RU2223342C1 - Steel - Google Patents

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy; low-alloyed weldable steels used in mechanical engineering and construction engineering and manufacture of pipes. SUBSTANCE: proposed steel contains carbon, manganese, silicon, vanadium, aluminum, copper, calcium, nickel, barium and iron at the following relationship of components, weight-%: carbon, 0.06-0.10; manganese,1.3-1.4; silicon, 0.20-0.30; vanadium, 0.05-0.12; aluminum, 0.03-0.05; copper, 0.90-1.00; calcium, 0.005-0.010; nickel, 0.9-1.00; barium, 0.005-0.010; the remainder being iron. EFFECT: enhanced mechanical properties, corrosion resistance in active media and avoidance of blistering. 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к низколегированным свариваемым сталям, используемым в машиностроении и строительстве, а также при производстве труб. The invention relates to the field of ferrous metallurgy, namely to low alloy welded steels used in mechanical engineering and construction, as well as in the production of pipes.

Известна сталь, содержащая, вес.%:
Углерод - 0,12-0,16
Марганец - 1,2-1,7
Кремний - 0,2-0,35
Хром - 0,05-0,8
Никель - 0,05-0,8
Медь - 0,05-0,8
Алюминий - 0,01-0,05
Азот - 0,01-0,02
Ванадий - 0,02-0,08
Ниобий - 0,01-0,05
Кальций - 0,005-0,05
Железо - Остальное
(А.с. СССР 627180, кл. С 22 С 3 8/48, опубл. 05.10.78).Known steel containing, wt.%:
Carbon - 0.12-0.16
Manganese - 1.2-1.7
Silicon - 0.2-0.35
Chrome - 0.05-0.8
Nickel - 0.05-0.8
Copper - 0.05-0.8
Aluminum - 0.01-0.05
Nitrogen - 0.01-0.02
Vanadium - 0.02-0.08
Niobium - 0.01-0.05
Calcium - 0.005-0.05
Iron - Else
(A.S. USSR 627180, class C 22 C 3 8/48, publ. 05.10.78).

В горячекатаном состоянии после контролируемой прокатки известная сталь имеет следующие свойства: предел прочности 610-650 МПа, предел текучести 430-460 МПа, относительное удлинение 23-27%, ударная вязкость при температуре -40^oС 0,50-0,80 МДж/см². Известная сталь имеет низкие значения пределов прочности и текучести, что влечет за собой повышение металлоемкости сварных конструкций из этой стали. Низкое значение нормативного показателя ударной вязкости при температуре до -40^oС ограничивает использование сварных конструкций при более низких температурах. Наличие кальция в известной стали в количестве 0,005-0,05% не обеспечивает в полной мере формирования мелкодисперсных неметаллических включений и их равномерного распределения в объеме металла, а также глобуляризации алюминатов, что приводит к снижению показателей механических свойств металла и высокого качества поверхности готового проката, а также усложняет условия разливки жидкой стали.In the hot-rolled state after controlled rolling, the known steel has the following properties: tensile strength 610-650 MPa, yield strength 430-460 MPa, elongation 23-27%, impact strength at a temperature of -40 ^o 0.50-0.80 MJ / cm ² . Known steel has low values of tensile strength and yield strength, which entails an increase in the metal consumption of welded structures of this steel. The low value of the standard indicator of impact strength at temperatures up to -40 ^o C limits the use of welded structures at lower temperatures. The presence of calcium in the known steel in an amount of 0.005-0.05% does not fully ensure the formation of finely dispersed non-metallic inclusions and their uniform distribution in the metal volume, as well as the globularization of aluminates, which leads to a decrease in the mechanical properties of the metal and the high quality of the surface of the finished product, and also complicates the conditions for casting liquid steel.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является сталь, содержащая, вес.%:
Углерод - 0,12-0,20
Марганец - 0,9-2,0
Кремний - 0,02-0,15
Ванадий - 0,05-0,20
Азот - 0,01-0,03
Алюминий - 0,006-0,05
Медь - 0,02-0,50
Кальций - 0,001-0,02
Хром - 0,02-0,50
Никель - 0,02-0,40
Железо - Остальное
(А.с. СССР 954491, кл. С 22 С 38/46, С 22 С 38/58, опубл. 30.08.82).The closest analogue of the invention is steel, containing, wt.%:
Carbon - 0.12-0.20
Manganese - 0.9-2.0
Silicon - 0.02-0.15
Vanadium - 0.05-0.20
Nitrogen - 0.01-0.03
Aluminum - 0.006-0.05
Copper - 0.02-0.50
Calcium - 0.001-0.02
Chrome - 0.02-0.50
Nickel - 0.02-0.40
Iron - Else
(A.S. USSR 954491, class C 22 C 38/46, C 22 C 38/58, publ. 30.08.82).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, медь, кальций, никель и железо. Signs of the closest analogue, coinciding with the essential features of the claimed invention: steel containing carbon, manganese, silicon, vanadium, aluminum, copper, calcium, nickel and iron.

