Стальной сплав для низколегированной стали для производства высокопрочных бесшовных стальных труб
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированной стали для производства высокопрочных сварных горячекатаных бесшовных стальных труб, в частности, конструкционных труб. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,15-0,18 С, 0,20-0,40 Si, 1,40-1,60 Mn, не более 0,05 Р, не более 0,01 S, от более 0,50 до 0,90 Cr, от более 0,50 до 0,80 Мо, от более 0,10 до 0,15 V, 0,60-1,00 W, 0,0130-0,0220 N, железо и обусловленные выплавкой примеси - остальное. Отношение V/N составляет от 4 до 12, а сталь может дополнительно содержать один или несколько элементов из: Al не более 0,03, Ni не более 0,40, Nb не более 0,04, Ti не более 0,04. Изготавливаемые трубы обладают требуемыми прочностными характеристиками, а также хорошей общей свариваемостью и требуемым качеством поверхности при горячей прокатке. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к стальному сплаву для низколегированной стали для изготовления высокопрочных сварных бесшовных стальных труб по пункту 1 формулы изобретения.
В частности, изобретение относится к трубам, профиль (сечение) которых может отличаться от круглого и которые предназначены в качестве конструкционных труб для сварных металлоконструкций, рассчитанных на особенно высокие нагрузки, например, в крано-, мосто- и судостроении, в производстве подъемных механизмов и грузового автотранспорта.
Такие трубы в зависимости от требований к ним и сферы применения, наряду с круглым профилем (сечением), могут иметь, например, квадратный, прямоугольный или даже многоугольный профиль.
Уровень техники
Стальные сплавы для такого рода стальных труб известны, например, из DE 19942641 А1. Этот известный стальной сплав, наряду с незначительными добавками хрома, молибдена и ванадия, содержит добавку вольфрама в пределах от 0,30% до 1,00% взамен отсутствующего никеля, что служит отличительным признаком для низколегированной стали.
Предполагается, что отказ от использования никеля, который обычно является крайне необходимой добавкой, или ограничение содержания Ni низкими пределами позволит избежать образования клейкой окалины и благодаря этому улучшить свойства поверхности, в частности, при горячем пильгеровании труб из этих сталей, что позволит отказаться от обычно необходимой и дорогостоящей последующей обработки поверхности резанием.
Конструкционные трубы для вышеназванных областей применения предназначены для максимальных нагрузок в рамках их прочности и вязкости (пластичности) при низких температурах до -40°С.
Чтобы трубы приобрели требуемые свойства, их необходимо после горячей прокатки подвергнуть обработке, улучшающей свойства.
При использовании стали, известной как FGS 70 из DE 19942641 А1 все требуемые минимальные значения предела растяжения, прочности на растяжение, относительного удлинения при разрыве и ударной прочности достигались надежно.
Правда, в последние годы требования к конструкционным трубам для вышеназванных областей применения еще более возросли, так что в настоящее время отмечается растущая потребность в конструкционных трубах, отвечающих следующим требованиям:
- предел растяжения Rp0,2 мин: 960 МПа
- прочность на растяжение Rm: 980-1150 МПа
- ударная прочность Av (в продольном направлении)
27 Дж при -40°С
- гарантированная общая свариваемость
- пониженное или ограниченное Ni-содержание.
Требуемое повышение прочности при достаточной вязкости горячекатаных бесшовных труб для описанных областей применения требует развития новых концепций легирования. В частности, в диапазоне предела растяжения до 1000 МПа традиционные концепции легирования не обеспечивают достаточной вязкости при низких температурах.
Как известно, механизмом повышения прочности, который одновременно приводит к увеличению вязкости, является уменьшение размера зерна. Оно может достигаться, например, введением легирующего элемента - никеля или молибдена - и связанным с этим понижением температуры конверсии.
Однако эти концепции легирования ведут к увеличению углеродного эквивалента и связанному с этим ухудшению свариваемости. К тому же никель и молибден значительно повышают затраты на легирование, а никель, кроме того, ухудшает качество поверхности горячекатаных труб.
Однако напрашивающаяся сама собой возможность увеличения содержания углерода для повышения прочности привела бы к ухудшению вязкости и резкому увеличению углеродного эквивалента.
Равным образом для повышения прочности применяется ванадий. Эта концепция основана на отвердении смешанных кристаллов ванадия и осаждении очень тонких частичек карбида ванадия в процессе отпуска металла.
Но вышеназванные концепции легирования не способны обеспечить достижение требуемых свойств.
Уменьшение размера зерна для улучшения механических свойств может происходить, в принципе, и в результате термомеханической обработки.
