СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОГО, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО, ИЗДЕЛИЯ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ, ИЗДЕЛИЕ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ Российский патент 2007 года по МПК C21D8/06 C21D8/10 C22C38/44 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к изготовлению протяженных изделий из конструкционной высокопрочной стали, которая предназначена для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности валов для погружных насосов, электродвигателей, для газосепараторов, используемых в газонефтедобывающей промышленности.

Известна закаливаемая на воздухе сталь с пониженным содержанием никеля. Сталь имеет следующий состав, в мас.%:

углерод - 0,18-0,35

кремний - 1,3-1,75

марганец - 1,3-2,0

хром - 0,65-2,1

никель - 0,9-2,0

молибден - 0,2-0,35

железо - остальное (см. US №5094923 А, 10.03.1992 г.).

Недостатком указанного состава стали является недостаточная прочность и ударная вязкость для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности валов.

Из уровня техники также известна высокопрочная сталь высокой твердости, изделие из стали и способ его применения. Сталь имеет следующий состав, в мас.%:

углерод - 0,075-0,15

кремний - до 1,0

марганец - 1,0-3,0

хром - 2,0-5,0

никель - 1,0-4,0

при минимальном суммарном содержании марганца, хрома, никеля 6 мас.%, молибден 0,1-1,0, который может заменяться двойным количеством вольфрама,

фосфор - до 0,015

сера - до 0,02

железо - остальное

(см. ЕР 0909338 А1, 21.04.1999 г.).

Недостатком указанного состава стали является недостаточная ударная вязкость для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности валов, а также неоптимальное расходование дорогостоящих легирующих компонентов.

Известна сталь, с целью экономии никеля в которой в состав конструкционных и штамповых хромо-никель-молибденовых сталей, содержащих 0,35-0,45% углерода, углерод может входить как в больших, так и в меньших количествах в зависимости от назначения стали. Сталь также содержит 0,17-0,37% кремния, 0,65-0,95% марганца, 0,75-1,05% хрома, 0,60-0,90% никеля и 0,15-0,25% молибдена (см. SU 75320, 31.05.1949 г.).

Недостатком указанного состава стали является недостаточная ударная вязкость для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности валов, а также возможная неравномерность структуры стали вследствие недостаточной равномерности структуры стали.

Известным является способ производства катаных заготовок. Такой способ включает выплавку стали определенного химического состава в электропечи, разливку стали. После разливки слитки прокатывают, охлаждают, проводят изотермическую выдержку, предварительную и окончательную деформации и завершают процесс окончательным охлаждением заготовок до температуры окружающей среды (см. RU 2156312, 20.09.2000 г.).

Задачей, решаемой изобретением, является создание способа изготовления изделия из конструкционной высокопрочной стали, а также самого изделия, обладающего повышенной ударной вязкостью, равномерной структурой, а также оптимальным составом легирующих компонентов.

Поставленная задача в части способа изготовления протяженных, преимущественно цилиндрических изделий из конструкционной высокопрочной стали, включающего выплавку стали с последующей разливкой в слитки или непрерывно-литые заготовки, последующую их обработку давлением и охлаждение заготовок решается за счет того, что выплавляют сталь следующего состава, мас.%:

С0,15÷0,45Si0,2÷1,0Mn0,2÷2,0Cr0,1÷2,0Ni0,1÷5,0Mo+3·W0,01÷0,9Fe и примесиостальное

при соблюдении следующего соотношения: Ni+1,2·Cr+1,5·Mn≤9-0,6·С, причем обработка давлением включает, по крайней мере, операцию горячей деформации, охлаждение проводят до температуры 350÷450°С со скоростью охлаждения заготовок в зависимости от содержания никеля, которую определяют следующим соотношением: V≥0,37+1,45/Ni, где V - скорость охлаждения заготовок, в °С/с.

Сталь могут выплавлять в электродуговых или мартеновских печах, а разливку осуществляют в слитки или непрерывно-литые заготовки массой до 5,0 тонн.

Обработка давлением может включать прокатку слитков или непрерывно-литых заготовок на стане «Блюминг», а затем на крупносортном или заготовительном стане на прутки диаметром от 50 мм до 80 мм.

