Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 6
1.1 Влияние химического состава на устойчивость переохлажденного аустенита среднеуглеродистой стали 6
1.1.1 Влияние основных легирующих элементов 6
1.1.2 Роль микролегирующих элементов 8
1.1.3 Особенности микролегирования бором 9
1.2 Влияние химического состава на закономерности отпуска закаленной среднеуглеродистой стали 14
1.2.1 Влияние карбидообразующих легирующих элементов 14
1.2.2 Особенности микролегирования бором и отпускная хрупкость 15
1.3 Упрочнение нарезных труб нефтяного сортамента по средствам закалки с отпуском 26
1.3.1 Особенности термической обработки труб 26
1.3.2 Влияние химического состава и структуры металла на комплекс механических и эксплуатационных свойств 28
1.4 Постановка задачи исследования 36
2. Материалы и методики исследования 38
2.1 Материалы и технология обработки 38
2.2 Методики эксперимента 44
3. Исследование хромомарганцевых марок стали с различной системой легирования и микролегирования в закаленном состоянии 49
3.1 Оценка устойчивости переохлажденного аустенита и прокаливаемости в лабораторных условиях 49
3.2 Изучение особенностей охлаждения труб в спрейере и анализ полученных результатов 64
3.3 Исследование микроструктуры борсодержащих марок стали в закаленном состоянии 75
4. Исследование хромомарганцевых марок стали с различной системой легирования и микролегирования после закалки с отпуском 85
4.1 Анализ механических свойств в зависимости от температурно-временных параметров нагрева при отпуске 85
4.2 Оценка хладостойкости и склонности к отпускной хрупкости 93
4.3 Кинетика отпускной хрупкости 108
4.4 Исследование влияния смешанных структур на хладостойкость и склонность к отпускной хрупкости
4.4.1 Особенности межкритической закалки с отпуском 124
4.4.2 Особенности изотермической закалки с отпуском 132
5. Исследование механических свойств борсодержащих марок стали в трубах после термической обработки в промышленных условиях 149
5.1 Отработка технологии термической обработки труб и анализ механических свойств 150
5.2 Изготовление опытно-промышленных партий и разработка рекомендаций к производству труб нефтяного сортамента 167
Заключение 174
Библиографический список
- Особенности микролегирования бором
- Упрочнение нарезных труб нефтяного сортамента по средствам закалки с отпуском
- Изучение особенностей охлаждения труб в спрейере и анализ полученных результатов
- Исследование влияния смешанных структур на хладостойкость и склонность к отпускной хрупкости
Введение к работе
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 %, S < 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 хладостойкое, определяемой по критерию КС V > 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 (S < 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 Асз, 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 та) 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 S < 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 X 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.
Особенности микролегирования бором
В результате проведения отпуска закаленной стали при оптимальных параметрах - температура, время выдержки и, во многих случаях, скорость охлаждения - формируется высокий комплекс прочности и ударной вязкости.
Практика изготовления высокопрочных труб из хромомарганцевых марок стали с легирующими добавками молибдена и ванадия показала, что достижение высокой конструктивной прочности в результате улучшения достигается путем проведения высокотемпературного отпуска [13, 14]. Однако, проведение отпуска в субкритическом интервале температур в условиях массового производства опасно, с точки зрения, гарантированного отсутствия перегрева стали выше критической точки Ас,.
Основной процесс отпуска - распад мартенсита с выделением карбидов [3, 15 и др] происходит постепенно при нагреве углеродистой стали до 300 С, а легированной до 450...500 С. Исследования [16] показали, что во многих конструкционных марках стали с температурой начала мартенситного превращения 250...300 С частичный распад мартенсита (самоотпуск) наблюдается уже во время охлаждения при закалке. При содержании углерода 0,5 % количество мартенсита самоотпуска достигает почти 70 %. Легирующие элементы мало влияют на кинетику первой стадии распада, но могут существенно задерживать вторую стадию распада из-за понижения термодинамической активности углерода и атомов металлов в твердом растворе. И чем сильнее карбидообразующая способность элемента (Сг, Мо, W, V, Nb, Ті), тем при более высокой температуре проявляется его задерживающее влияние.
