Немагнитная сталь

 

Изобретение относится к металлургии в частности к высокопрочной немагнитной аустенитной стали и предназначено для использования при изготовлении буровых труб для нефтяной промышленности, к ото рым предъявляются высокие требования по механическим свойствам Цель - повоние ние прочности, ударной вязкости при сохра нении уровня коррозионной стойкости Сталь дополнительно содержит церий, каль ций, азот, ниобий при следующем соотношении компонентов мае % углерод 0,005-0.08, хром 17,0-220 марганец 80- 15,0 никель 2,5-6 8, медь 0 1-25, молибден 0,5-1,1, кремний 02-0 7 церий 0005-02 кальций 0 005-0,05 азот 0 66-0 9 ниобий 0,03-0 15 железо остальное 2 табл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»c С 22 С 38/58

ГОСУДЛРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ )К ПАТЕНТУ (21) 4772468/02 (22) 22.12,89 (46) 07.11.92.Бюл.¹ 41 (71) Институт металлофизики АН УССР (72) Н.П.Лякишев. Н.Д.Афанасьев, В,Г.Гаврилюк, С.П.Ефименко,: И.Е.Косматенко, М.А.Лойферман, С.П.Ошкадеров, B,С.Стародворский, Е.Х.Шахпазов и )0.Н.Ягодзинский (73) Институт металлофизики АН УССР (56) Авторское свидетельство СССР

N 1397539, кл. С 22 С 38/54, С 22 С 38/58, 1988.

Изобретение относится к металлургии, точнее к высокопрочным немагнитным аустенитным сталям. и предназначено для использования при изготовлении буровых труб для нефтяной промышленности, к которым предъявляются следующие требования по механическим свойствам: предел прочности не менее 950 МПа, предел текучести не менее 750 МПа, ударная вязкость не менее 700 кДж/м, относительное сужение не менее 50 при удовлетворительной коррозионной стойкости.

Известна, сталь 12Х18Н9Т. содержащая, мас,%: углерод 5 0,12: кремний < 0,8; марганец 5 2,0; хром-17,0-19,0: никель—

8.0-9,5; титан — 5С-0,8; медь 0,30: сера

0.020; фосфор 5 0.035:.к .лазо остальное (см Г() "T 5632 77) „„Я2„„1774966 А3 (54) НЕМАГНИТНАЯ CTAflb (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к высокопрочной немагнитной аустенитной стали, и предназначено для использования при изготовлении буровых труб для нефтяной промышленности, к <оторым предъявляются высокие требования по механическим свойствам. Цель — пов шение прочности, ударной вязкости при сохранении уровня коррозион ной стойкости, Сталь дополнительно содержит церий, кальций, азот, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод

0,005-0,08; хром 17,0-22,0; марганец. 8,015,0: никель 2,5-6,8; медь 0,1-2,5; молибден

0,5-1,1; кремний 0,2-0,7; церий 0,005-0,2; кальций 0,005-0,05: азот 0.66-0,9; ниобий

0,03-0,15; железо остальное. 2 табл.

Недостатком известной стали явл ется то, что она не может быть использована в качестве коррозионностойкого высоког рочного материала. т.к. имеет недостаточные прочностные свойства (по ГОСТ 5949-75 предел текучести составляет не менее 196

МПа, предел прочности не менее 540 МПа) и неудовлетворительную стойкость против точечной коррозии в окислительных средах, хотя и может быть применена для изготовления немагнитных изделий (в <астно "ти. буровых труб), т.к. хара: -еризуется значением магнитной прон -:.цаел1ости менее

1,005. Другим недостатком этой стали является ее высокая себестоимость.

Наиболее близкой к заявляемой стали по технической сущности и достигаемому результату является коррозионностолкая сталь по а.с,СССР № 1397539, кл. С 22С

) 4 фь

О о ос

> Сл) 177496Г) 38/54, С22С 38/58, публ.23.05.88г. Бюль+ 19, содержащая мас.%: углерод 0,01-0,08 кремний 0,1-0,6 марганец 0,1-8,0 хром 16,0-22,0 никель 1,5-7,5 молибден 1,8-3,5

6ор 0,042-0,12 титан 0,01-0,35

РЗМ 0,001-0,0015 медь 1,0-3,0 железо остальное при условии, что соотношение титан, бор равно 4,43:0,04.

Из данной стали, принятой за прототип, изготавливают коррозионностойкий лист и трубы с пределом прочности 800 МПа и пределом текучести 520 МПа. Недостатком данной стали является относительно низкая прочность и высокая магнитная проницаемость. Кроме того. необходимый уровень прочности в данном случае достигается дисперсион н ым старением, что требует дополнительной термообработки изделий, Целью изобретения является повышение прочности и ударной вязкости стали при удовлетворительной коррозионной стойкости и требуемом уровне немагнитно. сти, Поставленная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, хром, марганец, никель, медь, молибден, кремний. железо. отличающаяся тем, что с целью повышения прочности и ударной вязкости при высоком уровне немагнитности и коррозионной стойкости, она дополнительно содержит азот. ниобий. церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас%: углерод 0,005-0,08 кремний 0,2-0,7 марганец 8,0-15,0 хром 17,0-22,0 никель 2,5-6,8 молибден 0,5-1,1 азот 0,66-0,9 медь 0,1-2,5 це рий 0,005-0,2 кальций 0,005-0,05 ниобий 0,03-0,15 железо остальное.

