ПРОКАТ СОРТОВОЙ ГОРЯЧЕКАТАНЫЙ В ПРУТКАХ, КРУГЛЫЙ
ROUND HOT-ROLLED BAR STOCK

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаного сортового проката в прутках, круглого, диаметром 210 мм, из высококачественной конструкционной стали, который может быть использован в нефтедобыче для изделий, работающих с высокими механическими нагрузками, а именно для буровых соединений.
Наиболее близким к предлагаемому является сортовой прокат горячекатаный в прутках, круглый, диаметром до 250 мм, который получают из стали марки 38ХГМА по ГОСТ 4543-71, содержащей в мас.%: углерод - 0,34-0,40; марганец - 0,60-0,90: кремний - 0,17-0,37; хром - 0,80-1,10; молибден - 0,15-0,25; серу - не более 0,025; фосфор - не более 0,025; медь - не более 0,30; никель - не более 0,30; железо и неизбежные примеси - остальное.
Известный сортовой прокат горячекатаный имеет:
2
2
2
- макроструктура: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 2 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация не более 1 баллов, не допускаются общая пятнистая ликвация, краевая пятнистая ликвация, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины; зерно - не крупнее №5; временное сопротивление не менее 930 Н/мм, предел текучести не менее 785 Н/мм, относительное удлинение не менее 11%, ударная вязкость (KCU) не менее 78 Дж/см, твердость не регламентирована.
Известный сортовой прокат выполнен из конструкционной легированной высококачественной стали марки 38ХГМА по ГОСТ 4543-71, предназначенной, в частности, для изготовления валов, осей, шестерней и других крупных особо ответственных деталей.
2
Недостатком известного сортового проката горячекатаного в прутках, круглого являются пониженные механические свойства. Особенно это касается пластических свойств (относительное удлинение не менее 11%, ударная вязкость (KCU) не менее 78 Дж/см). Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.
Заявленное изобретение решает задачу создания сортового высококачественного проката горячекатаного в прутках, круглого, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности получения проката сортового горячекатаного в прутках, круглого, диаметром 210 мм, не уступающего известному по характеристикам макроструктуры, обладающего более высокими механическими свойствами, который может быть использован в нефтедобыче для изделий, работающих с высокими механическими нагрузками, а именно для буровых соединений.
2
2
2
Сущность изобретения состоит в том, что в прокате сортовом горячекатаном в прутках, круглом из высококачественной конструкционной стали, выполненном с заданными параметрами механических свойств, величины аустенитного зерна, макроструктуры, а именно: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 2 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация не более 1 балла, не допускаются общая пятнистая ликвация, краевая пятнистая ликвация, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины, новым является то, что прокат получают из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, молибден, алюминий, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,31-0,34; марганец 0,75-0,95; кремний 0,30-0,45; хром 0,95-1,10; молибден 0,30-0,40; алюминий 0,015-0,045; железо и неизбежные примеси остальное, причем в качестве неизбежных примесей сталь содержит массовую долю элементов, в %: сера не более 0,010, медь не более 0,20, фосфор не более 0,015, никель не более 0,25, азот не более 0,008, при этом прокат имеет временное сопротивление не менее 1050 Н/мм, предел текучести не менее 950 Н/мм, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 55%, ударную вязкость не менее 111 Дж/см, твердость не более 255 НВ, размер аустенитного зерна не более 6 номера, чистоту по неметаллическим включениям: оксиды и силикаты не более 4 баллов, силикаты недеформирующиеся не более 4,5 баллов, сульфиды не более 4 баллов, кроме того, прокат подвергают термической обработке, а именно нагрев до температуры 670-690°С, выдержка 22 часа, охлаждение в печи до 600°С, затем охлаждение на спокойном воздухе до температуры окружающей среды.
Технический результат достигается следующим образом.
Качественный и количественный состав стали в заявленном прокате сортовом горячекатаном в прутках, круглом обусловлен следующим.
Железо является основным компонентом стали.
Углерод упрочняет сталь. Углерод вводят в композицию заявленной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и твердости. При этом углерод участвует в протекании двух процессов. Первый процесс - это образование графитовых включений в структуре стали, второй - образование частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,31% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к повышенному износу изделий в процессе эксплуатации и снижению прочностных свойств материала. При содержании углерода более 0,34% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали.
