Способ получения изделий из заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали (варианты) Российский патент 2024 года по МПК C21D8/10 C21D1/25 C21D1/78 C22C38/58 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 

Изобретение относится к области металлургии, может использоваться при изготовлении стальных труб различного технологического назначения и других изделий различных отраслей промышленности. Может быть применимо для получения утяжеленных труб, насосно-компрессорных труб, обсадных труб, труб для наклонно-направленного бурения, для получения муфт, присоединительных переводников, работающих в сложных условиях. Может быть применимо для изготовления труб с высокой стойкостью к абразивному износу, сопротивлению коррозии, имеющих высокую надежность в различных сложных условиях работы.

Из существующего уровня техники известны способы изготовления труб для работы в тяжелых условиях, например, в сложных условиях низких температур, в условиях агрессивных сред, при высоких механических нагрузках, которые могут возникать при бурении наклонных, горизонтальных, искривленных скважин и др. Способы изготовления стальных труб для сложных условий работы имеют различные технологические переделы. На сегодняшний день подобные трубы изготавливают из легированных сталей таких как 40ХН2МА, 40ХГМА, 38ХНМФА, 30ХГСА и др. Массовое применение имеют, немагнитные, коррозионностойкие, хладостойкие стали применяемые для особых условий эксплуатации труб. Полученные из них трубы могут иметь высокую стойкость к абразивному износу, высокую степень сопротивления коррозии, быть немагнитны, иметь высокие значения прочности, надежности и хладостойкости. Однако, существующие способы получения труб, как правило, направлены на повышение значений конкретных прочностных характеристик и не предусматривают получения широкого комплекса механических свойств для работы труб в различных тяжелых условиях.

Известна бурильная труба по патенту России на изобретение RU2552796, С22С 38/32, 2015, выполненная из стали, содержащей углерод 0,28-0,34 масс. %, кремний 0,15 – 0,45 , марганец 0,65-0,95, хром 0,80-1,30, молибден 0,10-0,20, никель не более 0,50, медь не более 0,30, титан 0,015-0,045, бор 0,001-0,004, алюминий 0,015-0,050, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, азот не более 0,012, железо и неизбежные примеси. Термоупрочнение стали проводят закалкой и отпуском. Недостатком является узкий диапазон значений повышенной ударной прочности и предела текучести, который сужает спектр использования полученной трубы.

Известна нефтяная труба с высокой прочностью и высокой ударной вязкостью, а также способ ее получения по патенту Китая CN101586450, C21D 1/18, С22С 38/32, 2009. В состав стали трубы входят такие основные компоненты как: C: 0,16 ~ 0,28%, Si: ≤0,50%, Mn: 0,30 ~ 1,10%, Cr: 0,50 ~ 1,10 %, Mo: 0,60 ~0,95%, Al: 0,015~0,060%, из которых растворимые в кислоте Als/ Al≥0,80%, Ni 0,0015%, Nb: ≤0,05%, Ti: ≤0,05%, остальное железо. Трубу подвергают термической обработке, включающей закалку, низкотемпературную закалку, а затем отпуск. Температура первой закалки составляет 900°C±10°C, закалочной средой является вода. Температура второй закалки составляет 870°C±10°C, закалочная среда – вода. Температура отпуска составляет 600 ° C ~ 650 ° C, и используется воздушное охлаждение. Недостатком является узкое применение трубы в определенных условиях, низкая вариативность получаемых свойств и возможностей применения.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ получения низкоуглеродистой мартенситной стали по патенту России RU 2769140, С21D1/78, С22С 38/58, 2021. Согласно данного способа, получают заготовку из низкоуглеродистой мартенситной стали, содержащей 0,12-0,27 мас.% углерода. Заготовку выплавляют из стали, в состав компонентов которой включены 0,1-0,5 мас.% кремния, 1,8-2,6 мас.% марганца, 2,1-2,8 мас.% хрома, 1,0-1,6 мас.% никеля, до 0,15 мас.% ванадия и до 0,15 мас.% ниобия. Осуществляют прокатный нагрев заготовки, последующую двукратную закалку и отпуск. В качестве первой закалки после прокатного нагрева проводят полную закалку от температуры 950°С, после первой закалки проводят средне- или высокотемпературный отпуск, а вторую закалку проводят из межкритического интервала температур 800-810°С. Недостатком является узкий интервал варьирования эксплуатационных параметров, возможность применения изделия из данной стали только в определенных условиях работы, узкое назначение применяемых изделий.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение диапазона значений физико-механических свойств изделий из низкоуглеродистой стали, расширение интервала варьирования эксплуатационных параметров для применения в различных сложных условиях работы.

