Низколегированная сталь

ПАткнт Комитет Российской Федерации ио патентам и товарным знакам(71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им.И.П.Бардина(7) Изобретение относится к.черной металлургии,в частности к низколегированной стали для газотрубопроводов и для конструкций, используемых вуотовиях Севера и Сибири. С цепью повышения(19) КЦ 1 (я) гг зв е сопротивляемости хрупкому разрушению и устойчивости против атмосферной коррозии сталь дополнительно содержит хром никель, медь, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас%: углерод 0,10 - 0,20; кремний 0,17 - 0,37; марганец ОУО - 1,10; хром 0,05 - 0,35; никель 0,05 - 0,35; медь 6,05 - 0,5; титан 0,005 - 0,025; алюминий 0005-О,15; редкоземельные метаюы 0,001 - 005; кальций 0001 - 005; железо - остааьное, при этом выполняются следующие соотношения: (алюминий + титан + кальций + РЗМ)0,3; хром+никель+медь+титан/углерод 0,97 - 8,15 2 табаИзобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям для труб, транспортирующим природный газ внеблагоприятных климатических условиях,например при низких температурах и в условиях воздействия атмосферной коррозии,Наиболее близкой по составу, технической сущности и достигаемому результатуявляется сталь (1), содержащая, мас,:Углерод 0,07-0,23Кремний 0,17-0,7Марганец 0,5-1,8Алюминий 0,01-0,25Молибден 0,05-0,6Сульфиды редкоземельных металлов 0,01 - 0,16Железо ОстальноеСталь предназначена для нефтехимического и газового аппаратостроения, в томчисле труб для транспортировки газа. Механические свойства стали после нормализации следующие, мас.:Предел прочности, Н/мм 438Предел прочности, Н/мм 250гОтносительное удлинение,30Удельная вязкость, Дж/см 103гНедостатком известной стали являетсянизкий уровень прочности., Кроме того, известная сталь не предназначена для эксплуатации при низких температурах и вусловиях атмосферной коррозии.Цель изобретения - повышение сопротивляемости стали хрупкому разрушению иповышение устойчивости к атмосфернойкоррозии при сохранении на высоком уровне прочностных и пластических свойств,.Указанная цель достигается тем, чтосталь. содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий, редкоземельные металлыи железо, дополнительно содержит хром,никель, медь, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:Углерод 0,10-0,20Кремний 0,17 - 0,37Марганец 0,70-1,10Хром 0,05-0,35Никель 0,05-0,35Медь 0,05-0.5Титан 0.005-0,025Алюминий 0,005 - 0,15Редкоземельныеметаллы 0.001-0,05Кальций 0,001 - 0,05Железо Остальноепри этом процентное содержание (А + Т +Са+ РЗМ)0,3, а отношение(Сг+ М+ Со.+Т): С - 0,97-8,15,Известно, что в феррито-перлитных сталях, какой является предлагаемая сталь,уровень механических свойств определяется в значительной мере свойствами легированного феррита. Легирующие элементы, .дополнительно вводимые в предлагаемуюсталь. по-разному растворимы в феррите.5 Хром и титан связаны в карбиды и нитриды;Хром частично растворим в феррите. Никель. как некарбидообразующий элемент,полностью входит в состав феррита. Медь.мало растворима в феррите и образует са 10 мостоятельную фазу, Кальций обычно входит в состав кислородных неметаллическихвключений, таких как оксиды и оксисульфидыЛегирующие элементы, вводимые .в15 предлагаемую сталь, за исключением кальция, упрачняют сталь, Хром и титан значительно повышают прочность стали за счетизмельчения зерна, медь - за счет дисперсионного твердения, никель упрочняет20 твердый раствор.