Из некарбидообразующих элементов устойчивость против отпуска повышает только кремний. Алюминий, фосфор и сера в обычных для конструкционной стали количествах не оказывают существенного влияния на устойчивость против отпуска.
На второй стадии распада при температурах более 450...500 С, когда становится возможным протекание диффузионных процессов, происходит перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой. Возможное образование специальных карбидов связано с измельчением карбидной фазы, что вместе с задержкой разупрочнения матрицы вызывает вторичное твердение. Последующее увеличение температуры отпуска активирует процесс коагуляции карбидных частиц.
Легирующие элементы сдерживают процессы полигонизации и рекристаллизации при отпуске из-за торможения диффузионных процессов и закрепления дислокаций и структурных границ трудно коагулирующими дисперсными частицами специальных карбидов [16, 17]. Например, при наличии высокодисперсных карбидов ниобия и титана, которые образуются при небольшом содержании этих добавок в стали (до 0,1 %). Замедляющее влияние карбидообразующих элементов на процессы коагуляции и рекристаллизации способствует сохранению высокой твердости стали после высоких температур отпуска.
Закалка с высоким отпуском благоприятно влияют на комплекс механических свойств и, особенно, на ударную вязкость. Однако это не относится к маркам стали склонным к отпускной хрупкости.
На рисунке 1.4 схематично показано изменение прочности и ударной вязкости при охрупчивание в зависимости от температуры отпуска [18]. Существует две температурные зоны отпуска, в которых появляется хрупкость: первая 250...400 С и вторая 450...600 С. Узкий интервал температур отпуска, в котором хрупкость не проявляется, как правило, отсутствует у многих марок стали, и тогда обнаруживается одна широкая температурная область, после попадания в которую ударная вязкость стали снижается [17]. Температурная область охрупчивания может находится в интервале от 250 С до критической точки Ась температура максимального охрупчивания для разных марок стали различна [3].
Рисунок 1.4 Влияние температуры отпуска на прочность и ударную вязкость конструкционной закаленной стали (схема), [18]
Хрупкость, развивающаяся в интервале температур 250...400 С, свойственна в той или иной мере всем маркам стали, охрупчивание необратимо и скорость охлаждения после отпуска не влияет на развитие данного вида хрупкости.
Хрупкость, наблюдаемая в результате отпуска в интервале температур 450...600 С, обнаруживается в тех случаях, когда сталь в процессе медленного охлаждения или специальной выдержки пребывает определенное время в данном интервале температур. Наоборот, в случае ускоренного охлаждения стали хрупкость или не возникает, или резко снижается. Существенным признаком этого вида хрупкости является ее обратимость. Если сталь, охрупченную в результате отпуска выше 600 С с последующим медленным охлаждением, вновь нагреть до температур выше 600 С и быстро охладить, то ударная вязкость восстанавливается. Если после этого сталь вновь попадает в опасный интервал температур отпуска, то она повторно охрупчивается. Новый нагрев выше 600 С с быстрым охлаждением устраняет хрупкость и т.д. Поэтому данное явление называют обратимой отпускной хрупкостью. Отпускная хрупкость проявляется в снижение ударной вязкости, на другие механические свойства при комнатной температуре она практически не влияет. Ударная вязкость - характеристика наиболее структурно-чувствительная, зависящая от фазовых превращений в стали, а также состояния межзеренных границ.
Для оценки температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое (Тч), называемой также критической температурой хрупкости и порогом хладноломкости, используют разные критерии: температуру достижения определенного уровня ударной вязкости; верхнюю границу или температуру середины переходного интервала; температуру, при которой 50 % излома занято вязкой (волокнистой) составляющей.
