Актуальность темы.
При изготовлении высокопрочных труб нефтяного сортамента (минимальный предел текучести 724 МПа) из хромомарганцевых марок стали с целью обеспечения высокой эксплуатационной надежности при воздействии низких температур и коррозионно-активных сред применяется легирование молибденом в количестве 0.30...0.65 %. что увеличивает прокаливаемость и существенно изменяет поведение стали при отпуске.
Для повышения конкурентоспособности продукции актуальна разработка альтернативных. экономически эффективных систем легирования и микролегирования. в том числе бором. хромомарганцевых марок стали. их научное обоснование и оценка возможности обеспечения высокого комплекса специальных свойств.
За счет того. что микролегирование бором значительно повышает прокаливаемость стали. данный подход широко применяется в машиностроении при производстве крупногабаритных изделий из среднеуглеродистых марок стали. обеспечивая при этом снижение содержания дорогостоящих легирующих элементов в стали. в том числе молибдена. В мировой практике примеров использования микролегирования бором в серийном производстве бесшовных труб специального назначения нет. поскольку, согласно литературным данным. бор может неблагоприятно влиять на ударную вязкость стали и причины этого подробно не изучены.
Современные технологии обеспечивают массовое производство стали высокого качества. в первую очередь. низкое содержание вредных примесей (Р < 0.015 %. 8 < 0.010 %). Однако представляет интерес изучить особенности возможного проявления отпускной хрупкости в хромомарганцевых марках стали с различными системами легирования. в том числе с микролегированием бором как причины снижения ударной вязкости.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры термообработки и физики металлов ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (тема № 2218), федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 гг).
Цель данной работы - разработка комплексного, экономически эффективного легирования и микролегирования стали, в том числе бором, и технологии термической обработки для обеспечения высокой прочности и эксплуатационной надежности при воздействии низких температур и коррозионно-активных сред применительно к производству бесшовных труб нефтяного сортамента.
Согласно поставленной цели, в работе необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить особенности формирования микроструктуры хромомарганцевых марок стали с различной системой легирования и микролегирования при ускоренном охлаждении. Разработать подходы к прогнозированию прокаливаемости труб при охлаждении в современных закалочных устройствах и выбору систем легирования (микролегирования) для обеспечения заданного сочетания прочности, хладостойкости и стойкости против сульфидного коррозионного растрескивания.
2. Исследовать особенности влияния легирования молибденом и микролегирования бором хромомарганцевых марок стали на микроструктуру и механические свойства в условиях производства бесшовных труб нефтяного сортамента, упрочняемых закалкой с отпуском. Определить возможность экономного легирования стали для труб с минимальным пределом текучести 724 МПа.
3. Разработать рекомендации по применению хромомарганцевых марок стали с микролегирующими добавками бора в производстве бесшовных труб нефтяного сортамента, включая химический состав и технологию термической обработки, с обеспечением прочности и высокой эксплуатационной надежности.
Научная новизна.
Определены целесообразные диапазоны варьирования содержания легирующих элементов в хромомарганцевой стали для достижения хладостойкости, определяемой по критерию КСУ > 70 Дж/см2 при температуре испытания минус 60 °С, высокопрочных труб нефтяного сортамента, упрочняемых закалкой с отпуском.
Установлено, что современные хромомарганцевые марки стали с низким содержанием вредных примесей (8 < 0,007 %, Р < 0,011 %) склонны к обратимой опускной хрупкости, что проявляется при понижении температуры испытания до минус 60 °С, а введение добавок бора повышает склонность к охрупчиванию. Для стали с мелким исходным зерном аустенита (10...15 мкм) особенностью излома в охрупченном состоянии является доминирование транскристаллитного разрушения по механизму квазискола, а при увеличении размера зерна (до 60 мкм) излом становится межкристаллитным.
Показано, что эффективным в подавлении обратимой отпускной хрупкости в условиях производства бесшовных труб наряду с ускоренным охлаждением после отпуска может быть увеличение выдержки при высоком отпуске или формирование смешанных структур при закалке: наличие нижнего бейнита в количестве не более 10 % (прерывистая закалка) или избыточного феррита в виде прослоек (межкритическая закалка), разделяющих участки мартенсита. Положительный эффект от формирования смешанных структур достигается при условии измельчения исходного зерна аустенита путем проведения закалки с температуры выше Ас3, в случае межкритической закалки это проведение предварительной полной закалки.
Достоверность основных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик исследования в лабораторных и производственных условиях, статистической обработкой данных, воспроизводимостью полученных результатов, а также широким опробованием в промышленных условиях разработанных химических составов и технологии термической обработки.
Практическая значимость работы.
На основе результатов проведенных исследований определены эффективные способы комплексного легирования молибденом и микролегирования бором хромомарганцевых марок стали и созданы технологические подходы для обеспечения прочности и высокой эксплуатационной надежности применительно к современному производству бесшовных труб нефтяного сортамента, упрочняемых закалкой с отпуском.
В соответствии разработанным в диссертации рекомендациям, в ОАО «Синарский трубный завод» (далее по тексту ОАО «СинТЗ») освоены новые хромомарганцевые борсодержащие марки стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА и выпущены промышленные партии труб (110,4 тн) с толщиной стенки от 7,7 до 19 мм групп прочности Е, Л, М с пределом текучести от 552 до 965 МПа. Предложенные марки стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА аттестованы в качестве материала для производства высокопрочных труб, стойких против воздействия низких температур и сероводородсодержащих коррозионно-активных сред. Ожидаемый экономический эффект, рассчитанный исходя из годового объема производства труб данного сортамента в условиях ОАО «СинТЗ» составляет 34 млн. рублей.
