MOŽNOSTI VYUŽITÍ MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ. Tomáš Schellong Kamil Pětroš Václav Foldyna. JINPO PLUS a.s., Křišťanova 2, Ostrava, ČR

Transkript

1 MOŽNOSTI VYUŽITÍ MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ Tomáš Schellong Kamil Pětroš Václav Foldyna JINPO PLUS a.s., Křišťanova 2, Ostrava, ČR Abstract The proof stress and tensile strength in carbon steel can be improved with increased content of manganese in steel and mainly through micro alloying, e.g. by the addition of small quantity of alloying additives like niobium, vanadium or titanium. Positive effect of micro alloying is the refining of grain size and precipitation of fine particles of carbides or carbonitrides which cause precipitation strengthening in microalloyed steel. Optimized microstructure is obtained after controlled rolling. In view of fine grain steel better resistance is achieved against brittel fracture at low temperature. Precipitation strengthening causes creep resistance in microalloyed steel comparable with low alloy steel at temperature upto 500 C. The result obtained proves that the examined pipes can be used for construction, power & energy as well as petrochemical engineering at various working temperature between -50 C and 500 C. 1. ÚVOD V souladu s celosvětovým vývojem a rostoucími požadavky na kvalitu zvyšování užitných vlastností vyráběných ocelí, při současném požadavku na snížení výrobních nákladů, uplatňují se požadavky na výrobu perspektivních ocelí s širokým rozsahem použitelnosti, a to hlavně ve srovnání se standardními typy běžných uhlíkových ocelí. Mezi takové typy patří mikrolegované oceli. Zájem o praktické využívání těchto ocelí v ČR byl do roku 1989 pouze okrajový, přesto, že z hlediska výzkumu a vývoje byla věnována těmto ocelím značná pozornost. Průkazným příkladem opomenuté oceli je vanadem nebo niobem mikrolegovaná žárupevná ocel dle ČSN vyznačující se vyššími hodnotami pevnosti i meze kluzu při normálních i zvýšených teplotách, dobrými plastickými vlastnostmi ve srovnání s uhlíkovými ocelemi typu a a výrazně vyšší žárupevností. V práci bude věnována pozornost mikrostruktuře a metalografickému porozumění chování mikrolegovaných ocelí. Z rozboru vyplyne možnost použití těchto ocelí v značně rozdílných pracovních podmínkách, a to za normálních, snížených i zvýšených teplot. 2. MIKROSTRUKTURA A VLASTNOSTI Zvýšení meze kluzu a pevnosti v tahu při pokojové teplotě uhlíkových ocelí lze dosáhnout zvýšením obsahu uhlíku a manganu. Příkladem je zvýšení meze kluzu ocele ve srovnání s ocelí (Tabulka I, obr. 1). S ohledem na požadovanou svařitelnost

