УДК 621.791.011:669.14.018.41
СРАВНЕНИЕ СВАРИВАЕМОСТИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ НИОБИЕМ, НИОБИЕМ И ВАНАДИЕМ
© Назаров Анатолий Владимирович1; Якушев Евгений Валерьевич2; Шабалов Иван Павлович3, д-р техн. наук; Морозов Юрий Дмитриевич1, канд. техн. наук; Киреева Тамара Сергеевна1, канд. техн. наук
1 ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. E-mail: morozov@chermet.net 2ОАО «Уральская Сталь». Россия, Оренбургская обл., г. Новотроицк 3 Ассоциация производителей труб. Россия, Москва Статья поступила 22.08.2013 г.
На основе моделирования физических процессов, протекающих в металле околошовной зоны (ОШЗ), и взаимосвязи скорости охлаждения (тепловложения при сварке) со структурой и свойствами металла ОШЗ исследована свариваемость двух высокопрочных трубных сталей класса прочности К60 с различным микролегированием.
Описаны структура и свойства металла ОШЗ исследованных сталей в зависимости от параметров сварки. Установлен интервал оптимальных скоростей охлаждения после сварки, обеспечивающий максимальный уровень ударной вязкости металла ОШЗ. Показано преимущество более экономнолегированной (одним ниобием) стали.
Ключевые слова: высокопрочные трубные стали; свариваемость; моделирование физических процессов; околошовная зона; микролегирование; скорость охлаждения; тепловложение; ударная вязкость; микроструктура.
Современный уровень развития металлургической технологии позволяет производить металлопродукцию с уникальным комплексом механических и эксплуатационных свойств при относительно небольших затратах и с невысоким содержанием легирующих элементов. Примером такой продукции является металлопрокат для производства газонефтепроводных труб большого диаметра (ТБД). Современный металл для производства таких труб имеет высокие показатели прочности (до 700 Н/мм2 и более), пластичности (б > 20%), ударной вязкости (до 300 Дж/см2 и более) и хладостойкости до -60 °С [1, 2]. Однако в процессе сварки металл в зоне термического влияния (ЗТВ) вследствие нагрева до температур, близких к температуре плавления, может изменять свое структурное состояние и, соответственно, механические и эксплуатационные свойства. Степень изменения этих характеристик определяет свариваемость стали.
Свариваемость металла тем лучше, чем боль-5 шее число способов сварки может быть для него применено, чем проще технология и шире пре-^ делы допустимых режимов сварки, обеспечивающих заданные показатели свойств сварного £ соединения. В общем случае свойства сварного < соединения зависят от исходного состояния ста-г ли, определяемого химическим составом и техно-
логией ее производства, температурно-времен-ными параметрами сварки и структурой металла, образующейся в процессе сварки.
Основной проблемой изготовления сварной конструкции с точки зрения эксплуатационной надежности сварных соединений является поведение металла околошовной зоны (ОШЗ). Как показывает практика эксплуатации конструкций и результаты испытаний сварных соединений, металл ОШЗ наиболее подвержен разрушению, что связано с наибольшими неблагоприятными структурными изменениями, происходящими в зоне, нагреваемой выше температуры начала интенсивного роста зерна аустенита. Этот участок имеет сложную конфигурацию и малые размеры, вследствие чего его исследование затруднено из-за локализации разрушения при испытаниях. В связи с этим изучение свариваемости проводили на основе имитации структуры металла ОШЗ, как наиболее слабого места сварного соединения. При этом результаты испытания могут быть значительно ниже, чем в реальном сварном соединении, поскольку при испытании образцов, вырезанных из натурных сварных соединений, в разрушении участвует как металл шва, так и часть основного металла, нагреваемая до более низких температур и, соответственно, претерпевающая меньшие структурные изменения.
Современное понятие свариваемости основывается на изучении и моделировании ряда физических процессов, протекающих при сварке. Исследование пригодности сталей для изготовления сварных конструкций направлено в основном на обеспечение оптимальных условий сварки и нормативных требований, предъявляемых к сварным соединениям [3].
В основе оценки свариваемости стали конкретной марки находится взаимосвязь скорости охлаждения (тепловложения при сварке) со структурой и свойствами сварного соединения.
Изучение свариваемости проводили на основе моделирования термических циклов, а также и физических процессов, протекающих при сварке в металле ОШЗ. Свариваемость оценивали на основании установления характера влияния тепло-вложения при сварке на структуру и свойства металла ОШЗ.
Для определения свариваемости проведен комплексный анализ:
- кинетики фазовых превращений аустенита в условиях различных термических циклов сварки и связанных с ними изменений микроструктуры;
- механических свойств металла ОШЗ;
- склонности стали к образованию холодных трещин.
Фазовые превращения являются функцией химического состава и термокинетических параметров цикла сварки. Осуществляя анализ структурообразования металла ОШЗ при скоростях охлаждения, характеризующих тот или иной вид сварки идентичного класса сталей, например низколегированных, представляется возможным оптимизировать как технологические параметры сварки, так и состав стали.
