А1 к черной металлургии. в частности к низколегированной стали для изготовления труб, предназначенных для эксплуатации в условиях Севера. Сущность изобретения: для повышения уровня пластических свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах до (-)60 С она дополнительно содержит цирконий и иттрий при следующем соотношении компонентов. мас.%: углерод

0,07 — 0,11; марганец 1,3 — 1,6; кремний 0,20,6; ниобий 0,005-0,010; иттрий 0,02-0.06: алюминий 0,03 — 0,06; цирконий 0,01 — 0.03; железо — остальное, причем отношение циркония к иттрию составляет 0,17-0,90.

2 табл.

Фн носительно невысокими механическими свойствами, в том числе ударной вязкостью при низких температурах. иаЪ

Временное сопротивление разрыву (ав) для этой стали составляет 550 МПа. предел р текучести (oã) 450 МПа, относительное удлинение (д) 22%, ударная вязкость (KCV) при

+20. -40 и -60 С составляет соответственно

110, 62 и 41 Дж/см . О

Кроме того, ограничение по содержа- Л нию серы до 0,01 мас. g, снижает экономии- ) а ность стали, так как для доведения содержания серы до указанной величины необходимо производить десульфурацию стали синтетическими шлаками — операцию, увеличивающую цикл производства стали и снижающую производительность металлургического оборудования,, Известна сталь, где обеспечена высокая ударная вязкость при низких температурах (KCV более 98 Дж/см при -120 С) в первом

1749295 случае за счет введения в сталь крайне дефицитных редкоземельных элементов — неодима и празеодима в сочетании с цирконием, во втором — путем сложного легирования и модифицировзния стали дорогостоящими и дефицитными элементами— никелем. хромом, молибденом в сочетании с ванадием, ниобием, цирконием и церием, При этом по содержанию серы в стали имеется ограничение — не более 0,01 мас. .

Содержание дорогостоящих элементов и необходимость дополнительной десульфурации требуют больших материальных и трудовых затрат на изготовление указанных сталей.

Кроме того, они характеризуются относительно невысокими пластическими свойствами(ое-490-529 и 519-559 МПа и%-372 и 421-441 МПа соответственно), что не позволяет использовать эти стали для изготовления трубопроводов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является сталь следующего химического состава, мас. :

Углерод 0,14-0,20

Марганец 1.2-1,6

Кремний 0,3-0,7

Ванадий . 0.05-0,20

Азот 0,014-0.030

Ниобий 0,005-0,050

Редкоземельные металлы 0.005-0,050

Алюминий 0.005-0,040

Молибден 0,01-0,10

Железо Остальное

В качестве примесей сталь может содержать серу и фосфор до 0,03 мас. каждого, что позволяет не производить затраты на дополнительную десульфурацию стали при ее получении.

Указанная сталь после стандартной термической обработки путем нормализации имеет довольно высокое временное сопротивление разрыву е>, равное 627 МПа, однако это достигается вводом в ее состав значительного количества дорогостоящих и дефицитных компонентов — молибдена (до

0,1 мас. 3), ванадия (до 0,2 мас. ) и ниобия (до 0 05 мзс. ).

При этом другие пластические свойства и ударная вязкость, важные для эксплуатации трубопроводов иэ этой стали в условиях

Севера, относительно невысоки, они достигают лишь минимума значений для данного класса стали: о -470 МПа, д26 . КСЧ п2ри

+20 С 88 Дж/см, гни -40 С 59 Дж/см и при-60 С39Дж/см .

55 влияния на свойства стали как карбидообразующего элемента, при содержании его в количестве. 0,01-0,03 мзс.% обеспечивает связывание серы в прочные сульфиды и очистку границ зерна от легкоплавких соединений серы с железом и марганцем, повышая

Цель изобретения — повышение уровня пластических свойств и ударной вязкости стали при отрицательных температурзк до

-60 С.

Цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец. кремний. ниобий, алюминий и железо, дополнительно содержит цирконий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас,%:

Углерод 0,07-0,11

Марганец 1,3-1,6

Кремний 0,2 — 0,6

Ниобий 0,005-0,010

Иттрий 0,02-0,06

Алюминий 0.03-0,06

Цирконий 0,01-0,03

Железо Остальное причем отношение циркония к иттрию составляет 0,17-0,90, Пределы содержания компонентов в стали обеспечивают высокие для данного класса стали пластические свойства и повышение ударной вязкости при -40 С и -60 C при экономном легировании и без обработки стали синтетическими шлаками.