Известная сталь имеет низкие значения пределов прочности и текучести, что приводит к увеличению металлоемкости сварных конструкций из этой стали. Низкие значения содержания меди и никеля приводят к водородному растрескиванию, включая блистеринг в атмосфере и активных средах. Сталь известного состава снижает возможность формирования мелкодисперсных тугоплавких неметаллических включений, их равномерного распределения в объеме металла, а также ухудшает поверхность готового проката в результате блистеринга - поверхностного водородного растрескивания. Known steel has low values of tensile strength and yield strength, which leads to an increase in the metal consumption of welded structures of this steel. Low levels of copper and nickel lead to hydrogen cracking, including blistering in the atmosphere and active media. Steel of known composition reduces the possibility of the formation of fine refractory non-metallic inclusions, their uniform distribution in the metal volume, and also worsens the surface of the finished product as a result of blistering - surface hydrogen cracking.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования стали, в которой за счет формирования мелкодисперсных равномерно распределенных в объеме металла тугоплавких и остаточных глобулярных неметаллических включений обеспечивается повышение механических свойств стали, коррозионной стойкости в активных средах и исключения блистеринга. The basis of the invention is the task of improving steel, in which due to the formation of finely dispersed evenly distributed refractory and residual globular nonmetallic inclusions, the mechanical properties of steel, corrosion resistance in active media and the elimination of blistering are improved.

Поставленная задача решается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, медь, кальций, никель и железо, по изобретению дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Углерод - 0,06-0,10
Марганец - 1,3-1,4
Кремний - 0,20-0,30
Ванадий - 0,05-0,12
Алюминий - 0,03-0,05
Медь - 0,90-1,00
Кальций - 0,005-0,010
Никель - 0,9-1,00
Барий - 0,005-0,010
Железо - Остальное
При предлагаемом соотношении компонентов в стали температура бейнитного превращения ниже температуры выделения частиц меди. Выделившиеся частицы препятствуют росту бейнитных и мартенситных кристаллов, что приводит к измельчению бейнитных и мартенситных пакетов.The problem is solved in that the steel containing carbon, manganese, silicon, vanadium, aluminum, copper, calcium, nickel and iron, according to the invention additionally contains barium in the following ratio, wt.%:
Carbon - 0.06-0.10
Manganese - 1.3-1.4
Silicon - 0.20-0.30
Vanadium - 0.05-0.12
Aluminum - 0.03-0.05
Copper - 0.90-1.00
Calcium - 0.005-0.010
Nickel - 0.9-1.00
Barium - 0.005-0.010
Iron - Else
With the proposed ratio of components in steel, the temperature of the bainitic transformation is lower than the temperature of separation of copper particles. The released particles impede the growth of bainitic and martensitic crystals, which leads to the grinding of bainitic and martensitic packets.

Барий является хорошим раскислителем и сильным глобуляризатором неметаллических включений в стали. В результате ввода бария происходит очищение металла от вредных примесей с образованием сульфидов и оксидов, глобуляризируются неметаллические включения, что приводит к значительному повышению механических свойств стали. Наибольший эффект от введения бария достигается, если он вводится в сталь, предварительно раскисленную алюминием, при этом остаточное содержание алюминия должно быть 0,02-0,05%. В этом случае барий способствует более глубокому раскислению металла, десульфурации и глобуляризации неметаллических включений. Barium is a good deoxidizer and a strong globalizer of non-metallic inclusions in steel. As a result of the introduction of barium, the metal is purified from harmful impurities with the formation of sulfides and oxides, non-metallic inclusions are globularized, which leads to a significant increase in the mechanical properties of steel. The greatest effect from the introduction of barium is achieved if it is introduced into steel previously deoxidized with aluminum, while the residual aluminum content should be 0.02-0.05%. In this case, barium contributes to a deeper metal deoxidation, desulfurization and globularization of non-metallic inclusions.