Склонность конструкционной стали к отпускной хрупкости зависит от химического состава, чистоты по содержанию вредных примесей и режима термической обработки.
В результате изучения отпускной хрупкости наибольшее развитие и признание получила теория сегрегации вредных примесей: Р, As, Sn, Sb по границам зерен, приводящая к ослаблению межзеренного сцепления [3, 16, 17 идр].
Примеси цветных металлов (As, Sn, Sb, Pb, В і), обладая меньшей растворимостью в твердом железе, чем в жидком, характеризуются значительной способностью к ликвации в процессе кристаллизации металла. Кроме того, они имеют низкую температуру плавления. Вследствие этого основное количество присутствующих в стали примесей цветных металлов находится в междендритных областях, по границам зерен в виде самостоятельной фазы.
Упрочнение нарезных труб нефтяного сортамента по средствам закалки с отпуском
Положение критических точек фазовых превращений оценивали методом отрыва касательной при отклонении от монотонного хода кривой теплового расширения испытуемого образца. Комплексные добавки карбидообразующих элементов Nb, V, Mo не оказывают значительного влияния на положение критических точек при нагреве.
Значения критических точек борсодержащих марок стали, определенные путем дилатометрических исследований согласуются с результатами проведенной дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) при нагреве до температуры 900 С со скоростью 10 С/мин (рис. 3.3). Кривые нагрева для марок стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА и 32ХГМФРА идентичны: наблюдается один эндотермический эффект, обусловленный а —» у превращением, расположенный в интервале температур 755-815 С.
При одинаковой Мп-Cr основе легирования, молибденсодержащая марка стали 32ХГМА (0,33 % Мо) обладает в 2 раза большей критической скоростью охлаждения (10 С/с), чем борсодержащая марка стали 32ХГМРА, легированная молибденом в количестве 0,16 %. При охлаждении ниже критической скорости феррито-перлитное превращение протекает не полностью и непревращенная часть аустенита претерпевает бейнитное превращение. Так для марок стали 32ХБРА, 32ХФРА при скорости охлаждения 1 С/с распад переохлажденного аустенита протекает как в перлитной области, так и в бейнитной и мартенситной областях, чему соответствует наличие дилатометрических эффектов при температурах 510 С и 270 С, соответственно. Металлографическими исследованиями обнаружены участки избыточного феррита и бейнита (рис. 3.4).
Легирующие добавки молибдена в количестве 0,16 % в борсодержащих марках стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА повышают устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения (рис. 3.1 в, г). При охлаждении со скоростью 1 С/с формируется бейнитная структура и наблюдаются отдельные зерна избыточного феррита в количестве не более 3 % (рис. 3.5). Аналогично протекает превращение аустенита в марке стали 32ХГМА, легированной молибденом 0,33 %. при охлаждении с малыми скоростями.
Промежуточное превращение развивается в широком диапазоне скоростей охлаждения, что является характерным для высокопрочных марок стали [1, 16]. Для марки стали 32ХГМА, назначение которой изготовление высокопрочных труб с пределом текучести более 724 МПа, бейнитное превращение реализуется в диапазоне скоростей охлаждения 1...10 С/с. Оценка микроструктуры после охлаждения со скоростью, которая определена как критическая по результатам дилатометрических исследований, и выше свидетельствует о формировании мартенситной структуры металла исследуемых образцов.
Марки стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА и 32ХГМА согласно проведенному анализу ТКД следует отнести к группе высокопрочных марок стали, обладающих бейнитной прокаливаемостью [1, 96].
