Сталь

Сталь, що містить вуглець, кремній, ванадій, алюміній, сірку, фосфор, залізо, яка відрізняється Винахід відноситься до чорної металурги, зокрема до корозійно-стійких сталей, призначених для виготовлення устаткування, яке працює в агресивних середовищах, що містять в собі сірководень, і високому тиску при буравленні шпар, переробці нафти і газу, а також хімічної промисловості Відома сталь такого складу, мас %% вуглець 0,04, марганець 5,05, хром 22,0, нікель 12,5, молібден 2,25, азот 0,30, ніобій 0,20, ванадій 0,20, залізо і неминучі домішки - інше Дана сталь має низьку корозійну СТІЙКІСТЬ у середовищах, що містять сірководень Зразки, виготовлені з цієї сталі, при випробуванні в насиченому водяному розчині сірководню при напругах a s , руйнуються за 100 150г (Див авторське посвідчення СРСР № 521350, кл С22С 38/58) Також відома сталь марки 12 X 18Н9, що містить в собі мас %% вуглець 0,08, кремній 0,8, марганець 2,0, хром 17,0 - 19,0, нікель 4,0 - 9,0, титан 0,7 - 5,0, сірку до 0,02, фосфор до 0,035, залізо інше Проте, дана сталь, що має достатню СТІЙКІСТЬ до межкристалітної корозії (МКК), виявляє підвищену схильність до розтріскування під напругою в умовах впливу середовищ, що містять водень, і не забезпечує необхідної надійності і ДОВГОВІЧНОСТІ В роботі нафтопереробного і ХІМІЧНОГО устаткування (Сталь 12 X 18Н9, ГОСТ 5632-72) Найбільш близькою до очікуваної є сталь, що містить, мас % вуглець 0,02 - 0,22, кремній 1,3 1,7, марганець 0,06 - 0,9, ванадій 0,07 - 0,12, ніобій до 0,10, титан, а також ІНШІ елементи, вибрані із наступної групи Be, Mg, Са, Sc, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, W, Mo, Ge, Se, Rb, Ru, Ag, Cd, La, Ce, Pr, Nd, Gd, тим, що компоненти взяті у такому співвідношенні, мас % вуглець 0,02 - 0,24 марганець 0,05 - 0,8 кремній 0,8 -1,2 сірка макс 0,015 фосфор макс 0,015 алюміній (розчинений) 0,002 - 0,06 ванадій 0,08-0,4 залізо решта Tb, Du, Re, Os, Pb, B, U, N, крім того, сірку до 0,35 і фосфор до 0,035, залізо - інше (Див патент США №6149862, кл С22С 038/02) Пріоритетною областю використання сталі є виготовлення устаткування для нафтової і газової промисловості Проте, виготовлення відповідальних конструкцій із даної сталі, що має поліпшені властивості по опору крихкості водневій і сірководневому розтріскуванню, дуже обмежується внаслідок недостатніх пластичних властивостей Сталі з зазначеним змістом кремнію мають низький рівень ударної в'язкості Так, випробування на ударний вигин сталі при -40°С із круглим надрізом показали роботу удару в середньому 7 - 8Дж У результаті зміни режимів термообробки збільшується середнє значення роботи удару до 38 40Дж, Проте, окремі значення роботи удару відрізнялися один від одного більш ніж утри рази (мінімальні значення показали 11Дж, 18Дж), тобто сталь не має стабільну і високу ударну в'язкість В основу винаходу поставлена задача удосконалити склад сталі, у якій за рахунок нового співвідношення компонентів буде забезпечена стабільна і висока пластичність і ударна в'язкість, що дозволить розширити галузі застосування сталі для виготовлення відповідального устаткування, яке працює в агресивних середовищах при зберіганні поліпшених властивостей по опору водневії хрупкості і сірководневому розтріскуванню Для рішення поставленої задачі в сталі, що містить вуглець, кремній, ванадій, алюміній, сірку, фосфор, залізо, ВІДПОВІДНО до винаходу, зазначені компоненти узяті у такому співвідношенні, мас % ю о ю 50175 Вуглець Марганець Кремній Сірка Фосфор 0,02 - 0,24 0,05-0,8 0,8-1,2 макс 0,015 макс 0,015 АЛЮМІНІЙ (розчинений) 0,002 - 0,06 Ванадій 0,08-0,4 Залізо інше Крім того, сталь може додатково містити ніобій і/або титан і/або РЗМ у такому співвідношенні, мас % Ніобій 0,03-0,12 Титан 0,01 -0,14 РЗМ 0,001-0,08 Запропонована сталь, що містить кремній, на відміну від відомої має зменшений вміст кремнію до 0,8 - 1,2% мас Залізо-кремнієвий сплав із таким вмістом кремнію з точки зору ОККЛЮЗІЙНОІ спроможності по водню, не є оптимальним Проте сталь на його основі (Si 0,8 - 1,2%мас), за інших рівних умов, має в середньому у 2,5 рази меншу окклюзійну спроможність, чим така ж сталь, але з вмістом кремнію 0,5%мас Причому, для запропонованої сталі низька окклюзійна спроможність по водню є основною захисною функцією від утрати пластичності при впливі середовищ, які наводнюють Також важливу роль у захисті від впливу агресивних середовищ грає механізм взаємодії кремнію, вуглецю й карбідоутворюючих елементів, що містяться в залізі-основі у визначених кількостях, передбачених даним складом У бінарних без вуглеця залізо-кремнієвих сплавах кремній значно збільшує МІЦНІСТЬ ферита, цей вплив виявляється й у кремнієвих сталях У порівнянні з відомою сталлю, зменшення вмісту кремнію до 1,2%мас зменшить ступінь зміцнення ферита Це дозволить істотно збільшити пластичні властивості ферита і підвищити ударну в'язкість сталі Зменшення вмісту кремнію менше 0,8%мас недоцільно, тому що це призведе до підвищення ОККЛЮЗІЙНОІ спроможності по водню залізо-кремнієвого сплаву з таким вмістом кремнію, що збільшить утрату пластичності при наводненні, а також до недостатнього зміцнення ферита кремнієм Введення ванадія обумовлене необхідністю зв'язування вуглецю в карбідну фазу і запобігання його виділення у виді графіту, унаслідок графітоутворюючій дії кремнію, на поверхні мікропустот Це запобігає можливості утворення хімічної реакції між незв'язаним вуглецем і воднем, у результаті якої утвориться метан і багаторазово збільшиться тиск у мікронесуцільностях сталі Такий внутрішній тиск метану в сталі є однією з причин її водневої крихкісті Причому ванадій найкращий елемент для зв'язування вуглецю, оскільки є одним із групи найдужчих карбідоутворюючих елементів (Ті, V, Zr, Nb) і утворює простий карбід VC (V4C3), який є стійким до впливу водню 3 групи (Ті, V, Zr, Nb) карбід ванадія має найменшу температуру розчинення при нагріванні, що дає можливість використовувати весь вуглець, що міститься в сталі, у у-аперетвореннях для утворення гартівних структур, проводячи загартування від більш низьких температур, чим це треба було б у випадках легування стали Ті, Zr і Nb, Карбід ванадія також має найменшу температуру виділення при відпуску (із групи Ті, V, Zr, Nb), що дозволить утворити і, головне, коагулювати карбідну складову, не перевищуючи точку Агі До складу сталі ванадій вводиться в межах від 0,08%мас до 0,4%мас Перевищення вмісту ванадія вище 0,4%мас призводить до утворення великого обсягу карбідної фази, що розташовується по межах зерен, що знижує В'ЯЗКІСНІ характеристики сталі АЛЮМІНІЙ Є елементом, що утворює твердий розчин, також як і кремній, зміцнює і знижує В'ЯЗКІСНІ властивості ферита, але, на відміну від кремнію, не знижує його окклюзійну спроможність по водню АЛЮМІНІЙ уведений до складу в якості розкислювача сталі для повного засвоєння ванадія Важливим моментом є не перевищення його вмісту в розчині 0,06%мас Інші компоненти введені до складу сталі без істотної зміни в порівнянні з прототипом Вуглець дозволяє сталі зазнавати у-а-перетворення під час загартування й зміцнюватись за рахунок виділення карбідів під час відпуску Вміст Марганця в сталі може бути від 0,05% до 0,8%мас При такій концентрації марганець є природною домішкою - елементом, необхідним для виплавки сталі високої якості Оскільки марганець має підвищену спорідненість до сірки, він використовується як один із десельфураторів сталі Проте, сульфіди марганцю під час прокатування сталі утворюють рядкові включення, які мають високу температуру плавки і не коагулюють навіть при наступній термообробці Наявність рядкових включень знижує ударну в'язкість, а, головне, провокує корозійне розтріскування, оскільки вони є колекторами водню й ініціаторами тріщин Тому, під час проведення плавки, після десельфурацм марганцем необхідно збільшувати витримку для спливання сульфіду марганцю і переходу його в шлак Ніобій утворює карбід NbC (Nb4C3), який із моменту утворення має округлену коагульовану форму Карбід нюбія має дуже високу СТІЙКІСТЬ ДО впливу водню