Перед горячей деформацией заготовки могут нагревать в нагревательной печи до температуры, превышающей, по крайней мере, критическую температуру A_c1.

Операция горячей деформации может включать прошивку на стане поперечно-винтовой прокатки с получением заготовок для особотолстостенных труб.

Операция горячей деформации может включать прокатку заготовок в горячем состоянии на раскатном и/или редукционном стане и/или стане продольной прокатки до получения заготовок особотолстостенных труб диаметром от 25 мм до 50 мм и внутренним диаметром отверстия от 6,0 мм до 10,0 мм.

После операции горячей деформации при остывании стальных заготовок их могут дополнительно нагревать и выдерживать при температуре, превышающей, по крайней мере, критическую температуру A_c1, а операцию охлаждения заготовок могут осуществлять после такого дополнительного нагрева.

Заготовки могут дополнительно нагревать до температуры (750÷950)°С и выдерживать при такой температуре до 5 часов.

Заготовки могут охлаждать на воздухе, например, на реечном холодильнике или с использованием дополнительных устройств, например, в среде с повышенной охлаждающей способностью.

После охлаждения заготовок их могут подвергать смягчающей термообработке. Смягчающую термообработку могут осуществлять путем нагрева заготовок до температуры (500÷750)°С, выдержки до 10 часов с последующим охлаждением.

Обработка давлением заготовок может включать операцию холодного оправочного или безоправочного волочения.

Операцию холодного оправочного или безоправочного волочения могут осуществлять после охлаждения заготовок и/или после их смягчающего отпуска.

Заготовки могут подвергать финишной термообработке и/или подвергать правке, обточке и/или шлифовке поверхности.

Могут использовать сталь с дополнительным содержанием, по крайней мере, одного из элементов: ниобий, ванадий, титан, тантал, кальций, барий в пределах 0,005÷1,0 мас.%.

Могут использовать сталь с дополнительным содержанием меди в количестве (0,01÷1,5) мас.%.

Могут использовать сталь, по крайней мере, с одним из следующих дополнительных компонентов: церий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, причем каждый дополнительный компонент используют в количестве (0,001÷0,1) мас.%.

Могут использовать сталь с дополнительным содержанием лантана в количестве (0,005÷0,02) мас.%.

Могут использовать с дополнительным содержанием кобальта в количестве не более 1,0 мас.%.

Поставленная задача в части изделия из высокопрочной конструкционной стали решается за счет того, что оно выполнено вышеописанным способом в виде, преимущественно, цилиндрического вала длиной до 10 м.

Изделие может быть выполнено, по крайней мере, с одного конца с образованием шлиц для последующего соединения, например, с валом погружного насоса.

При этом шлицы могут быть выполнены прямобочного или эвольвентного исполнения методом резания и/или пластической деформации.

Изделие может иметь отклонение от прямолинейности не более 0,4 мм на погонный метр длины, а шероховатость его поверхности R_a может иметь не более 2,5 мкм на базовой длине 0,8 мм.

Техническим результатом является разработка способа изготовления протяженного, преимущественно цилиндрического изделия из конструкционной высокопрочной стали, а также изделия, обладающие улучшенными пластическими свойствами, особенно ударной вязкостью при высокой прочности и стабильностью механических свойств стали во время эксплуатации за счет оптимально подобранных компонентов стали, обеспечения однородной структуры стали при экономном расходовании легирующих компонентов и оптимальных режимах ее термообработки.

Так, содержание углерода является типичным для составов конструкционных сталей, используемых для изготовления высокопрочных изделий, используемых в тяжелых условиях под нагрузкой. Содержание углерода от 0,15 до 0,45 мас.% относит сталь к ферритно-перлитному классу. Свойства стали такого класса широко корректируются добавлением легирующих добавок, так как заметную часть в стали занимает пластичный феррит, а другую часть занимает твердый цементит в растворе с ферритом. В случае содержания углерода меньше 0,15 мас.% для придания изделию высокой прочности и твердости потребуется большое количество дорогостоящих легирующих компонентов, в другом же случае при содержании углерода в составе стали более 0,45 мас.% снижается ударная вязкость, некорректируемая даже значительным содержанием легирующих добавок, направленных на повышение ударной вязкости, например таких как никель.