Содержание углерода в пределах 0,070.11 мас.g обеспечивает в сочетании с другими компонентами образование оптимального количества упрочняющей сталь карбидной фазы, обеспечивакнцей высокую прочность беэ снижения хладостойкости стали.

Кремний в количестве 0,2-0,6 мас.$ и марганец в количестве 1,3-1,6 мас. способствуют образованию жидких, хорошо укрупняющихся продуктов раскисления, что предотвращает насыщение расплава кремнеземом и закисью марганца в период его рзскисления, не снижая в то же время степени раскисления. Кремний, кроме того, способствует растворению в аустените карбидообразующих элементов — циркония, марганца и ниобия, что приводит к повышению вязкости и хладостойкости стали, Соотношение введенных в состав стали карбидообразующих элементов и кремния способствует измельчению зерна и дисперсионному упрочнению стали, что создает условия для получения после контролируемой прокатки дисперсной макроструктуры, обеспечивающей высокую прочность и повышение ударной вязкости при отрицательных температурах.

Введение в сталь циркония, кроме его

1749295 хладостойкость стали без ее обработки синтетическими шлаками. Кроме того, цирконий наряду с алюминием участвует в раскислении и связывании азота в мелкодисперсные нитриды и карбонитриды, что также повышает механические свойства стали.

При содержании циркония менее 0,01 мас. указанное его влияние на свойства стали недостаточна значительно, а превышение его в стали (более 0,03 мас.%) приводит к образованию крупных включений, обуславливающих наличие в металле после, прокатки грубых строчек карбидов и карбонитридов, понижающих как пластические свойства, так и ударную вязкость металла.

Микролегирование стали ниобием в количестве 0,005-0.010 мас.% также связано с образованием карбонитридов, способствующих измельчению микроструктуры стали, поскольку они тормозят рост зерна аустенита, закрепляя его границы и сдерживая этот рост вплоть до температур растворения.

Алюминий в составе стали в количестве

0,03 — 0,06 мас.% выполняет роль раскислителя и, кроме того, модификатора, сдерживающего рост аустенитного зерна путем блокирования его мелкими частицами нитрида алюминия. в результате чего практически полностью удаляется свободный азот и структура приобретает более мелкодисперсное строение, обуславливающее повышение ударной вязкости.

Введение в состав стали иттрия, являющегося модификатором второго рода, обеспечивает в процессе кристаллизации и структурообразования стали изменение формы, морфологии, размеров и распределения неметаллических включений. Модифицирование стали иттрием повышает ее ударную вязкость при отрицательных температурах.

Кроме того, иттрий, как и цирконий. обладая большим сродством к сере. оказывает на сталь сильное десульфурирующее действие, связывая серу в прочные оксисульфиды глобулярной формы, замещающие легкоплавкие соединения серы с железом и марганцем в межзеренном пространстве, уплотняя структуру металла и псвышая его механические свойства.

Нижний предел содержания иттрия (0,02 мас.%) выбран исходя из того, что за ним иттрий не оказывает значительного влияния на изменение свойств стали, Содержание его в стали более 0,06 мас.% приводит к снижению механических свойств. так как вследствие влияния иттрия на повышение растворимости кислорода увеличивается общее оличество неметаллических включений эа счет образования оксидов.

Экспериментально установлено, что введение в предлагаемый состав стали циркония увеличивает ударную вязкость при отрицательных температурах преимущественно в продольном направлении, в то время как иттрий повышает эту характеристику преимущественно в поперечном направлении проката.

Соотношение содержания в стали циркония и иттрия, определенное зависимостью Zr; Y=0,17-0,90, обеспечивает оптимальную степень влияния этих элементов на свойства стали с учетом специфики ее использования и высокие механические свойства как в поперечном, так и в продольном направлении проката, Нижний предел 2г;У, равный 0,17, обус10

20 ловлен соотношением нижнего предела содержания циркония к верхнему пределу

При этом предлагаемая сталь более экономична, поскольку не содержит в своем составе дорогостоящих и дефицитных элементов (молибдена и ванадия), верхний предел ниобия в ней снижен.в 5 раз, а общее содержание легирующих элементов снижено в 2 — 4 раза. содержания иттрия в стали, выбранных исходя из степени их влияния на свойства стали, а верхний предел указанного отноше25 ния, равный 0,90, обусловлен тем, что превышение его приводит к увеличению анизотропии ударной вязкости при низких температурах и одновременному снижению значений сг,, о и д, 30 В табл. 1 приведены составы стали; в табл. 2 — механические свойства исследованных сталей.

