трубная заготовка из микролегированной, борсодержащей стали

Формула изобретения

1. Трубная горячекатаная заготовка из микролегированной, борсодержащей стали с заданными параметрами структуры, механических свойств, прокаливаемости, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,19-0,23
марганец	0,40-0,90
кремний	0,15-0,30
хром	0,005-0,60
бор	0,001-0,003
титан	0,02-0,04
алюминий	0,020-0,040
ниобий	0,005-0,02
азот	0,005-0,010
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 соблюдении следующих соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn) 0,07;

N/(Ti+0,5×Al+10×B) 0,21,

непрерывнолитой, термоулучшенной и имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 2 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву 560-950 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость KCU не менее 30 Дж/см², прокаливаемость в воду критический диаметр Д_кр=29 мм, твердость при торцевой закалке 40 HRC.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: никель не более 0,10, медь не более 0,10, фосфор не более 0,015, сера не более 0,012.

3. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: марганца 0,40-0,60, хрома 0,40-0,60, она имеет временное сопротивление разрыву 590-950 Н/мм², предел текучести не менее 450 Н/мм², относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 50%, ударную вязкость KCU не менее 35 Дж/см², прокаливаемость в воду критический диаметр Д_кр=29 мм, твердость при торцевой закалке 40 HRC.

4. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: марганца 0,60-0,90, хрома 0,005-0,10, она имеет временное сопротивление разрыву 560-900 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 23%, относительное сужение не менее 45%, ударную вязкость KCU не менее 30 Дж/мм², прокаливаемость в воду критический диаметр Д_кр=29 мм, твердость при торцевой закалке 40 HRC.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаной трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм.

Известна трубная заготовка из легированной стали, включающей углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан, сурьму, олово, мышьяк и железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные механические свойства, структуру (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, молибден, ванадий, азот, алюминий, серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму, имеющая заданные параметры механических свойств и заданную структуру (SU 1754790 А1, C22C 38/60, 15.08.1992).

Известна трубная заготовка из борсодержащей стали, имеющая заданную структуру, механические свойства, в состав стали включены углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ниобий, алюминий, бор, азот (RU 2070585 C1, C21D 9/14, 20.12.1996).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке, 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 прокаливаемости и свариваемости, и низкой склонности к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка из микролегированной борсодержащей стали, имеющая заданные параметры структуры, механических свойств, изготовлена из стали, содержащей следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод	0,19-0,23
марганец	0,40-0,90
кремний	0,15-0,30
хром	0,005-0,60
бор	0,001-0,003
титан	0,02-0,04
алюминий	0,020-0,040
ниобий	0,005-0,02
азот	0,005-0,010
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;

азот/(титан + 0,5 × алюминий + 10 × бор) 0,21.

Заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной и термоулучшенной, имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов. Макроструктура: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 2 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 баллов по каждому виду включений. Механические свойства после термоулучшения: временное сопротивление разрыву 560-950 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость не менее 30 Дж/см², прокаливаемость в воду (критический диаметр) Д_кр=29 мм, твердость в точке 6 мм при торцевой закалке - 40 HRC.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: никель не более 0,10, медь не более 0,10, фосфор не более 0,015, сера не более 0,012.

При содержании марганца 0,40-0,60%, хрома - 0,40-0,60% она имеет временное сопротивление разрыву 590-950 Н/мм ², предел текучести не менее 450 Н/мм² , относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 50%, ударная вязкость не менее 35 Дж/см ², прокаливаемость в воду: (критический диаметр) Д _кр=29 мм, твердость в точке 6 мм при торцевой закалке - 40 HRC.

При содержании марганца 0,60-0,90%, хрома - 0,005-0,10% она имеет временное сопротивление разрыву 560-900 Н/мм ², предел текучести не менее 420 Н/мм² , относительное удлинение не менее 23%, относительное сужение не менее 45%, ударную вязкость не менее 30 Дж/см ², прокаливаемость в воду: (критический диаметр) Д _кр=29 мм, твердость в точке 6 мм торцевой закалке - 40 HRC.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным соотношением прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровнем анизотропии механических свойств, низким содержанием неметаллических включений, однородной макро- и микроструктурой проката, а также повышенной прокаливаемостью, свариваемостью и низкой склонностью к отпускной хрупкости.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,23%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,19% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ниобий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, а также для обеспечения упрочняемости при термообработке. При этом он управляет процессами в верхней части аустенитной области: определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер - -превращения. Верхняя граница содержания ниобия - 0,02%, обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 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 0,90% и хрома 0,60% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - марганца 0,40% и хрома 0,005% соответственно - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,30% неблагоприятно сказывается на пластичности стали.