Стандартами, предусматривающими поставку борсодержащих марок стали (ГОСТ 4543-71, DIN EN 10083) вводится требование обеспечения прокаливаемости материала в диапазоне предельных значений величин твердости по длине торцевого образца (полосы прокаливаемости). Допускается определение прокаливаемости расчетными методами. Критерием при анализе кривых прокаливаемости является эффективное расстояние от охлаждаемого торца до зоны с полумартенситнои твердостью, а также с твердостью отвечающей содержанию не менее 90 % и 95 % мартенсита. По кривой прокаливаемости снижение твердости по высоте торцевого образца свидетельствует об увеличении содержания немартенситных продуктов распада аустенита при охлаждении.
Результаты оценки прокаливаемости экспериментальных борсодержащих марок стали приведены на рисунке 3.6 и в таблице 3.2.
Кривые прокаливаемости экспериментальных марок стали имеют слабо выраженное падение и лежат в пределах расчетной области по ASTM А255-2010, выделенной пунктирными линиями, что свидетельствует о присутствии бора в «активной» форме. Границы расчетной области (пунктирные линии) отвечают кривой прокаливаемости для данного химического состава с учетом положительного влияния добавок бора - верхняя линия и без добавок бора -нижняя линия. Кривая прокаливаемости рассчитывается при условии полного перехода легирующих элементов при аустенитизации в у - твердый раствор и идеальной охлаждающей среды, отнимающей тепло с бесконечно большой скоростью. Контрольные испытания должны быть максимально приближены к поставленным условиям [2].
Наличие в стали 0,16 % молибдена усиливает воздействие бора на прокаливаемость. Так при торцевой закалке с температур аустенитизации 870...930 С (время нагрева под закалку 60 минут) эффективное расстояние до полумартенситнои зоны составляет в борсодержащих марках стали 32ХБРА и 32ХФРА 21 - 38,5 мм и 24 - 35,5 мм, соответственно, 32ХГМРА и 32ХГМФРА 51 мм и более 53 мм, соответственно. 32ХБРА D - идеальный критический диаметр, D Л фф - расстояние от охлаждаемого TopL їв - идеальный критический диаметр с учетом добавок бораja до зоны, в структуре металла которой содержится 50, 90 и 95 % мартенсита Результаты торцевой закалки показали, что эффективность введения бора увеличивается с повышением температуры аустенитизации. Так, кривые прокаливаемости марок стали 32ХБРА, 32ХФРА с температуры закалки 930 С лежат выше, чем с более низких температур 870 С, 900 С. Эффективное расстояние от охлаждаемого торца до зоны, отвечающей содержанию мартенсита не менее 95 %, увеличивается в 2 раза при повышении температуры аустенитизации с 870 С (6 мм) до 930 С (12 - 13 мм).
При повышении температуры нагрева металла под закалку наряду с гомогенизацией у - раствора может происходить и рост зерна аустенита, что ухудшает механические свойства и особенно вязкость стали. Установлено [13, 14], что в интервале температур нагрева 850...985 С низколегированные Мп-Сг-Мо стали не склонны к перегреву, средний условный диаметр зерна аустенита сохраняется на уровне 10...20 мкм. Применительно к экспериментальным борсодержащим маркам стали Мп-Сг-В дополнительное микролегирование карбидо- и нитридообразующими элементами (ванадием, ниобием, титаном) подавляет рост зерна аустенита при нагреве в течении 60 минут до температуры 950 С, размер которого составляет 10-15 мкм (9-10 балл). При нагреве выше 950 С наблюдается равномерный рост зерна аустенита, достигающий при температуре 1200 С по шкале 4-5 балл (до 80 мкм).
Обработка статистических данных в рамках стандарта ASTM А255-2010 подтверждает, что основная доля плавок (0,10-0,70 % С; 0,50-1,65 % Мп; 0,15-0,60 % Si; Ni 1,50 % и Cr 1,35 %) имеет размер зерна аустенита не крупнее 7 балла, поскольку «большинство сталей, подвергаемых контролю на прокаливаемость, выплавляются по технологии получения мелкого зерна». При этом для стали с углеродом 0,25...0,35 % включительно устанавливается рабочий диапазон температур нагрева под закалку 815...870 С [2]... 900 С [5, 6], в том числе и для стали с микролегирующими добавками бора в количестве 0,001...0,005 % (900 С для марки стали 27ХГР, 880 С для марки стали ЗЗМпСгВ5-2).