Кинетика превращения аустенита в процессе непрерывного охлаждения металла ОШЗ при сварке оценивается на основе построения и анализа термокинетических диаграмм (ТКД) превращения.
Для оценки чувствительности стали к различным видам и режимам сварки, выражающимся через тепловложения, использовали значения скоростей охлаждения металла ОШЗ в температурном интервале 800-700 °С. Определение скорости охлаждения
в этом интерва- Химический состав стали
ле позволяет исключить погрешность, вносимую тепловым эффектом фазовых пре-
вращений в экспоненциальную зависимость тем-пературно-временных параметров термического цикла сварки.
Для записи термокинетических кривых используется дилатометр, предусматривающий индукционный нагрев образцов. Дилатометрическая кривая и термический цикл охлаждения с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) отображаются на экране монитора и сохраняются в памяти компьютера. Запись кривой проводится в координатах «температура-деформация» при нагреве, а термический цикл охлаждения в координатах «температура-время». Температура фиксируется хромель-алюмелевой термопарой толщиной 0,15 мм.
Исследования фазовых превращений в ОШЗ производятся с нагрева образцов до температур, характерных для максимальных температур нагрева металла ОШЗ при сварке (1300-1320 °С), при изменении скоростей охлаждения в диапазоне применяемых для различных видов и режимов сварки (0,1-300 °С/с). Образцы представляют собой полые цилиндры диаметром и длиной 6 мм с малой толщиной стенки (1 мм), гарантирующей отсутствие больших температурных градиентов.
Ударная вязкость металла - наиболее чувствительная к микроструктурному состоянию характеристика по сравнению с другими механическими свойствами. Для оценки сталей с позиций их охрупчивания после сварки проводятся испытания образцов, нагретых по термическим циклам сварки при различных скоростях охлаждения с построением зависимости «ударная вязкость КСУ - (скорость охлаждения)».
Для исследования были изготовлены ударные образцы размерами 5x10x55 мм (отобранные в направлении поперек прокатки). Имитированную микроструктуру ОШЗ получали путем индукционного нагрева таких заготовок до 1300 °С. После нагрева до заданной температуры заготовки охлаждали в различных средах с различными скоростями (от 0,1 до 300 °С/с), затем после изготовления образцов с острым надрезом определяли ударную вязкость (КСУ) и изучали микроструктуру металла ОШЗ.
Номер Содержание элементов мас. %
плавки С МП Si S Р СГ № № V А1 N
1 0,08 1,7 0,28 0,002 0,007 0,05 0,15 0,10 0,042 0,003 0,039 0,019 0,006
2 0,08 1,6 0,31 0,0025 0,009 0,02 0,10 0,03 0,050 0,043 0,048 0,017 0,0067
Эксперименты проводили на двух плавках стали категории прочности К60, микролегированных ниобием (плавка 1) и ниобием и ванадием (плавка 2). Химический состав стали приведен в таблице.
В результате анализа ТКД превращения аустенита в металле ОШЗ сталей класса прочности К60 с ЫЬ (1) и с ЫЬ+У (2) установлено, что основным видом превращения в широком диапазоне скоростей охлаждения является бейнитное. Бейнит присутствует во всем исследованном интервале скоростей охлаждения - 0,1-300 °С/с (рис. 1-3).
Введение в ниобийсодер-жащую сталь ванадия приводит к снижению устойчивости аустенита в металле ОШЗ в результате смещения всей диаграммы в сторону больших скоростей охлаждения. Ниобий и ванадий двояко проявляют себя при охлаждении металла ОШЗ малоперлитной стали -повышают устойчивость аустенита в случае нахождения в твердом растворе и снижают ее при выделении карбонитридных фаз (предельная растворимость ниобия в у-твердом растворе при содержании ниобия порядка 0,04%, ванадия - 0,1%).
При наличии температурно-вре-меннмх условий для протекания процесса карбидообразования эти элементы могут вывести из твердого раствора и связать в стойкие карбиды около 0,01-0,02% углерода. Причем коэффициент активности ванадия почти в два раза выше коэффициента активности ниобия (кыь = 0,59; ку = 1,1).
Таким образом, введение в нио-бийсодержащую сталь ванадия приводит к выделению карбонитридной фазы и, соответственно, к обеднению твердого раствора по углероду, что в свою очередь вызывает снижение устойчивости аустенита.
Рис. 1. Кинетика превращения аустенита в металле ОШЗ стали категории прочности К60, легированной МЪ (1) и МЪ+У (2), в зависимости от скорости охлаждения после
сварки
1 °С/с
6 °С/с
10 °С/с
20 °С/с
100 °С/с
300 °С/с
Рис. 2. Влияние скорости охлаждения на микроструктуру ОШЗ стали класса прочности К60 производства ОАО «Уральская Сталь» (плавка 1), х500
1 °С/с
6 °С/с
10 °С/с
20 °С/с
100 °С/с
300 °С/с
Рис. 3. Влияние скорости охлаждения на микроструктуру ОШЗ прочности К60 (плавка 2), х500
Мартенситная составляющая в структуре ОШЗ стали с ниобием, способствующая образованию
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.