Однако специфическое ведение температуры при горячей прокатке бесшовных труб не способно обеспечить требуемое понижение температуры пластического деформирования для применения известных концепций термомеханической обработки.
До настоящего времени необходимые высокие требования удавалось реализовать только применительно к высоколегированным сталям, которые не пользуются вообще или пользуются очень незначительным спросом на рынке из-за своей высокой стоимости.
Задачей изобретения является обеспечение требующего меньших затрат стального сплава для низколегированной стали для производства высокопрочных сварных бесшовных стальных труб, в частности, конструкционных труб, которая гарантированно отвечает вышеуказанным минимальным требованиям к пределу растяжения, прочности на растяжение и ударной прочности и, сверх того, обеспечивает хорошую общую свариваемость, а при горячей прокатке - оптически безупречную поверхность труб.
Эта задача решается, исходя из родового понятия вкупе с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом приведенных ниже пунктов формулы.
Сущность изобретения
Согласно изобретению для низколегированной стали для производства высокопрочных сварных горячекатаных бесшовных стальных труб, в частности, конструкционных труб, предлагается стальной сплав, имеющий следующий химический состав (мас.%):
| С | 0,15-0,18 |
| Si | 0,20-0,40 |
| Mn | 1,40-1,60 |
| P | не более 0,05 |
| S | не более 0,01 |
| Cr | от более 0,50 до 0,90 |
| Мо | от более 0,50 до 0,80 |
| V | от более 0,10 до 0,15 |
| W | 0,60-1,00 |
| N | 0,0130-0,0220 |
Остальное составляет железо с примесями, обусловленными выплавкой; с необязательным добавлением одного или нескольких элементов, таких как Al, Ni, Nb и Ti, при условии, что отношение V/N имеет значение от 4 до 12, а содержание Ni в стали составляет не более 0,40%.
Стальной сплав согласно изобретению развивает далее известную из DE 19942641 А1 мелкозернистую конструкционную сталь, легированную вольфрамом.
Из предшествующего опыта не было известно, что вольфрам оказывает негативное влияние на свариваемость. Правда, максимально достижимое повышение предела растяжения за счет легирования вольфрамом составляет, по результатам исследований, примерно до 900 МПа. Последующее повышение только за счет увеличения содержания вольфрама невозможно. Поэтому выгодным, как было установлено, является содержание W от 0,60% до 1,0%, предпочтительно - от 0,7% до 0,9%.
Эксперименты, проводившиеся в процессе разработки настоящего изобретения, неожиданно показали, что, по сравнению с известными, стальной сплав изобретения при несколько более высоком уровне добавления легирующих элементов, таких как Cr и Мо, и при соблюдении определенного отношения V/N обеспечивает заметный скачок прочности при сохранении требуемой минимальной ударной вязкости 27 Дж при -40°С.
Однако для достижения определенной "базовой прочности" необходимо, как было установлено, чтобы суммарное количество добавок Cr, Мо и W составляло, по меньшей мере, 1,5 мас.%.
Изобретение охватывает инновационную концепцию повышения температуры прекращения рекристаллизации до уровня, выше температуры заключительной прокатки, путем целенаправленного микролегирования ванадием и азотом. Как показали многочисленные термодинамические расчеты, для достижения желаемого эффекта соотношение между содержанием V и N должно составлять от 4 до 12.
В целом, высокое содержание растворенного азота следует рассматривать как негативно сказывающееся на вязкости. Подобрав подходящее V/N-отношение в диапазоне от 4 до 12, можно снизить содержание растворенного азота до минимума, в то время как образовавшиеся карбонитриды ванадия будут одновременно способствовать достижению описанного эффекта снижения размера зерна в процессе термомеханической обработки.
Но такое необычно высокое содержание азота, вызванное образованием карбонитридов ванадия или даже введением азота с целью снижения крупности зерен, позволяет, кроме того, выгодно отказаться от проведения дорогостоящих дегазационных обработок в рамках вторичных металлургических процессов.
В рамках концепции легирования согласно изобретению предусматривается, в зависимости от требований, необязательное дополнительное легирование одним или несколькими легирующими элементами, такими как Al, Ni, Nb и Ti. Эти требования могут учитывать, например, различную толщину стенок труб, подвергаемых прокатке, которая может составлять от менее 10 мм до более 80 мм, и могут признать крайне необходимым (в частности, при значительной толщине стенок труб) дополнительное легирование вышеназванными элементами в целях достижения требуемых свойств за счет снижения размера зерна.