В составе заявленной стали количество кремния находится в пределах 0,30-0,45%. Кремний относится к ферритообразующим элементам. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность, особенно повышает предел текучести. Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствие со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Количественное содержание кремния в составе стали соответствует количественному содержанию углерода. Для количественного содержания углерода в заявленной стали кремний в количестве менее 0,30% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что приводит к ухудшению твердости стали, к значительному износу изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,45% в структуре стали наблюдается повышенное количество крупных включений графита неблагоприятной формы, что так же отрицательно сказывается на характеристиках твердости, ухудшает прочностные и пластические свойства материала. Поскольку при выплавке стали кремний является раскислителем, то, соединяясь с кислородом, он уменьшает его вредное влияние, образуя в мелкодисперсной фазе силикаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что повышает ее качество и механические свойства. При этом для заявленной стали это обеспечивается при диапазоне содержания кремния в стали 0,30-0,45%, который является оптимальным.
Кроме того, кремний повышает стойкость стали к точечной и щелевой коррозии, улучшает обрабатываемость стали, что в заявленном составе стали обеспечивается тем же количественным содержанием кремния.
Марганец, молибден и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. В заявленном составе стали марганец и молибден взяты в следующих количественных пределах: (0,75-0,95%) марганец, (0,30-0,40%) молибден, что обеспечивает требуемое сочетание прочностных и вязких свойств в совокупности с усилением влияния молибдена на устойчивость переохлажденного аустенита.
Марганец (0,75-0,95%), растворяясь в металлической основе, повышает твердость, стабилизирует перлит. В заявленных пределах марганец повышает прочность стали (временное сопротивление и предел текучести), не снижая пластичности, и снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Это объясняется тем, что марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа, так как образует с серой, присутствующей в составе заявленной стали в качестве неизбежной примеси, сульфид марганца. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль проката. Кроме того, образуя сульфидное соединение с серой, марганец связывает ее и снижает отрицательное влияние серы на коррозионную стойкость стали. При этом, присутствуя в стали в заявленном количестве, марганец, помимо стабилизации аустенитной структуры, увеличивает растворимость азота в стали и улучшает ее общую коррозионную стойкость.
При содержании марганца менее 0,75% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита, что приводит к снижению твердости и износостойкости сплава. При содержании марганца более 0,95% происходит снижение пластических свойств стали вследствие локального пересыщения ферритной составляющей перлита марганцем.
23
6
Молибден эффективен в отношении повышения прочности и в составе стали в заявленном изобретении оказывает существенное влияние на формирование однородной структуры стали. Молибден в присутствии хрома образует карбид (Мо, Fе)С. Наличие молибдена в заявленных пределах (0,30-0,40%) повышает прокаливаемость стали, что позволяет получать равномерную и мелкозернистую структуру, увеличивает сопротивление стали ползучести, тормозит процесс роста и коагуляции карбидов. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства стали: чем меньше зерна, тем выше качество стали. В заявленном изобретении обеспечивается размер аустенитного зерна не крупнее 6 номера (в прототипе - не крупнее 5 номера). Поскольку избыточное количество молибдена может приводить к развитию процессов старения с выделением κ-фазы, схожей по отрицательному влиянию на пластичность и ударную вязкость с σ-фазой, то в заявленном изобретении максимальное количество молибдена в стали ограничено 0,40%.
При содержании молибдена в стали менее 0,30% снижается количество образующихся соединений, структура стали отличается неоднородностью, что приводит к снижению прочностных и пластических свойств материала.
Кроме того, молибден усиливает коррозионную стойкость, особенно стойкость к хлоридному питтингу и щелевой коррозии, а также увеличивает растворимость азота в сталях, что в заявленной стали обеспечивается содержанием молибдена в пределах 0,30-0,40%.