Технический результат по первому варианту достигается за счет того, что в способе получения изделий из заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали в состав компонентов которой входят хром, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, включающий двукратную закалку заготовки и отпуск, согласно изобретению, используют низкоуглеродистую мартенситную сталь содержащую 0,12-0,27 масс.% углерода, 1,5-3,0 масс.% хрома, 1,5-3,0 масс.% марганца, 0,8-1,5 масс.% никеля, 0,2-0,5 масс.% молибдена, 0,04-0,2 масс.% ванадия, 0,04-0,15 масс.% ниобия, в которой суммарное значение содержания хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, ниобия не превышает 5,7 масс.%., проводят первую закалку в интервале температур 900-1000 ºС, после которой проводят первый отпуск при температуре 400-700 ºС, проводят вторую закалку в интервале температур 750-850 ºС, проводят последующий второй отпуск при температуре 180-680 ºС

Технический результат по второму варианту достигается за счет того, что в способе получения изделий из заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали, в состав компонентов которой входят хром, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, включающий двукратную закалку заготовки и отпуск, согласно изобретению, используют низкоуглеродистую мартенситную сталь содержащую 0,12-0,27 масс.% углерода, 1,5-3,0 масс.% хрома, 1,5-3,0 масс.% марганца, 0,8-1,5 масс.% никеля, 0,2-0,5 масс.% молибдена, 0,04-0,2 масс.% ванадия, 0,04-0,15 масс.% ниобия, в которой суммарное значение содержания хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, ниобия не превышает 5,7 масс.%., проводят первую закалку в интервале температур 900-1000 ºС, после которой проводят отпуск при температуре 400-700 ºС, проводят вторую закалку в интервале температур 750-850 ºС

Технический результат обеспечивается за счет того, что получают изделия с определенной структурой стали, допускающей варьирование в широких интервалах эксплуатационных параметров. Такая структура стали изделий, с одной стороны, обеспечивает требуемые высокие значения одних механических свойств при соответствии других механических свойств нижним допустимым значениям в условиях тяжелой работы. Возможность варьирования сочетанием эксплуатационных параметров изделий в интервалах, допустимых определенными условиями работы, достигается за счет реализации реечной мартенсит-мартенситной структуры с карбидной подсистемой при задании допустимых размеров и формы карбидов. Экспериментально определено, что для получения такой структуры необходимо использовать заготовку из низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС) с химическим составом, представленным в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав заготовки из НМС

Содержание элемента, % (по массе) C Si Mn Cr Ni V Мо Nb 0,12-0,27 0,1-0,5 1,5-3,0 1,5-3,0 0,8-1,5 0,04-0,2 0,2-0,5 0,04-0,15 Примечание: стали содержат сопутствующие примеси.

При этом экспериментально установлено, что низкоуглеродистая сталь должна содержать Cr, Mn, Ni, Mo, V, Nb в сумме не более 5,7 % , так же неизбежные сопутствующие примеси. Такая система легирования способна обеспечить реечную мартенсит-мартенситную структуру, необходимые размеры и форму карбидов, карбонитридов и нитридов, в широких интервалах варьирования скорости охлаждения и технологии термообработки. Для реализации структурной наследственности в НМС содержание углерода должно быть в интервале 0,12-0,27 %, т.к. структурную наследственность обеспечивает декорирование границ структурных элементов труднорастворимыми карбидами. При увеличении содержания углерода более 0,15 % увеличивается вероятность образования игольчатого мартенсита. Применение титана дополнительно или взамен ванадия и ниобия приводит к росту доли осколочной формы карбидов, что обусловлено особенностями растворимости соединений титана с углеродом и азотом в а-фазе. Термообработка заготовки из стали указанного состава, при которой первую закалку проводят в интервале температур 900-1000 ºС, отпуск после первой закалки проводят при температуре 400-700 ºС, вторую закалку проводят в интервале температур 750-850 ºС, после второй закалки проводят отпуск при температуре 180-680 ºС, что позволяет сохранить дисперсную структуру, стали. Структура, формирующаяся после закалки из МКИ, содержит «свежий» мартенсит и сохранившую конфигурацию альфа-фазу. Структурная наследственность позволяет при нагреве, в том числе в межкритическом интервале температур, получить мартенсит-мартенситную структуру с глобулярными карбидами и обеспечить высокие физико-механические свойства. Указанные диапазоны температур первой закалки, первого отпуска, второй закалки, второго отпуска включают возможность проведения температурной обработки заготовки указанного состава по трем вариантам осуществления, с применением комбинации температурных режимов ТО1, ТО2, ТО3. При этом осуществляя режим ТО1 получают высокопрочную заготовку с рациональным сочетанием характеристик конструкционной прочности, при режиме ТО2 получают заготовку в хладостойком исполнении, при ТО3 получают заготовку с повышенной коррозионной стойкостью. При термообработке благодаря составу стали заготовки получают мартенсит-мартенситную структуру, а благодаря подобранным температурам закалки и отпуска получают требуемую форму и размер карбидов. Таким образом, подбор температуры операций термической обработки заготовки при указанном составе из низкоуглеродистой стали позволяет варьировать в диапазоне получаемых свойств заготовки, не выходя при этом за нижние пределы допустимых значений по прочности, вязкости, хладостойкости и коррозионностойкости и получая высокое значение одного из этих свойств в соответствии с назначением изделия.

