Исследование дефектов горячекатаного листа из трубной стали и причин их образования

Развитие нефтегазового комплекса вызывает не только увеличение потребностей в сварных трубах, применяемых для изготовления трубопроводов, но и способствует возрастанию требований, предъявляемым к сталям для изготовления труб. Следует учитывать, что конечный комплекс свойств трубопрокатной металлопродукции формируется в ходе всей совокупности переделов, важнейшим из которых является сталеплавильный. Особенно выражена технологическая наследственность при производстве низколегированных сталей: дефекты, образующиеся из-за отклонения от заданной технологии, проводит к значительному разбросу качества металлопродукции. В частности, ликвация литого металла, которая наследуется при последующей прокатке, приводят к образованию неоднородной структуры и обуславливает снижение механических свойств [1–7]. Концентрационные изменения значительно влияют на термодинамику и кинетику фазовых превращений, на температуры критических точек, на диффузию, которая контролирует зарождение и рост карбидных частиц и формирование бейнита. Неоднократно показано, что в малоуглеродистых сталях даже небольшие изменения химического состава вызывают изменения структуры и фазового состава, а также влияют на уровень механических свойств по сечению проката [8–11].

В работе проведено исследование листового материала из стали марки К56, применяемого для изготовления электросварных труб для нефтепроводов. Отбраковка материала была проведена на готовом изделии – как в основном металле труб, так и в около-шовной зоне при ультразвуковом контроле были обнаружены расслоения. Для установ- ления природы выявленных дефектов были проведены микроструктурные исследования средствами оптической и электронной микроскопии.

Материал и методика исследования

Исследовали образцы листового материала толщиной 14 мм, изготовленного из трубной стали класса прочности К56. Для исключения влияния сварочного нагрева на образование внутренних дефектов из готовой трубы вырезались образцы на разном расстоянии от сварного шва: 20, 40 и 60 мм, дополнительно исследовались сами сварные швы. Химический состав стали представлен в табл. 1.

Структуру сплавов, после травления 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте методами оптической и сканирующей электронной микроскопии.

Оптическая металлография проводилась на микроскопе Axio Observer D1m, оснащенного программой для анализа изображений Thixomet.Pro. Состав микрообъемов сплавов этих образцах определяли на растровом микроскопе JEOL JSM–6460LV с пристав- кой для микрорентгеноспектрального анализа Oxford Instruments Inca Energy. Измерение твердости элементов структуры проводилось на микротвердомере FM-800 при нагрузке 300 г.

Результаты экспериментаи их обсуждение

Для исключения влияния сварочного нагрева на появление внутренних дефектов в листах, предварительно проводилось исследование сварных швов. Результаты исследования показали, что ширина зоны термического влияния сварного шва составляет 4–5 мм. Следовательно, нагрев при сварке не мог спровоцировать появление дефектов. Все исследуемые образцы листового материала имеют идентичную феррито-бейнитную структуру. Характерный вид микроструктуры показан на рис. 1. Видно, что структура металла неоднородна, размер ферритного зерна колеблется от 9,5 до 12 баллов (по ГОСТ 5639–82). Кроме того, отмечена полосчатость структуры 4 балла (по ГОСТ 5640–68).

В осевой зоне всех образцов обнаружены несплошности, видимые на нетравленых

Таблица 1

Химический состав исследованных образцов, масс. %

Fe	C	Si	Ni	Mn	Nb	Cr	V	Ti
Основа	0,10	0,42	0,05	1,52	0,06	0,08	0,003	0,016

Рис. 1. Общий вид микроструктуры исследуемых образцов, х 200

а)

б)

а)

Рис. 3. Несплошность в осевой зоне, х 500

Рис. 2. Несплошности в осевой зоне: а - микротрещина, х 500; б - сульфидная строчка, х 3500

б)

шлифах как микротрещины (рис. 2а) или строчки сульфидных включений (рис. 2б).

После травления образцов в осевой зоне, вблизи несплошностей, были обнаружены участки структуры отличной травимости, име ю щие мартенситный характер структуры (рис. 3). Результаты измер ения микротвердости пок азали, что основная феррито- бейнитная стру ктура имеет твердость 214– 224 HV, мартенсит вблизи несплошности осевой зоны 265 –270 HV.