Добавки в сталь кальция и бария изменяют морфологию неметаллических включений, способствуют образованию мелких тугоплавких частиц и равномерному распределению их в объеме металла, что в совокупности с медью и никелем приводит к повышению механических свойств стали, улучшению ее свариваемости. Additives to steel calcium and barium change the morphology of non-metallic inclusions, contribute to the formation of small refractory particles and their uniform distribution in the volume of the metal, which, together with copper and nickel, leads to an increase in the mechanical properties of the steel and an improvement in its weldability.

Наличие в составе стали бария и кальция способствует также улучшению качества поверхности готового проката, а при наличии меди совместно с никелем повышает коррозионную стойкость против атмосферной коррозии и в активных средах, содержащих в своем составе H2S. При этом исключается опасность растрескивания готового проката как в объеме металла, так и на его поверхности (блистеринг). The presence of barium and calcium in the steel also contributes to improving the surface quality of finished products, and in the presence of copper, together with nickel, it increases corrosion resistance against atmospheric corrosion in active media containing H2S. This eliminates the risk of cracking of the finished steel both in the volume of the metal and on its surface (blistering).

Формирование мелкодисперсной структуры с заменой легкоплавикх сульфидов железа и марганца на тугоплавкие сульфиды кальция и бария, а также при наличии меди и никеля, приводят к измельчению пакетов мартенситной структуры и, соответственно, измельчению зерна в ферритоперлитной структуре, что приводит к повышению вязкости. The formation of a finely dispersed structure with the replacement of low-melting iron and manganese sulfides with refractory calcium and barium sulfides, as well as in the presence of copper and nickel, leads to the grinding of martensitic structure packets and, accordingly, grain grinding in a ferritic perlite structure, which leads to an increase in viscosity.

В низколегированной стали в момент затвердевания сера, находящаяся в растворе жидкого металла, связывается с марганцем в виде сульфида MnS. В зависимости от уровня раскисленности металла изменяется и форма, распределение, физико-химические свойства образовавшихся неметаллических включений, от наличия которых зависит пластическая деформация металла и способность его к удлинению. In low-alloy steel, at the moment of solidification, sulfur in a solution of liquid metal binds to manganese in the form of MnS sulfide. Depending on the level of deoxidation of the metal, the shape, distribution, and physicochemical properties of the formed nonmetallic inclusions also change, the presence of which determines the plastic deformation of the metal and its elongation.

Кальций и барий, обладая большим сродством к сере, чем марганец, при достаточном их количестве могут полностью заменить марганец в образовавшихся сульфидах, изменив при этом морфологию и характеристики сульфидных включений, что приводит к повышению изотропности механических характеристик готового проката. Calcium and barium, having a greater affinity for sulfur than manganese, with a sufficient amount of them can completely replace manganese in the sulfides formed, changing the morphology and characteristics of sulfide inclusions, which leads to an increase in the isotropy of the mechanical characteristics of the finished product.

Содержание меди ниже заявленного предела 0,9% снижает возможность защиты от вредного растрескивания и уменьшает предел текучести при отрицательных температурах, что приводит к ухудшению свариваемости. The copper content below the declared limit of 0.9% reduces the possibility of protection against harmful cracking and reduces the yield strength at low temperatures, which leads to a deterioration in weldability.

При содержании никеля менее 0,9% снижается ударная вязкость стали и сопротивление окислению. When the nickel content is less than 0.9%, the toughness of the steel and the oxidation resistance are reduced.

Барий совместно с кальцием оказывает существенное влияние на морфологию остаточных глобулярных включений, размер которых меньше, чем при использвании в качестве модификатора только кальция. Кроме того, неметаллические включения при наличии в стали бария распределяются более равномерно. Barium together with calcium has a significant effect on the morphology of residual globular inclusions, the size of which is smaller than when using only calcium as a modifier. In addition, non-metallic inclusions in the presence of barium in steel are distributed more evenly.

Содержание в стали бария в количестве 0,005% обеспечивает эффект глобуляризации, измельчения сульфидных включений и их равномерное распределение в объеме металла. Увеличение содержания бария выше заявляемого предела приводит к его нерациональному использованию из-за высокой упругости пара и выноса в газовую фазу. The content of barium steel in an amount of 0.005% provides the effect of globularization, grinding of sulfide inclusions and their uniform distribution in the metal volume. The increase in barium content above the claimed limit leads to its irrational use due to the high elasticity of the vapor and the removal into the gas phase.