Марганец и кремний в пределах от 0,2 мас.% до 1,0 мас.% каждый используется в качестве технологических добавок для раскисления стали, причем марганец в пределах от 0,2 мас.% до 2,0 мас.% используется не только для раскисления, но и для улучшения физических свойств стали, таких как ударная вязкость и твердость. При содержании марганца более 2,0 мас.% недопустимо снижается ударная вязкость.

Молибден и вольфрам вводится в сталь в указанных пределах с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, а также для предотвращения отпускной хрупкости 2 рода, которая наблюдается при медленном охлаждении стали в процессе термообработки при температурах около 500°С.

В этом смысле влияние молибдена и вольфрама эквивалентно. Однако введение молибдена и вольфрама ухудшает ударную вязкость и содержание молибдена + 3х вольфрама более 0,9 мас.% значительно снижает пластические свойства стали, в первую очередь ударную вязкость.

Вольфрам, вследствие большего размера атома, вносит большее искажение в кристаллическую решетку железа по сравнению с молибденом. Это позволяет повысить прочностные свойства стали и с этой точки зрения применение вольфрама предпочтительней.

С другой стороны вольфрам и молибден дорогостоящие элементы, а так как при легировании стали вольфрама требуется в три раза больше чем молибдена, то применение вольфрама для легирования может привести к значительному удорожанию стали.

Хром и никель в указанных пределах наряду с повышением твердости стали повышают ударную вязкость.

Марганец, хром и никель в дозах, определенных в составе стали отдельно друг от друга повышают пластические свойства стали, однако на верхнем их пределе содержания они наоборот снижают ударную вязкость. Таким образом, экспериментальным путем была подтверждена расчетная закономерность Ni+1,2·Cr+1,5·Mn≤9, ограничивающая суммарное содержание этих компонентов с целью достижения максимальной ударной вязкости как свойства стали, играющего особенную роль в изделиях, подвергающихся динамическим нагрузкам. Коэффициенты при компонентах характеризуют степень негативного влияния, наносимого пластическим свойствам стали, соответствующим компонентом на верхнем пределе его содержания.

Дополнительные теоретические исследования показали, что даже в ограниченном вышеуказанным соотношением пределе суммарное содержание марганца, хрома и никеля можно снизить в зависимости от содержания углерода в стали, так как на верхнем их пределе пластические свойства стали практически не изменяются, а в промышленных масштабах экономия даже половины процента, например, никеля существенно снижает издержки производства. Таким образом экспериментальные исследования дали результат, обосновывающий дополнительное ограничение суммарного содержания марганца, хрома и никеля в зависимости от содержания углерода в стали: Ni+1,2·Cr+1,5·Mn≤9-0,6·С, где коэффициент при углеродеэмпирически подобранный в результате дополнительных исследований.

Требуемый уровень механических свойств изделия из стали обеспечивается указанными режимами термообработки.

Пластические свойства ферритно-перлитной стали значительно повышают так называемым улучшением. Как правило это операция, включающая закалку или нормализацию с последующим отпуском. В результате высокие пластические свойства стали получают за счет однородной мартенситной структуры стали по всему изделию. Это достигается указанными режимами термообработки. Особенную роль в придании стали высоких пластических характеристик, например, ударной вязкости наряду с добавлением определенных легирующих присадок играет процесс охлаждения после закалки-нормализации. В зависимости от содержания никеля для указанного состава стали для придания стали равномерной структуры необходимо ограничивать нижний предел скорости охлаждения заготовок. После экспериментальной проработки такое ограничение выразилось в неравенство V≥0,37+1,45/Ni, где V - скорость охлаждения заготовок, в °С/с, а Ni - содержание никеля в стали, в мас.%. По указанному соотношению возможно определить допустимые значения параметров скорости охлаждения заготовок в зависимости от содержания никеля в составе стали.