3
Хром повышает твердость и прочность стали при незначительном уменьшении пластичности. Хром существенно влияет на предельную растворимость азота в стали, меру стабилизации аустенита и значения стационарного потенциала. Кроме того, в заявленном количестве хром полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Сr)С, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности. При содержании хрома менее 0,95% снижается твердость и износостойкость стали. При содержании более 1,10% карбиды укрупняются, увеличивается их количество, что приводит к снижению пластических свойств стали.
В совокупности: верхний уровень содержания марганца - 0,95%, молибдена - 0,40% и хрома - 1,10% - определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали при сохранении выполнения требований к твердости, а нижний уровень содержания марганца - 0,75%, молибдена - 0,30% и хрома - 0,95% соответственно, определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня прочности данной стали.
Алюминий в составе заявленной стали в заданных пределах 0,015-0,045% обеспечивает повышение прочностных свойств, ударной вязкости. Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает азот в нитриды. При содержании алюминия менее 0,015% его воздействие проявляется слабо, механические свойства стали снижаются. Увеличение содержания алюминия выше 0,045% приводит к разнозернистости микроструктуры стали, что, в свою очередь, приводит к снижению пластичности и вязкости металла.
Никель, сера, медь, фосфор, азот входят в состав стали в виде примесей.
Входя в состав заявленной стали в количестве не более 0,25%, никель положительно влияет на характеристики прочности заявленной стали, твердости, уменьшает склонность к хрупкому разрушению, увеличивает дисперсность карбидов, повышает сопротивление стали окислению при нагреве и ее прочность при высоких температурах. Кроме того, никель в заявленном количестве (не более 0,25%) нейтрализует вредные влияния со стороны меди (не более 0,20%), которая также входит в состав заявленной стали в виде примеси, которые заключаются в возможности образования трещин на поверхности во время горячей прокатки. Никель также способствует поглощению газов металлом в процессе плавки, в особенности водорода, который вызывает образование в слитках газовых пузырей и обуславливает крупнозернистость первичной структуры.
Медь (не более 0,20%) в заданных пределах обеспечивает повышение механических свойств и износостойкости в условиях высоких температур и теплосмен. Нижний предел не определен, так как обусловлен вопросами технологичности производства.
Сера глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня прочности и пластичности стали. При содержании в заявленной стали в количестве не более 0,010% сера не оказывает отрицательного влияния на пластичность, ударную вязкость и коррозионную стойкость стали проката.
Фосфор присутствует в примеси в количестве не более 0,015%. Фосфор влияет на уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Содержание фосфора в заявленном составе стали не более 0,015% оказывает положительное влияние на получение заданного уровня прочности, пластичности и отпускной хрупкости стали. Нижний предел не определен, так как обусловлен вопросами технологичности производства.
Азот попадает в сталь при выплавке и находится в стали в виде неметаллических включений нитридов, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах). Содержание азота в составе заявленной стали в количестве не более 0,008% не оказывает отрицательного влияния на получение заданного уровня пластичности и вязкости стали.
Известно, что неметаллические включения, являясь концентраторами напряжений, могут значительно снизить механические свойства металла проката. Они снижают предел выносливости, вязкость, снижают сопротивление хрупкому разрушению. В заявленном изобретении достигают чистоты по неметаллическим включениям, которая обеспечивает получение проката с высокими механическими свойствами, а именно: оксиды и силикаты не более 4 баллов, силикаты недеформирующиеся не более 4,5 баллов, сульфиды не более 4 баллов.
Значительного повышения прочности стали, помимо легирования, достигают термической обработкой, так как под влиянием температуры, режима нагрева, охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов стали. В заявленном изобретении прокат подвергается термической обработке, а именно нагрев до температуры 670-690°С, выдержка 22 часа, охлаждение в печи до 600°С, затем охлаждение на спокойном воздухе до температуры окружающей среды. В результате обеспечиваются заявленные структурные и механические свойства проката.
Таким образом, из изложенного выше следует, что осуществление заявленного изобретения позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности получения проката сортового горячекатаного в прутках, круглого, диаметром 210 мм, не уступающего известному по характеристикам макроструктуры, обладающего более высокими механическими свойствами и позволяющего использовать его в нефтедобыче для изделий, работающих при высоких механических нагрузках, а именно для буровых соединений.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с получением заявленного технического результата, приведены в примере.