Однако в предлагаемой стали легирование хромом, никелем, медью, титаном икальцием, кроме эффекта упрочнения, приводит к достижению новых свойств, а имен 25 но достигается повышенное сопротивлениехрупкому разрушению. При этом наклады. вается ограничение на содержание алюминия, титана, кальция и редкоземельныхметаллов; их суммарное содержание долж 30 но быть меньше 0,3%Кроме того, легирование предлагаемойстали храмом. никелем, медью, титаном икальцием в указанных пределах обусловливает достижение повышенной устойчивости35 к атмосферной коррозии при соблюдениипроцентного соотношения: (Сг. + й + Си +Т)/: С = 0,97 - 8.15,Средством выявления склонности низколегированных сталей к хрупкому разру 40 шению .является определениехарактеристик вязкости. Основные требования следующие: значение ударной вязкостипри 20 С на образцах с надрезом радиусом1 мм составляет 80 Дж/см вдоль и 6045 Дж/см соответственно поперек направлегния прокатки, а при температуре -40 С - неболее 500 от исходного ее значения, т.ечтобы критическая температура хрупкостибыла не выше -30 С.50 Значительное повышение сопротивляемости предлагаемой стали хрупкому разрушению достигается модифицированиемстали титаном и кальцием, и дополнительным легированием стали хромом, никелем и55 медью в указанных пределах. Эффект повышения сопротивляемости хрупкому разрушению состоит в связывании газов ивредных примесей: азота, кислорода и серымодифицирующими добавками - алюминием, титаном, кальцием и редкоземельными5 10 15 25 30 45 50 55 металлами в субмикроскопические выделения нитридов титана и алюминия и кислородных включений типа оксидов и оксисульфидов кальция и редкоземельных металлов благоприятной формы. В результате достигается высокая степень чистоты по неметаллическим включениям и дисперсная исходная микроструктура стали с повышенной сопротивляемостью хрупкому разрушению, Дополнительное легирование стали хромом, никелем и медью в указанном сочетании оказывает общее положительное влияние на свойства стали, такие как; прочность, пластичность, сопротивление хрупкому разрушению.Кроме того, легирование предлагаемой стали хромом, никелем, медью, титаном и кальцием обеспечивает повышенную устойчивость стали против атмосферной коррозии.Влажная атмосферная коррозия представляет собой электрохимическую коррозию. Однако от мокрой атмосферной коррозии отличается тем, что она протекает не при полном погружении металла в электролит, а под тонким слоем его. В силу изложенного она имеет ряд особенностей;благодаря беспрепятственному доступу кислорода к коррозирующей поверхности легко возникает анодная пассивность;при влажной атмосферной коррозии существенную роль играет добавочная защита продуктами коррозии;вследствие возникновения анодной пассивности при атмосферной коррозии катодные включения в стали оказывают тормозящее влияние на процесс, т,к, катодный контакт способствует возникновению анодной пассивности.Именно таково положительное влияние никеля, хрома, титана, Влияние меди объясняется возникновением анодной пассивности стали за счет катодного контакта с вторично выделившейся на поверхности медью, Кроме того, медь способствует получению на поверхности стали плотного защитного слоя продуктов коррозии.Кроме того, при выбранном легировании вновь вводимые элементы усиливают защитное действие друг друга, Такое усиление заметно между никелем и медью, никелем и хромом.Углерод отрицательно влияет на стойкость стали против атмосферной коррозии, как элемент не растворяющийся в феррите, Его содержание в стали ограничено процентным соотношением:(Сг+ Ю+ Со + Т)/ С = 097-815 В предлагаемой стали железо является основой; углерод, кремний. марганец - основными легирующими элемента; ь, с гвегственными за уровень конструктивных свойств стали; хром, никель, медь, алюминий, титан, редкоземельные металлы, кальций - легирующими элементами, которые в сочетании с основными элементами обеспечивают требуемый уровеч ь конструктивных, технологических и эксплуатационных свойств.