Низколегированная сталь

 

к плткнть

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (О) 4940439/02 (22) 30.0591 (46) 15.11.93 бюл. М 41-42 (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им.И.П.Бардина (72) Зикеев В.Н. Овчинников НА; Иржов ГГ. Аненков Н.И„ Онищук В.П. Налча Г.И. Бояджи О.В„Ермаков ВВ; Котова ИС. (73) Иржов Георгий Григорьев (54) НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ

{57) Изобретение относится к.черной металлургии, в частности к низколегированной стали для газотрубопроводов и дпя конструкций, используемых в условиях Севера и Сибири. С цепью повышения (19) )Щ (1Ц (я) гг зв е сопротивляемости хрупкому разрушению и устойчивости против атмосферной коррозиц сталь дополнительно содержит хром никель, медь, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас%: углерод 0,10 - 020; кремний 0,17 — 0,37: марганец ОУΠ— 1.10; хром 0.05 — 0,35; никель 005 — 0,35; медь 6,05 — 0,5; титан 0005 — 0,025. алюминий 0005 - 015; редкоземельные металлы 0,001—

005; кальций 0001 - 005. .железо — остальное, при этом выполняются следукнцие соотношения: (алюминий + титан + кальций + P3M) < 0,3; хром+никель+медь+титан/углерод 0,97 — 8,15 2 табл.

2002851

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям для труб, транспортирующим природный газ в неблагоприятных климатических условиях, например при низких температурах и в условиях воздействия атмосферной коррозии, Наиболее близкой по составу, технической сущности и достигаемому результату является сталь (1), содержащая, мас,$:

Углерод 0,07-0,23

Кремний 0,17-0,7

Марганец 0,5-1,8

Алюминий 0,01-0,25

Молибден 0,05-0,6

Сульфиды редкоземельных металлов 0,01 — 0,16

Железо Остальное

Сталь предназначена для нефтехимического и газового аппаратостроения, в том числе труб для транспортировки газа. Механические свойства стали после нормализации следующие, мас.%:

Предел прочности, Н/мм 438

Предел прочности, Н/мм 250 г

Относительное удлинение, % 30

Удельная вязкость, Дж/см 103 г

Недостатком известной стали является низкий уровень прочности.. Кроме того, известная сталь не предназначена для эксплуатации при низких температурах и в условиях атмосферной коррозии. .Цель изобретения — повышение сопротивляемости стали хрупкому разрушению и повышение устойчивости к атмосферной коррозии при сохранении на высоком уровне прочностных и пластических свойств,.

Указанная цель достигается тем, что сталь. содержащая углерод, кремний, марганец. алюминий, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит хром, никель, медь, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,10-0,20

Кремний 0,17 — 0,37

Марганец 0,70-1,10

Хром 0,05-0.35

Никель 0,05-0,35

Медь 0,05-0.5

Титан 0.005-0,025

Алюминий 0,005 — 0,15

Редкоземельные металлы 0.001-0,05

Кальций 0,001 — 0,05

Железо Остальное при этом процентное содержание (Al + Ti +

Са + РЗМ) (0,3, а отношение (Сг + Ni + Cu. +

Ti): С - 0,97-8,15.

Известно, что в феррито-перлитных сталях, какой является предлагаемая сталь, уровень механических свойств определяется в значительной мере свойствами легированного феррита. Легирующие элементы, . дополнительно вводимые в предлагаемую сталь. по-разному растворимы в феррите.

Хром и титан связаны в карбиды и нитриды;

Хром частично растворим в феррите. Никель. как некарбидообразующий элемент, полностью входит в состав феррита. Медь .мало растворима в феррите и образует са10 мостоятельную фазу. Кальций обычно входит в состав кислородных неметаллических включений, таких как оксиды и оксисульфиды

Легирующие элементы, вводимые .в предлагаемую сталь, за исключением кальция, упрочняют сталь. Хром и титан значительно повышают прочность стали за счет измельчения зерна, медь — за счет дисперсионного твердения, никель упрочняет

20 твердый раствор.