Температура плавлення карбіда нюбія вище температури, при якій ведеться плавка, тому в рідкому розплаві його частинки є центрами кристалізації і забезпечують високий бал зерна Під час термообробки карбід нюбія не розчиняється при звичайних температурах загартування і, знаходячись у металі в період нагрівання, механічно перешкоджає об'єднанню кристалів, тобто росту зерна сталі До складу сталі ніобій вводиться в межах від 0,03%мас до0,1%мас Перевищення вмісту нюбія вище 0,1%мас призводить до утворення надмірної КІЛЬКОСТІ практично не розчинної карбідної фази, яка виділиться по межах зерен, що призведе до крихкості сталі При виробництві сталі для нафтовидобувного устаткування кращим є вміст нюбія в сталі 0,03% - 0,07%мас У сталі, що буде використовуватися в умовах підвищених температур і високого тиску водню бажано вводити ніобій в межах вмісту 0,08% - 0,1%мас Титан утворює карбід титана ТіС, який, також 50175 як карбід ванадія і карбід нюбія має високу СТІЙКІСТЬ до впливу водню Титан використовується при виплавці сталі, що буде працювати в умовах підвищених температур і високих тисків водню При ВМІСТІ титану більш 0,14% погіршуються пластичні і В'ЯЗКІСНІ властивості сталі виводяться з ними Засвоєні РЗМ знижують КІЛЬКІСТЬ І ступінь рядкового виділення карбідної фази Елементи, які входять до складу запропонованої сталі, формують и структуру в процесі кристалізації, наступного охолодження злитка, гарячого прокатування і термічної обробки і, знаходячись у складному взаємозв'язку, забезпечують комплекс високих и властивостей Виплавку дослідної сталі проводили в 80кілограмовій індукційній печі методом сплавлення шихтових матеріалів при температурі 1590°С 1610°С У т а б л 1 наведені склади сталей Рідкоземельні елементи вводяться в сталь на завершальному етапі плавки, безпосередньо перед або під час зливу металу як модифікатор для усунення мікрохімічної неоднорідності РЗМ рафінує і дегазує рідкий метал шляхом зв'язування неметалічних включень (силікатів, сульфідів і т д ) і розчиненого газу в легкі ХІМІЧНІ сполуки і частково Таблиця 1 № п/ч 1 2 3 4 5 6 7 С 0,03 0,25 0,09 0,18 0,24 0,20 0,12 Мп 0,06 0,85 0,3 0,4 0,74 0,20 0,08 Si 0,75 1,24 0,89 1,20 1,19 1,10 1,23 S 0,002 0,016 0,014 0,013 0,006 0,007 0,007 Р 0,007 0,014 0,005 0,007 0,005 0,005 0,006 АІ 0,002 0,07 0,015 0,005 0,05 0,025 0,06 Злитки металу кували, прокатували в гарячому стані на квадрат 32 х 32, різали на заготовки 14 х 14, піддавали нормалізації при 900°С, загартуванню і відпуску при різних температурах Сталь плавлення № 1 та № 7 випробовувалась після нормалізації Визначення стандартних механічних властивостей випробування на розтяг по ГОСТу 1497-73, випробування на ударний вигин по ГОСТу V 0,07 0,41 0,08 0,21 0,4 0,29 0,38 Nb 0,006 0,006 0,006 Сл 0,006 0,048 0,11 РЗМ(Се) Сл Сл Сл Сл 0,007 0,025 0,05 Ті 0,002 0,003 Сл Сл 0,009 0,003 0,132 Fe * * * * * * * 5520-79 СТІЙКІСТЬ сталі проти корозійного розтріскування під напругою визначали на гладких зразках в ємностях у водяному насиченому bbS розчині Оцінювали граничну напругу, нижче якої не відбувається руйнація зразків при випробуванні під постійним навантаженням протягом ЗО діб (720 годин) за методикою NACE ТМ-01-77 Розчин 0,5% СНзСООН + 5% NaCI + H 2 S насичення (рН 3,5 3,8) Отримані дані наведені в таблиці 2 Таблиця 2 № п/ч 1 2 3 4 5 6 7 Межа текучості, МПа 323 790 410 657 732 758 422 Межа МІЦНОСТІ, МПа 398 940 512 784 862 873 515 Подовження, % 29,1 19,5 28,5 24,1 17,5 22,8 28,7 Звуження, % 67,1 58 68,3 63,4 60,8 63,1 66,2 KCVO°C Дж/см2 122 46 80 62 48 82 95 СТІЙКІСТЬ проти корозійного розтріскування, год 7 2 0 ПРИCT= O,8rJo2min 7 2 0 ПРИ CJ = O,8cJo2min 7 2 0 ПРИ CJ = O,8cJo2min 7 2 0 ПРИ CJ = O,8cJo2min 7 2 0 ПРИCT= O,8cJo2min 7 2 0 ПРИCT= O,8cJo2min 720 при ст = О,8сто.2тіп Результати випробувань підтверджують переваги запропонованої сталі по пластичності й ударній в'язкості при зберіганні стабільності опору водневої крихкості і сірководневому розтріскуванню ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71