CZ9901752A3

CZ9901752A3 - Ocel pro žárupevné a vysokopevné tvářené součásti, obzvláště trubky, plechy a výkovky

Info

Publication number: CZ9901752A3
Application number: CZ19991752A
Authority: CZ
Inventors: Václav Ing. Drsc. Foldyna; Tasilo Ing. Prnka; Anna Ing. Jakobová; Kamil Ing. Pětroš; Tomáš Ing. Schellong
Original assignee: Jinpo Plus A. S.
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2001-02-14
Also published as: WO2000070107A1; AU4535700A; SK16492001A3; SK283761B6; WO2000070107B1; CZ293084B6

Description

Ocele pro žárupevné a vysokopevné tvářené součásti, obzvláště trubky, plechy a výkovky.

Předmět vynálezu.

Vynález se týká ocelí pro výrobu žárupevných a vysokopevnostních součástí se zvýšenou plasticitou, pracujících ve vysoce namáhaných strojírenských, energetických a chemických zařízeních při teplotách od - 60°C až do 600°C, např. trubek, plechů a výkovků.

Dosavadní stav techniky,

Žárupevné tvářené součásti, např. kotlové trubky, pracuj ící při zvýšených teplotách až do 600 °C,se dosud vyrábějí buďto z nízkolegovaných chrom - molybden - vanadových (CrMoV) ocelí nebo z chrom - molybdenových ( CrMo ) ocelí.

Používané CrMoV oceli máji následující hmotnostní chemické složení : C = 0,08 až 0,30 %, Mn = 0,4 až 0,7 %, Si = 0,15 až 0,4 %, Cr = 0,3 až 1,7 %, Mo = 0,4 až 1,2 %, V = 0,22 až 0,7 %, Alceik - max. 0,04 %, P - max. 0,04 %, S = max. 0,04 %, zbytek tvoří Fe a nezbytné výrobní nečistoty. Mezi výrobní nečistoty spadal i dusík, jehož hmotnostní množství se pohybovalo v rozmezí N = 0,004 až 0,013 %, a to v závislosti na použitém tavícím agregátu při výrobě oceli, které však nebylo přesně specifikováno .

Při výrobě výrobku, např. trubky, z této oceli, je ocel tvářená za tepla, případně za studená a tepelně zpracovaná. Tepelné zpracování spočívá v normalizačním žíhaní a popouštění, nebo kalení a popouštění. Při ohřevu na teplotu normalizace nebo kalení, což je cca 900 až 1 000°C, dochází k rozpouštění karbidů, ale nemělo by dojít k úplnému rozpuštění karbidů a tím k hrubnutí zrna. K žádoucí precipitaci disperzní fáze karbidu vanadu dochází zejména při popuštění ocele, které se provádí při teplotách 650 až 740°C.

V praxi se zjistilo, že i při dodržení požadovaného chemického složení, včetně mikročistoty a obvyklém způsobu tepelného zpracování, vznikne u výrobků z některých taveb struktura jemnozrnná au výrobků z jiných taveb se pozoruje hrubozmná struktura, což negativně ovlivňuje pevnostní a plastické vlastnosti, které jsou zjistitelné okamžitě při přejímacích zkouškách. Výrobky z takovýchto taveb jsou potom nepoužitelné, což podstatně zhoršuje ekonomiku výroby. Rovněž lze u výrobků z některých taveb pozorovat rozměrovou nestálost vyprecipitovaných karbidů, což hlavně negativně ovlivňuje odolnost proti tečení. Tato vlastnost je zjistitelná dlouhodobými zkouškami tečení, nebo při dlouhodobé expozici výrobků za zvýšených teplot, ale nedá se zjistit při přejímacích zkouškách.

Obdobné nedostatky vznikají i u výrobků z mikrolegováných vysokopevnostních ocelí, vyrobených tvářením za tepla, popřípadě za studená a případně tepelně zpracovaných o hmotnostním chemickém složení : C = 0,08 až 0,25 %, Si = 0,0 až 0,8 %, Mn = 0,2 až 1,8 %, Alceik = 0,001 až 0,04 %, Cr = 0,0 až 1,5 %, Mo = 0,0 až 0,6 %, Nb = 0,0 až 0,10 %, Ti = 0,0 až 0,05 %, V = 0,0 až 0,2 %, Cu = 0,0 až 0,3 %, P = max. 0,03 %, S = max. 0,025 %, N = max. 0,015 % a zbytek tvoří Fe a nezbytné výrobní nečistoty.