Однако в предлагаемой стали легирование хромом, никелем, медью, титаном и кальцием, кроме эффекта упрочнения, приводит к достижению новых свойств, а именно достигается повышенное сопротивление хрупкому разрушению. При этом наклады. вается ограничение на содержание алюминия, титана, кальция и редкоземельных металлов; их суммарное содержание должно быть меньше 0,3%..

Кроме того, легирование предлагаемой стали храмом. никелем, медью, титаном и кальцием в указанных пределах обусловливает достижение повышенной устойчивости

35 к атмосферной коррозии при соблюдении процентного соотношения: (Cr. + Ni + Cu +

Ti)/: С = 0,97 — 8.15, Средством выявления склонности низколегированных сталей к хрупкому разру40 шению .является определение характеристик вязкости. Основные требования следующие: значение ударной вязкости при 20 С на образцах с надрезом радиусом

1 мм составляет 80 Дж/см вдоль и 60

45 Дж/см соответственно поперек направлег ния прокатки, а при температуре -40 С вЂ” не более 50 от исходного ее значения, т.е„ чтобы критическая температура хрупкости была не выше -30 С.

Значительное повышение сопротивляемости предлагаемой стали хрупкому разрушению достигается модифицированием стали титаном и кальцием, и дополнительным легираванием стали хромом, никелем и медью в указанных пределах. Эффект повышения сопротивляемости хрупкому разрушению состоит в связывании газов и вредных примесей: азота, кислорода и серы модифицирующими добавками — алюминием, титаном, кальцием и редкоземельными

2002851

25

55 металлами в субмикроскопические выделения нитридов титана и алюминия и кислородных включений типа оксидов и оксисульфидов кальция и редкоземельных металлов благоприятной формы. В результате достигается высокая степень чистоты по неметаллическим включениям и дисперсная исходная микроструктура стали с повышенной сопротивляемостью хрупкому разрушению. Дополнительное легирование стали хромом, никелем и медью в указанном сочетании оказывает общее положительное влияние на свойства стали, такие как: прочность, пластичность, сопротивление хрупкому разрушению.

Кроме того, легирование предлагаемой стали хромом, никелем, медью, титаном и кальцием обеспечивает повышенную устойчивость стали против атмосферной коррозии.

Влажная атмосферная коррозия представляет собой электрохимическую коррозию. Однако от мокрой атмосферной коррозии отличается тем, что она протекает не при полном погружении металла в электролит, а под тонким слоем его. В силу изложенного она имеет ряд особенностей; благодаря беспрепятственному доступу кислорода к коррозирующей поверхности легко возникает анодная пассивность; при влажной атмосферной коррозии существенную роль играет добавочная защита продуктами коррозии; вследствие возникновения анодной пассивности при атмосферной коррозии катодные включения в стали оказывают тормозящее влияние на процесс, т,к, катодный контакт способствует возникновению анодной пассивности.

Именно таково положительное влияние никеля, хрома, титана. Влияние меди объясняется возникновением анодной пассивности стали за счет катодного контакта с вторично выделившейся на поверхности медью. Кроме того, медь способствует получению на поверхности стали плотного защитного слоя продуктов коррозии.

Кроме того, при выбранном легировании вновь вводимые элементы усиливают защитное действие друг друга. Такое усиление заметно между никелем и медью, никелем и хромом.

Углерод отрицательно влияет на стойкость стали против атмосферной коррозии, как элемент не растворяющийся в феррите.

Его содержание в стали ограничено процентным соотношением: (Сг+ Ni + Cu + Ti)/ С = 0,97-8,15

В предлагаемой стали железо является основой; углерод, кремний. марганец — основными легирующими элемента; ь:, с гвегственными за уровень конструктивных свойств стали; хром, никель, медь. алюминий, титан, редкоземельные металлы, кальций — легирующими элементами, которые в сочетании с основными элементами обеспечивают требуемый уровеч ь конструктивных, технологических и эксплуатационных свойств.

