blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2026-4-365-373blackmet-3125Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESНеметаллические включения, микроструктура и механические свойства низкоуглеродистой трубной стали, микролегированной боромNonmetallic inclusions, microstructure and mechanical properties of low-carbon boron microalloyed pipe steelhttps://orcid.org/0000-0003-0734-6162БабенкоА. А.BabenkoA. A.

Анатолий Алексеевич Бабенко, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Anatolii A. Babenko, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

babenko251@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6698-5565УполовниковаА. Г.UpolovnikovaA. G.

Алена Геннадьевна Уполовникова, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Alena G. Upolovnikova, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Labo­ratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

upol.ru@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9206-0905СметанниковА. Н.SmetannikovA. N.

Артем Николаевич Сметанников, младший научный сотрудник лаборатории стали и ферросплавов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Artem N. Smetannikov, Junior Researcher of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

artem.smetannikov.89@mail.ruИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияVatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202627082026694365373Copyright © Бабенко А.А., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н., 20262026Бабенко А.А., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н.Babenko A.A., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/3125

В работе представлены результаты исследования влияния бора, марганца и серы в низкоуглеродистой трубной стали на состав и размер неметаллических включений, микроструктуру и механические свойства. Обобщение результатов исследования неметаллических включений в низкоуглеродистой трубной стали, микролегированной бором, позволило выделить в изученных образцах горячекатаного проката три основные группы неметаллических включений: оксидно-сульфидные и оксисульфидные (ОСВ), оксидные, сульфидные включения. В образце проката [B] = 0 % неметаллические включения размером не более 4 мкм представлены в виде единичных включений или сульфидных пленок, а также силикатных включений. Образцы проката с бором характеризуются преимущественно мелкими округлыми неметаллическими включениями: силикатные включения и комплексные включения, состоящие из оксидной фазы системы Al2O3 – MgO в оболочке сульфидов марганца и кальция. При введении бора в количестве 0,006 – 0,011 % происходит изменение структуры с ферритно-перлитной на ферритно-бейнитную, с уменьшением среднего размера ферритного зерна; при 0,011 % В с 8,7 до 6,8 мкм. Микролегирование низкоуглеродистой трубной стали бором в количестве 0,006 – 0,011 %, содержащей 1,4 – 1,6 % Mn и 0,003 – 0,011 % S, за счет преимущественного формирования мелкодисперсной ферритно-бейнитной структуры и неметаллических включений округлой формы размером не более 5,0 мкм, обеспечивает высокие прочностные свойства и, как следствие, получение горячекатаного металлопроката толщиной 10 мм категории прочности Х80 без термической обработки. Наилучшими механическими свойствами, высокой технологичностью и хорошей свариваемостью обладает экономно легированная марганцем трубная сталь, содержащая 0,006 % B, 1,4 % Mn и 0,003 % S, с углеродным эвивалентом Сэкв = 0,30 % при норме не более 0,45 %, коэффициентом трещиностойкости Рсм = 0,17 % при норме не более 0,25 % и соотношением σт /σв = 0,85 при норме не более 0,90.

The paper describes the effect of boron, manganese, and sulfur in low-carbon pipe steel on the composition and size of nonmetallic inclusions, microstructure, and mechanical properties. Generalization of the results of the study of nonmetallic inclusions in low-carbon pipe steel microalloyed with boron made it possible to identify three main groups of nonmetallic inclusions in the studied samples of hot-rolled products: oxide-sulfide and oxysulfide, oxide, and sulfide inclusions. In the rolled product sample [B] = 0 %, nonmetallic inclusions of no more than 4 μm in size are represented as single inclusions or sulfide films, as well as silicate inclusions. Samples of rolled products with boron are characte­rized mainly by small rounded nonmetallic inclusions: silicate inclusions and complex inclusions consisting of oxide phase of the Al2O3 – MgO system in a shell of manganese and calcium sulfides. When boron is introduced in an amount of 0.006 – 0.011 %, the structure changes from ferrite-pearlite to ferrite-bainite, with a decrease in the average size of the ferritic grain; at 0.011 %, from 8.7 to 6.8 μm. Microalloying of low–carbon pipe steel with boron in the amount of 0.006 – 0.011 %, containing 1.4 – 1.6 % Mn and 0.003 – 0.011 % S, due to the predominant formation of a finely dispersed ferrite-bainite structure and rounded nonmetallic inclusions of no more than 5.0 μm in size, provides high strength properties and, as a result, the production of hot-rolled metal with a thickness of 10 mm of X80 strength category without heat treatment. Economically manganese alloyed pipe steel containing 0.006 % B, 1.4 % Mn and 0.003 % S has the best mechanical properties, high processability and good weldability, with a carbon equivalent of Сeq = 0.30 % at a rate of not more than 0.45 %, a crack resistance coefficient of Рсм = 0.17 % at a rate of not more than 0.25 % and a ratio of σт /σв = 0.85 at a rate of not more than 0.90.