Скорость охлаждения по формуле рассчитывается для охлаждения заготовки в интервале с температуры конца горячей деформации до температуры (350÷450)°С. В регламентации скорости охлаждения при более низких температурах нет необходимости, т.к. выделения промежуточных структур типа бейнита, перлита будет уже предотвращено. В случае непредвиденного остывания заготовок после горячей деформации с недопустимыми параметрами скорости охлаждения или преднамеренного остывания для перевозки заготовок в другое место для продолжения обработки заготовок, возможен дополнительный нагрев и охлаждение заготовок с параметрами скорости охлаждения, имеющими допустимые значения.

Предложенная зависимость скорости охлаждения заготовки от содержания никеля в стали обеспечивает получение однородной структуры мартенсита. В этом случае сталь приобретает высокие пластические свойства и ударную вязкость.

При скорости охлаждения меньшей рассчитанной по формуле, в заготовке возникнет смешанная структура мартенсита, бейнита и даже перлита. Неоднородная структура приводит к снижению пластических свойств стали и ударной вязкости особенно после смягчающей термообработки.

Таким образом, предлагаемое изделие из высокопрочной конструкционной стали, а также способ изготовления изделия из такой стали обеспечивают заявленный технический результат.

Пример №1.

Сталь выплавляли в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 4,05 т. Слитки прокатывались на стане "БЛЮМИНГ" на заготовки квадратного сечения стороной 200 мм, а затем на крупносротном стане на заготовки круглого сечения диаметром 60 мм. Заготовки нагревались в индукционной печи и прошивались на стане поперечно-винтовой прокатки, после чего прокатывались на раскатном стане с получением особотолстостенных труб диаметром 30 мм внутренним диаметром отверстий 8,5 мм и длиной 5400 мм.

Охлаждение труб после горячей деформации осуществлялось на воздухе скоростью V °С/с.

После охлаждения заготовок их подвергали смягчающей термообработке в следующем режиме:

- нагрев и выдержка заготовок при температуре 680°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

После правки, обточки или шлифовки поверхности на готовых изделиях определялись механические свойства.

Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-43 ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.

Химический состав стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1Химический состав стали ВариантХим. состав123456углерод0,150,250,300,350,400,45кремний0,20,50,20,30,60,4марганец0,30,31,01,51,52,0хром0,50,51,01,51,52,0никель0,11,02,03,04,05,0Выполнение неравенства      Ni+1,2·Cr+1,5·Mn+++++-≤9-0,6·С      молибден + 3·вольфрам0,020,20,20,51,50,5V, °С/с0,51050,215Расчетное значение V, °С/с≥14,87≥1,82≥1,10≥0,85≥0,73≥0,66

Таблица 2 Механические и коррозионные свойства стали ВариантСвойства123456Предел текучести, кг/мм²606570606565Временное сопротивление разрыву, кг/мм²808595859090Относительное удлинение, %121518131717Относительное сужение, %505560506360Ударная вязкость, Дж/см²6,07,08,06,06,07,0

Варианты 2, 3 соответствуют изобретению. Вариант 3 - оптимальный. Варианты 1, 4 - не удовлетворяют данному изобретению, так как скорость охлаждения меньше рассчитанной по формуле, в заготовках присутствует смешанная структура мартенсита, бейнита и даже перлита. Неоднородная структура приводит к снижению пластических свойств стали и ударной вязкости особенно после смягчающей термообработки. Вариант 5 не удовлетворяет данному изобретению, так как имеет повышенное содержание молибдена и вольфрама. Вариант 6 - не удовлетворяет данному изобретению, так как имеет суммарное количество марганца, хрома и никеля, превышающего заданное в изобретении ограничение.

Пример №2.

Сталь выплавляли в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 4,05 т. Слитки прокатывались на стане "БЛЮМИНГ" на заготовки квадратного сечения стороной 200 мм, а затем на крупносортном стане на заготовки круглого сечения диаметром 60 мм. Заготовки нагревались в индукционной печи и прошивались на стане поперечно-винтовой прокатки, после чего прокатывались на раскатном стане с получением особотолстостенных труб диаметром 30 мм внутренним диаметром отверстий 8,5 мм и длиной 5400 мм.