Титан и алюминий - сильные карбонитридообразователи и раскислители стали. Верхний предел содержания титана 0,040% и алюминия 0,04% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали и защиты бора от связывания азотом, а нижний 0,02% и 0,02% соответственно - вопросами технологичности производства.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора 0,003% определяется соображениями пластичности стали, а нижний - 0,001% - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота 0,010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел 0,005% - вопросами технологичности 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 As+Sn+Pb+5×Zn 0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости, а соотношение определяет характеристики прокаливаемости стали.

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, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости и свариваемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Примеры осуществления изобретения.

Выплавка исследуемой стали - два варианта химического состава стали (в мас %):

Пример 1: углерод - 0,21, марганец - 0,44, кремний - 0,21, хром - 0,53, ниобий - 0,009, алюминий - 0,036, титан - 0,028, бор - 0,0026, мышьяк - 0,008, олово - 0,006, свинец - 0,010, цинк - 0,001, азот - 0,007.

Пример 2: углерод - 0,22, марганец - 0,74, кремний - 0,21, хром - 0,05, ниобий - 0,01, алюминий - 0,036, титан - 0,029, бор - 0,0029, мышьяк -0,007, олово - 0,009, свинец - 0,010, цинк - 0,001, азот - 0,008.

Выплавку стали производят в 150-ти 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 производится окончательная корректировка 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 _b и _0.2 и пластичности . Характеристики ударной вязкости при комнатной температуре определяют на образцах тип I, ГОСТ 9454-78, на механическом копре МК-30. Величину вязкой составляющей в изломах ударных образцов определяют визуально.

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 М ₂ - средние значения сравниваемых величин; S ₁ ² и S₂ ² - дисперсии среднего; t_kr ^0.05( ) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы .

Макроструктуру контролируют в соответствии с ТУ 14-1-5212-93 и ГОСТ 10243-75.

Определение характеристик прокаливаемости (критический диаметр Д₅₀ ) проводили методом торцевой закалки цилиндрических образцов диаметром 25.0 мм и длиной 100 мм с заплечиками, согласно ГОСТ 5657. Перед изготовлением образца заготовки проходят термическую обработку в камерных печах по следующему режиму: нормализация, 950°С, 1 час, воздух. Испытывают по два образца на плавку. Закалку образцов проводят струей воды в специальной установке. В связи с необходимостью предотвращения окисления и обезуглероживания торца образца, непосредственно соприкасающегося со струей воды при закалке, нагрев образцов в камерных печах (без защитной атмосферы) проводят в специальных стаканах. Торец образца ставят на специальную графитовую пластину. Образец нагревают в камерной печи до температуры 950°С. Продолжительность прогрева образца до температуры закалки составляет 30÷50 минут. Отклонения от заданной температуры закалки не превышает ±5°С. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева составляет 30 мин. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не превышает 5 с. Образец находится под струей воды до полного охлаждения (порядка 15÷20 мин). Температура охлаждающей воды составляет 20±5°С.

Для замера твердости по всей длине закаленного образца сошлифовывались две диаметрально противоположные площадки на глубину 0.5±0.1 мм. Площадки сошлифовывались при обильном охлаждении водой. Шероховатость поверхности площадок была не грубее 7-го класса чистоты по ГОСТ 2789. Не допускались прижоги, вызывающие структурные изменения металла. Для построения кривой прокаливаемости стали замер твердости начинали на расстоянии 1,5 мм от закаленного торца в осевом направлении. Первые 16 замеров от торца образца производили с интервалом 1,5 мм, а затем через 3 мм. В случае необходимости повторного измерения твердости на площадке, на которой были сделаны замеры, площадку перешлифовывали. Глубина съема металла при повторной шлифовке составляла 0.1÷0.2 мм. Твердость определяли по Роквеллу (HRC) в соответствии с требованиями ГОСТ 9013. Для каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца образца на двух противоположных площадках, подсчитывали среднее арифметическое значение твердости.

В результате горячей прокатки получаем трубную заготовку 100 мм, длиной 11800 мм.

Пример 1: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна 9. Макроструктура: центральная пористость 2 балла, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1 балл, ликвационные полоски 0,5 балла. 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 920°С, 1 час, отпуск 580°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 710 Н/мм ², предел текучести 570 Н/мм², относительное удлинение 22%, относительное сужение 59, ударная вязкость KCU (+20) - 54 Дж/см². Прокаливаемость в воду (критический диаметр) Д_кр=29 мм, твердость в точке 6 мм при торцевой закалке - 40 HRC. As+Sn+Pb+5×Zn 0,029;

Пример 2: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость 1 балл, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 2 балла, 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 920°С, 1 час, отпуск 580°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 680 Н/мм², предел текучести 550 Н/мм², относительное удлинение 21%, относительное сужение 55%, ударная вязкость KCU (+20) 48 Дж/см². Прокаливаемость в воду (критический диаметр) Д_кр=29 мм, твердость в точке 6 мм при торцевой закалке 40 HRC. As+Sn+Pb+5×Zn 0,031;

Внедрение производства трубной заготовки обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости и свариваемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.