• · • ·

- 2 Při termomechanickém nebo normalizačním válcování, respektive při tepelném zpracování normalizačním žíháním výrobků z těchto ocelí, je třeba velmi přesně dodržovat teploty a dobu tepelného působení, jakož i rychlost ochlazování po termomechanickém nebo normalizačním válcování, resp. po tepelném zpracování, které jsou rozhodující pro výsledné pevnostní a plastické vlastnosti finálního výrobku. Při rychlém řízeném ochlazování dojde k vyprecipitování jemných, rozměrově stálých a ve struktuře rovnoměrně rozložených karbidů vanadu a/nebo karbidů niobu, kterážto struktura je bezpodmínečně nutná pro požadované pevnostní a plastické vlastnosti. Nedodrží-li se rychlost ochlazování a/nebo doba tepelného působení během tepelného zpracování, dojde v důsledku velké rychlosti hrubnutí karbidu a/nebo velké rychlosti rozpouštění karbidu k vytvoření nežádoucích hrubých, rozměrově nestálých a ve struktuře nerovnoměrně rozložených precipitátů karbidu vanadu a/nebo niobu; a/nebo ke vzniku hrubozmné struktury. Výrobek s touto strukturou je pak nepoužitelný, protože nesplňuje požadované pevnostní a plastické vlastnosti. Nevýhodou této oceli je tedy značná náročnost na její technologii výroby včetně tepelného zpracování.

Podstata vynálezu.

Výše uvedené nevýhody v podstatě odstraňuje ocel pro žárupevné anebo vysokopevnostní tvářené součásti, zejména trubky, plechy a výkovky, o hmotnostním chemickém složení : G = 0,08 až 0,25 %, Si = 0,0 až 0,8 %, Mn = 0,0 až 1,8 %, Cr = 0,3 až 3,5 %, Mo = 0,0 až 0,8 %, V = 0,04 až 0,8 %, Nb = 0,0 až 0,10 %, Ni = 0,0 až 2,5 %, Ti = 0,0 až 0,05 %, P = max. 0,025 %, S = max. 0,025 %, Alceik = 0,001 až 0,04 %, Cu = 0,0 až 0,3 % a zbytek tvoří železo Fe a výrobní nečistoty, mezi které byl počítán i dusík N, jehož podstata spočívá v tom, že celkový obsah dusíku v oceli v hmotnostních procentech je dán vztahem: N = (0,52 krát Al + 0,29 krát Ti + 0,075 krát Nb + 0,005 až 0,07) %.

Tvářené výrobky z takovéto oceli vykazují po normalizačním žíhání a popouštění, nebo po kalení a popouštění, nebo po normalizačním žíhání, nebo po normalizačním válcování, nebo po termomechanickém válcování vždy bez výjimky rovnoměrnou jemnozrnnou strukturu s karbonitridy vanadu a tím i vysokou pevnost resp. žárupevnost a plasticitu za snížených, normálních i zvýšených teplot. Nedochází tedy již k ekonomickým ztrátám a zmetkovitosti, způsobené dříve nezaručenou kvalitou výrobků. Zaručené jemnozmosti a rovnoměrnosti zrna se dosáhne tím, že při normalizačním žíhání a popouštění nebo kalení a popouštění, resp. normalizačním žíhání nedochází k úplnému rozpuštění precipitátů vanadu, které způsobovalo růst zrna, protože vanad vytváří s dusíkem obtížněji rozpustné karbonitridy vanadu. Karbid vanadu by se stejných podmínek úplně rozpustil a došlo by k hrubnutí zrna. Zaručené jemnozrnnosti a rovnoměrnosti zrna při normalizačním resp, termomechanickém válcování je dosaženo tím, že rychlost hrubnutí karbonitridu vanadu je nižší než rychlost hrubnutí karbidu vanadu, takže disperzní fáze karbonitridu vanadu vyprecipituje v jemnější a rozměrově stálejší formě. Následkem toho se zlepší rovněž žárupevné vlastnosti. Dá se oprávněně předpokládat, že mez pevnosti při tečení oceli,obsahující karbonitrid vanadu,bude vyšší, než u ocelí zpevněných karbidem vanadu.