Пример. Example.

Выплавку заявляемой и известной стали (ближайший аналог) проводили в 60-килограммовой основной индукционной печи. Расплав в индукционной печи доводили до температуры 1600-1630^oС, продували кислородом до получения необходимого содержания углерода, после чего скачивали шлак и раскисляли металл алюминием, который вводили на штанге. Затем металл сливали в ковш.Smelting of the claimed and known steel (the closest analogue) was carried out in a 60 kg main induction furnace. The melt in the induction furnace was brought to a temperature of 1600-1630 ^o C, purged with oxygen to obtain the desired carbon content, then slag was downloaded and the metal was deoxidized with aluminum, which was introduced on the rod. Then the metal was poured into the bucket.

При сливе под струю металла вводили необходимое количество легирующих элементов и раскислителей. Выплавленный металл разливали в изложницы для слитков массой 20 кг. Полученные слитки были прокованы на карты толщиной 14 мм и после термообработки (закалка 930±10^oС и отпуск 630±10^oС) определяли механические свойства. На картах определяли также химический состав стали. Химический состав и механические свойства известной и заявляемой стали приведены в таблицах 1 и 2.When draining under a stream of metal, the required amount of alloying elements and deoxidants was introduced. Smelted metal was poured into ingot molds weighing 20 kg. The obtained ingots were forged onto cards with a thickness of 14 mm, and after heat treatment (quenching 930 ± 10 ^o С and tempering 630 ± 10 ^o С) mechanical properties were determined. The chemical composition of steel was also determined on the maps. The chemical composition and mechanical properties of the known and claimed steel are shown in tables 1 and 2.

Механические свойства стали определяли при испытании на растяжение пропорциональных цилиндрических образцов. Склонность стали к механическому старению оценивали по результатам испытания на ударный изгиб образцов с радиусом надреза R=0,25 мм, изготовленных из деформированного металла. The mechanical properties of steel were determined by tensile testing of proportional cylindrical samples. The tendency of steel to mechanical aging was evaluated according to the results of a shock bending test of specimens with a notch radius R = 0.25 mm made of deformed metal.

Сравнение механических свойств известной и предлагаемой сталей показывает, что прочностные свойства (σ_в и σ_т) предлагаемой стали значительно выше, чем у известной, при этом вязкость и пластичность стали благодаря измельчению зерна, приданию неметаллическим включеним оптимальной формы и очищению стали от вредных примесей также выше, чем у известной. Предлагаемая сталь не склонна к деформационному старению. Ударная вязкость после механического старения в 1,5-2 раза выше, чем у известной.A comparison of the mechanical properties of the known and proposed steels shows that the strength properties (σ _in and σ _t ) of the proposed steel are much higher than that of the known one, while the viscosity and ductility of the steel due to grain refinement, imparting optimal shape to non-metallic inclusions and purification of steel from harmful impurities are also higher than that of the famous one. The proposed steel is not prone to strain aging. Impact strength after mechanical aging is 1.5-2 times higher than that of the known one.

Использование предлагаемой стали для металлических конструкций позволяет повысить надежность изделий в 1,5-2 раза за счет уменьшения склонности стали к деформационному старению, а также сократить расход металла за счет повышения прочности стали. The use of the proposed steel for metal structures can improve the reliability of products by 1.5-2 times by reducing the tendency of steel to deformation aging, as well as reduce metal consumption by increasing the strength of steel.

Claims (1)

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, медь, кальций, никель и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, вес.%:Steel containing carbon, manganese, silicon, vanadium, aluminum, copper, calcium, nickel and iron, characterized in that it additionally contains barium in the following ratio, wt.%: Углерод 0,06 - 0,10Carbon 0.06 - 0.10 Марганец 1,3 - 1,4Manganese 1.3 - 1.4 Кремний 0,20 - 0,30Silicon 0.20 - 0.30 Ванадий 0,05 - 0,12Vanadium 0.05 - 0.12 Алюминий 0,03 - 0,05Aluminum 0.03 - 0.05 Медь 0,90 - 1,00Copper 0.90 - 1.00 Кальций 0,005 - 0,010Calcium 0.005 - 0.010 Никель 0,9 - 1,00Nickel 0.9 - 1.00 Барий 0,005 - 0,010Barium 0.005 - 0.010 Железо ОстальноеIron Else

Images