Способ получения низкоуглеродистой мартенситной стали
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали, содержащей 0,12-0,27 мас.% углерода. Заготовку выплавляют из стали, в состав компонентов которой включены 0,1-0,5 мас.% кремния, 1,8-2,6 мас.% марганца, 2,1-2,8 мас.% хрома, 1,0-1,6 мас.% никеля, до 0,15 мас.% ванадия и до 0,15 мас.% ниобия. Осуществляют прокатный нагрев заготовки, последующую двукратную закалку и отпуск. В качестве первой закалки после прокатного нагрева проводят полную закалку от температуры 950°С, после первой закалки проводят средне- или высокотемпературный отпуск, а вторую закалку проводят из межкритического интервала температур 800-810°С. Повышаются механические свойства низкоуглеродистой мартенситной стали при обеспечении ее высокой хладостойкости. 3 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, в частности, к получению высокопрочных свариваемых конструкционных сталей. Может использоваться при получении стали для приборостроения, машиностроения, добывающей, перерабатывающей, кабельной и других отраслей промышленности.
Известна сталь со структурой низкоуглеродистого мартенсита по патенту РФ на изобретение №2462532, С22С 38/58, 2012. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,182-0,272, хром 1,2-4,0, никель 0,3-4,0, марганец 1,0-3,0, молибден не более 3,0, ванадий не более 0,3, медь не более 2,5, титан не более 0,1, ниобий не более 0,15, кремний не более 0,6, азот 0,001-0,25, кальций не более 0,15, церий не более - 0,15, РЗМ не более 0,03, железо остальное. После закалки с деформационного нагрева или после аустенитизации с охлаждением на спокойном воздухе и последующего отпуска она имеет реечно-глобулярную мартенситную структуру. Недостатком являются невысокие физико-механические характеристики, в частности, показатель ударной вязкости.
Известна высокопрочная, свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью по патенту РФ на изобретение №2314361, 2008. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,10-0,18, кремний 0,12-0,60, хром 2,0-3,0, марганец 2,0-2,4, никель 1,0-2,0, молибден 0,4-0,6, церий и/или кальций до 0,15, ванадий 0,08-0,12, титан менее 0,01, ниобий 0,05-0,10, железо остальное. Сталь после закалки с прокатного нагрева или после аустенитизации при температуре 950-1050°С с ускоренным охлаждением и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита. Недостатки данной стали заключаются в малом интервале гарантируемых значений механических свойств, в невысоких предельных значениях прокаливаемости, ударной вязкости, что может вызвать значительное изменение свойств в зоне термического влияния при сварке.
Известна сталь со структурой пакетного мартенсита по патенту РФ на изобретение №2507297, С22С 38/58, 2014. Сталь содержит, в мас.%: углерод от 0,04 до 0,099, хром до 7,00, марганец от 0,15 до 2,5, никель не более 4, молибден не более 1,0, ванадий не более 0,30, титан не более 0,06 и/или ниобий не более 0,15, азот не более 0,25, медь не более 2,00, редкоземельные элементы или кальций не более 0,15, железо и неизбежные примеси - остальное. Сталь имеет пакетно-реечную структуру мартенсита при выполнении соотношения, мас.%: Сr/С не менее 20. В закаленном состоянии или после низкотемпературного отпуска структура стали почти полностью состоит из пакетного мартенсита прочностью до 1200 МПа, и обладает высокой вязкостью. Недостатком является сохранение пакетной структуры лишь в узких интервалах варьирования концентраций углерода и легирующих элементов. Сталь обладает сравнительно невысокими значениями сочетаний прочности, ударной вязкости и хладостойкости.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали по патенту РФ на изобретение №2635205, С21D 9/08, 2017. Трубу изготавливают из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, содержащей, мас.%: углерод 0,12-0,17, кремний 0,15-0,50, марганец 0,30-0,90, хром 12,00-14,00, никель 1,80-2,20, медь не более 0,25, алюминий 0,02-0,05, сера не более 0,010, фосфор не более 0,020, азот не более 0,020, железо - остальное. Труба подвергнута закалке от 920 до 1020°С, второй закалке из межкритического интервала температур от 700 до 830°С и отпуску в интервале температур от 560 до 690°С. Недостатком являются недостаточно высокие механические свойства для использования трубы при низких температурах в северных районах.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение механических свойств низкоуглеродистой мартенситной стали при обеспечении ее высокой хладостойкости.