Изучение особенностей охлаждения труб в спрейере и анализ полученных результатов
На рисунке 4.7 приведены результаты оценки влияния скорости охлаждения после отпуска на работу удара образцов из хромомарганцевой марки стали 32ХГ и марок стали с различными системами дополнительного легирования 32ХГМА (0,33 % Мо), 32ХБРА (0,08 % Nb + 0,003 % В), 32ХГМРА (0,16 % Мо + 0,003 % В) при температурах испытания 0 С и минус 60 С. Режим термической обработки: закалка 870 С и отпуск 640 С в течение 50 минут был выбран из расчета получения мартенситной структуры при закалке и проведения отпуска при температуре выше предполагаемого интервала отпускной хрупкости. Полученный уровень механических свойств (ов, от, 55) удовлетворяет требованиям групп прочности М (Р110), значения твердости приведены на рисунке 4.7.
В результате отпуска при температуре 640 С с разными скоростями последующего охлаждения, каких-либо изменений в механических свойствах, помимо снижения ударной вязкости, не обнаружено. Важно отметить, что степень проявления отпускной хрупкости зависит от температуры испытания на ударный изгиб.
Для хромомарганцевой марки стали 32ХГ (рис. 4.7, а), отличающейся от других исследуемых марок стали отсутствием введения дополнительного легирования, снижение работы удара при снижении скорости охлаждения после отпуска составило в среднем 15 % и 25 % на спокойном воздухе и с печью по сравнению с ускоренным охлаждением в воде, соответственно. Снижение температуры испытания до минус 60 С приводит к увеличению степени охрупчивания примерно в 1,5 раза, при переходе от ускоренного охлаждения в воде к охлаждению на спокойном воздухе и с печью снижение работы удара составило в среднем 20 % и 40 %, соответственно.
Для борсодержащей марки стали 32ХБРА (рис. 4.7, б) при температуре испытания 0 С четко выражена зависимость работы удара от режима охлаждения после отпуска, так ускоренное охлаждение в воде привело к увеличению значений работы разрушения в среднем на 50 % и 67 % по сравнению с охлаждением на спокойном воздухе и с печью, соответственно.
При снижении температуры испытания степень проявления отпускной хрупкости сохраняется. Более высокая степень охрупчивания марки стали 32ХБРА может быть обусловлена различиями в химическом составе, а именно марка стали 32ХБРА отличается от марки стали 32ХГ повышенным содержанием хрома (1,37 % против 1,0 %) и наличием микролегирующих добавок ниобия (0,08 %) и бора (0,003 %). Из имеющегося опыта [3] для марок стали несклонных к отпускной хрупкости добавка бора до 0,0034 % не приводит к охрупчиванию. В данном случае основа легирования -хромомарганцевая марка стали 32ХГ сама по себе подвержена отпускной хрупкости и добавка бора в количестве 0,003 % усиливает степень проявления отпускной хрупкости после закалки с отпуском.
Для марок стали с легирующими добавками молибдена 32ХГМА и 32ХГМРА (рис. 4.7, в) проведение испытаний на ударный изгиб при температуре испытания 0 С не позволяет установить факт заметного развития отпускной хрупкости. Снижение температуры испытания до минус 60 С показало, что ускоренное охлаждение в воде приводит к увеличению работы удара примерно на 15 % относительно спокойного охлаждения на воздухе для марок стали 32ХГМА, 32ХГМРА, а относительно медленного охлаждения с печью - на 25 % для марки стали 32ХГМА и 40 % для марки стали 32ХГМРА. Для марки стали, по своему составу подверженной отпускной хрупкости, введение молибдена не устраняет развитие отпускной хрупкости, а лишь уменьшает величину снижения ударной вязкости стали и значительно сдвигает ее проявление в область более низких температур испытания.