Пример осуществления изобретения.
Выплавку исследуемой стали выполняли с химическим составом в мас.%: С=0,33; Мn=0,83; Si=0,38; Сr=1,00; Ni=0,11; Сu=0,18; Мо=0,34; Аl=0,027; N=0,0077; S=0,008, Р=0,013.
Выплавку выполняли в 80-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте до 40% жидкого чугуна.
Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производили в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производили продувку металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием.
Дальнейшую обработку металла производили на установке внепечной обработки стали (УВОС), где осуществляется наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата для снижения неметаллических включений и снижения газов в стали; продувка металла аргоном через донный продувочный блок, десульфурация, нагрев металла до необходимой температуры, корректировка химического состава металла присадкой кусковых ферросплавов и порошковой проволоки с наполнителями.
По окончании обработки на УВОС производили вакуумирование металла на установке вакуумной дегазации. В процессе вакуумирования обеспечивается удаление газов.
Во время вакуумирования производили окончательную корректировку по химическому составу.
Разливка осуществлялась в изложницы с защитой струи аргоном.
В результате горячей прокатки получили сортовой прокат диаметром 210 мм, длиной - 5000 мм.
Прокат подвергали термообработке (высокий отпуск) в отжигательной печи с выдвижной подиной по режиму: нагрев до температуры (680±10)°С, выдержка 22 часа, охлаждение в печи один час до 600°С, затем охлаждение на спокойном воздухе.
Прокат поставляется с обточкой поверхности без обезуглероживания, с качеством поверхности группы 1 по ГОСТ 4543-71.
В результате получили сортовой прокат диаметром 210 мм со свойствами:
- макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 0 баллов, общая пятнистая ликвация 0 баллов, краевая пятнистая ликвация 0 баллов, подкорковые пузыри 0 баллов, межкристаллитные трещины 0 баллов;
- размер аустенитного зерна по ГОСТ 5639-82 - номер 8;
2
2
2
- механические свойства, определяемые на образцах, изготовленных из термически обработанных заготовок (закалка при температуре 860°С охлаждение в масле, отпуск при температуре 630°С охлаждение в масле), временное сопротивление 1150 Н/мм, предел текучести 1000 Н/мм, относительное удлинение 18%, относительное сужение 62%, ударная вязкость (KCV) 122 Дж/см, твердость 217 НВ;
- чистота по неметаллическим включениям по ГОСТ 1778-70:
Вид включения
Средний балл
Максимальный балл
С (сульфиды)
2,0
2,0
СН (силикаты недеформированные)
1,92
3,0
ОТ (оксиды точечные)
0
0
ОС (оксиды строчные)
2,0
2,0
СП (силикаты пластичные)
0
0
СХ (силикаты хрупкие)
1,5
1,5
Из результатов плавки следует, что полученный прокат сортовой горячекатаный в прутках, круглый, диаметром 210 мм, из высококачественной стали, с качественным и количественным составом согласно заявленному имеет механические свойства, значительно превышающие механические свойства проката по прототипу, не уступает по характеристикам макроструктуры, имеет более высокий номер аустенитного зерна, т.е. более мелкое зерно, и низкий балл чистоты по неметаллическим включениям. При этом количественный состав основных легирующих элементов остался практически прежним, а именно незначительное уменьшение содержания углерода (было: 0,34-0,4%, стало 0,31-0,34%), незначительное повышение содержания марганца (было 0,60-0,90%, стало 0,75-0,95%), молибдена (было 0,15-0,25%, стало 0,30-0,40%), более суженный предел по содержанию хрома (было 0,80-1,10%, стало 0,95-1,10%).
Таким образом, выполнение заявленного проката сортового горячекатаного в прутках, круглого из стали с заявленными качественным количественным составом обеспечивает возможность получения проката сортового горячекатаного в прутках, круглого, диаметром 210 мм, не уступающего известному, из стали 38ХГМА - сталь конструкционная легированная высококачественная по ГОСТ 4543-71, по характеристикам макроструктуры, обладающего более высокими механическими свойствами и позволяющего использовать его для изделий, работающих в нефтедобыче с высокими механическими нагрузками, а именно для буровых соединений.