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения низкоуглеродистой мартенситной стали, включающем прокатный нагрев с охлаждением на воздухе и последующую двукратную закалку с отпуском, из которых вторую закалку проводят при температуре, соответствующей температуре межкритического интервала температур, отличающийся тем, что используют сталь с содержанием углерода 0,12-0,27 масс.%, в качестве первой закалки после прокатного нагрева проводят полную закалку на воздухе или в жидких охлаждающих средах от температуры 950°С, затем проводят средне или высокотемпературный отпуск и вторую закалку из межкритического интервала температур 800-810°С.
Технический результат обеспечивается получением стали с двухфазной мартенситной структурой, за счет которой сталь обладает требуемыми свойствами. Получение структуры стали мартенсит-мартенситного типа достигают содержанием углерода в стали 0,12-0,27 масс.% в сочетании с особой технологией термообработки. Содержание углерода до 0,1% масс.%, обеспечивает улучшение структуры стали за счет образования пакетного мартенсита. Однако, высокие механические свойства стали в сочетании с хладостойкостью обеспечиваются за счет образования мартенсит – мартенситной структуры при содержании углерода 0,12-0,27 масс.%. Причем при данной структуре стали с увеличением содержания углерода улучшаются значения механических характеристик. Наименьшее содержание углерода – 0,12 масс.%, определено экспериментально, исходя из реализации особого типа структурной наследственности, которая проявляется в сохранении морфологии мартенсита при нагреве до Ас3. При реализации такой наследственности комплекс механических свойств заявляемой стали выше, чем у сталей-аналогов. Максимальное содержание углерода - 0,27 масс.%, определено из условия образования мартенсит–мартенситной структуры с преимущественно пакетным мартенситом после закалки, т.к. при появлении в структуре стали пластинчатой составляющей резко ухудшаются свойства стали, влияющие на надежность. При дальнейшем увеличении в твердом растворе углерода, снижается значение Мs, увеличивается доля пластинчатой составляющей, уменьшается инкубационный период перлитного и бейнитного превращений. Где Ms (Мн) и Мf (Mк) – точки начала и конца мартенситного превращения. Лучшие свойства низкоуглеродистой мартенситной стали с содержанием углерода 0,12-0,27 масс.% обеспечивает термообработка после прокатного нагрева, включающая полную закалку при температурах выше Ас3, средне- или высокотемпературный отпуск и закалку из межкритического интервала температур (МКИ). С целью конструирования карбидной системы отпуск проводится перед закалкой из МКИ, это позволяет создать заданное, близкое к упорядоченному, распределение дислокаций, т.к. количество и заданное распределение дефектов кристаллического строения во многом определяет свойства получаемой стали. Проведение в качестве завершающей операции термообработки закалки из МКИ между критическими температурами Ас1 и Ас3 способствует образованию мартенсит-мартенситной структуры материала. Данная структура характеризуется присутствием двух α-фаз с морфологией мартенсита: «родительской», сохранившей морфологию поле нагрева в МКИ и «свежей», превратившейся из аустенита при охлаждении из межфазной области. Оптимальные температуры полной закалки, отпуска и закалки из МКИ определены экспериментально, исходя из требуемого сочетания механических свойств стали и необходимого предела хладостойкости. Высокие значения ударной вязкости, характеристик прочности и хладостойкости после указанной последовательности операций термообработки достигаются за счет образования мартенсит-мартенситной структуры низкоуглеродистой мартенситной стали. Высокая ударная вязкость при температуре минус 40°С подтверждается большой долей ямочной составляющей в изломах. Заявляемая сталь с указанным содержанием углерода склонна к структурной наследственности. Термическое воздействие, направленное на образование двухфазной мартенситной структуры, эффективно для низкоуглеродистых мартенситных сталей, склонных к структурной наследственности, легированных сильными карбидообразующими элементами из-за образования специальных карбидов, которые мало растворяются в аустените, задерживают рост зерна аустенита и способствуют сохранению морфологии альфа фазы до Ас3.