В предлагаемой стали содержание углерода ограничено пределами 0,10 — 0.20%

Содержание углерода ниже 0,1% не обеспечивает требуемый уровень прочности, а содержание выше 0,20% снижает сопротивление хрупкому разрушению и стойкости к атмосферной коррозии.

Содержание кремния в стали выбрано в пределах 0,17 — 0,37%. Содержание кремния ниже 0,17% не обеспечивает достаточной раскисленности стали, выше 0,37% упрочняет твердый раствор и снижает сопротивление хрупкому разрушению за счет снижения сил межатомной связи в кристаллической решетке, Содержание марганца ограничено пределами 0,70 — 1,10%. Содержание марганца ниже 0,70% не обеспечивает достаточной раскисленности стали и требуемый уровень прочности выше 1,1% вызывает рост аустенитного зерна, усиливает сегрегацию примесей в осевой зоне заготовки, черезмерно упрочняет и снижает сопротивление стали хрупкому разрушению.

Пределы по хрому в предлагаемой стали выбраны 0,05-0.35%. Содержание хрома ниже 0,05% приводит к снижению устойчивости стали к атмосферной коррозии. Содержание хрома выше 0,35% вызывает ухудшение свариваемости за счет увеличения прокаливаемости.

Содержание никеля в предлагаемой стали выбрано в пределах 0,05-0,35%. Содержание никеля ниже 0,05% не обеспечивает требуемый уровень сопротивления хрупкому разрушению и атмосферной коррозии.

При содержании никеля выше 0,35% повышается склонность к водородному охрупчиванию. При содержании меди менее

0,05% снижается сопротивление к атмосферной коррозии. СоДержание меди выше

0.5 вызывает дефекты на поверхности проката, Титан в предлагаемой стали ограничен пределами 0,005-0,025%, Содержание титана ниже 0,005% не обеспечивает эффективного связывания азота в нитриды.

Содержание титана выше 0.025% приводит к огрублению карбонитридов и увеличению

2002851 их количества, снижается сопротивление стали хрупкому разрушению.

Алюминий — сильный раскислитель и нитридообразующий элемент. Пределы его в стали ограничены 0,005-0,15%. Содержание алюминия ниже 0,0050 недостаточно для раскисления стали и связывания азота и вызывает повышенный расход титана при взаимодействии с азотом и кислородом. Содержание алюминия более 0,15 ухудшает разливку стали. приводит к вторичному окислению при разливке и в конечном счете ухудшению поверхности заготовки и труб.

Модифицирование предлагаемой стали редкоземельными металлами ограничено пределами 0,001-0.05 . Содержание редкоземельных металлов ниже 0,001 не обеспечивает эффективного связывания серы и кислорода в оксисульфиды редкоземельных металлов, что ухудшает качество стали. При содержании редкоземельных металлов выше 0,05 возможно вторичное окисление редкоземельных металлов при разливке, затягивание стакана,(разливочного) и ухудшение поверхности заготовки и труб.

Кальций вводится в сталь в пределах

0.001 — 0,05%; Содержание кальция ниже

0.001 не обеспечивает модифицирующего влияния на неметаллические включения и на снижение их количества. Содержание кальция выше 0,05% приводит к образованию избыточного количестве хрупких оксидных и силикатных включений, что снижает пластичность и сопротивление хрупкому разрушению, В предлагаемой стали эффективность сопротивления стали хрупкому разрушению определяется ограничением суммарного содержания элементов — алюминия, титана, кальция и редкоземельных металлов, которое должно быть меньше 0,3. Если суммарное содержание этих элементов будет больше или равно 0,3, то ухудшается качество стали из-за избыточного количества неметаллических включений, ухудшения технологичности при разливке и ухудшения состояния поверхности проката.

Высокая устойчивость предлагаемой стали к атмосферной коррозии достигается ограничением содержания углерода и оптимальным сочетанием элементов: хрома, никеля, меди и титана, выраженных соотношением (Cr + Ni + Cu + Ti) / = 0,978.15. Если это соотношение меньше 0 97, то содержание хрома, никеля и меди недостаточно для торможения анодного процесса (пассивации). Если соотношение больше

8,15. то ухудшаются технологические свой10

22 ства стали — свариваемость, состояние поверхности проката за счет избыточного количества карбонитридов титана.