Pro výrobu žárupevných tvářených součástí, pracujících při teplotách do 600°C, se zvýšenou žárupevností v intervalech teplot 500°C až 600°C a vysokou plasticitou při normálních a zvýšených teplotách je výhodné použít nízkolegovanou CrMoV ocel o hmotnostním chemickém složení : C = 0,08 až 0,25 %, Mn = 0,00 až 0,7 %, Si = 0,00 až 0,4%, Cr = 0,4 až 1,7 %, Mo = 0,2 až 1,2 %, V = 0,2 až 0,7 %, • · • · · ·

• · · · · · · • ···· · · · · • · ·· ··· · · · • · · · · • · ··· · · · ·

Alceik = Ο,θ až 0,025 %, P = max. 0,025%, S = max. 0,025 %, N = (0,52 krát obsah Al_ceik +

0,29 krát obsah Ti + 0,005 až 0,07 ) %, zbytek tvoří Fe a nezbytné výrobní nečistoty.

Tvářené výrobky z takovéto oceli vykazují po normalizačním žíhání a popouštění, nebo po kalení a popouštění vždy bez výjimky rovnoměrnou jemnozrnnou strukturu s karbonitridy vanadu a tím i vysokou pevnost resp. žárupevnost a plasticitu za normálních i zvýšených teplot. Nedochází tedy již k ekonomickým ztrátám a zmetkovitosti, způsobené dříve nezaručenou kvalitou výrobků. Zaručené jemnozmosti a rovnoměrnosti zrna se dosáhne tím, že při normalizačním žíhání a popouštění nebo kalení a popouštění, nedochází k úplnému rozpuštění precipitátů vanadu, které způsobovalo růst zma, protože vanad vytváří s dusíkem obtížněji rozpustné karbonitridy vanadu. Karbid vanadu by se za stejných podmínek úplně rozpustil a došlo by khrubnutí zma. Kromě toho sé zlepší žárupevné vlastnosti, protože rychlost hrubnutí karbidu vanadu je přibližně 20x vyšší než rychlost hrubnutí karbonitridu vanadu. Dá se tedy oprávněně předpokládat, že mez pevnosti při tečení oceli obsahující karbonitrid vanadu bude vyšší než u oceli zpevněné karbidem vanadu.

Pro výrobu vysokopevnostních součástí s odstupňovanou mezí kluzu od 340 MPa do 690 MPa, u kterých je při zvýšené pevnosti současně požadována zvýšená plasticita, resp. vrubová houževnatost se zárukou až do - 60°C, odolnost proti křehkému porušení a dynamickému namáhání, jakož i odolnost proti tečení se zárukou meze pevnosti při tečení až do 500°C, je výhodné použít mikrolegovanou ocel o následujícím hmotnostním chemickém složení : C = 0,04 až 0,22 %, Mn = 0,2 až 1,7 %, Si = 0,00 až 0,8 %, Nb = 0,02 až 0,06 %, V = 0,04 až 0,12 %, Al = 0,02 až 0,06 %, Cr = 0,0 až 1,5 %, Cu = 0,0 až 0,3 %, Mo = 0,0 až 0,7 %, Ni = 0,0 až 2,5 %, Ti = 0,0 až 0,05 %, přičemž Nb + Ti + V nepřevýší 0,22 %, P = 0,0 až 0,025 %, S = 0,0 až 0,025 %, N = ( 0,52 krát obsah Alceik + 0,29 krát obsah Ti + 0,075 krát obsah Nb + 0,005 až 0,07 ) %, zbytek Fe a nezbytné výrobní nečistoty.