Следует отметить, что проведение повторного высокого отпуска с последующим ускоренным охлаждением устраняет охрупчивание и восстанавливает значения ударной вязкости до уровня вязкого состояния, наблюдаемого на образцах вообше не подвергающихся охрупчивающей обработке. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что хромомарганцевые марки стали как в «чистом» виде (без введения дополнительного легирования), так при содержании комплексного легирования молибденом и микролегирования ниобием, бором подвержены явлению отпускной хрупкости в разной степени ее проявления и это охрупчивание обратимо.
Проблема отпускной хрупкости была достаточно подробно изучена на примере производства крупногабаритных деталей (поковок) в машиностроении в результате замедленного охлаждения после длительного высокотемпературного отпуска. По сечению массивной заготовки формируется неоднородная структура и, после отпуска механические свойства также неоднородны и зависят от температурно-временного режима охлаждения в каждой точке сечения [16, 24, 69, 70, 71].
Для исследуемых образцов замедленное охлаждение после отпуска вместе с печью условно можно приравнять к охлаждению изделий большого сечения. Конструкционные стали, закаливаемые на мартенсит, в наибольшей степени подвержены охрупчиванию в результате последующего отпуска [22, 24]. Ниже приведены исследования тонкой структуры отпущенного мартенсита в охрупченном состоянии борсодержащей марки стали.
Качественный фазовый анализ по результатам расшифровки кольцевой электронограммы, снятой с образца марки стали 32ХБРА, подвернутого закалке и отпуску при температуре 650 С, 60 минут с последующим замедленным охлаждением с печью, показал наличие одной а - фазы (рис. 4.8). Остаточный аустенит (у - фаза), сохранившийся после закалки в структуре металла, претерпел превращения при отпуске и не был обнаружен.
Исследование влияния смешанных структур на хладостойкость и склонность к отпускной хрупкости
Химический состав марки стали 32ХГМРА обеспечивает требуемый уровень хладостойкости в трубах размером 132,1x19 мм, 159x22,5 мм с результирующими прочностными свойствами групп прочности М (Р110), Л (С95), Е (N80 TnnQ). Для групп прочности М (Р110) значения ударной вязкости KCV - 78,1 Дж/см , 80,7 Дж/см" имеют незначительный запас от нормы 70 Дж/см2.
На марке стали 32ХГМФРА требуемый уровень хладостойкости не достигнут в трубах размером 132,1 х 19 мм, 159x22,5 мм после отпуска 550...700 С. После высокотемпературного отпуска 700 С в течение 70 минут прочностные свойства соответствуют требованиям групп прочности М (Р110), Л и ударная вязкость KCV " составила 62,8 Дж/см , 66,3 Дж/см при норме не менее 70 Дж/см для М (Р110) и не менее 50 Дж/см для Л. Увеличение температуры отпуска до субкритического интервала 720 С (Асі 745 С) позволяет получить группы прочности Л (С95), Е (N80 TnnQ) в хладостойком исполнении, ударная вязкость KCV " составила 81,2 Дж/см , 82,1 Дж/см при норме не менее 50 Дж/см . Дальнейшее повышение температуры нагрева при отпуске опасно, с точки зрения, гарантированного отсутствия перегрева материала выше критической точки Ас і в условиях массового производства труб.