Затем заготовки дополнительно нагревались и выдерживались при температуре 750°С, после чего охлаждались после дополнительного нагрева на реечном холодильнике водой или водовоздушной смесью с применением спрейерных устройств со скоростью охлаждения V °С/с.

После охлаждения заготовок их подвергают смягчающей термообработке в следующем режиме:

- нагрев и выдержка труб при температуре 680°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

После правки, обточки или шлифовки поверхности на готовых изделиях определялись механические свойства.

Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-43 ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.

Химический состав стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств и коррозионных испытаний приведены в таблицах 3, 4.

Таблица 3Химический состав стали ВариантХим. состав123456углерод0,150,250,300,350,400,45кремний0,70,50,20,30,40,4марганец0,30,31,01,51,52,0хром0,50,51,01,51,52,0никель0,10,11,02,03,04,0Выполнение неравенства       +++++-Ni+1,2·Cr+1,5·Mn      ≤9-0,6·С      Молибден + 3·вольфрам0,020,20,20,51,50,5V, °С/с1014205075100Расчетное значение V, °С/с≥14,87≥14,87≥1,82≥1,10≥0,85≥0,73

Таблица 4Механические и коррозионные свойства стали ВариантСвойства123456Предел текучести, кг/мм²657073757070Временное сопротивление разрыву, кг/мм²859092959090Относительное удлинение, %141617181717Относительное сужение, %525455565455Ударная вязкость, Дж/см²7,08,08,09,07,08,0

Варианты 3, 4, соответствуют изобретению. Вариант 4 - оптимальный. Варианты 1, 2 не удовлетворяют данному изобретению, так как скорость охлаждения меньше рассчитанной по формуле, в заготовках присутствует смешанная структура мартенсита, бейнита и даже перлита. Неоднородная структура приводит к снижению пластических свойств стали и ударной вязкости особенно после смягчающей термообработки. Вариант 5 не удовлетворяет данному изобретению, так как имеет повышенное содержание молибдена и вольфрама. Вариант 6 не удовлетворяет данному изобретению, так как имеет суммарное количество марганца, хрома и никеля, превышающего заданное в изобретении ограничение.

Изобретение относится к изготовлению протяженных изделий из конструкционной высокопрочной стали, предназначенных для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой. Выплавляют сталь следующего состава, в мас.%: С 0,15÷0,45, Si 0,2÷1,0, Mn 0,2÷2,0, Cr 0,1÷2,0, Ni 0,1÷5,0, Mo+3·W 0,01÷0,9, Fe и примеси остальное при соблюдении соотношения: Ni+1,2·Cr+1,5·Mn≤9-0,6·С. Сталь разливают в слитки или непрерывно-литые заготовки. Заготовки обрабатывают давлением. Охлаждение проводят до температуры 350÷450°С со скоростью охлаждения V заготовок, которую определяют следующим соотношением: V≥0,37+1,45/Ni. Изделия обладают улучшенными пластическими свойствами, особенно ударной вязкостью при высокой прочности, и стабильностью механических свойств во время эксплуатации за счет оптимально подобранных компонентов стали, обеспечения однородной структуры стали. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ изготовления протяженных, преимущественно цилиндрических, изделий из конструкционной высокопрочной стали, включающий выплавку стали с последующей разливкой в слитки или непрерывно-литые заготовки, последующую их обработку давлением и охлаждение заготовок, отличающийся тем, что выплавляют сталь следующего состава, мас.%:

С0,15÷0,45Si0,2÷1,0Mn0,2÷2,0Cr0,1÷2,0Ni0,1÷5,0Mo+3·W0,01÷0,9Fe и примесиОстальное

при соблюдении следующего соотношения: Ni+1,2·Cr+1,5·Mn≤9-0,6·С, причем обработка давлением включает, по крайней мере, операцию горячей деформации, охлаждение проводят до температуры 350-450 °С со скоростью охлаждения заготовок в зависимости от содержания никеля, которую определяют следующим соотношением: V≥0,37+1,45/Ni, где V - скорость охлаждения заготовок, °С/с.