Tvářené výrobky z takovéto oceli vykazují po normalizačním žíhání, nebo po normalizačním válcování, nebo po termomechanickém válcování vždy bez výjimky rovnoměrnou jemnozrnnou strukturu s karbonitridy vanadu a tím i vysokou mez kluzu a pevnost resp. žárupevnost a plasticitu, za snížených, normálních i zvýšených teplot. Nedochází tedy již k ekonomickým ztrátám a zmetkovitosti, způsobené dříve nezaručenou kvalitou výrobků. Zaručené jemnozmnosti a rovnoměrnosti zrna pri normalizačním válcování, resp. termomechanickém válcování je dosaženo tím, že disperzní fáze karbonitridu vanadu vyprecipituje v jemnější a rozměrově stálejší formě. Zaručené jemnozrnnosti a rovnoměrnosti zma v případě normalizačního žíhání se dosáhne tím, že nedochází k úplnému rozpuštění precipitátů vanadu, protože vanad vytváří s dusíkem obtížněji rozpustné karbonitridy vanadu. Karbid vanadu by se za stejných podmínek úplně rozpustil a došlo by k hrubnutí zma. Dá se oprávněně předpokládat, že mez pevnosti při tečení oceli obsahující karbonitrid vanadu bude vyšší než u oceli zpevněné karbidem vanadu.

Příklady provedení vynálezu.

Příklad 1.

Pro výrobu vysoce namáhané trubky, určené pro provoz při teplotách až do 600°C byla použita ocel podle ČSN 41 5128 o následujícím hmotnostním chemickém složení :

C = 0,12 %, Mn = 0,56 %, Si = 0,58 %, Cr = 0,64 %, Mo = 0,43 %, V = 0,25 %, Alceik = 0,031 %,P = 0,008 %, S = 0,009 %, N = 0,0116 %, Cu = 0,09 %, Ti = 0,02 %, Ni = 0,12 %, As = 0,008 %, Sb = 0,003 %, Sn = 0,004 %, zbytek Fe a nezbytné výrobní nečistoty.

Trubka o rozměrech 0 273 x 20 mm byla válcována za tepla a tepelně zpracována obvyklým způsobem tj. normalizačním žíháním (960°C/vzduch) a popouštěním (720°C/vzduch). Po tomto tepelném zpracování vykazovala trubka nevyhovují mechanické vlastnosti, uvedené v tabulce I. na řádku 1, protože obsah dusíku v oceli N = 0,0116 % byl nižší, než je stanoveno podmínkou vynálezu a sice

N = (0,52 x 0,031 + 0,29 x 0,02 + 0,05) % = 0,0269.

Trubka z takovéto tavby je k danému účelu nepoužitelná.

Příklad 2.

Pro výrobu stejné trubky byla použita ocel podle normy ČSN 41 5128 v následujícím hmotnostním složení: C = 0,13%; Mn= 0,54%; Si = 0,27%; P = 0,018%; S = 0,015%;

Cr = 0,73%; Mo = 0,46%; V = 0,25%; Al_ceik = 0,005%; Cu = 0,08%; Ti = 0,002%; Ni = 0,13%; As = 0,008%; Sb = 0,005%; Sn = 0,004%; N = 0,0132%.

Trubka o rozměrech 0 273 x 20 mm, z této oceli vykazovala po zcela totožném zpracování jako v příkladu 1. vyhovující mechanické vlastnosti, uvedené v tabulce I. na řádku 2., protože obsah dusíku N = 0,0132 vyhovuje vynálezecké podmínce obsahu dusíku N > (0,52 x 0,05 + 0,29 x 0,002 + 0,005) % = 0,0082%

Mechanické vlastnosti a vrubová houževnatost trubky z této oceli plně vyhovují požadovaným hodnotám.

Tabulka I

Chemické složeni Hm%	Mechanické vlastnosti
ΡΡθ2	Rm	KCV
příklad	C	Cr	Mo	V	Ti	Alcelk	N	MPa	J/čm⁵
1	0,12	0,64	0,43	0,25	0,02	0,31	0,0116	446	591	20
2	0.13	0,73	0,46	0,25	0,002	0,005	0,0132	460	601	213

Kde Rp02 je mez kluzu při 20°C Kn je mez pevnosti při 20°C KCV je vrubová houževnatost při 20°C

Příklad 3.

