Способ получения низкоуглеродистой мартенситной стали
METHOD FOR PRODUCING LOW-CARBON MARTENSITIC STEEL

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/м<sup>2</sup>
КСV-40, МДж/м<sup>2</sup>
КСV-60, МДж/м<sup>2</sup>
КСV-50, МДж/м<sup>2</sup>
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.