Механические свойства различных низкоуглеродистых сталей схожих по системе легирования, термической обработке, прочности и ударной вязкости приведены в табл 2.

Таблица 2

Свойства НМС после термообработки

Сталь σ_В, МПа σ_0,2, МПа δ, % Ψ, % КСV⁺²⁰, МДж/м² КСV^-60, МДж/м² K⁺²⁰_ПРВ K⁺²⁰_ТЕКВ K^-60_ПРВ K^-60_ТЕКВ 12Х2Г3МФТ-1 1440 1190 14,0 55,0 0,70 - 2057 1700 - - 12Х2Г3МФТ-2 1390 1120 14,0 55,0 0,70 - 1986 1600 - - 12Х2Г3МФТ-3 1450 1190 13,0 51,0 0,65 - 2231 1831 - - 12Х2Г2НМФБ-4 1230 900 19,0 59,0 0,65 - 1892 1385 - - 12Х2Г2НМФБ-5 1300 1030 16,0 64,0 0,85 - 1529 1212 - - 14Х2Г2НМФБ-6 760 670 27,0 78,0 2,70 1,8 281 248 422 372 14Х2Г2НМФБ-7 1280 1090 16,0 64,0 1,10 0,6 1164 991 2133 1817 14Х2Г2НМФБ-8 800 720 23,0 78,0 2,60 0,5 308 277 1600 1440 15Х2Г3МФБ-1 1460 1190 11,0 68,5 1,30 0,3 1123 915 4867 3967 15Х2Г3МФБ-2 1320 1190 12,0 66,3 1,20 0,25 1100 992 5280 4760 15Х2Г3МФБ-3 1310 1010 16,0 62,0 0,70 0,3 1871 1443 4367 3367 15Х2Г2НМФБ-9 1370 1050 16,8 62,0 0,77 0,33 1779 1364 4152 3182 15Х2Г2НМФБ-10 1320 1060 15,9 65,0 1,14 0,4 1158 930 3300 2650 15Х2Г2НМФБ-11 1360 1090 16,1 65,0 1,03 0,3 1320 1058 4533 3633 15Х2Г2НМФБ-12 1330 1050 16,0 65,5 1,25 0,5 1064 840 2660 2100 27Х2Г2НМФБ-13 1650 1240 14,3 49,4 0,50 0,2 3300 2480 8250 6200 27Х2Г3МФБ-1 1750 1330 12,0 48,0 0,55 0,2 3182 2418 8750 6650 27Х2Г3МФБ-2 1650 1240 9,0 46,0 0,40 0,2 4125 3100 8250 6200 27Х2Г3МФБ-3 1650 1220 15,0 62,0 0,35 0,2 4714 3486 8250 6100 Обозначения: K⁺²⁰_ПРВ – коэффициент получаемый из отношения предела прочности к величине ударной вязкости (KCV) при комнатной температуре; K⁺²⁰_ТЕКВ – коэффициент получаемый из отношения предела текучести к величине ударной вязкости (KCV) при комнатной температуре; K^-60_ПРВ – коэффициент получаемый из отношения предела прочности к величине ударной вязкости (KCV) при пониженной температуре; K^-60_ТЕКВ – коэффициент получаемый из отношения предела текучести к величине ударной вязкости (KCV) при пониженной температуре; 1 – закалка полная, высокотемпературный отпуск, закалка из МКИ; 2 –закалка полная, среднетемпературный отпуск, закалка из МКИ; 3 – закалка полная, закалка 950 °С, низкий отпуск; 4 – Деформация 50%, закалка на воздухе с температуры ковки; 5 – Закалка на воздухе с температуры прокатки + закалка 980 °С, 1 ч, воздух, отпуск 250 °С, 2 ч; 6 – закалка полная, высокотемпературный отпуск, закалка из МКИ, высокотемпературный отпуск; 7 – закалка полная, высокотемпературный отпуск, закалка из МКИ, низкий отпуск; 8 –закалка полная, среднетемпературный отпуск, закалка из МКИ, низкий отпуск; 9 – Деформация 60 %, закалка на воздухе с температуры ковки; 10 – Деформация 70 %, закалка на воздухе с температуры ковки; 11 – Деформация 79 %, закалка на воздухе с температуры ковки; 12 – Деформация 87 %, закалка на воздухе с температуры ковки.