2 uhlíkových ocelí je obsah C a Mn omezen. Ukázalo se, že spolu s růstem meze kluzu při pokojové teplotě vzrůstá i mez kluzu při zvýšených teplotách (obr. 1). Zvýšení obsahu manganu v tuhém roztoku (tj. cca 80% celkového obsahu Mn v oceli) o 1%,zvýší se tzv. substituční zpevnění o cca 50 MPa [4], což vede ke zvýšení meze kluzu rovněž o 50 MPa. Výrazného zvýšení meze kluzu lze dosáhnout mikrolegováním (obr. 1), tj. přísadou malého množství legujících prvků jako je niob, vanad, titan aj. Chemické složení příkladných mikrolegovaných ocelí (12 025, 20 Nb6, P 355) je uvedeno v tabulce I. Příznivý vliv mikrolegování je přisuzován zjemnění zrna a vyloučení jemných částic karbidů mikrolegujících prvků, které způsobují precipitační zpevnění. Bylo zjištěno, že po řízeném válcování a ochlazení se ve struktuře nachází značný počet jemných částic karbidů resp. karbonitridů do 10 nm, a to v ocelích s vanadem [1, 11] i niobem [2,4]. Střední velikost částic stanovena na trubce vyrobené v provozních podmínkách na vanadem mikrolegované oceli ČSN [1] je srovnatelná s velikostí částic stanovenou na laboratorně zpracovaných vzorcích [11]. Pozoruhodné je zjištění, že vzdálenost disperzních částic karbidu vanadu zjištěná ve zmíněné mikrolegované oceli je prakticky stejná jako vzdálenost částic V 4 C 3 v nízkolegované oceli ČSN typu 0,5%Cr-0,5%Mo-0,3%V [1], ačkoliv obsah vanadu a objemový podíl karbidu vanadu v mikrolegované oceli je podstatně nižší. Velikost částic disperzní fáze je však v mikrolegované oceli 3 až 4 krát menší a jejich počet je větší. Na zvýšení meze kluzu mikrolegovaných ocelí se výrazně podílí precipitační zpevnění. Podle [4] na Nb mikrolegované oceli dosahuje precipitační zpevnění 85,7 MPa. Výpočet byl proveden za předpokladu, že střední velikost částic NbC se rovnala 10 nm a střední vzdálenost částic 242 nm. Výsledky strukturní analýzy provedené na V mikrolegované oceli svědčí o tom, že příspěvek precipitačního zpevnění je prakticky identický [1] jako v případě ocele mikrolegované niobem. Je zřejmé, že precipitační zpevnění významněji přispívá ke zvýšení meze kluzu, než substituční zpevnění způsobené zvýšeným obsahem manganu v oceli. Oba uvedené způsoby zpevnění včetně zpevnění v důsledku zjemnění zrna jsou aditivní procesy a jsou využívány pro zpevnění mikrolegovaných ocelí. 3. TRUBKY Z MIKROLEGOVANÉ OCELI Ve spolupráci s výrobními závody Železárny Chomutov a.s., Nová huť a.s. Ostrava a Železiarne Podbrezová,a.s. byla ověřována technologie výroby trubek z vanadem a niobem mikrolegované oceli typu P 355 (Tabulka I). Byla ověřována technologie výroby trubek různých rozměrů, určených pro různý způsob použití. V Chomutově byly vyráběny trubky o průměru 419 až 508 mm a tloušťce stěny 15,9 až 25 mm. Vstupní tvářené sochory dodala a.s. Žďas (Žďár). Maximální obsah P 0,018% a S 0,011% v dodaných tavbách odpovídá jakosti P355 NL 2 určené pro službu za nízkých teplot (Tabulka IV). Mechanické vlastnosti vyrobených trubek odpovídaly požadavkům kladeným na naftové trubky X52 a X60 podle API 5L. Při nízkém obsahu