Необходимый уровень прочности при высокой ударной вязкости предлагаемой стали достигается высоким содержанием азата в сочетании с введением меди. церия, кальция и ниобия.

Увеличение содержания азота в стали нг)иводит к увеличению прочности, т.к, в заявляемой стали сверхравновесный азот на20

35

Увеличение содержания кальция в ста40. ли более 0,05мас.% приводит к снижению

50 ходится в твердом растворе, Содержание азата в стали менее 0,66% приводит k уменьшению прочности ниже допустимого значения.

Увеличение содержания азота в заявляемой стали более 0,9%, как показали эксперименты, приводит к резкому. снижению ударной вязкости, уменьшению относительного сужения и снижению корроэионной стойкости (время до разрушения составляет

150 ч).

Повышение содержания меди в стали более 2.5 мас.%, как показали проведенные эксперименты, приводит к уменьшению ударной вязкости и пластических свойств, вследствие чего повышается склонность стали к хрупкому разрушению и корроаионному растрескиванию.

Уменьшение содержания меди в предлагаемой стали менее 0,1 мас.% не обеспечивает требуемого уровня пластичности, что снижает стойкость иэделий при их эксплуатации.

Введение церия в заявляемую сталь обеспечивает заданную ударную вязкость, устраняя вредное влияние углерода на ее величину за счет связывания углерода по границам зерен.

Увеличение содержания церия в стали более 0,2 мас .% нецелесообразно, т,к. нв приводит к дальнейшему повышению ударной вязкости.

Уменьшение содержания церия в предлагаемой стали менее 0,005% не обеспечивает заданное значение ударной вязкости.

Дополнительное введение в сталь кальция повышает стойкость ее к коррозионному растрескиваниь. ударной вязкости к коррозионному растрескиванию.

Уменьшение содержания кальция в заявляемой стали менее 0,005% не обеспечивает его положительного влияния на стойкость к коррозионному растрескиванию, Введение в сталь ниобия обеспечивает необходимый уровень ударной вязкости с одновременным повышением прочности, Уменьшение содержания ниобия в предлагаемой стали менее 0,03мас.% не обеспечивает необходимого уровня прочности..

Увеличение содержания ниобия в стали более 0,15мас,% нецелесообразно, т.к. приводит к снижению ударной вязкости.

Повышение содержания хрома и снижение концентрации марганца позволяет по1774966 высить прочность и коррозионную стойкость стали.

Снижение содержания марганца при одновременном увеличении концентрации никеля в заданных пределах обеспечивает растворимость азота в жидкой фазе, что исключает образование мартенсита или феррита, повышая прочность стали.

Кроме того, уменьшение содержания марганца при выплавке стали улучшает экологию окружающей среды за счет уменьшения выброса токсичных паров окиси марганца.

Введение в сталь церия в количестве

0.05-0.10 мас. /, кальция в количестве 0,050,10 мас. / и меди в количестве 0 1-0,5 мас, / с той же целью известно (см.а.c,N

1090015. кл. С 22 С 38/44). Однако эти ингредиенты вводятся в сталь в сочетании с

0.15-0.25 мас. /, углерода и 0.20-1,00 мас,0 марганца. что наряду с повышением показателей прочности ведет к уменьшению ударной вязкости и пластических свойств

{относительное сужение составляет 31,534,6 /,. что менее 50 и не удовлетворяет требованиям к буровым трубам), Известно введение в сталь кальция в количестве 0,01-0,06 мас. / и азота в количестве 0,75-1,7 мас. при содержании 0,010,06 мас. углерода, 16-19 мас, хрома и

17,0-21 мас, марганца (см.э.с.N 919373, кл. С 22 Q 38/38). Однако эта сталь не может .быть применена для изготовления буровых труб, т.к. обладает низкой пластичностью

{относительное сужение составляет 1242 ). Введение в сталь меди в количестве 0,9-2,0 мас. известно (см.а. св. N 1061506)3

Однако онэ вводится в сочетании с углерддом. кремнием. хромом, марганцем и алюминием, что наряду с повышением коррозионной стойкости ведет к уменьшению прочности.

В заявляемой же стали церий, кальций, медь находятся в ранее неизвестном сочетании с другими ингредиентами, что позволяет повысить прочность и коррозионную стойкость без снижения пластических свойств и ударной вязкости.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию "Существенные отличия".

Для оптимизации сосгэва стали были выплавлены опытные плавки в открытой электродуговой печи. после чего применяли плазменно-дуговой переплав, при котором в сталь дополнительно вводили азот, церий и кальций, с получением слитков. Химические составы плавок приведены в табл.1.