Рационально легированная низкоуглеродистая мартенситная сталь 14Х2Г2НМФБ с пакетно-реечной структурой низкоуглеродистого мартенсита обладает наилучшим сочетанием характеристик прочности и ударной вязкости при нормальных и пониженных температурах из-за оптимально подобранных температур термической обработки и более мелкодисперсного состояния характерных элементов структуры и карбидной фазы.

Способ осуществляют следующим образом.

Сталь для осуществления способа выплавляют доступными методами металлургии.

Подбирают низкоуглеродистую мартенситную сталь (НМС) соответствующего состава, способную обеспечить реечную мартенсит-мартенситную структуру, например, НМС 14Х2Г2НМФБ. Данная сталь обеспечивает содержание углерода 0,14-0,15% и способна обеспечить лучшее сочетание прочностных характеристик при дальнейшей термической обработке заготовки. Составы сталей и режимы термообработки выбирают исходя из условий функционирования. Например, рост концентрации углерода снижает вязкость и повышает прочность. Повышение содержания никеля улучшает вязкость и хладостойкость, все легирующие элементы повышают прокаливаемость, вместе с тем высокое содержание легирующих элементов может приводить к стабилизации аустенита или ферритизации. Далее проводят термообработку изделия, например, трубы по одному из представленных температурных режимов, в зависимости от назначения получаемого изделия и условий его работы.

Все три режима включают следующие операции в указанных общих температурных интервалах:

- первая закалка 900-1000 ºС;

- первый отпуск 400-700 ºС

- вторая закалка 750-850 ºС

- второй отпуск 180-680 ºС

В результате осуществления способа получают трубы в широких интервалах варьирования эксплуатационных параметров со следующими механическими свойствами, не менее: в высокопрочном состоянии, σ_B –1250 МПа, σ_0,2 –1050 МПа, KCV⁺²⁰ – 110 Дж/cм²; с повышенной хладостойкостью, σ_B – 750 МПа, σ_0,2 – 680 МПа, KCV⁺²⁰ – 200 Дж/cм², KCV^-60 – 150 Дж/cм²; с повышенной коррозионной стойкостью, σ_B – 790 МПа, σ_0,2 – 710 МПа, KCV⁺²⁰ –200 Дж/cм².

Режим термообработки ТО1 применяют для получения высокопрочной трубы с рациональным сочетанием характеристик конструкционной прочности.

Операции режима ТО1 проводят в следующих температурных интервалах:

- первая закалка 900-1000 ºС;

- первый отпуск 600-700 ºС;

- вторая закалка 750-850 ºС;

- второй отпуск 180-300 ºС.

Полученные механические свойства после ТО1, не менее: σ_B – 1250 МПа, σ_0,2 – 1050 МПа, KCV⁺²⁰ – 110 Дж/cм².

При режиме ТО2 получают хладостойкую трубу, у которой фокус смещен на большую характеристику ударной вязкости, в том числе при пониженных температурах от 0 до -60ºС, но которая обладает меньшей прочностью по сравнению с трубой после режима ТО1.

Операции режима ТО2 проводят в следующих температурных интервалах:

- первая закалка 900-1000 ºС;

- первый отпуск 500-700 ºС;

- вторая закалка 750-850 ºС;

- второй отпуск 500-680 ºС.

Полученные механические свойства после ТО2, не менее: σ_B – 750 МПа, σ_0,2 – 680 МПа, KCV⁺²⁰ – 200 Дж/cм², KCV^-60 – 150 Дж/cм².

При режиме ТО3 получают трубу с повышенной коррозионной стойкостью, механические свойства которой находятся между аналогичными характеристиками как после режимов ТО1 и ТО2, но труба обладает большей коррозионной стойкостью по сравнению с ТО1 и ТО2.

Операции режима ТО3 проводят в следующих температурных интервалах:

- первая закалка 900-1000ºС

- первый отпуск 400-600 ºС

- вторая закалка 750-850 ºС

- второй отпуск 600-700 ºС.