На защиту выносятся:
- особенности формирования микроструктуры в хромомарганцевых марках стали с различными добавками молибдена и бора в результате непрерывного охлаждения и связь микроструктуры с характеристиками прокаливаемости при закалке бесшовных труб в современных устройствах охлаждения;
- влияние параметров отпуска на закономерности разрушения и особенности проявления обратимой отпускной хрупкости закаленных хромомарганцевых марок стали при содержании 8 < 0,007 %, Р < 0,011 % в зависимости от дополнительного легирования и микролегирования;
- эффективные способы подавления развития обратимой отпускной хрупкости, их научное обоснование и применимость к промышленным условиям термической обработки труб;
- результаты промышленного опробования новых хромомарганцевых борсодержащих марок стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА в изготовлении высокопрочных бесшовных труб нефтяного сортамента с оценкой достижения стойкости против воздействия низких температур и коррозионно-активных сред.
Апробация работы.
Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были доложены и обсуждены на Х Международной научно - технической Уральской школе - семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009), VIII Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «СинТЗ» (Каменск-Уральский, 2010), XVII Международной научно - технической конференции «Трубы - 2010» (Челябинск, 2010), XVIII Международной научно - технической конференции «Трубы - 2011» (Челябинск, 2011), X Научной - практической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их производства» (Москва, 2011), Международной конференции (XXI Уральской школе) молодых металловедов- термистов (Магнитогорск, 2012), VIII Молодежной научно-практической конференции ОАО «ТМК» (Сочи, 2012).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, три из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 частей, заключения и списка используемых источников из 96 наименований, изложена на 205 страницах, включает 61 рисунка, 20 таблиц, 4 приложения.
1. Показано, что прогнозирование формирования микроструктуры с доминированием мартенсита (не менее 90 %), как ключевого фактора в достижении высокого комплекса прочности и хладостойкости, при закалке труб в современных устройствах охлаждения (спрейерах) возможно с использованием торцевых проб Джомини. В результате систематического изучения связи характеристик прокаливаемости с формированием микроструктуры определены границы применения используемых хромомарганцевых марок стали: 32ХГ до толщины стенки 16 мм с о 552.862 МПа; 32ХГМА (0,30-0,40 % Мо) и 32ХМА-3 (0,50-0,65 % Мо) до толщины стенки 30 мм с о, 724. 1134 МПа.
2. Изучение возможности замены легирования молибденом 0,30.0,65 %
на микролегирование бором 0,003.0,004 % показало, что это позволяет получить эквивалентный уровень прокаливаемости и, соответственно, прочностных свойств (минимальный предел текучести 724 МПа), но хладостойкость, определяемая по критерию КСУ > 70 Дж/см2 при температуре испытания минус 60 °С, существенно снижается. Исследование влияния параметров отпуска на закономерности разрушения современных хромомарганцевых марок стали с низким содержанием вредных примесей (8 < 0,007 %, Р < 0,011 %) позволило, тем не менее, отнести наблюдаемый эффект к развитию обратимой отпускной хрупкости, которая усиливается при микролегировании бором.
3. Определен диапазон температур и продолжительности выдержки при отпуске хромомарганцевых марок стали с микролегирующими добавками бора, в котором обратимая отпускная хрупкость проявляется в наибольшей степени. Снижение ударной вязкости стали с низким содержанием вредных примесей (8 < 0,007 %, Р < 0,011 %) в охрупченном состоянии проявляется при отрицательных температурах испытания. В случае формирования при закалке мелкого исходного зерна аустенита (10.15 мкм), разрушение в охрупченном состоянии имеет транскристаллитный характер (квазискол). С увеличением размера зерна аустенита до 60 мкм в изломе стали доминируют участки интеркристаллитного скола.
4. Подтверждено эффективное влияние молибдена на комплекс механических свойств и подавление развития обратимой отпускной хрупкости в стали с микролегирующими добавками бора. При этом равное соотношение прочности и хладостойкости достигается уже при 0,15.0,20 % молибдена вместо 0,30.0,65 % молибдена в стали без добавок бора.
5. Установлено, что эффективным в подавлении обратимой отпускной
хрупкости наряду с ускоренным охлаждением после отпуска является увеличение выдержки при высоком отпуске или формирование смешанных микроструктур при закалке: наличие нижнего бейнита в количестве не более 10 % (прерывистая закалка) или избыточного феррита в виде прослоек (межкритическая закалка), разделяющих участки мартенсита. Положительный эффект от формирования смешанных микроструктур достигается при условии измельчения исходного зерна аустенита путем проведения закалки с температуры выше Ас3, в случае межкритической закалки это проведение предварительной полной закалки.
6. В результате опытно-промышленного опробования в условиях ОАО «СинТЗ» разработаны новые хромомарганцевые борсодержащие марки стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА и режимы термической обработки труб с обеспечением требуемого уровня механических свойств групп прочности М (Р110), Р125, Р (Р135) (о, 724.1134 МПа) во всем диапазоне толщин стенок до 30 мм.
7. Изготовлены промышленные партии бесшовных труб нефтяного сортамента с толщиной стенки от 7,7 до 19 мм (110,4 тн) из борсодержащих марок стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА. Выделен сортамент труб, выпускаемых ОАО «СинТЗ», для которого целесообразно применение микролегирования бором. Ожидаемый экономический эффект, рассчитанный исходя из годового объема производства труб данного сортамента, составляет 34 млн. рублей.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
