RU2013461C1

RU2013461C1 - Structural steel

Info

Publication number: RU2013461C1
Authority: RU
Inventors: Л.А. Смирнов; Л.М. Панфилова; С.С. Гальперина; А.Л. Завьялов; В.С. Чуркин; Е.Ю. Строев
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Руслич"
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: steel has additionally molybdenum and titanium carbonitride at the following ratio of components, wt. -% : carbon 0.35-0.45; manganese 0.3-0.6; silicon 0.17-0.37; chrome 2-3; vanadium 0.66-0.15; nitrogen 0.02-0.03; molybdenum 0.15-0.55; titanium carbonitride 0.04-0.10, and iron 0 the rest. Steel shows the combination of increased fluidity limit, hardenability and impact elasticity at negative temperatures. EFFECT: enhanced quality of steel. 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к созданию высокопрочных сталей для длинномерных высоконагруженных деталей нефтяного оборудования, например штанг и устьевых штоков для станков-качалок. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the creation of high strength steels for long, highly loaded parts of oil equipment, such as rods and wellheads for pumping units.

Для изготовления этих деталей в настоящее время применяются стали типа 40, 40Х2АФ. For the manufacture of these parts currently used steel type 40, 40X2AF.

Длинномерные изделия из указанных сталей не обладают необходимым уровнем механических свойств, особенно при работе в условиях низких температур. Long products from these steels do not have the necessary level of mechanical properties, especially when working at low temperatures.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности является сталь (п. р. 4708118/27-02, кл. С 22 С 38/28, 1989), содержащая, мас. % : Углерод 0,32-0,42 Марганец 0,30-0,50 Кремний 0,17-0,40 Хром 1,8-2,5 Ванадий 0,06-0,15 Сера 0,03-0,05 Алюминий 0,01-0,04 Азот 0,02-0,04 Кальций 0,001-0,02 Барий 0,001-0,02 Титан 0,001-0,03 Железо Остальное
В случае применения этой стали для заготовок длиной более 8 м не обеспечивается полной прокаливаемости заготовок после охлаждения с прокатного нагрева. Кроме того эта сталь склонна к отпускной хрупкости.Closest to the proposed steel in technical essence is steel (par. 4708118 / 27-02, class C 22 C 38/28, 1989), containing, by weight. %: Carbon 0.32-0.42 Manganese 0.30-0.50 Silicon 0.17-0.40 Chrome 1.8-2.5 Vanadium 0.06-0.15 Sulfur 0.03-0.05 Aluminum 0.01-0.04 Nitrogen 0.02-0.04 Calcium 0.001-0.02 Barium 0.001-0.02 Titanium 0.001-0.03 Iron Else
In the case of using this steel for billets with a length of more than 8 m, the complete hardenability of the billets after cooling from rolling heating is not ensured. In addition, this steel is prone to temper brittleness.

Цель изобретения - создание стали, предназначенной для устьевых штоков и штанг, имеющей повышенные предел текучести, прокаливаемость и ударную вязкость при отрицательных температурах. The purpose of the invention is the creation of steel intended for wellhead rods and rods having increased yield strength, hardenability and impact strength at low temperatures.

Цель достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, алюминий, азот, железо, дополнительно содержит молибден и карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,35-0,45 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,30-0,60 Хром 2,0-3,0 Ванадий 0,06-0,15 Алюминий 0,02-0,06 Азот 0,02-0,03 Молибден 0,15-0,55 Карбонитрид титана 0,04-0,10 Железо Остальное
Существенными отличительными признаками данного изобретения являются введение в состав стали новых компонентов - молибдена и карбонитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,35-0,45 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,30-0,60 Хром 2,0-3,0 Ванадий 0,06-0,15 Алюминий 0,02-0,06 Азот 0,02-0,03 Молибден 0,15-0,55 Карбонитрид титана 0,04-0,10 Железо Остальное
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна".The goal is achieved in that the proposed steel containing carbon, manganese, silicon, chromium, vanadium, aluminum, nitrogen, iron, additionally contains molybdenum and titanium carbonitride in the following ratio, wt. %: Carbon 0.35-0.45 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.30-0.60 Chromium 2.0-3.0 Vanadium 0.06-0.15 Aluminum 0.02-0.06 Nitrogen 0.02-0.03 Molybdenum 0.15-0.55 Titanium carbonitride 0.04-0.10 Iron Else
Salient features of this invention are the introduction of new components into the steel composition — molybdenum and titanium carbonitride in the following ratio of components, wt. %: Carbon 0.35-0.45 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.30-0.60 Chromium 2.0-3.0 Vanadium 0.06-0.15 Aluminum 0.02-0.06 Nitrogen 0.02-0.03 Molybdenum 0.15-0.55 Titanium carbonitride 0.04-0.10 Iron Else
Therefore, the present invention meets the criterion of "Novelty."