Для обеспечения оптимального соотношения затрат/прибыли в рамках концепции легирования удалось установить подходящее для этого содержание вышеперечисленных элементов: макс. 0,03% для Al, макс. 0,40% для Ni, макс. 0,04% для Nb и макс. 0,04% для Ti.
Содержание Ni, необходимое для обеспечения достаточно хорошего качества поверхности труб при применении для их изготовления технологии "Конти", достаточно низкое - макс. 0,40%.
При использовании способа горячего пильгерования для производства бесшовных труб содержание Ni, обеспечивающее достижение достаточно хорошего качества поверхности труб, ограничивается и составляет 0,20%, предпочтительно - 0,15%, в частности, макс. 0,10%.
Бесшовные стальные трубы, изготовленные из рабочего расплава стального сплава согласно изобретению, имеющего приведенный ниже химический состав, показывают отличные показатели прочности и вязкости (мас.%):
| С | 0,17 |
| Si | 0,32 |
| Mn | 1,54 |
| P | 0,013 |
| S | 0,003 |
| Cr | 0,74 |
| Mo | 0,54 |
| V | 0,11 |
| W | 0,75 |
| N | 0,0142 |
| Al | 0,023 |
| Ni | 0,16 |
| Ti | 0,001 |
| Nb | 0,164 |
при V/N=8,03.
В нижеследующей таблице приводятся указанные выше показатели, которые представляют собой средние значения для четырех образцов, использовавшихся в испытаниях на растяжение, или для четырех образцов, использовавшихся в испытаниях на ударную прочность. Отобранные образцы горячекатаных труб промышленного изготовления представляют собой образцы продольного сечения.
| Геометрия (AD×WD) | Rp0,2 | Rm | Rp0,2/Rm | A5 | AV (при -40°С) |
| 88,9×5,8 мм | 1070 МПа | 1128 МПа | 0,95 | 14,1% | 40 Дж |
| 88,9×5,8 мм | 1047 МПа | 1107 МПа | 0,95 | 13,0% | 41 Дж |
| 177,8×12,6 мм | 1067 МПа | 1092 МПа | 0,98 | 15,5% | 42 Дж |
| 177,8×12,6 мм | 1076 МПа | 1103 МПа | 0,98 | 17,0% | 37 Дж |
| Требования | >960 МПа | 980-1150 МПа | >10% | >27 Дж | |
| AD: наружный диаметр, WD: толщина стенки |
1. Низколегированная сталь для производства высокопрочных сварных горячекатаных бесшовных стальных труб, в частности конструкционных труб, имеющая следующий химический состав, мас.%:
| С | 0,15-0,18 |
| Si | 0,20-0,40 |
| Mn | 1,40-1,60 |
| Р | не более 0,05 |
| S | не более 0,01 |
| Cr | от более 0,50 до 0,90 |
| Мо | от более 0,50 до 0,80 |
| V | от более 0,10 до 0,15 |
| W | 0,60-1,00 |
| N | 0,0130-0,0220 |
железо и обусловленные выплавкой примеси остальное,
и необязательно дополнительно один или несколько элементов из:
Al, Ni, Nb и Ti, причем отношение V/N составляет от 4 до 12, а содержание Ni - не более 0,40%.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что содержание необязательных дополнительно вводимых легирующих элементов составляет, мас.%:
| Al | не более 0,03 |
| Ni | не более 0,40 |
| Nb | не более 0,04 |
| Ti | не более 0,04 |
3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержание W составляет от 0,7% до 0,9%.
4. Высокопрочная сварная бесшовная стальная труба, в частности конструкционная труба, изготовленная горячей прокаткой с последующей обработкой для улучшения качества, состоящая из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
| С | 0,15-0,18 |
| Si | 0,20-0,40 |
| Mn | 1,40-1,60 |
| Р | не более 0,05 |
| S | не более 0,01 |
| Cr | от более 0,50 до 0,90 |
| Мо | от более 0,50 до 0,80 |
| V | от более 0,10 до 0,15 |
| W | 0,60-1,00 |
| N | 0,0130-0,0220, |
причем 4≤V/N≤12,
железо и обусловленные выплавкой примеси остальное,
и необязательно дополнительно один или несколько элементов из:
Al, Ni, Nb и Ti, при этом содержание Ni составляет не более 0,40%.
5. Конструкционная труба по п.4, отличающаяся тем, что содержание необязательных дополнительно вводимых в сталь легирующих элементов составляет, мас.%:
| Al | не более 0,03 |
| Ni | не более 0,40 |
| Nb | не более 0,04 |
| Ti | не более 0,04 |
6. Конструкционная труба по п.4 или 5, отличающаяся тем, что содержание W в стали составляет от 0,7% до 0,9%.