Способ получения низкоуглеродистой мартенситной стали осуществляют следующим образом.
Используют низкоуглеродистую сталь с содержанием компонентов, указанным в таблице:
| Углерод 0,12-0,27; | Медь до 0,8; | Ванадий до 0,15; |
| Кремний 0,1-0,5; | Алюминий до 0,005-0,05; | Ниобий до 0,15; |
| Марганец 1,8-2,6; | Титан до 0,02; | Церий до 0,06; |
| Хром 2,1-2,8; | Кальций до 0,06; | Железо остальное. |
| Никель 1,0-1,6; | Цирконий до 0,1; |
Сталь предложенного состава выплавляют в индукционной печи, разливают на слитки и подвергают горячей прокатке в круг. Температуру нагрева под прокатку выдерживают в пределах 1220÷1100°C. Температура завершения прокатки 900°С. После горячей обработки давлением заготовки охлаждают на воздухе. Механические свойства заготовок определяют на образцах, вырезанных механическим способом. Далее проводят термическую обработку, включающую в качестве основных операций закалку на воздухе с последующим отпуском и закалку на воздухе из межкритического интервала температур при следующих температурных режимах:
- закалка при температуре 950-980°С на спокойном воздухе или в жидких охлаждающих средах;
- отпуск при температуре 450-660°С (средне- или высокотемпературный) с последующим охлаждением на спокойном воздухе;
- закалка из межкритического интервала температур в интервале значений 800-810°С.
После обеих указанных закалок проводят охлаждение на воздухе, возможно так же охлаждение в воде, в масле или в специальных закалочных жидкостях. Температуру отпуска выбирают в зависимости от состава стали. Увеличение содержания углерода и присутствие сильных карбидообразователей вызывает переход от среднетемпературного отпуска к высокотемпературному.
Пример. Использовали отливки сталей марок 12Х2Г2НМФБ, 15Х2Г2НМФБ, 27Х2Г2НМФБ следующего химического состава:
| Содержание элемента, масс. % | |||||||||||
| Марка стали | C | Si | Mn | Cr | Ni | Мо | Nb | V | Cu | S | P |
| 12Х2Г2НМФБ | 0,12 | 0.40 | 2.24 | 2.39 | 1.38 | 0.45 | 0.070 | 0.1 | - | 0.007 | 0,015 |
| 15Х2Г2НМФБ | 0,15 | 0,27 | 2.07 | 2,10 | 1,23 | 0,42 | 0,063 | 0,09 | - | 0,01 | 0,02 |
| 27Х2Г2НМФБ | 0,27 | 0.43 | 2.45 | 2.37 | 1.48 | 0.53 | 0.14 | 0.14 | 0.19 | 0.008 | 0.016 |
Отливки сталей обозначенных 12Х2Г2НМФБ, 15Х2Г2НМФБ, 27Х2Г2НМФБ деформировали при температуре 1250-900°С с охлаждением на воздухе. Из полученных после деформирования прутков механическими методами изготавливали образцы с их последующей термообработкой по схеме:
Закалку прутков стали 12Х2Г2НМФБ проводили от температуры 980°С с охлаждением на спокойном воздухе, стали 15Х2Г2НМФБ – от температуры 950°С с охлаждением на спокойном воздухе, стали 27Х2Г2НМФБ – от температуры 950°С с охлаждением на спокойном воздухе. Далее проводили отпуск при температурах для стали 12Х2Г2НМФБ – 660°С , для стали 15Х2Г2НМФБ – 450°С, для стали 27Х2Г2НМФБ – 660°С с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Проводили закалку из межкритического интервала температур для стали 12Х2Г2НМФБ при температуре 810°С, для стали 15Х2Г2НМФБ при температуре 800°С, для стали 27Х2Г2НМФБ при температуре 800°С. Полученные значения механических свойств представлены в таблице