В предлагаемой стали содержание углерода ограничено пределами 0,10 - 0.20. Содержание углерода ниже 0,1 О не обеспечивает требуемый уровень прочности, а содержание выше 0,20 снижает сопротивление хрупкому разрушению и стойкости к атмосферной коррозии.Содержание кремния в стали выбрано в пределах 0,17 - 0,37 О. Содержание кремния ниже 0,17",ь не обеспечивает достаточной раскисленности стали, выше 0,37 упрочняет твердый раствор и снижает сопротивление хрупкому разрушению за счет снижения сил межатомной связи в кристаллической решетке, Содержание марганца ограничено пределами 0,70-1,10%. Содержание марганца ниже 0,70 О не обеспечивает достаточной раскисленности стали и требуемый уровень прочности выше 1,10 вызывает рост аустенитного зерна, усиливает сегрегацию примесей в осевой зоне заготовки, чрезмерно упрочняет и снижает сопротивление стали хрупкому разрушению.Пределы по хрому в предлагаемой стали выбраны 0,05-0.35 О, Содержание хрома ниже 0,05 О приводит к снижению устойчивости стали к атмосферной коррозии, Содержание хрома выше 0,35 О вызывает ухудшение свариваемости за счет увеличения прокаливаемости.Содержание никеля в предлагаемой стали выбрано в пределах 0,05-0,35;, Содержание никеля ниже 0,05 оь не обеспечивает требуемый уровень сопротивления хрупкому разрушению и атмосферной коррозии.При содержании никеля выше 0,35 ф повышается склонность к водородному охрупчиванию. При содержании меди менее 0,ОБОИМ снижается сопротивление к атмосферной коррозии. СоДержание меди выше 0,5 О вызывает дефекты на поверхности проката,Титан в предлагаемой стали ограничен пределами 0,005-0,025 ф, Содержание титана ниже 0,005 не обеспечивает эффективного связывания азота в нитриды. Содержание титана выше 0,025;4 приводит к огрублению карбонитридов и увеличениюих количества, снижается сопротивлениестали хрупкому разрушению.Алюминий - сильный раскислитель инитридообразующий элемент. Пределы егов стали ограничены 0,005-0,15%. Содержание алюминия ниже 0,0050 недостаточнодля раскисления стали и связывания азотаи вызывает повышенный расход титана привзаимодействии с азотом и кислородом. Содержание алюминия более 0,150 ухудшаетразливку стали. приводит к вторичномуокислению при разливке и в конечном счетеухудшению поверхности заготовки и труб.Модифицирование предлагаемой сталиредкоземельными металлами ограниченопределами 0,001-0.05. Содержание редкоземельных металлов ниже 0,001% необеспечивает эффективного связывания серы и кислорода в оксисульфиды редкоземельных металлов, что ухудшает качествостали, При содержании редкоземельных металлов выше 0,05% возможно вторичноеокисление редкоземельных металлов приразливке, затягивание стакана,(разливочного) и ухудшение поверхности заготовки итруб.Кальций вводится в сталь в пределах0,001 - 0,05%; Содержание кальция ниже0.001% не обеспечивает модифицирующеговлияния на неметаллические включения ина снижение их количества. Содержаниекальция выше 0,05 приводит к образованию избыточного количестве хрупких оксидных и силикатных включений, что снижаетпластичность и сопротивление хрупкомуразрушению,В предлагаемой стали эффективностьсопротивления стали хрупкому разрушениюопределяется ограничением суммарного содержания элементов - алюминия, титана,кальция и редкоземельных металлов, которое должно быть меньше 0,3. Если суммарное содержание этих элементов будетбольше или равно 0,3, то ухудшается качест. во стали из-за избыточного количества неметаллических включений, ухудшениятехнологичности при разливке и ухудшениясостояния поверхности проката. Высокая устойчивость предлагаемой стали к атмосферной коррозии достигается ограничением