КОНСТРУКЦИОННАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ И СПОСОБ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПРОКАТА Российский патент 2015 года по МПК C22C38/32 C22C38/54 C21D8/10 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству легированной конструкционной стали для изготовления рессорно-компрессорных штанг нефтяных насосов.

Известна среднеуглеродистая легированная конструкционная сталь 40ХГМ, содержащая, мас.%:

углерод - 0,40-0,45;

кремний - 0,15-0,30;

марганец - 0,75-1,00;

сера - не более 0,025;

фосфор - не более 0,025;

медь - не более 0,30;

никель - не более 0,30;

хром - 0,80-1,10;

молибден - 0,15-0,25;

железо и примеси - остальное. [1]

Эта сталь наиболее близка к предлагаемой по механическим свойствам, составу и назначению и взята за прототип.

Указанная сталь после термоупрочнения проката (нормализации при температуре нагрева 870-880°С с охлаждением на воздухе, с последующим отпуском при температуре 650°С) имеет недостаточный уровень механических свойств готовых изделий.

Задачей, на которую направлено предлагаемое техническое решение, - получение стали для изготовления насосных штанг с обеспечением требуемых потребителем эксплуатационных свойств: минимальным пределом текучести 720 МПа, пределом прочности 930-1000 МПа при сохранении пластичности на уровне аналога.

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается среднеуглеродистая конструкционная сталь, микролегированная бором и алюминием, содержащая в мас.%:

углерод - 0,40-0,45

кремний - 0,15-0,30;

марганец - 0,75-1,00;

сера - не более 0,025;

фосфор - не более 0,025;

медь- не более 0,30;

никель- не более 0,30;

хром- 0,80-1,10;

молибден- 0,15-0,25;

алюминий- 0,015 - 0,05;

бор- 0,00010-0,00025;

азот- не более 0,008;

железо и примеси - остальное,

а также режим термообработки горячекатаного проката, включающий нормализацию при температуре 880°С, охлаждение на воздухе и отпуск при температуре 580-600°С.

Рассмотрим влияние компонентов на функциональные свойства и структуру предлагаемой стали.

Углерод эффективно влияет на механические свойства стали. Для достижения желаемых функциональных свойств предлагаемой стали содержание углерода должно быть не менее 0,40%. При превышении 0,45% происходит падение пластических характеристик.

Кремний увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Минимальное содержание марганца 0,75% устанавливается для обеспечения прокаливаемости, прочности и ударной вязкости. Содержание марганца более 1,0% снижает вязкость феррита (снижение ударной вязкости).

Введение в сталь хрома менее 0,8% не обеспечивает заданный уровень прокаливаемости, прочности и ударной вязкости. Содержание хрома свыше 1,1% вызовет укрупнение частиц карбидов и снижение ударной вязкости.

Молибден улучшает процессы нитридообразования, измельчает зерно, повышает прочность и износостойкость, трещиноустойчивость стали. При содержании в предложенной стали менее 0,15% влияние молибдена незначительно, а при содержании более 0,25% проявляется снижение ударной вязкости и удорожание стали.

Алюминий обычно добавляется в сталь как раскислитель. В присутствии азота образуется нитрид алюминия, предотвращающий рост зерна и обеспечивающий улучшение микроструктуры стали, повышение прочности и ударной вязкости. Образование нитрида алюминия способствует увеличению растворимости бора и существенному повышению прокаливаемости стали. Для эффективной защиты бора от связывания в нитрид бора минимальное содержание алюминия в предложенной стали должно быть не менее 0,015%. Однако значительное повышение содержания алюминия (более 0,05%) ухудшает качество поверхности слитков по поверхностным пленам и трещинам, снижает жидкотекучесть стали и может вызвать сложности при разливке на МНЛЗ. Поэтому для исключения негативного влияния алюминия на жидкотекучесть стали необходимо совместное раскисление алюминием и ферро- или силикокальцием.

Бор, даже в небольших количествах, существенно повышает прокаливаемость стали, предел прочности, ударную вязкость. При содержании бора менее 0,0001% его влияние незначительно. При содержании более 0,00025% бор образует легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зерен, что снижает прочностные свойства стали при высоких температурах.

