Низьколегована сталь для виробництва високоміцних зварюваних гарячекатаних безшовних труб

Реферат: Винахід належить до низьколегованої сталі для виробництва високоміцних зварюваних гарячекатаних безшовних труб, виготовлених з такої сталі. Хімічний склад, мас. % : 0,15-0,18 % С; 0,20-0,40 % Si; 1,40-1,60 % Мn; не більше 0,05 % Р; не більше 0,01 % S; > 0,50-0,90 % Сr; > 0,50-0,80 % Мо; > 0,10-0,15 % V; 0,60-1,00 % W; 0,0130-0,0220 % N; решту складає залізо з домішками, обумовленими виплавкою; з необов'язковим додаванням одного або декількох елементів, таких як Аl, Ni, Nb і Ті, причому відношення V/N має значення від 4 до 12, а вміст Ni у сталі складає не більше 0,40 %. UA 100548 C2 (12) UA 100548 C2 UA 100548 C2 5 10 15 20 25 30 Галузь техніки, до якої відноситься винахід Винахід відноситься до низьколегованої сталі для виготовлення високоміцних зварюваних гарячекатаних безшовних труб. Зокрема, винахід відноситься до труб, профіль (перетин) яких може відрізнятися від круглого і які призначені в якості конструкційних труб для зварних металоконструкцій, розрахованих на особливо високі навантаження, наприклад, в крано-, мосто- і суднобудуванні, у виробництві підйомних механізмів і вантажного автотранспорту. Такі труби залежно від вимог до них і сфери застосування, разом з круглим профілем (перетином), можуть мати, наприклад, квадратний, прямокутний або навіть багатокутний профіль. Рівень техніки Сталеві сплави для такого роду сталевих труб відомі, наприклад, з DE 199 42 641 А1. Цей відомий сталевий сплав, разом з незначними добавками хрому, молібдену і ванадію, містить добавку вольфраму в межах від 0,30 % до 1,00 % замість відсутнього нікелю, що служить відмітною ознакою для низьколегованої сталі. Передбачається, що відмова від використання нікелю, який зазвичай є украй необхідною добавкою, або обмеження вмісту Ni низькими межами дозволить уникнути утворення клейкої окалини і завдяки цьому поліпшити властивості поверхні, зокрема, при гарячому пільгеруванні труб з цих сталей, що дозволить відмовитися від зазвичай необхідної і дорогої подальшої обробки поверхні різанням. Конструкційні труби для вищеназваних сфер застосування призначені для максимальних навантажень в рамках їх міцності і в'язкості (пластичності) при низьких температурах до -40 °C. Щоб труби набули необхідних властивостей, їх необхідно після гарячої прокатки піддати поліпшуючій властивості обробці. При використанні сталі, відомій як FGS 70 з DE 199 42 641 А1, всі необхідні мінімальні значення межі розтягування, міцності на розтягування, відносного подовження при розриві і ударній міцності досягалися надійно. Правда, останніми роками вимоги до конструкційних труб для вищеназваних сфер застосування ще більш зросли, так що в даний час помітна зростаюча потреба в конструкційних трубах, що відповідають наступним вимогам: межа текучості Rp0,2: межа міцності при розтягування Rm: ударна міцність Av (у подовжньому напрямку) гарантована загальна зварюваність понижений або обмежений вміст -Ni. 35 40 45 50 55 960 МПа 980-1150 МПа 27 Дж при -40 °C Необхідне підвищення міцності при достатній в'язкості гарячекатаних безшовних труб для описаних галузей застосування вимагає розвитку нових концепцій легування. Зокрема, в діапазоні межі розтягування до 1000 МПа традиційні концепції легування не забезпечують достатньої в'язкості при низьких температурах. Як відомо, механізмом підвищення міцності, який одночасно приводить до збільшення в'язкості, є зменшення розміру зерна. Воно може досягатися, наприклад, введенням легуючого елемента - нікелю або молібдену - і пов'язаним з цим пониженням температури конверсії. Проте ці концепції легування ведуть до збільшення вуглецевого еквівалента і пов'язаного з цим погіршення зварюваності. До того ж нікель і молібден значно підвищують витрати на легування, а нікель, крім того, погіршує якість поверхні гарячекатаних труб. Проте можливість збільшення вмісту вуглецю, що напрошується сама собою, для підвищення міцності, привела б до погіршення в'язкості і різкого збільшення вуглецевого еквівалента. Так само для підвищення міцності застосовується ванадій. Ця концепція заснована на затвердінні змішаних кристалів ванадію і осадженні дуже тонких частинок карбіду ванадію в процесі відпуску металу. Але вищеназвані концепції легування не здатні забезпечити досягнення необхідних властивостей. Зменшення розміру зерна для поліпшення механічних властивостей може відбуватися, в принципі, і в результаті термомеханічної обробки. Проте специфічне ведення температури при гарячій прокатці безшовних труб не здатне забезпечити необхідне пониження температури пластичної деформації для застосування відомих концепцій термомеханічної обробки. 