Трубная заготовка из легированной марганецсодержащей стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств при минимальном уровне анизотропии механических свойств заготовка изготовлена из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,33-0,41, марганец 1,30-1,60, кремний 0,40-0,70, ванадий 0,005-0,08, ниобий 0,005-0,06, хром 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 соотношении (As+Sn+Pb+5 x Zn)≤0,07; [C+Mn/6+(Cr+V+Nb)/5]≤0,71. Примеси: фосфор не более 0,045%, сера не более 0,045%; никель не более 0,25%, медь не более 0,25%. Трубная заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной, термоулучшенной и обточенной. Заготовка имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 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 балла. Механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 550 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², δ не менее 15%, ψ - не менее 40%. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из легированной, марганецсодержащей стали повышенной прокаливаемости и пониженной склонности к различным видам хрупкого разрушения.

Известна трубная заготовка из легированной стали, имеющая заданную структуру, механические свойства, в состав стали включены углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ниобий, алюминий, бор, азот (RU 2070585 С1, C21D 9/14, 20.12.1996).

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан, сурьму, олово, мышьяк и железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные параметры механических свойств и заданную структуру (RU 2252972 С1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из легированной, марганецсодержащей 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, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, а также повышенной стойкости к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка из низколегированной стали, имеющая заданные параметры структуры, механических свойств, выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,33-0,41
марганец	1,30-1,60
кремний	0,40-0,70
ванадий	0,005-0,08
ниобий	0,005-0,06
хром	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 + ниобий/5)≤0,71,

непрерывнолитой, горячекатаной, подвергнутой термоулучшению и обточке, имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 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 балла по каждому виду включений, механические свойства термоулучшенной заготовки составляют: при содержании ванадия не более 0,02% и ниобия не более 0,02% временное сопротивление разрыву не менее 550 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 45%, при содержании ванадия не более 0,02% и ниобия 0,03-0,06% - временное сопротивление разрыву не менее 590 Н/мм², предел текучести не менее 480 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 45%, при содержании ванадия 0,04-0,08% и ниобия не более 0,02% временное сопротивление разрыву не менее 610 Н/мм², предел текучести не менее 510 Н/мм, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит, мас.%: фосфор не более 0,045, сера не более 0,045, никель не более 0,25, медь не более 0,25.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, повышенной прокаливаемости и повышенной сопротивляемости различным видам хрупкого разрушения.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,41%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,33% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ниобий и ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зерненой структуры. При этом ниобий управляет процессами в верхней части аустенитной области, в то время как ванадий - в нижней (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 0,08% и ниобия 0,06% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,005% и 0,005% - 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 1,60% и хрома 0,30% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний уровень марганца 1,30% и хрома 0,005% соответственно - необходимостью требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,40% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,70% неблагоприятно сказывается на характеристиках пластичности 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% - технологией 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+Nb)/5≤0,71 определяет характеристики теплостойкости 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 при минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной теплостойкости, низком содержании неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуре проката.

Примеры осуществления изобретения.

Выплавку трех составов исследуемой стали, содержащей, мас.%:

пример 1: углерод 0,35, марганец 1,43, кремний 0,59, хром 0,27, ниобий 0,005, ванадий 0,005, мышьяк 0,009, олово 0,006, свинец 0,005, цинк 0,001, азот 0,009;

пример 2: углерод 0,38, марганец 1,40, кремний 0,48, хром 0,21, ниобий 0,05, ванадий 0,005, мышьяк 0,010, олово 0,009, свинец 0,008, цинк 0,002, азот 0,007;

пример 3: углерод 0,39, марганец 1,48, кремний 0,55, хром 0,17, ниобий 0,045, ванадий 0,059, мышьяк 0,008, олово 0,010, свинец 0,006, цинк 0,001, азот 0,009

производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) 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 непрерывнолитые 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 тип 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 S₁ ² - дисперсии среднего значения; 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.

Пример 1: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость 0,5 балла, точечная неоднородность 2 балла, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1 балл, ликвационные полоски 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 2 балла, оксиды точечные 1 балл, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 1 балл, силикаты пластичные 0,5 балла, силикаты недеформирующие 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час,: временное сопротивление разрыву 560 Н/мм², предел текучести 470 Н/мм², относительное удлинение 19%, относительное сужение 53%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025; C+Mn/6+(Cr+V+Nb)/5=0,678

Пример 2: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость 0,5 балла, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1 балл, ликвационные полоски 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды 2 балла, оксиды точечные 1 балл, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 2 балла, силикаты пластичные 2 балла, силикаты недеформирующие 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час,: временное сопротивление разрыву 595 Н/мм², предел текучести 495 Н/мм², относительное удлинение 17%, относительное сужение 48%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,037; C+Mn/6+(Cr+V+Nb)/5=0,666

Пример 3: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость 1 балл, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 2 балла, подусадочная ликвация 2 балла, ликвационные полоски 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды 1 балл, оксиды точечные 1 балл, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 1 балл, силикаты пластичные 1 балл, силикаты недеформирующие 1 балл. Механические свойства после закалки при 880°С, 1 час, масло и отпуска 610°С, 1 час,: временное сопротивление разрыву 640 Н/мм, предел текучести 520 Н/мм², относительное удлинение 16%, относительное сужение 46%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,029; C+Mn/6+(Cr+V+Nb)/5=0,691

Внедрение трубной заготовки 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.

1. Трубная заготовка из низколегированной стали, имеющая заданные параметры структуры, механических свойств, отличающаяся тем, что сталь содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,33-0,41
марганец	1,30-1,60
кремний	0,40-0,70
ванадий	0,005-0,08
ниобий	0,005-0,06
хром	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 + ниобий/5)≤0,71,

при этом заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной, термоулучшенной и обточенной, имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру в виде центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационного квадрата, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду и ликвационных полосок не более 1 балла, неметаллические включения в виде сульфидов, оксидов точечных, оксидов строчечных, силикатов хрупких, силикатов пластичных, силикатов недеформированных не более 4,0 баллов по каждому виду включений, механические свойства-временное сопротивление разрыву не менее 550 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,045, сера не более 0,045, никель - не более 0,25, медь не более 0,25.

3. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия не более 0,02 и ниобия не более 0,02, она имеет временное сопротивление разрыву не менее 550 Н/мм², предел текучести не менее 430 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 45%.

4. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия не более 0,02 и ниобия 0,03-0,06, она имеет временное сопротивление разрыву не менее 590 Н/мм², предел текучести не менее 480 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 45%.

5. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.% ванадия 0,04-0,08 и ниобия не более 0,02, она имеет временное сопротивление разрыву не менее 610 Н/мм², предел текучести не менее 510 Н/мм², относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%.