При изучении других известных составов сталей выявлены стали, содержащие признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа. In the study of other known compositions of steels, steels were identified containing signs that distinguish the claimed invention from the prototype.

Так, известно изобретение, в которое вводится молибден с целью повышения механических свойств (авт. св. N 1350189, кл. С 22 С 38/50, 1986). Известно также изобретение, в котором молибден вводится наряду с кальцием, никелем, кобальтом для повышения прочности и сопротивления микрососкобу (авт. св. N 162707, кл. С 22 С 38/52, 1989). Thus, the invention is known in which molybdenum is introduced in order to increase mechanical properties (ed. St. N 1350189, class C 22 C 38/50, 1986). An invention is also known in which molybdenum is introduced along with calcium, nickel, cobalt to increase the strength and resistance of the microsqueegee (ed. St. N 162707, class C 22 C 38/52, 1989).

Изобретений, в которых с целью одновременного повышения предела текучести, прокаливаемости и ударной вязкости при отрицательных температурах вводится молибден и карбонитрид титана, не выявлено. Inventions in which, in order to simultaneously increase the yield strength, hardenability and impact strength at low temperatures, molybdenum and titanium carbonitride are introduced, have not been identified.

Таким образом, содержание элементов и их соотношение в стали обеспечивает новые свойства - одновременное повышение предела текучести, прокаливаемости и ударной вязкости при отрицательных температурах, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Изобретательный уровень". Thus, the content of the elements and their ratio in steel provides new properties - a simultaneous increase in the yield strength, hardenability and impact strength at low temperatures, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "Inventive Level".

Химический состав, механические свойства, результаты испытаний на прокаливаемость представлены в таблице. Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что благодаря легированию стали молибденом и карбонитридом титана повышаются предел текучести, прокаливаемость, ударная вязкость при отрицательных температурах. Chemical composition, mechanical properties, hardenability test results are presented in the table. The analysis of the results presented in the table shows that due to alloying of steel with molybdenum and titanium carbonitride, the yield strength, hardenability, and toughness at low temperatures increase.

На чертеже приведен график кривых торцевой прокаливаемости стали (2, 3, 4) и стали-прототипа (5). The drawing shows a graph of the curves of end hardenability of steel (2, 3, 4) and prototype steel (5).

В связи с тем, что предлагаемая сталь предназначена для изготовления длинномерного проката (длиной более 8 м), свойства которого должны быть обеспечены в горячекатаном состоянии, выбраны такие легирующие элементы, которые позволяют максимально использовать процесс горячего деформирования для получения мелкозернистой перекристаллизованной структуры аустенита. Установлено, что присутствие в стали мелкозернистых частиц карбонитрида титана, образующихся при выплавке стали, обеспечивает получение мелкого зерна аустенита, которое не склонно к росту при температурах нагрева под прокатку вплоть до 1200^оС. Именно частицы карбонитрида Ti не растворяются при нагреве под горячую деформацию и в процессе деформации блокируют границы зерен. При этом частицы Ti(CN) сохраняют свои размеры и форму.Due to the fact that the proposed steel is intended for the manufacture of long products (more than 8 m long), the properties of which must be ensured in the hot-rolled state, alloying elements are selected that maximize the use of the hot deformation process to obtain a fine-grained recrystallized austenite structure. It is found that the presence in the steel of fine particles of titanium carbonitride formed in the melting of steel, provides a small austenite grain that tends not to increase when the heating temperatures for rolling up to 1200 ^C. It Ti carbonitride particles do not dissolve upon heating under hot deformation, and during deformation, grain boundaries are blocked. In this case, Ti (CN) particles retain their size and shape.

Введение молибдена в количестве 0,15-0,55 мас. % повышает устойчивость переохлажденного аустенита по сравнению со сталью-прототипом, что дает возможность получить однородную структуру нижнего бейнита после прокатки в сечениях более 50 мм и повысить прочность по всему сечению детали. The introduction of molybdenum in an amount of 0.15-0.55 wt. % increases the stability of supercooled austenite in comparison with steel-prototype, which makes it possible to obtain a homogeneous structure of lower bainite after rolling in sections of more than 50 mm and increase strength over the entire section of the part.

Для получения стали, обладающей наряду с повышенным пределом текучести высокими значениями ударной вязкости при отрицательных температурах, ее подвергают отпуску при 600-650^оС. Введение Мо увеличивает устойчивость стали против высокого отпуска, что обусловлено выделением мелкодисперсных специальных карбидов, при этом повышается прочность стали с сохранением высокого уровня пластических характеристик и ударной вязкости при отрицательных температурах.To obtain steel, which, along with an increased yield strength, high impact strength at low temperatures, it is tempered at 600-650 ^о С. maintaining a high level of plastic characteristics and toughness at low temperatures.