| Сталь | σВ, МПа | σ0,2, МПа | δ,% | Ψ, % | КСV+20, МДж/м2 | КСV-40, МДж/м2 | КСV-60, МДж/м2 | КСV-50, МДж/м2 |
| 12Х2Г3МФТ-1 | 1440 | 1190 | 14 | 55 | 1.28 | 0,98 | 0.36 | - |
| 12Х2Г3МФТ-2 | 1390 | 1120 | 14 | 55 | 0,82 | 1,18 | 0.46 | - |
| 12Х2Г3МФТ-3 | 1450 | 1190 | 13 | 51 | 0,70 | 0,45 | 0.26 | - |
| 15Х2Г3МФБ-1 | 1460 | 1190 | 12 | 62 | 1,3 | 0,9 | 0,3 | 0,6 |
| 15Х2Г3МФБ-2 | 1320 | 1190 | 13 | 63 | 1,2 | 0,6 | 0,2 | 0,78 |
| 15Х2Г3МФБ-3 | 1310 | 1010 | 16 | 62 | 0,7 | 0,45 | 0,3 | - |
| 27Х2Г3МФБ-1 | 1800 | 1190 | 12 | 59 | 1,5 | 1,1 | 0,2 | - |
| 27Х2Г3МФБ-2 | 1650 | 1200 | 9 | 46 | 1,1 | 0,65 | 0,2 | - |
| 27Х2Г3МФБ-3 | 1650 | 1220 | 15 | 62 | 0,35 | 0,2 | 0,2 | - |
Обозначения:
1 – закалка полная, высокотемпературный отпуск, закалка из МКИ;
2 –закалка полная, среднетемпературный отпуск, закалка из МКИ;
3 – закалка полная, закалка 950°С, низкий отпуск.
Анализ представленных данных показывает, что при температурах до «-40°С» значение ударной вязкости образцов всех сталей, подвергнутых полной закалке, отпуску и закалке из МКИ значительно превышает ударную вязкость образцов, указанных в таблице под номером 3, прошедших иную термообработку, которую применяли ранее. Фрактограммы, полученные испытанием на ударный изгиб образцов с V – образным надрезом, подтверждают хорошую хладостойкость, поскольку при температуре испытаний «- 40°С» сохраняется высокая доля ямочной составляющей излома. Как видно из таблицы, лучшее сочетание характеристик прочности и надежности, так же как хладостойкости, получено после режима, включающего полную закалку, высоко- или среднетемпературный отпуск и закалку из МКИ. Полученные низкоуглеродистые мартенситные стали являются свариваемыми сталями с повышенными значениями характеристик прочности, вязкости и хладостойкости. Использование данных сталей позволит обеспечить высокий комплекс механических свойств в деталях и элементах конструкций.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить механические свойства низкоуглеродистой мартенситной стали при обеспечении ее высокой хладостойкости.
Способ получения заготовки из низкоуглеродистой мартенситной стали, содержащей 0,12–0,27 мас.% углерода, включающий выплавку заготовки, прокатный нагрев заготовки, последующую двукратную закалку и отпуск, отличающийся тем, что выплавляют заготовку из низкоуглеродистой мартенситной стали, в состав компонентов которой включены 0,1-0,5 мас.% кремния, 1,8-2,6 мас.% марганца, 2,1-2,8 мас.% хрома, 1,0-1,6 мас.% никеля, до 0,15 мас.% ванадия, до 0,15 мас.% ниобия, в качестве первой закалки после прокатного нагрева проводят полную закалку от температуры 950°С, после первой закалки проводят средне- или высокотемпературный отпуск, а вторую закалку проводят из межкритического интервала температур 800-810°С.
