CC BY
0к.т.н. Куберский С. В.
(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР, skuberskiy@yandex.ru),
Великоцкий Р. Е.
(филиал № 1 «АМК» ООО «ЮГМК», г. Алчевск, ЛНР)
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МИКРОСТРУКТУРЫ ТРУБНОЙ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К60 НА ЕЕ ХЛАДОСТОЙКОСТЬ
В работе исследовано влияние углерода и микроструктуры на низкотемпературную вязкость трубной стали класса прочности К60. Установлены зависимости между содержанием углерода, морфологией цементита, перитектической реакцией и хладостойкостью. Предложен концентрационный интервал содержания углерода для стабилизации удовлетворительной хла-достойкости.
Ключевые слова: сталь К60, хладостойкость, углерод, морфология, цементит, перитекти-ческое превращение, сегрегация, атомарный водород, феррито-перлитная структура, бейнит, коллектор.
УДК 621.774.04
Повышенное содержание углерода в малоуглеродистой низколегированной стали высокой категории прочности негативно влияет на её низкотемпературную вязкость, а следовательно, и на хладостойкость [1, 2]. Особенно актуальна эта проблема для сталей, используемых при изготовлении магистральных труб высокого давления [3].
Для стабилизации хладостойкости на уровне >80 % количества вязкой составляющей (КВС) при испытании падающим грузом (ИП1 ) рекомендуется снижать в этих сталях содержание ликватов, углерода и карбидообразующих элементов [4]. Процессы дегазации стали в жидком и твёрдом состоянии также являются превалирующими для температурной минимизации порога хладноломкости (Т50) [5]. Термомеханический контролируемый процесс (ТМКП) предусматривает создание определенной микроструктуры и фазового состава металла с целью уменьшения размеров действительного зерна, повышения дифференцировки структурных и фазовых составляющих, а также сферои-дизации субструктур [6].
Анализируя микроструктуру металла, необходимо отметить, что формирование цементита пластинчатой морфологии фер-
рито-перлитного класса может быть причиной образования низкотемпературных трещин и распространения интеркристаллического типа излома по телу зерна, а сегрегационные процессы по сечению литого сляба усиливаются перитектической реакцией [7].
Поэтому для обеспечения класса прочности трубной стали К65 и выше необходима феррито-бейнитная структура металла, которую обеспечивают дополнительным микролегированием ванадием, молибденом, ниобием и др., что усложняет технологическую схему производства металлопродукции и увеличивает ее себестоимость.
В то же время для обеспечения механических характеристик металла по временному сопротивлению в пределах 590-690 МПа и относительному удлинению не менее 22 % нет необходимости в обеспечении ферри-то-бейнитного класса стали с дополнительным образованием микроструктур ме-тастабильного состава, формируемых по бейнитному или мартенситному типу.
Как правило, феррито-перлитная структура обеспечивает практически весь комплекс механических характеристик стали К60, за исключением хладостойкости, что позволяет отказаться от использования
микролегирующих добавок с целью управления процессом структурообразования.
Анализ качества толстолистового проката из стали К60 после ТМКП и ускоренного охлаждения в условиях Алчевского металлургического комбината (АМК) показал (табл. 1), что наибольшее количество брака обусловлено отклонениями от установленных норм по хладостойкости и составляет около 5,8 % от объемов произведенной металлопродукции. Поэтому особое внимание при производстве указанных сталей необходимо уделять величине КВС после ИП1, величина которой должна быть не менее 80 %.
Основная цель настоящей работы предусматривала определение закономерностей влияния углерода, морфологии цементита и перитектической реакции на хладостойкость трубной стали класса прочности К60.
Объект исследования — процессы структурообразования и механические свойства стали К60.
Предмет исследования — влияние содержания углерода и микроструктуры стали К60 на ее хладостойкость.
Задачи исследования:
- определить содержание углерода в исследуемой стали, при котором обеспечиваются стабильные значения низкотемпературной вязкости (НТВ) и удовлетворительная хладостойкость;
- проанализировать влияние перитекти-ческой реакции на развитие сегрегационных процессов в металле литого сляба и, как следствие, на хладостойкость;
- охарактеризовать влияние морфологии цементита на процесс водородного ох-рупчивания стали.
В работе представлены результаты исследований, основанные на корреляционно-регрессионном анализе и микроструктурных исследованиях.
Для выполнения поставленных в работе задач было проанализировано 210 плавок стали К60 (1000 листов, 1230 слябов), произведённых на АМК в течение 10 лет.