Pro výrobu výšepevné naftovodné trubky pracující při teplotách až do - 20°C byla použita ocel podle americké normy API 5L v jakosti X60, od které byla požadována zvýšená pevnost při současně zvýšené plasticitě resp. vrubové houževnatosti se zárukou až do - 20°C, odolnost proti křehkému porušení a dynamickému namáhání. Hmotnostní chemické složení této oceli bylo: C = 0,13 %, Si = 0,16 %, Mn = 0,95 %, Cr = 0,011 %, Cu = 0,15 %, Mo 0,02 %, Nb = 0,04 %, Ni = 0,12 %, Ti 0,01 %, V = 0,05 %, Al^ = 0,017 %, P = 0,018 %, S = 0,011 %, N = 0,009 %, zbytek Fe a nevyhnutelné výrobní nečistoty.

• · · « » ·· ··· ··· • · - · · · • · · · · · » · ·

Trubka o rozměrech 0 457 x 25 mm byla řízené válcována za tepla s doválcovací teplotou cca 900°C a ochlazováním vodní sprchou a následně byla kalibrována s ohřevem na teplotě cca 870°C po dobu cca 40 minut a po kalibraci byla ochlazována vzduchem.

Po tomto zpracování vykazovala nevyhovující hodnoty mezí kluzu a pevnosti, nízkou plasticitu a velký rozptyl nárazové práce při teplotě -20°C - viz hodnoty na řádku 3: v tabulce II., protože obsah dusíku v oceli N = 0,009% byl nižší, než stanoví podmínka vynálezu a to N = (0,52 x 0,017 + 0,29 x 0,01 + 0,075 x 0,04 + 0,005 až 0,07) % = 0,0198 %

Příklad 4,

Pro výrobu stejné trubky byla použita ocel podle stejné normy API 5L v jakosti X60 o následujícím hmotnostním chemickém složení: C = 0,14 %, Si = 0,18 %, Mn = 1,15 %, Cr = 0,23 %, Cu = 0,17 %, Mo = 0,003 %, Nb = 0,039 %, Ni = 0,12 %, Ti = 0,00 %, V = 0,05 %, Alceik ⁼ 0,015 %, P = 0,015 %, S = 0,007 %, N = 0,017 %, zbytek Fe a nevyhnutelné výrobní nečistoty.

Trubka o rozměrech 0 508 x 25 mm vykazovala po zcela totožném zpracování, jako v příkladu 3., vyhovující mechanické vlastnosti, uvedené v řádku 4. v tabulce II., protože obsah dusíku v oceli N = 0,017% splňoval vynálezeckou podmínku

N = (0,52 x 0,015 + 0,29 x 0,00 + 0,75 x 0,039 + 0,005 až 0,07)% = 0,0158 %

Tabulka Π

Chemické složeni hm %	Dosažené mechanických vlastnosti
	Rt 05	Rm	KV
přík.	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	Nb	Ti	Alcelk	V	N	MPa	J
3	Q13	0,95	0,16	Q018	0,011	o,n	012	Q15	0,04	Q01	0,017	005	Q009	343	495	65.2 40.3 62,2
4	0,14	1,15	0,18	Q015	0,007	),23	Q12	0,17	Q039	Q00	0,15	005	0017	428	560	132,2 129,7 130.9

Kde Rt₀₅ je mez kluzu při 20°C Rm je mez pevnosti při 20°C KV je nárazová práce při -20°C

Jak vyplývá z tabulky I, resp. tabulky II vykazuje ocel s modifikovaným obsahem dusíku podle příkladu 2 podstatně lepší mechanické vlastnosti než ocel bez modifikovaného obsahu dusíku podle příkladu 1. To samé platí i pro ocel s modifikovaným obsahem dusíku podle příkladu 4 v porovnání s ocelí podle příkladu 3.

Důvodem těchto markantních rozdílů je odlišná struktura a velikost zrn mezi ocelemi podle příkladů 1 a 3 ve srovnání s ocelemi podle příkladů 2 a 4.