3 C v dodaných tavbách (0,09 až 0,14%), bylo dosažení požadované meze kluzu a pevnosti v tahu při 20ºC podmíněno zvýšenou rychlostí ochlazování z doválcovací teploty. Trubky malých rozměrů o průměru 21,3 až 114,3 mm a tloušťce stěny 2,6 až 4,0 mm byly vyráběny v Nové Huti a.s. Ostrava i v Železiarnách Podbrezová a.s. V Nové Huti a.s. byly pro výrobu trubek použity kruhové sochory a průměru 120 mm, vyrobené válcováním plynule litých kvadrátů 180 x 180 mm. V Železiarnách Podbrezová byly pro výrobu trubek použity válcované sochory z Třineckých železáren a.s. i vlastní plynulé lité předválky. Při použití plynulého lití je nutno upravit obsah C tak, aby při tuhnutí nedošlo k peritektické přeměně. Pro dosažení požadovaných vlastností trubek o tloušťce stěny do 4 mm je žádoucí dodržet doválcovací teplotu v rozmezí 860 až 900ºC, zrychlené ochlazování z doválcovací teploty není nutné. Obsažené výsledky svědčí o tom, že zkoumané trubky umožňují použití ve stavebním, energetickém i petrochemickém průmyslu, a to při pracovních teplotách od -50ºC do 500ºC. Mechanické vlastnosti vyhovují požadavkům kladeným na oceli běžné jakosti (ČSN 11523, P 355 N), žárupevné ocele (P 355 NH, 20MnNb6), ocelí pro práci za snížených teplot (ČSN 11503, P 355 Nl 1) i naftové trubky (X52, X60 podle API 5L). Z obchodního hlediska to umožňuje použitelnost trubek ze zkoumané oceli na řadu jakostních stupňů dle tuzemských i zahraničních norem. 4. DISKUSE Pokusy o zlepšení užitých vlastností konstrukčních ocelí mikrolegováním byly zahájeny před více než 30 lety [7 až 11]. Výsledky průkopnických prací byly shrnuty ve sborníku z významné mezinárodní konference konané v roce 1981 v Pittsburgu [10]. Mikrolegované ocele jsou jemnozrné a vyznačují se zvýšenou pevností v tahu i mezí kluzu za normálních i zvýšených teplot zvýšenými plastickými vlastnostmi a sníženou přechodovou teplotou. Na zvýšení pevnosti v tahu i meze kluzu se významně podílí jemnozrná struktura i precipitační zpevnění. Dosažení nízké přechodové teploty je kromě jemnozrnosti podmíněno i zvýšenou čistotou oceli. Příklady vlivu čistoty ocele P 355 na nárazovou práci při snížených teplotách je zřejmý v tabulkách II a III. Jakosti NL 1 a NL 2, určené pro službu za snížených teplot, se vyznačují nižšími obsahy P a S (Tabulka II). Čistota ocelí zkoumaných v této práci splňovala požadavky i pro kvalitu NL 2. Významnou předností mikrolegovaných ocelí je možnost dosažení výhodných mechanických vlastností při velmi nízkém obsahu legujících prvků, a to ve stavu po řízeném válcování a ochlazení, bez dalšího tepelného zpracování. Významnou a dosud i v mezinárodním měřítku nedoceněnou skutečností je vysoká žárupevnost vanadem nebo niobem mikrolegovaných ocelí při teplotách do 500ºC. Nedávno uveřejněné výsledky dlouhodobých zkoušek tečení [5, 6] spolehlivě prokazují, že žárupevnost vanadem nebo niobem mikrolegované oceli je ve stavu po řízeném válcování a ochlazení značně vyšší než uvádí dosud platná norma ČSN z roku 1983 i pr EN z roku 1998 pro ocel 20MnNb6. Proto se využívá pouze jen zvýšené meze kluzu při teplotách do

4 cca 400ºC a podstatně méně se využívá dobrých vlastností mikrolegovaných ocelí v oblasti creepu až do 500ºC. 5. ZÁVĚR Mez kluzu a pevnost v tahu uhlíkových ocelí lze zvýšit přísadou manganu a zejména mikrolegováním, tj. přísadou malého množství niobu, vanadu nebo titanu. Mikrolegováním se dosáhne zjemnění zrna a disperzního zpevnění precipitací jemných částic karbidů resp. karbonitridů mikrolegujících přísad. Precipitační zpevnění má příznivý vliv na zlepšení meze kluzu a zejména na zlepšení odolnosti proti tečení. Byla ověřena technologie výroby vanadem i niobem mikrolegované oceli typu P 355 pro trubky značně rozdílných rozměrů. Byla prokázána použiteknost trubek na řadu jakostních stupňů dle tuzemských i zahraničních norem, a to pro použití za normílních i zvýšených pracovních teplot v rozmezí -50ºC až 500ºC. Významnou předností studované mikrolegované oceli je možnost dosažení výhodných mechanických vlasností ve stavu po řízeném válcování a ochlazení bez následujícího tepelného zpracování. PODĚKOVÁNÍ Autoři vyjadřují poděkování technikům a obchodním partnerům všech výrobních závodů, kteří přispěli k ověření a realizaci výroby mikrolegované oceli a k rozšíření použití progresivních mikrolegovaných ocelí v ČR a na Slovensku, LITERATURA [1] Bembenek, Z., Jáchym, V., Prnka, T., Ručková, H., Foldyna, V.: Řízené válcování trubek z mikrolegovaných ocelí pro službu za vyšších teplot, in Technické aktuality VÍTKOVIC, 1983 č. 1, s. 29 [2] Siweck, T.: Charakterization of Precipitate Evolution in Ti Nb Microalloyed Steels in Proccedings of the International Conference: KONFENCJA MIKROSKOPII ELEKTRONOVEJ CIAŁA STAŁEGO, Kraków Krynica, duben 1989 [3] Purmenský, J., Foldyna, V.: Microalloyed Steel for Chemical industry and power plant equipment, Seminar on New Application in Steel in view of the Chalange [4] Prnka, T.: Orientační průzkum mechanismů zpevnění mikrolegovaných konstrukčních C Mn Mo Nb ocelí v Základní mechanismy zpevňování nízkouhlíkových nízkolegovaných ocelí ročník 17, 1976, č. 4, str. 113 [5] Foldyna, V., Purmenský, J., Kuboň, Z.: Užití mikrolegovaných ocelí při stavbě kotlů a jejich rekonstrukci a modernizaci v Sborník z konference KOTLE A KOTELNÍ ZAŘÍZENÍ 2000, březen 2000, str. 199