Полученные механические свойства после ТО3, не менее: σ_B – 790 МПа, σ_0,2 – 710 МПа, KCV⁺²⁰ – 200 Дж/cм².

Благодаря составу материала заготовки и указанным режимам ее термообработки при осуществлении любого из трех режимов температурной обработки значения ударной вязкости, предела прочности при растяжении и предела текучести материала трубы не опускаются ниже определенных заданных значений.

Для стали 14Х2Г2НМФБ, обработанной по указанному ТО3 были проведены испытания на коррозионностойкость, табл. 3. Сравнительные испытания коррозионной стойкости низколегированных сталей проводили в 3% растворе NaCl при 20 ºС приведены в табл. 4

Таблица 3

Сравнительные испытания коррозионной стойкости низколегированных сталей

Сталь / Обозначение Скорость коррозии, г/(м² ч) 14Х2Г2НМФБ 0.0050 20Н2М 0.0080 15Х2НМФ 0.0140

Испытания показали, что скорость коррозии значительно ниже коррозии сравниваемых сталей.

Получаемые трубы с сочетанием определенных заданных физико-механических характеристик возможно применять по различному назначению. Заявляемым способом могут получать трубы утяжеленные, насосно-компрессорные, обсадные, для наклонно-направленного бурения, могут получать муфты, присоединительные переводники и др. Трубы могут иметь диаметры от 45 мм до 406 мм и более, различную длину. Трубы могут иметь резьбовые соединения на концах. Трубы могут быть соединены различными методами сварки.

Произведенные заявляемым способом трубы благодаря реечной мартенсит-мартенситной структуре с глобулярными карбидами, полученной деформационно-термическим воздействием на НМС со структурной наследственностью, и термообработке по трем различным режимам в переделах температурных интервалов, обладают ранее недостижимым сочетанием характеристик прочности, надежности, хладостойкости и удовлетворительной коррозионной стойкостью.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет расширить диапазон значений физико-механических свойств труб из низкоуглеродистой стали, расширить интервал варьирования эксплуатационных параметров для применения труб в различных сложных условиях работы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению из заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали стальных труб различного технологического назначения и других изделий различных отраслей промышленности. Используют низкоуглеродистую мартенситную сталь, содержащую в мас.%: 0,12-0,27 углерода, 1,5-3,0 хрома, 1,5-3,0 марганца, 0,8-1,5 никеля, 0,2-0,5 молибдена, 0,04-0,2 ванадия, 0,04-0,15 ниобия, в которой суммарное значение содержания хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, ниобия не превышает 5,7. Подвергают заготовку из стали двукратной закалке и отпуску. Первую закалку проводят в интервале температур 900-1000°С, затем проводят первый отпуск при температуре 400-700°С, а затем проводят вторую закалку в интервале температур 750-850°С. Затем при необходимости проводят второй отпуск при температуре 180-680°С. Обеспечивается расширение диапазона значений физико-механических свойств, а также расширение интервала варьирования эксплуатационных параметров для применения труб в различных сложных условиях работы. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения изделий из заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали, в состав компонентов которой входят хром, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, включающий двукратную закалку заготовки и отпуск, отличающийся тем, что используют низкоуглеродистую мартенситную сталь, содержащую в мас.%: 0,12-0,27 углерода, 1,5-3,0 хрома, 1,5-3,0 марганца, 0,8-1,5 никеля, 0,2-0,5 молибдена, 0,04-0,2 ванадия, 0,04-0,15 ниобия, в которой суммарное значение содержания хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, ниобия не превышает 5,7, проводят первую закалку в интервале температур 900-1000°С, после которой проводят первый отпуск при температуре 400-700°С, проводят вторую закалку в интервале температур 750-850°С, проводят последующий второй отпуск при температуре 180-680°С.

2. Способ получения изделий из заготовок из низкоуглеродистой мартенситной стали, в состав компонентов которой входят хром, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, включающий двукратную закалку заготовки и отпуск, отличающийся тем, что используют низкоуглеродистую мартенситную сталь, содержащую в мас.%: 0,12-0,27 углерода, 1,5-3,0 хрома, 1,5-3,0 марганца, 0,8-1,5 никеля, 0,2-0,5 молибдена, 0,04-0,2 ванадия, 0,04-0,15 ниобия, в которой суммарное значение содержания хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, ниобия не превышает 5,7, проводят первую закалку в интервале температур 900-1000°С, после которой проводят отпуск при температуре 400-700°С, проводят вторую закалку в интервале температур 750-850°С.