5 Полученные слитки подвергали ковке на лабораторной радиальноковочной машине для изготовления труб, из которых затем после термообработки, вырезались образцы для механических испытаний, Наряду с

10 механическими испытаниями проводили испытания на склонность к межкристаллитной коррозии (MKK) в стандартном растворе

Н250а+СиЯО4+Со (по ГОСТ 6032-75) и на стойкость к коррозионному растрескива15 нию (KP) в 3 -ном растворе поваренной соли,нэсыщенном сероводородом до 6 no . объему в течение 300 ч.

Ударные испытания были проведены на маятниковом копре MK-30, а разрывные — нэ

20 установке P-5, Магнитная проницаемость была измерена на лабораторной установке при напряженности магнитного поля 700 Э.

Результаты испытаний представлены в табл.2, 25 Из приведенных результатов видно, что содержание элементов в заявляемых пределах обеспечивает необходимый комплекс механических свойств для буровых труб (предел прочности не менее 950 МПа, пре30 дел текучести не менее 750 МПа, ударная вязкость не менее 700 кДж/м, относительное сужение не менее 50 ) при удовлетворительной корроэионной стойкости.

Формула изобретения

35 Немагнитная сталь. содержащая углерод. хром, никель. марганец, молибден, кремний, медь и железо, о т л и ч а ю щ а я— с я тем, что, с целью повышения прочности, ударной вязкости при сохранении уровня

40 коррозионной стойкости, она дополнительно содержит церий, кальций, азот, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас. : углерод 0,005-0,08

45 хром 17,0-22,0 марганец 8,0- 1 5,0 никель 2,5-6,8 медь 0,1-2,5 молибден 0,5-1,1

50 кремний 0,2-0,7 церий 0,005-0,2 кальций ОЯ05-0,05 дзот О, 6-0,9 ниобий 0,03-0,15

55 железо остальное.

1774966

I . сч

«

С}

О со л а сч o сч л A л о к

Э

z

}g

Э

X

° ° 4 гл со О л

«ч о—

p. h с» о Ж л

1

1 — т— О сЧ 00 лcr Ол О л л а в в

О ОООО

00 Ф

О л л

О О л л

00 о сО сч

О л

1 I 1 1 1 с 1 л

1 О

1 I 1 1 б 1

I 1

I I

I Э I

I 1

1 I

1 1

I !

I }}I I о

I 1

1 с4

О\ « оо

oo л л

О О

}с о счев сЧ О О О сЧ в в а л л

О ОООО и л л

О . О Г} О1

Е О 04 О оооо а е л в оооо с }

О л о сс}

О

С} сч

О о

1 I

I I

I И I

A % w }ст сч

-оо-о л л л л л

ООООО

00 с«} о л е

О О с«} о в о е

О л о д+ о о

1 I

I I

1 1

I I! сО о .о

1 О 1

l I

1 1

I 1

}с «» сч о

0О л

« л сч !о

00 л л

1о л л

Ч %

I I с}

О1 МО 04 л л в о осч (1 л

-nО1с0 е л л в

-ooo б л

С}

О с0 }Л W Л л л в л в

О О СЧ С} }с }

О с} л л л

4 О О сч л оо- а л а л л СЧ ОЪ СО

° C4 ° « л с} с} в л е

О О со сч сч ь л О

О в с } сч с«} л ChЛ л л

«» 00 л

ЬсЧI 00

О е л л е

««оооо

00 «» ««» ч» сч

Ч:} л л л

I

I.

1. О счл л о л л а а а

ООООО л

0 с«} с4 л л в о оо

00 л о л

О

О о О Ф 1 о oo л л л о оо!

I б I

С (о

I

I

1 !

I

I

l !

I !

I

1

) !

1 1

1 I

I I а

I 1

1 б! 1 !

I Ссб I

I б — — 1

I 1

I 1

I ° г4 I

I 1.4 1

I 1

3 — -Ч у ! с

0) I i

Г Ч

Э I 1

X 1

"4

}O 1

М

Ю I

Э 1 — — -3

1 I

О 1 о о

1 I

У.

I I

I — — 4

1 I ! } 1

1 ° «4

1 С/) I

1 I !

I

1 о

I I

Р1 о v

«л о. о ол л л

Щ

4 Лoe ii .с}

2 лe iJAo

«ссб

«дo .. б, Vh

Э и"

v 14 1-»

M и а З л

Ос4 Хе СОи л «а «Х лO O СС}

О 0 0} С 4 «3 } О О «л

o VO- «сОО

A h ч 4 с0 }0 О -т "

ni e Э 5 Э СЕ Ч 3 О

VV@ Ve С-0 О т с/

ОсосЧ а-0

О ОООО л л л л л ооооо

1774966

Таблица 2

МКК К время до азрушения, ч

6 „, МПа гц, Гс/Э, МПа ан краж

Составитель Н.Лякишев

Техред М.Моргентал Корректор Н.Гунько

Редактор С,Кулакова

Заказ 3944 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям.при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", т. Ужгород. ул,Гагарина, 101

2

4

6

8

10 »

830 .865

1020

760 790

790

16,0

686

58

53

51

44

46

59

41

1,002

1, 001

1, 002

1,004

1,003

1,002

1,001

1,120

1,004

1, 003

Нет 300

То же 300

Есть . 150

То же. 180

Нет 220

То же 150

Есть 130