1 UA 100548 C2 5 10 15 До теперішнього часу необхідні високі вимоги вдавалося реалізувати тільки стосовно високолегованих сталей, які не користуються взагалі або користуються дуже незначним попитом на ринку із-за своєї високої вартості. Задачею винаходу є забезпечення створення низьколегованої сталі для виробництва високоміцних зварюваних безшовних сталевих труб, яка гарантовано відповідає вищезгаданим мінімальній межі текучості, межі міцності при розтягування і ударної міцності і, крім того, забезпечує хорошу загальну зварюваність, а при гарячій прокатці - бездоганну поверхню труб, що контролюється оптично. Ця задача вирішується, виходячи з родового поняття укупі з відмітними ознаками пункту 1 формули винаходу. Переважні варіанти здійснення є предметом приведених нижче пунктів формули. Суть винаходу Згідно винаходу для низьколегованої сталі для виробництва високоміцних зварних гарячекатаних безшовних сталевих труб, зокрема, конструкційних труб, пропонується сталевий сплав, що має наступний хімічний склад (мас. %): C Si Мn Р S Сr Мо V W N 20 25 30 35 40 45 50 0,15-0,18 0,20-0,40 1,40-1,60 не більше 0,05 не більше 0,01 від більше 0,50 до 0,90 від більше 0,50 до 0,80 від більше 0,10 до 0,15 0,60-1,00 0,0130-0,0220, решту складає залізо з домішками, обумовленими виплавкою; з необов'язковим додаванням одного або декількох елементів, таких як Al, Ni, Nb і Ті, за умови, що відношення V/N має значення від 4 до 12, а вміст Ni в сталі складає не більше 0,40 %. Сталевий сплав згідно винаходу поліпшує відому з DE 199 42 641 А1 дрібнозернисту конструкційну сталь, леговану вольфрамом. З попереднього досвіду не було відомо, що вольфрам чинить негативний вплив на зварюваність. Правда, максимально досяжне підвищення межі розтягування за рахунок легування вольфрамом складає, за результатами досліджень, приблизно до 900 МПа. Подальше підвищення тільки за рахунок збільшення вмісту вольфраму неможливе. Тому вигідним, як було встановлено, є вміст W від 0,60 % до 1,0 %, переважно - від 0,7 % до 0,9 %. Експерименти, що проводилися в процесі розробки даного винаходу, несподівано показали, що, у порівнянні з відомими, сталевий сплав винаходу при дещо більш високому рівні додавання легуючих елементів, таких як Сr і Мо, і при дотриманні певного відношення V/N забезпечує помітний стрибок міцності при збереженні необхідної мінімальної ударної в'язкості 27 Дж при -40 °C. Проте для досягнення певної "базової міцності" необхідно, як було встановлено, щоб сумарна кількість добавок Сr, Мо і W складала, щонайменше, 1,5 % мас. Винахід охоплює інноваційну концепцію підвищення температури припинення рекристалізації до рівня, вище за температуру завершальної прокатки, шляхом цілеспрямованого мікролегування ванадієм і азотом. Як показали численні термодинамічні розрахунки, для досягнення бажаного ефекту співвідношення між вмістом V і N повинне складати від 4 до 12. В цілому, високий вміст розчиненого азоту слід розглядати як такий, що негативно позначається на в'язкості. Підібравши відповідне V/N - відношення в діапазоні від 4 до 12, можна понизити вміст розчиненого азоту до мінімуму, тоді як карбонітриди ванадію, що утворилися, одночасно сприятимуть досягненню описаного ефекту зниження розміру зерна в процесі термомеханічної обробки. Але такий незвично високий вміст азоту, викликаний утворенням карбонітридів ванадію або навіть введенням азоту з метою зниження величини зерен, дозволяє, крім того, вигідно відмовитися від проведення дорогих дегазаційних обробок у рамках вторинних металургійних