ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается влияние основных легирующих элементов на механические свойства трубных сталей. Анализируется влияние марганца и кремния, которые присутствуют во всех марках трубных сталей. Кроме них обозревается воздействие на механические свойства таких элементов, как хром, никель, медь и карбонитридообразцющие элементы – ванадий, ниобий и титан.

Ключевые слова: трубные стали; легирующие элементы; никель; марганец; карбонитридообразующие элементы.

ВВЕДЕНИЕ

Трубные марки стали пользуются широким спросом, т.к. производство труб не только остается на одном уровне из года в год, но и возрастает в связи с новыми проектами в разных отраслях промышленности. Особенно это касается нефтегазовой промышленности. Так, В 2014 году приказом № 839 Министерства промышленности и торговли РФ была утверждена «Стратегия развития черной металлургии России на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года». В стратегии заложено строительство магистральных трубопроводов, таких как «Турецкий поток» «Сила Сибири», «Алтай», «Краснодарский край – Крым», а также предусмотрена возможность реконструкции более двух тысяч существующих объектов.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Влияние марганца и кремния.  Эти легирующие элементы присутствуют в любой стали в качестве примеси, т.к. они необходимы для ее раскисления. Но в трубных сталях эти элементы являются именно легирующими. И Mn, и Si упрочняют стали, при этом весьма значительно снижают ударную вязкость, а вместе с ней – и хладостойкость. Очень резкий эффект снижения отмечается при содержании кремния больше 0,8 %, а марганца – более 2 %.

Однако Mn, помимо упрочнения, вызывает еще один положительный эффект: при его содержании не более 1,5 % он связывает азот у атмосфер Коттрелла. Это способствует меньшей блокировке дислокаций, что повышает сопротивляемость хрупкому разрушению [1]. При этом марганец – один из самых дешевых и наиболее распространенных металлов в РФ. Mn значительно снижает критическую скорость закалки, что увеличивает прокаливаемость стали, по сравнению с углеродистой [2].

Влияние никеля. При его введении до 1 % в малоуглеродистые стали, в т.ч. в трубные, возрастает дисперсность перлита при охлаждении во время термической обработки. При этом, если его в химическом составе менее, чем 1,3 %, то температура хрупко-вязкого (T_хр) перехода снижается и возрастает сопротивляемость развитию трещины. Это, безусловно, является благоприятным фактором для эксплуатации труб, изготовленных из марок, содержащих никель.  Два этих эффекта обусловлены ослаблением энергии взаимодействия между дислокациями и элементами внедрения в сталях такими, как углерод и азот. Как и в случае с марганцем происходит разблокировка дислокаций [1].

Влияние хрома. Если сталь содержит марганец (а трубные марки всегда его содержат), то легирование ее хромом в малых количествах практически не упрочняет ее и мало влияет на иные свойства. Но если содержание хрома превышает 0,7 %, то это негативно влияет на такие свойства, как пластичность, ударная вязкость и хладостойкость: они резко ухудшаются. Содержание хрома более 0,7 % снижает энергию развития трещины по объему металла [1].

Влияние меди. Обычно содержание меди в марках трубной стали ограничивают значением 0,4 %. Более высокие показатели снижают значения ударной вязкости и устойчивость к низким температурам. При содержании меди меньше 0,4 % обнаруживается благоприятное ее действие: происходит повышение свойств, которые характеризуют сопротивляемость сплава при ударных нагрузках и его работу в холодных условиях [1].

Влияние карбидообразующих элементов. К этим элементам относят V, Nb, Ti. Взаимодействие ванадия и азота с углеродом приводит к образованию карбонитрида ванадия V(C, N). Его частицы дисперсионно упрочняют твердый раствор (в основном речь о феррите). С повышением содержания частиц карбонитрида ванадия повышается и ударная вязкость. Это связано с тем, что при нагреве эти частицы являются центрами зарождения аустенитных зерен и при дальнейшей выдержке во время термической обработки они сдерживают рост зерен. Результатом является измельчение структуры. Поэтому стали, содержащие ванадий, являются мелкозернистыми. Частицы карбонитридов способствуют повышению плотности дислокаций и их блокировке, что сказывается на характеристиках прочности.

Положительное влияние ванадия сказывается при содержаниях 0,15-0,25% и более [2]. Однако его используют как микролегирующую добавку.

Легирование ниобием до 0,03-0,04% увеличивает показатели предела текучести и временного сопротивления разрыву, при этом фиксируется увеличение хладостойкости. Карбонитриды ниобия оказывают значительное влияние на структурообразование при контролируемой прокатке за счет торможения рекристаллизации аустенита при температурах чистовой стадии (ниже 950 °С) [3]. Также он расширяет температурный интервал осуществления контролируемой прокатки. В статье [4] показано, что ниобий оказывает более значимое влияние на механические характеристики стали S355J2.

Титан оказывает действие, подобное Nb и V. При микролегировании титаном в стали образуются высокотемпературные частицы карбонитрида титана. При соотношении Ti/N ≥ 3,42 азот в равновесных условиях может быть связан весь в карбонитрид титана [1], что разблокирует дислокации при деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на то, что трубные стали по своему составу являются малолегированными, их химический состав может быть представлен широким диапазоном легирующих элементов. При этом каждый элемент может как снизить важные свойства стали, так и увеличить. Зачастую увеличение одних свойств влечет за собой снижение других. В этом случае можно использовать действие другого элемента для нивелирования негативных эффектов от первого. Но разработчику новых марок следует быть осмотрительным, т.к. помимо влияния каждого элемента по отдельности есть влияние от взаимодействия элементов.

Список литературы:

1. Матросов, Ю.И. Стали для магистральных газопроводов / Ю.И. Матросов, Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко. – М.: Металлургия, 1989. – 288 с.
2. Макеев, Д.Н. Влияние вводимых легирующих элементов на свойства стали // Вестник Саратовского технического университета. – Саратов, 2012. – Т.3. – №1 (67). – С. 92-98.
3. Губанов, С.А. Композиция химического состава и влияние химических элементов на конечные свойства трубной стали / С.А. Губанов, Д.Н. Чикишев // Моделирование и развитие процессов ОМД. – 2015. – №21. – С.120-123.
4. Рябикина, М.А. Зависимости «состав-свойство» для низколегированной стали S355J2 / М.А. Рябикина, В.Е. Ставровская, М.А. Ксенита // Вестник Приазовского государственного технического университета. – Мариуполь, 2017. – №35. – С. 57-64.