Таблица 1 Процент отбраковки по механическим свойствам толстого листа из стали К60
Ств СТт KCV-20 ИПГ сТ/сВ Р i см
0,4 1,7 0 5,8 0,1 0
Исследуемую сталь выплавляли в кислородном конвертере комбинированного дутья емкостью 300 т и разливали на двух-ручьевой МНЛЗ на слябы сечением 220^1200 мм. ТМКП производили на стане «3000» в соответствии с техническими условиями «Прокат толстолистовой из низколегированной стали классов прочности К52-К60 и Х56-Х70 для электросварных труб на рабочее давление от 5,4 до 7,4 МПа» (ТУ 14-1-5493-2004).
Определение КВС выполняли при ИПГ стандартных образцов из стали К60 с прессованным надрезом по ГОСТ 30456-97 при температуре -20 °С на копре УМУ-10000.
Определение химического состава образцов горячекатаной толстолистовой стали К60 выполняли спектральным методом на установке Spectrolab. Для идентификации микроструктур при металлографическом исследовании применяли оптический микроскоп Neophot-21.
Микроструктуру протравленных шлифов исследуемой стали анализировали с использованием растрового электронного микроскопа Ultra 55 фирмы Carl Zeiss.
Влияние углерода на балл центральной сегрегации в непрерывнолитых слябах, оценивали по критерию Маннесманна (ЦСМ).
Исследование качества стали К60 показало, что весь брак по хладостойкости наблюдается при содержании углерода в диапазоне 0,10-0,12 %, а при содержании углерода 0,09 % отбраковка стали по этому параметру отсутствовала (рис. 1).
На рисунке 2 представлены зависимости между содержанием углерода в исследуемой стали и величиной КВС при ИПГ, свидетельствующие об ухудшении хладостой-кости с увеличением содержания углерода.
Это можно объяснить перитектическим превращением, которое имеет место при
Металлургия и материаловедение
содержании углерода >0,1 % и негативно влияет на хладостойкость. Причем данные рисунка 1 свидетельствуют о том, что практически 70 % брака приходится на содержание углерода 0,1 %, при котором как раз и начинается перитектическая реакция, способствующая увеличению доли перлита и размера зерна.
Предложенная гипотеза подтверждается результатами металлографических исследований, которые позволили установить, что увеличение содержания углерода в стали К60 феррито-перлитного класса с 0,09 % до 0,12 %, характеризуется снижением балла зерна (с 11-12 до 9-10 балла) и увеличением объёмной доли перлита, негативно влияющего на хладостойкость (рис. 3).
Поэтому для снижения брака по хладо-стойкости необходимо иметь содержание углерода в стали К60 менее 0,1 %, которое находится левее точки Н на диаграмме состояния Fe-C [8].
: 3
4 1
3,4 ■
1.2 1.2
0 1 ■
0,09
0,1 0,11 0,12 Углерод, %
Рисунок 1 Брак по хладостойкости в зависимости от содержания углерода
100 90
30
э441
о 395
"О 105
80
70 У = -197,2x + 116,1
60 R2 = 0,65
50 34
40 y = -593,5x + 108,08
R2 = 0,91 12
0,08 0,09 0,1 0,11 0,12
Содержание углерода, % ° Все • Отбракованные
0,13
Цифры у точек — количество исследованных образцов
Рисунок 2 Влияние содержания углерода на хладостойкость стали
а б
а — [С] = 0,09 %; б — [С] = 0,12 %
Рисунок 3 Влияние содержания углерода на микроструктуру стали К60
Как было отмечено выше, увеличение дисперсности и сфероидизации карбидов за счёт ускоренного охлаждения после окончания ТМКП повышает уровень КВС при ИПГ, а также смещает интервал хрупкости в сторону более низких температур.
Микроструктурный анализ 50-ти плавок стали К60, имеющих удовлетворительную хладостойкость, показал, что для их микроструктуры характерна сфероидизация карбидных фаз (рис. 4) и, в частности, изменение морфологии цементита с пластинчатой на зернистую (бейнит реечного типа).
Исследованные в работе образцы стали К60, в которых преобладали цементитные сфероидизированные фазы, имели КВС при ИПГ на уровне 95-100 %, а в случае пластинчатой морфологии, свойственной отбракованному металлу, эта величина была ниже 80 %.
Бейнит реечного типа
Феррит
Рисунок 4 Микроструктура стали К60
Негативное влияние перитектического превращения связано с развитием ликва-ционных процессов (дендритной и зональной ликвации) по телу литого сляба, обусловленных усилением сегрегации ликва-тов, газов, неметаллических включений в междендритном и межзёренном пространстве (по границам зерен), а также захватом атомарного водорода межфазными границами «феррит/цементит» в перлите.
При содержании углерода менее 0,1 % балл ЦСМ в литых слябах снижается примерно в 1,5 раза (рис. 5), что, безусловно, свидетельствует о негативном влиянии пе-ритектической реакции на хладостойкость стали.