процесів. У рамках концепції легування згідно винаходу передбачається, залежно від вимог, необов'язкове додаткове легування одним або декількома легуючими елементами, такими як Аl, 2 UA 100548 C2 5 10 15 Ni, Nb і Ті. Ці вимоги можуть враховувати, наприклад, різну товщину стінок труб, що піддаються прокатці, яка може складати від менше 10 мм до більше 80 мм, і можуть визнати украй необхідним (зокрема, при значній товщині стінок труб) додаткове легування вищеназваними елементами в цілях досягнення необхідних властивостей за рахунок зниження розміру зерна. Для забезпечення оптимального співвідношення затрат/прибутку у рамках концепції легування вдалося встановити відповідний для цього максимальний вміст вищеперелічених елементів: 0,03 % для Аl, 0,40 % для Ni, 0,04 % для Nb і 0,04 % для Ті. Вміст Ni, необхідний для забезпечення достатньо хорошої якості поверхні труб при застосуванні для їх виготовлення безперервного методу, достатньо низький - макс. 0,40 %. При використанні способу гарячого пільгерування для виробництва безшовних труб вміст Ni, що забезпечує досягнення достатньо хорошої якості поверхні труб, обмежується і складає 0,20 %, переважно - 0,15 %, зокрема, макс. 0,10 %. Безшовні сталеві труби, виготовлені з робочого розплаву сталевого сплаву згідно винаходу, що має приведений нижче хімічний склад (мас. %), показують відмінні показники міцності і в'язкості: C Si Mn P S Cr Mo V W N Al Ni Ті Nb приV/N=8,03. 20 0,17 0,32 1,54 0,013 0,003 0,74 0,54 0,11 0,75 0,0142 0,023 0,16 0,001 0,164 У нижченаведеній таблиці наводяться вказані вище показники, які є середніми значеннями для чотирьох зразків, використаних у випробуваннях на розтягування, або для чотирьох зразків, використаних у випробуваннях на ударну міцність. Відібраними зразками гарячекатаних труб промислового виготовлення є зразки подовжнього перетину. Таблиця Геометрія (AD х WD) 88,9 × 5,8 мм 88,9 × 5,8 мм 177,8 × 12,6 мм 177,8 × 12,6 мм Вимоги Rp0,2 1070 МПа 1047 МПа 1067 МПа 1076 МПа > 960 МПа Rm 1128 МПа 1107 МПа 1092 МПа 1103 МПа 980-1150 МПа AD: зовнішній діаметр, WD: товщина стінки, А5 : відносне подовження. 3 Rр0,2/Rm 0,95 0,95 0,98 0,98 А5 14,1 % 13,0 % 15,5 % 17,0 % > 10 % AV (при -40 °C) 40 Дж 41 Дж 42 Дж 37 Дж >27Дж UA 100548 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Низьколегована сталь для виробництва високоміцних зварюваних гарячекатаних безшовних сталевих труб, що містить, мас. %: С 0,15-0,18 Si 0,20-0,40 Mn 1,40-1,60 Р не більше 0,05 S не більше 0,01 Cr від більше 0,50 до 0,90 Mo від більше 0,50 до 0,80 V від більше 0,10 до 0,15 W 0,60-1,00 N 0,0130-0,0220, решта - залізо і неминучі домішки. 2. Низьколегована сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що додатково містить один або декілька елементів з групи Al, Ni, Nb і Ti, причому вміст цих елементів у вказаній сталі становить, мас. %: Аl не більше 0,03 Ni не більше 0,40 Nb не більше 0,04 Ті не більше 0,04, при цьому відношення V/N складає 4-12, а вміст Ni в сталі складає не більше 0,40 %. 3. Низьколегована сталь за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що вміст W складає від 0,7 % до 0,9 мас. %. 4. Високоміцна зварювана гарячекатана безшовна сталева труба з низьколегованої сталі наступного хімічного складу, мас. %: С 0,15-0,18 Si 0,20-0,40 Mn 1,40-1,60 Р не більше 0,05 S не більше 0,01 Cr від більше 0,50 до 0,90 Mo від більше 0,50 до 0,80 V від більше 0,10 до 0,15 W 0,60-1,00 N 0,0130-0,0220, решта - залізо і неминучі домішки. 5. Високоміцна зварювана гарячекатана безшовна сталева труба з низьколегованої сталі за п. 4, яка відрізняється тим, що вказана сталь додатково містить один або декілька елементів з групи Al, Ni, Mb і Ti, причому вміст цих елементів у вказаній сталі становить, мас. %: Аl не більше 0,03 Ni не більше 0,40 Nb не більше 0,04 Ті не більше 0,04, при цьому відношення V/N складає 4-12, а вміст Ni в сталі складає не більше 0,40 %. 6. Високоміцна зварювана гарячекатана безшовна сталева труба з низьколегованої сталі за пп. 4 або 5, яка відрізняється тим, що вміст W у вказаній сталі складає 0,7- 0,9 мас. %. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4