Азот, соединяясь с нитридообразующими элементами (Al, B), способствует измельчению зерна и нитридному и карбонитридному упрочнению стали. Увеличение содержания азота свыше указанного предела (при высоком содержании алюминия) приводит к снижению показателей ударной вязкости (в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита; образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно свидетельствует об ухудшении свойств стали).

Практический пример выполнения.

Выплавка заявленной марки стали проводится на ЗАО "Омутнинский металлургический завод" в сталеплавильном агрегате. В СПА выплавляют сталь основного состава, содержащую углерод, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, после нагрева до 1620-1640°С выпускают в сталеразливочный ковш. Раскисление стали алюминием проводят на сливе из сталеплавильного агрегата в ковш, вводят в донную зону ковша компоненты для раскисления при оптимальном соотношении [Mn]/[Si]≤3. Проводится достаточно глубокое раскисление стали вторичным алюминием для получения оптимальных условий всплытия образовавшихся крупных оксидов алюминия. Дополнительно контролируется кислород (не более 0,001% на предлагаемой марке стали).

После выпуска плавки из СПА производят удаление печного шлака из сталеразливочного ковша. При внепечной обработке с продувкой металла аргоном наводят известково-глиноземистый шлак присадками извести и алюмосодержащего материала.

Получают раскисленный рафинировочный «белый» шлак, далее присадкой ферросплавов достигают марочного содержания основных элементов (углерод, марганец, кремний, хром, молибден).

Затем нагревают металл до температуры, гарантирующей заданный перегрев металла над температурой ликвидус стали в промежуточном ковше при разливке на МНЛЗ, с учетом существующих тепловых потерь и последующего раскисления и микролегирования алюминием, ферро- или силикокальцием, бором. Ввод бора в сталь осуществляют порошковой проволокой при помощи трайб-аппарата после раскисления алюминий- и затем кальцийсодержащей проволокой.

Разливку на МНЛЗ производят с защитой металла от вторичного окисления способом «под уровень». Оголение поверхности металла в промковше (искрение) не допускают.

В результате разливки получают непрерывно-литую заготовку, которую затем прокатывают в круг диаметром 10,0-40,0 мм на стане горячей прокатки 280-2.

Полученный горячекатаный профиль подвергается термическому упрочнению при изготовлении насосной штанги на базе потребителя - Очерского машиностроительного завода. Для оценки возможностии получения заданного уровня механических свойств готового изделия у потребителя в условиях ЗАО"ОМЗ" проведена термообработка образцов двух плавок с предложенным хим. составом, по скорректированному режиму термообработки, проводимой у потребителя, с последующими испытаниями.

Испытания механических свойств термически обработанных образцов (обточенных до диаметра 10 мм) проводились на 25-тонной разрывной машине фирмы "QUASAR 250", испытания твердости проводились на твердомере типа ТШ-2М по методу Бриннеля. Ударную вязкость испытывали на маятниковом копере КМ-30. Результаты исследования механических свойств известной и предлагаемой стали, а также ударная вязкость приведены в таблице 2.

Под номерами 1-3 для сравнения приведены показатели механических свойств образцов плавок исходного химического состава с известным режимом термообработки. Они соответствуют требованиям прототипа.

Под номерами 4, 5 приведены результаты исследования образцов от первой из предложенных плавок, с содержанием алюминия 0,0226%, термообработанных по исходному режиму.

Под номерами 6, 7 показаны результаты исследования образцов от второй из предложенных плавок, с содержанием алюминия 0,0364%, также термоупрочненных по режиму прототипа.

По результатам испытаний видно, что образцы из стали с предложенным химическим составом имеют более высокие показатели прочностных свойств при термоупрочнении по известному режиму, при этом наиболее значительное повышение прочностных свойств наблюдается на образцах второй из предложенных плавок (с алюминием 0,0364%).

Под номерами 8, 9 приведены результаты исследования образцов от первой из предложенных плавок, с содержанием алюминия 0,0226%, термообработанных по предлагаемому режиму. Результаты соответствуют заявленной марке стали.

Под номерами 10-13 приведены результаты оценки образцов второй из исследуемых плавок, с содержанием алюминия 0,0364%, термоупрочненных по предлагаемому режиму. Номера 10, 11 соответствуют результатам, полученным при нижнем значении интервала температуры отпуска (580°С). Номера 12, 13 соответствуют результатам, полученным при верхнем значении интервала температуры отпуска (600°С). Продукция с указанными параметрами удовлетворила потребителя.