5 [6] Purmenský, J., Kuboň, Z., Foldyna, V.: CREEP RUPTURE STRENGTH OF NIOBIUM OR VANADIUM MICROALLOYED STEELS viz. tato konference Symposium G [7] Irvine, K.J., Gladman T., Orr, J., Pickering, F.B.: Controlled Rolling of Structural Steels, J.I.S.I (208) 1970, s. 717 [8] Bembenek, Z.: Možnosti zvyšování jakostních a ekonomických ukazatelů nelegovaných a mikrolegovaných konstrukčních ocelí pro hromadné použití, Hutnické aktuality, 1970, č. 7 [9] Bembenek, Z., Foldyna, V.: Praktické možnosti zvýšení pevnostních vlastností kotlových, uhlíkových ocelí, Technické aktuality VÍTKOVIC 1980, č. 3, s. 15 [10] Proceedings of the International Conference on THERMOMECHANICAL PROCESSING OF MICROALLOYED AUSTENITE konané v Pittsburgu, Pensylvania, srpen 1981 A. Publication of THE MATELLURGICAL SOCIETY OF AIME [11] Sivecki, T., Sandberk, A., Roberts, W. and Lagneborg, R.: The Influence of Processing Route and Nitrogen Content on Microstructure Development and Precipitation Hardening in Vanadium Microalloyed HSLA Steels in Proceedings [10] Rp0.2, MPa C C MnNb6 P355N Materiál Obr. 1: Srovnání meze kluzu uhlíkových ( a ) a mikrolegovaných (12 025, 20 MnNb 6) ocelí

6 Tabulka I: Chemické složení kotlových uhlíkových a mikrolegovaných ocelí, hm.% Ocel C Mn Si P S Cr Ni Cu V Nb * 20MnNb , P 355 N 0,20 0,9 1,7 0,50 0,030 0,025 0,30 0,5 0,30 0,10 0,05 * obsah vanadu je možno nahradit niobem v rozmezí 0.02 až 0.06% , 12022, podle ČSN 20MnNb6 podle pr EN :1998 P 355 N podle pr EN :1998 Tabulka II: Chemické složení mikrolegované oceli P 355 (hm%) Ocel C Si Mn P S Al c Cr Ni Cu V Nb N P 355 N 0,025 P 355 NH 0,2 0,9 0,030 min P 355 NL 1 0,50 0,020 0,020 1,7 P 355 NL 2 0,18 0,025 0,015 symboly označující kvalitu ocele: N NH NL 1 NL 2 0,3 0,5 0,3 0,1 0,05 0,020 základní jakost jakost pro zvýšené teploty jakost pro snížené teploty speciální jakost pro snížené teploty Tabulka III: Minimální nárazová práce ocele P 355 při snížených teplotách Ocel Minimální KV [J] při teplotách T [ºC] P 355 H P 355 NH P 355 NL P 355 NL Cr+M o+cu 0,45 Pozn. podél napříč podél napříč podél napříč Nb+Ti +V 0,12 Tabulka IV: Minimální mez kluzu mikrolegovaných ocelí při zvýšených teplotách Ocel Minimální R p0,2 [MPa] při zvýšené teplotě T [ºC] P 355 NH 20MnNb