По результатам оценки возможности подавления отпускной хрупкости в лабораторных условиях путем формирования смешанных структур после межкритической или изотермической закалки достигнут положительный результат (г. 4.3). В промышленных условиях проведен эксперимент по схеме двойной закалки с отпуском и прерывистой закалки с отпуском на «толстостенных» трубах, на которых обнаружено проявление отпускной хрупкости: 89х 13 мм для марок стали 32ХБРА, 32ХФРА и 132,1x19 мм, 159x22,5 мм для марок стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА. Схема двойной закалки применительно к существующей организации линий термической обработки труб на СинТЗ включает два цикла обработки: 158 цикл - закалка с температуры выше Ас3 (ty 870 С), охлаждение до температуры менее 100 С (89x13 мм в спрейере, 132,1x19 мм в ванне) и отпуск 550 С; 2 цикл - закалка из межкритического интервала 770 С, охлаждение до температуры менее 100 С (89х 13 мм в спрейере, 132,1х 19 мм в ванне) и отпуск при той температуре, которая обеспечит требуемый уровень прочностных свойств.
В таблице 5.4 приведен уровень механических свойств в трубах размером 89х 13 мм из марок стали 32ХБРА, 32ХФРА после термической обработки по схеме двойной закалки. Обработка по схеме двойной закалки обеспечивает значения ударной вязкости значительно выше (примерно в 3-4 раза), чем после обработки по стандартной схеме закалки с отпуском и позволяет получить группы прочности М (Р110) и ниже с гарантированным выполнением требований к работе удара по API 5СТ, ISO 11960: 2004 и ГОСТ Р 53366 и достичь ударную вязкость, требуемую для труб в хладостойком исполнении.
Схема двойной закалки, несмотря на то, что позволяет снизить склонность сталей к охрупчиванию после отпуска при изготовлении «толстостенных» труб и достигнуть требуемую хладостойкость, является нетехнологичной схемой, поскольку снижает производительность в 2 раза из-за двойной загрузки труб на линию термической обработки. По действующей технологии производства высокопрочных труб в хладостойком исполнении, упрочняемых закалкой с отпуском применяются хромомарганцевые стали легированные молибденом в количестве 0,50.. .0,65 %.
Марка стали Размертруб, мм Режим термической обработки Уровень механических свойств Достигнутаягруппапрочности (температура, время) ов, МПа от, МПа 50,2, % Работа удара (KV), Дж, при температуре 0 С Ударная вязкость (KCV), Дж/см2, при температуре минус 60 С закалка отпуск 32ХБРА 89x13 1-ый цикл 887 890 777 783 21,8 22,0 80,4 95,1 105,3 113,6 М(РПО) Л 870 С, 40 мин,охлаждение вспрейере дотемпературы 100 С 550 С, 50 мин 2-ой цикл 770 С, 40 мин,охлаждение вспрейере дотемпературы 100 С 580 С, 50 мин 32ХФРА 89x13 1-ый цикл 952 951 836 841 20,0 20,0 77,9 68,7 85,0 86,9 М(РПО) Л 870 С, 40 мин,охлаждение вспрейере дотемпературы 100 С 550 С, 50 мин 2-ой цикл 770 С, 40 мин,охлаждение вспрейере дотемпературы 100 С 600 С, 50 мин Требования к механическим свойствам для групп прочности: Л (С95) 758 ( 724) 654-862 (655-758) 12,3 ( Н) ( 41 Дж) 50 Дж/см2 М (Р110) 823 ( 862) 724-921 (758-965) п,з( 12) ( 41 Дж) 70 Дж/см2 Примечание - оценка механических свойств труб производилась после второго цикла обработки.
Борсодержащие марки стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА обеспечивают требуемую прокаливаемость (не менее 90 % мартенсита в структуре) для всего сортамента изготавливаемых труб при одностороннем охлаждении в спрейере с достижением прочных свойств групп прочности от Е (N80 TnnQ) до Р (Q135) после закалки с отпуском. При этом требуемый уровень хладостойкости не достигается при изготовлении «толстостенных» труб. Экономический эффект при внедрении данных сталей обусловлен снижением количества дорогостоящего молибдена с 0,50-0,65 % до 0,15-0,20 %. Требуется определить возможность гарантированного выполнения требований к хладостойкости на борсодержащих марках стали 32ХГМРА. 32ХГМФРА при изготовлении «толстостенных» труб групп прочности М (Р110).