Для определения природы наблюдаемого дефекта на РЭМ исследовался состав ферритных и бейнитных полос по толщине образцов. Результаты химического анализа и примеры участков химического анализа (в направлении от оси листа к поверхности) показаны в табл. 2. Результаты анализа свидетельствуют о химической неоднородности элементов структур- ных составляющих по толщине листа. В целом, можно отметить, что содержание Si и Mn в ферритных участках ниже, чем в бейнитных. Однако колебания состава в участках обоих типов носят флуктуационный характер.

При исследовании на РЭМ установлено, что участок структурной неоднородности в осевой зоне по содержанию основных элементов близок к бейнитным участкам. На рис. 4 показаны участки химического анализа и спектры участков осевой зоны. Следует отметить, что участки со структурой схожего химического состава встречаются не только вдоль оси листа, но и выше по толщине листа (см. табл. 2). Существенным отличием полосы структурной неоднородности в осевой зоне является наличие выделений карбидов ниобия и строчек сульфидов (рис. 5).

Таблица 2

Участок анализа ферритной фазы          Участок анализа бейнитной структуры

Спектры в таблице № 2,5, 7, 9, 11, 13           Спектры в таблице № 1, 4, 6, 8, 10, 12

а)

Рис. 4. Участки анализа химического состава в осевой зоне: а – 0,74 масс. % Si, 2,61 масс. % Mn, 96,66 масс. % Fe;

б – 0,92 масс. % Si, 2,46 масс. % Mn, 96,62 масс. % Fe

б)

Химический состав элементов структуры по высоте образца, масс. %

Спектр	Si	Mn	Fe	Итог
Спектр 1	0,94	2,96	96,10	100,00
Спектр 2	0,51	1,64	97,86	100,00
Спектр 4	1,11	3,02	95,87	100,00
Спектр 5	0,46	1,59	97,95	100,00
Спектр 6	0,56	1,67	97,77	100,00
Спектр 7	0,62	1,77	97,61	100,00
Спектр 8	0,60	1,97	97,43	100,00
Спектр 9	0,46	1,78	97,76	100,00
Спектр 10	0,53	1,69	97,78	100,00
Спектр 11	0,51	1,56	97,92	100,00
Спектр 12	0,47	1,84	97,69	100,00
Спектр 13	0,50	1,70	97,80	100,00

Результаты химического анализа участков, масс. %

Спектр	C	S	Ti	Mn	Fe	Nb	Итог
Спектр 3		23,29		44,89	31,82		100,00
Спектр 4	11,27		6,07		4,84	77,82	100,00

Рис. 5. Сульфиды и карбиды ниобия в осевой зоне: а – спектр 3; б – спектр 4

Д.Л. Вайнштейн, А.Ю. Рашковский и др. // Металлург. – 2011. – № 11. – С. 61–68.

• 9.    Дюдкин, Д.А. Качество непрерывнолитой стальной заготовки / Д.А. Дюдкин. – Киев: Техника, 1988. – 253 с.

• 10.    Пфанн, В. Дж. Зонная плавка / Дж.В. Пфанн. – М.: Металлургиздат, 1960. – 272 с.

• 11.    Систематизация критериев комплексной оценки качества непрерывнолитой заготовки / А.Н. Смирнов, В.В. Несвет, А.Я. Глазков и др. // Металлы и литье Украины. – 2001. – № 709. – С. 32–36.

• 12.    Изменение структуры низколегированной стали в процессе производства /

• 13.    Завалищин, А.Н. изменение структуры стали К60 на различных этапах технологии производства / А.Н. Завалищин, Е.В. Кожевникова // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2013. – № 2. – С. 96–101.

• 14.    Природа дефектов горячекатаного листа из трубных марок стали. Часть 1. Дефекты, имеющие сталеплавильную природу / А.А. Казаков, П.В. Ковалев, Л.С. Чигинцев и др. // Черные металлы. – 2007. – № 11. – С. 8–15.

С.В. Денисов, А.Н. Завалищин, Е.В. Кожевникова, М.И. Румянцева // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2013. – № 3. – С. 51–54.