Предлагаемая сталь в состоянии после

5 нормализации от 920 С имеет следующий комплекс свойств:

Временное сопротивление, оВ, Нlмм г

480-550

П редел текучести, о

Нlмм 270-350

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость, KCV-20, Дж/см 25

15 КСЧ-40, Дж/см 25

Критическая температура хрупкости, Tao, С -40

Ниже приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие другие

20 варианты в объеме формулы изобретения.

Все плавки выплавляют в 50-килограммовой индукционной печи. Химический состав доводят присадкой соответствующих ферросплавов и чистых металлов.

25 Алюминий вводят в процессе окончательного раскисления стали из расчета, чтобы его остаточное содержание равнялось

0.01-0Я6%, Остальной алюминий, титан, кальций и Р3М (цериевой группы) вводят в

30 виде комплексной лигатуры в полностью раскисленную сталь, Плавка 6 — известная сталь, Сталь разливали на слитки весом 17 кг, которые прокатывали на стане ДУО-400 на полосу шириной 80 мм, толщиной 12 мм, 35 Химический состав стали плавок 1 — 6 приведен в табл. 1, свойства — в табл. 2.

Механические свойства, сопротивление хрупкому разрушению и устойчивость против атмосферной коррозии оценивают по40 сле термообработки, включающей нормализацию от 920 С, Механические свойства оценивают на продольных образцах по ГОСТ 1497-84, Сопротивление хрупкому разрушению оце45 нивают по значениям ударной вязкости при температуре -50 С на образцах с острым надрезом и по порогу хрупкости (T5o), на образцах с круглым надрезом (ГОСТ 2284877 и ГОСТ 9454-60).

50 Устойчивость к атмосферной коррозии (табл. 2) оценивают по времени (мес.), за которое весовые потери от атмосферной коррозии на поверхности образцов листовой стали площадью 150 см (30 5 см) толг

55 щиной 10 мм достигают 10 ч.

Как видно из полученных данных, предлагаемая сталь значительно превосходит известную по сопротивляемости хрупкому разрушению и устойчивости к атмосферной

2002851

Таблица 1 ла С 51 п/и

Ni+ цс

0.10

0.15

0.20

0.16

О 15

0.17

0.27

0.27

0.26

027

6 0,15 0.45 1.2

0,12 0.06

0,10 . oc .

Таблица 2 коррозии при сохранении на высоком уровне прочностных и пластических свойств.

Устойчивость к атмосферной коррозии предлагаемой стали в 2-3 раза выше по сравнению с известной, а сопротивление хрупкому разрушению — в 2,5 — 3 раза.

Такое улучшение свойств стали c00TsBTствует снижению металлоемкости транспортных трубопроводов примерно нэ 10 по сравнению с базовым объектом — извест5 ной сталью. (56) Авторское свидетельство СССР

N. 456038. кл. С 22 С 38/12, 1975.

2002851

Составитель Г. Иржов

Редактор Т. Никольская Техред М.Моргентал Корректор О, Кравцова

Тираж Подписное

Hll0 "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3219

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

Формула изобретения

НИЗКОЛЕГИР08АННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий. редкоземельные металлы и железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения сопротивляемости хрупкому разрушению и устойчивости к атмосферной коррозии при сохранении на высоком уровне прочностных и ластических свойств, она дополнительно содержит хром, никель, медь. титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. ®:

Углерод 0,10 - 0,20

Кремний 0,17 - 0,37

Марганец 0,70 - 1,10

Алюминий 0,005 - 0,15

Редкоземельные металлы 0.001 - 0,05

Хром 0.05 - 0,35

Никель 0.05 - 0.35

Медь 0.05 - 0,5

Титан 0.005 - 0,025

Кальций 0.001 - 0,05

Железо Остальное при этом выполняются следующие соотно10 шения: (алюминий + титан + кальций + редкоземельные металлы) < 0.3: хром+ никель+медь+титан

15 углерод

= 0,97-8,15.