Поступило предложение о замене марки стали для насосных штанг 40ХГМ на 40ХГМ повышенной прочности как наиболее удовлетворяющую условиям эксплуатации.

Таким образом, предложенный химический состав и режим термооупрочнения позволяет получить сталь с повышенным пределом прочности 930-1000 МПа и повышенным пределом текучести не менее 720 МПа с сохранением показателей пластичности на уровне прототипа.

Таблица 1

Сталь С, % Mn, % Si, % P, % S, % Cu, % 1 0,45 0,89 0,18 0,014 0,009 0,24 2 0,44 0,92 0,24 0,014 0,009 0,24 Предлагаемая 0,43-0,45 0,75-1,00 0,15-0,30 ≤0,025 ≤0,025 ≤0,30 Прототип 0,40-0,45 0,75-1,00 0,15-0,30 ≤0,025 ≤0,025 ≤0,30

Продолжение таблицы 1

  Ni, % Cr, % Mo, % Al, % B, % N, % 1 0,12 0,99 0,19 0,0226 0,00013 0,01 2 0,12 1,02 0,18 0,0364 0,00012 0,0051 Предлагаемая ≤0,30 0,80-1,10 0,15-0,25 0,02 - 0,05 0,00010-0,00025 ≤0,008 Прототип ≤0,30 0,80-1,10 0,15-0,25 - - -

Таблица 2

Сталь Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относ. удлинение, % Относ. сужение, % Твердость, HB Ударная вязкость KCU, Дж/см² Температура отпуска 1 803 617 19 59 237 66 650°С 2 806 622 19 62 237 78 650°С 3 824 635 19 59 241 62 650°С 4 857 655 18 59 255 87 650°С 5 849 646 19 59 249 87 650°С 6 915 710 16 62 269 117 650°С 7 892 702 17 64 269 117 650°С 8 935 742 19 59 277 88 580°С 9 944 746 19 59 277 74 580°С 10 988 797 16 56 285 102 580°С 11 988 813 16 59 293 67 580°С 12 933 740 19 60 285 89 600°С 13 930 734 19 58 272 93 600°С Прототип 793-965 ≥586 ≥10 ≥45 200-280 ≥52   Предлагаемая 930-1000 ≥720 ≥16 ≥52 ≤300 ≥52  

Источники информации

1. ТУ 14-125-768-2013.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству рессорно-компрессорных штанг нефтяных насосов, выполненных из среднеуглеродистой легированной конструкционной стали. Выплавляют сталь, содержащую в мас.%: углерод 0,40-0,45, кремний 0,15-0,30, марганец 0,75-1,00, сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, медь не более 0,30, никель не более 0,30, хром 0,80-1,10, молибден 0,15-0,25, алюминий 0,015 - 0,05, бор 0,00010-0,00025, азот не более 0,008, железо и примеси - остальное. Осуществляют разливку стали, горячую прокатку, нормализацию, охлаждение на воздухе и отпуск. Нормализацию проводят при температуре 880°С, а отпуск проводят при температуре 580-600°С. Обеспечиваются требуемые эксплуатационные свойства: предел текучести не менее 720 МПа и предел прочности 930-1000 МПа при сохранении требуемого уровня пластичности. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Рессорно-компрессорная штанга нефтяного насоса, выполненная из среднеуглеродистой конструкционной легированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, медь, никель, хром, молибден, алюминий, бор, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,40-0,45 кремний 0,15-0,30 марганец 0,75-1,00 сера не более 0,025 фосфор не более 0,025 медь не более 0,30 никель не более 0,30 хром 0,80-1,10 молибден 0,15-0,25 алюминий 0,015 - 0,05 бор 0,00010-0,00025 азот не более 0,008 железо и примеси остальное,

2. Способ изготовления рессорно-компрессорной штанги нефтяного насоса, включающий выплавку среднеуглеродистой конструкционной легированной стали для изготовления штанги по п.1, ее разливку, горячую прокатку, нормализацию горячекатаного профиля, охлаждение на воздухе и отпуск, при этом нормализацию проводят при температуре 880°С, а отпуск проводят при температуре 580-600°С.