U ocelí podle příkladů 1 a 3, u kterých je obsah dusíku menší, než stanoví podmínka podle předkládaného vynálezu, sice že N = ( 0,52 . Ai + 0,29 . Ti + 0,075 . Nb + 0,005 až 0,07) %, se vyskytuje vanad a/nebo niob ve formě karbidu vanadu resp. karbidu niobu. Tyto karbidy, které se rozpouštějí rychleji než karbonitridy způsobují při tepelném zpracování výrobku, tj. při normalizačním žíhání, nebo kalení a popouštění nebo při termomechanickém

- 6 tváření při teplotách nad A C3, růst zrna a proto vzniká hrubozmná nerovnoměrná struktura oceli, která má za následek výše popsané nevyhovující parametry.

Je-li však v oceli množství dusíku, dané podmínkou podle vynálezu ( viz příklady 2 a 4 ), neobsahuje ocel karbidy vanadu resp. niobu, ale pouze karbonitridy vanadu resp. niobu, které se při uvedeném tepelném zpracování nerozpouštějí a tím zabraňují hrubnutí zrna.

Průmyslová využitelnost.

Oceli podle předkládaného vynálezu jsou vhodné pro výrobu tvářených součástí, od kterých je vyžadována zvýšená žárupevnost a vysoká pevnost při současně zvýšené plasticitě, které se využívají obzvláště na vysoce namáhaných strojírenských, energetických a chemických zařízeních, jako např. kotlové trubky, plechy a výkovky.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY.

1. Ocel pro žárupevné a/nebo vysokopevnostní tvářené součásti, zejména trubky, plechy a výkovky, se zvýšenou žárupevností do 600°C a zvýšenou plasticitou resp. vrubovou houževnatostí až do - 60°C o hmotnostním chemickém složení: uhlík C = 0,02 až 0,3 %, křemík Si = 0,0 až 0,8 %, mangan Mn = 0,0 až 2,0 %, chrom Cr = 0,0 až 3,5 %, molybden Mo 0,0 až 1,5 %, vanad V = 0,02 až 0,8 %, niob Nb = 0,0 až 0,1 %, nikl Ni = 0,0 až 2,5 %, titan Ti = 0,0 až 0,1 %, fosfor P = max. 0,05 %, síra S = max. 0,05 %, hliník Al_ce!k = 0,0 až 0,05 %, měď Cu = 0,0 až 0,8 %, zbytek železo Fe a dusík N, vyznačená tím, že celkový obsah dusíku N je dán vztahem:

N = (0,52 krát Al + 0,29 krát Ti + 0,075 krát Nb + 0,005 až 0,07)%
2. Ocel pro žárupevné tvářené součásti podle nároku 1 vyznačená následujícím hmotnostním chemickým složením: uhlík C = 0,05 až 0,3 %, mangan Mn = 0,01 až 1,2 %, křemík Si = Ó,0 až 0,8 %, chrom Cr = 0,3 až 3,5 %, molybden Mo = 0,2 až 1,5 %, vanad V = 0,1 až 0,8 %, hliník Al_ceik = 0,0 až 0,05 %, fosfor P = 0,0 až 0,05 %, síra S = 0,0 až 0,05 %, dusík N = (0,52 krát Al + 0,29 krát Ti + 0,005 až 0,07) %, zbytek tvoří železo Fe a nevyhnutelné výrobní nečistoty.
3. Ocel pro vysokopevnostní tvářené součásti podle nároku 1 vyznačená následujícím hmotnostním chemickým složením : uhlík C = 0,02 až 0,3 %, mangan Mn = 0,2 až 1,7 %, křemík Si = 0,0 až 0,8 %, niob Nb = 0,02 až 0,1 %, vanad V = 0,02 až 0,3 %, hliník Alceik = 0,0 až 0,06 %, chrom Cr - 0,0 až 2,5 %, měď Cu = 0,0 až 0,8 %, molybden Mo = 0,0 až 1,0 %, nikl Ni = 0,0 až 2,5 %, titan Ti = 0,0 až 0,1 %, přičemž celkový obsah niobu Nb, titanu Ti a vanadu V nepřevýší 0,3 %, fosfor P = 0,0 až 0,05 %, síra S = 0,0 až 0,05 %, dusík N = (0,52 krát Al + 0,29 krát Ti + 0,075 krát Nb + 0,005 až 0,07) %, zbytek tvoří železo Fe a nevyhnutelné výrobní nečistoty.