В настоящее время для многих производителей металлопродукции характерна тенденция значительного снижения содержания углерода (~0,03-0,06 %) в трубных сталях высокого класса прочности (Х70 и выше), что обусловлено, прежде всего, стремлением подавить эвтектоидное превращение, идущее по диффузионному механизму, во избежание получения в структуре стали цементита пластинчатой морфологии. Это, безусловно, имеет некоторые преимущества, связанные с увеличением пластичности и вязкости металла, но прочность стали снижается. Поэтому для устранения негативного влияния углерода на хладостойкость стали К60 ферри-то-перлитного класса и обеспечения ее требуемой прочности достаточно снижение концентрации углерода до 0,08 %.
0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13
С, %
Рисунок 5 Влияние [C] на балл ЦСМ в непрерывнолитых слябах стали К60
Пластинчатая морфология цементита (рис. 6) выступает в роли коллекторов или скопления атомарного, а затем молекулярного водорода и метана на межфазной границе «твёрдый раствор a-Fe — Fe3C».
До начала эвтектоидного превращения водород находится преимущественно в виде атомов с обобществлёнными электронами (металлический вид связи). Скорее всего, при абсорбции водорода между атомами железа, а также легирующими элементами возникают силы металлической связи, вызванные коллективизацией валентных электронов, где часть электронов водорода заполняет дырки в валентных зонах y-Fe (J-зоне).
В температурном интервале от солидус (~1490 °С) до реализации эвтектоидной реакции (~720 °С) атомарный водород адсорбируется к поверхности сляба из аустенита однофазной области, а также из феррита — в двухфазной области. На межфазной границе «феррит/цементит» образуется скопление метана, называемое коллектором. С появлением карбида железа (Fe3C) оставшийся в металле атомарный водород молизуется, создавая коллекторы, а также гидрируясь в метан. Образование метана происходит непосредственно при формировании цементитной пластины по диффузионному механизму. Давление метана в коллекторе постоянно растёт в связи с образованием новых порций CH4, что вызывает в металле на границе коллектора с металлической матрицей напряжения II, а также Ш рода, которые в дальнейшем инициируют резкое снижение низкотемпературной вязкости. По-видимому, давление газа в коллекторах, превышающее модуль упругости, ещё больше искажает кристаллическую решётку в приграничной зоне «коллектор/металлическая матрица», повышая напряжения металла, и, как следствие, способствует охрупчиванию стали.
Таким образом, после реализации в стали эвтектоидного превращения водород находится преимущественно в молизованном и гидрированном состоянии, располагаясь в микрообъёмах (коллекторах), на межфазной границе «цементит/феррит» (рис. 7).
Металлургия и материаловедение
Рисунок 6 Цементит пластинчатой морфологии на границе феррита стали К60
X
Коллектор
\ > Л I мкм
Рисунок 7 Коллектор на межфазной границе «цементит/феррит» в стали К60
Поэтому с точки зрения микроструктуры стали необходимо обеспечивать ее феррито-перлитную морфологию за счет ограничения содержания углерода и про-тивофлокеновой обработки.
Существенное влияние на хладостой-кость магистральных труб высокого давления оказывает соотношение Мп/С [3]. По мнению авторов работы [1], для низкоуглеродистых ([С] < 0,2 %) среднемарган-цевых сталей наивысшая хладостойкость обеспечивается при величине Мп/С = 8-10.
На рисунке 8 показано влияние отношения Мп/С на КВС после ИП1 для исследованного массива данных стали К60,
имеющих удовлетворительную хладостой-кость и отбракованных по этому показателю. Величина отношения Мп/С находилась в пределах 12,92-17,56, что значительно выше значений, рекомендованных работой [1]. Тем не менее, в этом диапазоне отношения Мп/С находятся как удовлетворительные по хладостойкости образцы, так и отбракованные.
Поэтому можно утверждать, что увеличение отношения Мп/С позитивно влияет на хладостойкость, но не является основным фактором, обеспечивающим значение этого параметра на уровне >80 %.
Исходя из установленных закономерностей о влиянии углерода на хладостой-кость, можно предложить технологические рекомендации, заключающиеся в ограничении концентрации углерода в стали К60 феррито-перлитного класса на уровне <0,1 %, т. к. более высокое его содержание оказывает негативное влияние на балл зерна и объёмную долю перлитной составляющей (рис. 4), что обусловлено протеканием перитектической реакции.
Внедрение в производство результатов исследований по влиянию углерода, морфологии цементита и перитектической реакции на хладостойкость позволило устранить брак по количеству вязкой составляющей при испытании падающим грузом, а также стабилизировать хладостойкость стали К60 феррито-перлитного класса на уровне 80-100 % КВС.