Для механических испытаний используют стандартные образцы, отобранные по

35 ГОСТ 9454-78 для определения КСЧ и по

ГОСТ 1497-84 для определения or, os и д от листов толщиной 12 мм, полученных прокаткой опытных слитков стали различного состава с последующей термообработкой по

40 режиму: закалка 930 С, отпуск 590-600 С, Предлагаемая сталь, обладая временным сопротивлением, практически соответствующим уровню этого свойства у прототипа после его нормализации, превос45 ходит его по пределу текучести и особенно по относительному удлинению, а значения

/ ударной вязкости поперечных образцов как при нормальной, так и при отрицательных температурах до -)60 С выше соответству50 ющих значений свойств прототипа в 1,6-2,2 раза.

1749295

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ниобий, алюминий, железо. о тТабли Ое 1

Состав стали

Содермаиме хннмнеских змнантое, нас.г

) н (Яь )г (г )н )и (v (н (1

Нредлагаенмй

1 0,06

0,005 0,020

0,004

Осталь0,015

О,1

1,20 ное!

О ° 2 0,2

o,4

0,4

o,ü

О,6

0,6

О, 7

2 0, 07

3 0,07

4 0,09

5 0,09

6 0.09

7 . 011

8 0,11

9 0,12

llseectЙ Оу17

09Г2ФФ 0,09 o,o3o

o,03Ф

0, 045

0,045

О, o4S

0,060

0,060

0 ° 070

1,00

О,So

0,90

0,40 о,17

6,50

0,15

0,030

0,020

o,035

0,040

0,060

0,060

0,065

0,070

РОн

0,025 о,030

О, 010

0,030

0,015

О,010

0,030

0,010

0,035

0,005

0,005

0,007

0,007 о,оо7

0,010

O,OI0

О, 012

1,3О

1,30

1 ° 4S

1,45

1,45

1,60

1,60

I,7o

Il

I1

1l и и н

0,022 0,12 О 05

° °

О ° 028

0,030

О ° 023

0,035

1,ао

1,55

0,S

0,25

0,09

«1 °

Наханинескиа саойстаа исследуаних сталей

Таблица 2

Относмтепьное удлинение оь, \

ССт, Лх/снз, при температуре мспитанмл, С

Ударнал резкость, Оредел текунестн

6 т ° Н"

Состае стали

Време 1ное сопротиа ление разпееу(je °

Н1"1а

-40

+20

Образе ц

"ох

Образе пи. продоль-1поперемний ммь проаоль- поперенньаз ний продоль- поперек ний ний

О 68 156 67

О, 72 162 68 о,82

0,80 17Ф 107

0,85 177 113

0,83 186 112

0,83 182 loa о 72 184 81

0,67 160 68

0,43

0,42

0,60

0,63

0,64

0,60

0,57

0,44

0,42

1 г

4

6

8

Нзаеотний

465 а9а а9о

460 а,ао

0.38

0,52

0,54

0,54

О ° 50

o,ь8

o,aI

0,39 ь8

6о

88

89

69

159

164

163

164

167

154

121

147

149

164

156 I 57

148

116

163

168

186

192

187

188

206

17а г7

28 .

33

34

33

27

553

S6o

602

608

614

627

593

627

550

39

0,44 102 41 0,40

4S0

59

2S

0,60 140

182

09 Ггаб

110

К ОСУ призренного esse

Нрименамие. К ю ьст продольного обрезы

Составитель C,Ëûñ3síàÿ

Техред M.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор Н.Гунько

Заказ 2567 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„41 5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгэрод. ул,Гагарина, 101

Дополнительным положительным эффектом от использования предлагаемой стали, обусловленным ее экономным легированием. является улучшение свариваемости, поскольку ее углеродный эквивалент

{СО) составляет 0.29-0.38. в то время как С> прототипа составляет 0,39-0,53, à Сэ стандартной стали 09Г2ФБ — 0,41 — 0,43.

Суммарное влияние повышенных механических свойств и свариваемости увеличит длительность эксплуатации трубопроводов в условиях Севера, л и ч а ю щ а я с я тем. что, с целью повышения уровня пластических свойств и ударной вязкости стали и ри отрицательных температурах до -60ОС, она дополнительно содер5 жит цирконий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.о :

Углерод 0,07-0,11

Марганец 1.3-1,6

Кремний 0.2-0,6

10 Ниобий 0,005 — 0,010

Иттрий 0,02 — 0,06

Алюминий . 0,03 — 0,06

Цирконий 0,01 — 0,03 . Железо Остальное

15 причем отношение циркония к иттрию составляет 0.17-0,90.