Кроме того, наличие Мо в стали позволяет охлаждать длинномерные заготовки после отпуска на воздухе, не опасаясь проявления отпускной хрупкости. In addition, the presence of Mo in steel makes it possible to cool long workpieces after tempering in air without fear of temper brittleness.

Таким образом, получение стали с мелкозернистой однородной структурой и равномерно распределенными частицами карбидонитридов и карбидов обеспечивает повышение предела текучести, ударной вязкости и прокаливаемости стали непосредственно после прокатки. Thus, obtaining steel with a fine-grained homogeneous structure and uniformly distributed particles of carbidonitrides and carbides provides an increase in the yield strength, impact strength and hardenability of steel immediately after rolling.

Повышение верхнего предела содержания молибдена свыше 0,55% обуславливает укрупнение карбидов, что неблагоприятно влияет на характеристики вязкости и пластичности. An increase in the upper limit of the molybdenum content over 0.55% causes the enlargement of carbides, which adversely affects the characteristics of viscosity and ductility.

Содержание молибдена менее 0,15 мас. % приводит к разупрочнению при высоком отпуске. The molybdenum content is less than 0.15 wt. % leads to softening at high tempering.

Наличие карбонитрида титана в стали более 0,10 мас. % приводит к снижению вязкости и прокаливаемости стали. The presence of titanium carbonitride in steel is more than 0.10 wt. % leads to a decrease in the viscosity and hardenability of steel.

Содержание карбонитрида титана менее 0,15 мас. % недостаточно для измельчения аустенитного зерна стали, что ведет к падению предела текучести. The titanium carbonitride content is less than 0.15 wt. % is not enough for grinding austenitic grain of steel, which leads to a drop in yield strength.

П р и м е р. Сталь выплавляли в основной 180-тонной печи металлургического завода им. А. К. Серова, прокатка производилась на круг 32 мм. После прокатки производился отпуск при 630^оС. Механические свойства определяли на стандартных пятикратных образцах (ГОСТ 1497-84) и образцах менаже ГОСТ 9454-78, прокаливаемость стали определяли методом торцевой закалки по ГОСТ 5657-81 на образцах ДЖОМИНИ.PRI me R. Steel was smelted in the main 180-ton furnace of the metallurgical plant named after A.K. Serov, rolling was carried out on a circle of 32 mm. After rolling was carried out tempering at 630 ^C. Mechanical properties were determined on samples fivefold standard (GOST 1497-84) and samples Menage GOST 9454-78, hardenability of steel determined by quenching end according to GOST 5657-81 on Jominy specimens.

Химический состав и механические свойства предлагаемой и известной сталей приведены в таблице. Оптимальные предел текучести, ударная вязкость при отрицательных температурах и прокаливаемость получены в стали 3 состава σ_т - 1020 МПА, КСU_-60 = 80 Дж/см²; сквозная прокаливаемость, при получении всех элементов на верхнем пределе (2 состав) предел текучести возрастает, однако несколько снижается ударная вязкость. При содержании элементов на нижнем пределе (состав 4) несколько ниже прочность. Первый и пятый составы представляют стали за верхним и нижним пределами. Видно, что 1 состав имеет неудовлетворительные значения ударной вязкости, а 5 состав не обеспечивает повышение предела текучести и требуемой прокаливаемости.The chemical composition and mechanical properties of the proposed and known steels are given in the table. Optimum yield strength, impact strength at negative temperatures and hardenability were obtained in steel 3 of the composition σ _t - 1020 MPA, KSU _-60 = 80 J / cm ² ; through hardenability, upon receipt of all elements at the upper limit (2 composition), the yield strength increases, however, the toughness decreases. When the content of elements at the lower limit (composition 4) is slightly lower strength. The first and fifth compositions represent steel beyond the upper and lower limits. It is seen that 1 composition has unsatisfactory values of impact strength, and 5 composition does not provide an increase in yield strength and required hardenability.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает стабильное получение следующих показателей: повышение предела текучести ≈ на 100 МПА, ударной вязкости при температуре испытания - 60^оС ≈ на 30 Дж/см²; полную прокаливаемость.Compared with the prior art, the invention provides a stable preparation of the following parameters: raising the yield point ≈ 100 MPa, the toughness at the test temperature - 60 ° ^C ≈ 30 J / cm ^2; complete hardenability.

Claims

STRUCTURAL STEEL containing carbon, manganese, silicon, chromium, vanadium, aluminum, nitrogen, iron, characterized in that it additionally contains molybdenum and titanium carbonitride in the following ratio, wt. %:
Carbon 0.35 - 0.45
Manganese 0.30 - 0.60
Silicon 0.17 - 0.37
Chrome 2.0 - 3.0
Vanadium 0.06 - 0.15
Aluminum 0.02 - 0.06
Nitrogen 0.02 - 0.03
Molybdenum 0.15 - 0.55
Titanium Carbonitride 0.04 - 0.10
Iron Else