100 90
= 80
£
О 70 И
И 60 50 40 30
12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17 17,5 Отношение Мп/С • Без брака 0 Отбракованные
Рисунок 8 Зависимости между Мп/С и КВС
9"' 370 412 42 59
93 У = -0,7871л2 + 25,479x - 106,67 R2 = 0,88
y = 3,4521л2 97,47x + 726,62 0 25
R2 = 0,38 012 0 9
°12
Выполненные в работе исследования позволили сделать следующие основные выводы:
1. Впервые показано, что негативное влияние на хладостойкость стали К60 феррито-перлитного класса углерод оказывает при его содержании 0,10-0,12 %. Причем наибольшее количество брака по этому параметру характерно содержанию углерода 0,1 %, при котором начинается реакция перитектического превращения. В этих условиях получают развитие лик-вационные процессы, обусловленные увеличением микросегрегации ликватов, газов и неметаллических включений, а также захватом атомарного водорода на межфазной границе «цементит/феррит» в перлите.
2. Установлено, что увеличение соотношения Мп/С позитивно влияет на хладо-стойкость но не является основным факто-
Библиографический список
ром, обеспечивающим значение этого параметра на уровне >80 %.
3. Пластинчатая морфология цементита выступает в роли коллекторов на межфазной границе «твёрдый раствор ОЦК-Ре — FeзC». Поэтому изменение морфологии цементита с пластинчатой на зернистую (бейнит реечного типа) будет способствовать повышению хладостойкости.
4. Использование результатов исследований при производстве трубной стали К60 в условиях АМК обеспечило величину КВС при ИП1 >80 % и позволило устранить брак по хладостойкости.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение влияния содержания микродобавок в стали К60 на ее хладо-стойкость, а также эвтектоидного превращения на механизм молизации атомарного водорода после приобретения металлом необратимой водородной хрупкости.
1. Шульте, Ю. А. Хладостойкие стали [Текст] /Ю. А. Шульте. — М. : Металлургия, 1970. — С. 224.
2. Носоченко, А. О. Исследование влияния углерода на центральную химическую и структурную неоднородность и комплекс свойств низколегированных трубных сталей [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 /Носоченко Александр Олегович. — Москва, 2003. — 25 с.
3. Матросов, Ю. И. Сталь для магистральных газопроводов [Текст] / Ю. И. Матросов, Д. А. Литвиненко, С. А. Голованенко. — М. : Металлургия, 1989. — 288 с.
4. Вышемирский, Д. Е. Обоснование критического значения эквивалента углерода на основе оценки свариваемости сталей для труб класса прочности К65 и К70 [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.02.10 /Вышемирский Дмитрий Евгеньевич. — Москва, 2017. — 28 с.
5. Смирнов, Л. И. Диффузия и закономерности поведения водородной подсистемы в системах металл — водород [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 01.04.07 /Смирнов Леонид Иванович. — Москва, 2003. — 38 с.
6. Соловьёв, Д. М. Влияние способа формовки нефтегазопроводных труб большого диаметра класса прочности К60 на процессы деформационного старения и сопротивления разрушению [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 / Соловьёв Дмитрий Михайлович. — М. : ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина», 2015. — 27 с.
7. Кузнеченко, Я. С. Центральная сегрегационная неоднородность и сопротивление водородному растрескиванию листов из трубных сталей. Часть 1. Влияние химического состава [Текст] / Я. С. Кузнеченко, И. П. Шабалов, А. А. Холодный // Проблемы черной металлургии и материаловедения. — 2017. — № 2. — С. 45-57.
8. Семенюк, П. П. Металловедческие закономерности влияния углерода, марганца и кремния на хладостойкость трубной марки стали К60 [Текст] / П. П. Семенюк, Е. В. Кумуржи, Р. Е. Великоцкий, А. Г. Кравченко, Н. А. Румянцева // Чёрная металлургия : бюллетень научно-технической и экономической информации. — 2017. — № 4. — С. 80-85.
© Куберский С. В.
© Великоцкий Р. Е.
Металлургия и материаловедение
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. МЧМДонГТИДолжиковым В. В., начальником ЦЛК филиала № 1 «АМК» ООО «ЮГМК» Швец Д. В.
Статья поступила в редакцию 04.10.2021.
PhD in Engineering Kuberskiy S. V. (DonSTI, Alchevsk, LPR, skuberskiy@yandex.ru), Velikotskiy R. E. (branch № 1 "Alchevsk Iron-and-Steel Works " OOO "Southern Mining and Metallurgical Enterprise ")
INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOSITION AND MICROSTRUCTURE OF PIPE STEEL STRENGTH CLASS K60 ON ITS COLD RESISTANCE
The paper investigated the effect of carbon and microstructure on the low-temperature viscosity of pipe steel strength class K60. Dependences between carbon content, morphology of cement carbide, peritectic reaction and cold resistance are determined. A concentration range of carbon content is proposed to stabilize a satisfactory cold resistance.
Key words: K60 steel, cold resistance, carbon, morphology, cement carbide, peritectic transformation, segregation, atomic hydrogen, ferrite-pearlite structure, bainite, collector.