содержания углерода и оптимальным сочетанием элементов: хрома, никеля, меди и титана, выраженных соотношением (Сг + М + Св + Т 1) / = 0,97- 8.15. Если это соотношение меньше 0,97, то содержание хрома, никеля и меди недостаточно для торможения анодного процесса (пассивации), Если соотношение больше 8,15, то ухудшаются технологические свой 10 22 ства стали - свариваемость, состояние поверхности проката за счет избыточного количества карбонитридов титана,Предлагаемая сталь в состоянии после5 нормализации от 920 С имеет следующийкомплекс свойств:Временное сопротивление, о, Н/ммг480-550Предел текучести, оН/мм 270-350Относительное удлинение, %Ударная вязкость,КСЧ, Дж/см 2515 КСЧ, Дж/см 25Критическая температура хрупкости, Т 5 о, С -40Ниже приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие другие20 варианты в объеме формулы изобретения.Все плавки выплавляют в 50-килограммовой индукционной печи. Химический состав доводят присадкой соответствующихферросплавов и чистых металлов,25 Алюминий вводят в процессе окончательного раскисления стали из расчета, чтобы его остаточное содержание равнялось0,01-0 Я 6%, Остальной алюминий, титан,кальций и РЗМ (цериевой группы) вводят в30 виде комплексной лигатуры в полностьюраскисленную сталь, Плавка 6 - известнаясталь, Сталь разливали на слитки весом 17кг, которые прокатывали на стане ДУО на полосу шириной 80 мм, толщиной 12 мм,35 Химический состав стали плавок 1 - 6приведен в табл, 1, свойства - в табл. 2.Механические свойства, сопротивлениехрупкому разрушению и устойчивость против атмосферной коррозии оценивают по 40 сле термообработки, включающейнормализацию от 920 С, Механическиесвойства оценивают на продольных образцах по ГОСТ 1497-84,Сопротивление хрупкому разрушению оце 45 нивают по значениям ударной вязкости притемпературе -50 С на образцах с острымнадрезом и по порогу хрупкости (Т 50), наобразцах с круглым надрезом (ГОСТ 2284877 и ГОСТ 9454-60).50 Устойчивость к атмосферной коррозии(табл. 2) оценивают по времени (мес,), закоторое весовые потери от атмосфернойкоррозии на поверхности образцов листовой стали площадью 150 см (30 х 5 см) толг55 щиной 10 мм достигают 10 ч,Как видно из полученных данных, предлагаемая сталь значительно превосходитизвестную по сопротивляемости хрупкомуразрушению и устойчивости к атмосферной2002851 Таблица 1 ла С 51 0.10 0,15 0,20 0.15 075 0,17 0.27 0.27 0.26 027 5 045 0,1 0,10 .ала. Табл 2 коррозии при сохранении на высоком уровне прочностных и пластических свойств.Устойчивость к атмосферной коррозии предлагаемой стали в 2-3 раза выше по сравнению с известной, а сопротивление хрупкому разрушению - в 2,5 - 3 раза,Такое улучшение свойств стали соответствует снижению металлоемкости транспортных трубопроводов примерно нэ 10 по сравнению с базовым объектом - извест ной сталью,(56) Авторское свидетельство СССР М 456038, кл, С 22 С 38/12, 1975.Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 3219 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101 Формула изобретенияНИЗКОЛЕГИР 08 АННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий, редкоземельные металлы и железо, отличающаяся тем, что, с целью повы щения сопротивляемости хрупкому разрушению и устойчивости к атмосферной коррозии при сохранении на высоком уровне прочностныхи пластических свойств, она дополнительно содержит хром, никель, медь, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. :Углерод 0,10 - 0,20 Кремний 0,17 - 0,37 Марганец 0,70 - 1,10 Алюминий 0,005 - 0,15 Редкоземельные металлы 0,001 - 0,05 Хром 0.050,35 Никель 0,05 - 0,35 Медь 0.05-0,5 Титан 0,005 - 0,025 Кальций 0.001 - 0,05 Железо Остальноепри этом выполняются следующие соотно щения;