низкоуглеродистая трубная стальбормарганецсерамикроструктуранеметаллические включениясвойстваlow-carbon pipe steelboronmanganesesulfurmicrostructurenonmetallic inclusionspropertiesРабота выполнена в рамках исполнения государственного задания ИМЕТ УрО РАН с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Урал-М».The work was performed according to the state assignment for Vatolin Institute of Metallurgy, UB RAS using the equipment of the Collaborative Usage Center “Composition of Compounds” of the Institute of High Temperature Electrochemistry, UB RAS.ReferencesАрабей А.Б. Развитие технических требований к металлу труб магистральных газопроводов. Известия вузов. Черная металлургия. 2010;53(7):3–10.Arabei A.B. Pipe-line steels technical specifications deve­lopment. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010;53(7):3–10. (In Russ.).Пумпянский Д.А., Пышминцев И.Ю., Лобанов М.Л., Чикалов С.Г., Урцев Н.В., Денисов С.В., Урцев В.Н. Влия­ние температуры чистовой прокатки при ТМО низкоуглеродистых высокопрочных трубных сталей на текс­туру и сопротивление разрушению. Металловедение и термическая обработка металлов. 2023;(6(816)):8–15. https://doi.org/10.30906/mitom.2023.6.8-15Pumpyanskii D.A., Pyshmintsev I.Yu., Lobanov M.L., Chikalov S.G., Urtsev N.V., Denisov S.V., Urtsev V.N. Effect of finish rolling temperature on the texture and fracture resistance of low-carbon high-strength pipe steels during thermomechanical treatment. Metal Science and Heat Treatment. 2023;65(5-6):330–337. https://doi.org/10.1007/s11041-023-00935-wМорозов Ю.Д., Симбухов И.А., Дьяконов Д.Л. Исследование микроструктуры и свойств высокопрочной трубной стали категории прочности Х120, изготовленной в лабораторных условиях. Металлург. 2012;(7):50–56.Morozov Yu.D., Simbukhov I.A., Dyakonov D.L. Investigation of the microstructure and properties of high-strength pipe steel of strength category X120, manufactured in laboratory conditions. Metallurg. 2012;(7):50–56. (In Russ.).Голубцов В.А., Лунев В.В. Модифицирование стали для отливок и слитков. Челябинск; Запорожье: ЗНТУ; 2009:356.Golubtsov V.A., Lunev V.V. Modification of Steel for Castings and Ingots. Chelyabinsk; Zaporizhia: ZNTU; 2009:356. (In Russ.).Чикишев Д.Н. Совершенствование технологии производства высококачественного толстолистового проката из микролегированных трубных сталей на основе применения методологии эффективной технологической компенсации. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2021;21(1):42–53.Chikishev D.N. Improvement of the technology for the production of high-quality thick-plate products from microalloyed pipe steels based on the application of the effective technological compensation methodology. Bulletin of the South Ural State University. Series: Metallurgy. 2021;21(1):42–53. (In Russ.).Ferreira A.M., Ariza E.A., Bauri L.F., Gomes P.M.C.D., Carvalho F.M.S.B., Masoumi M., Poplawsky J.D., Goldenstein H., Tschiptschin A.P. A new strategy for developing a Nb microalloyed fire-resistant steel: Effects of boron and cooling rate. Journal of Materials Research and Technology. 2024;33:2365–2376. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.150Ferreira A.M., Ariza E.A., Bauri L.F., Gomes P.M.C.D., Carvalho F.M.S.B., Masoumi M., Poplawsky J.D., Goldenstein H., Tschiptschin A.P. A new strategy for developing a Nb microalloyed fire-resistant steel: Effects of boron and cooling rate. Journal of Materials Research and Technology. 2024;33:2365–2376. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.150Бобылев М.В., Королева Е.Г., Штанников А.М. Перспективные экономнолегированные борсодержащие стали для производства высокопрочных крепежных деталей. Металловедение и термическая обработка металлов. 2005;(5(599)):51–55.Bobylev M.V., Koroleva E.G., Shtannikov A.M. Advanced economically alloyed boron-containing steels for production of high strength fasteners. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2005;(5(599)):51–55. (In Russ.).Xie Z.J., Shang C.J., Wang X.L., Ma X.P., Subramanian S.V., Misra R.D.K. Microstructure-property relationship in a low carbon Nb-B bearing ultra-high strength steel by direct-quenching and tempering. Materials Science and Engineering: A. 2018;727:200–207. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.04.086Xie Z.J., Shang C.J., Wang X.L., Ma X.P., Subramanian S.V., Misra R.D.K. Microstructure-property relationship in a low carbon Nb-B bearing ultra-high strength steel by direct-quenching and tempering. Materials Science and Engineering: A. 2018;727:200–207. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.04.086Mishra B., Kumbhar K., Kumar D., Sarkar R., Siva Kumar K., Srinivas M. Effect of boron addition on microstructure and tensile properties of copper modified ultra high strength NiSiCrCoMo steel. Materials Science and Engineering: A. 2019;744:112–119. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.12.003Mishra B., Kumbhar K., Kumar D., Sarkar R., Siva Kumar K., Srinivas M. Effect of boron addition on microstructure and tensile properties of copper modified ultra high strength NiSiCrCoMo steel. Materials Science and Engineering: A. 2019;744:112–119. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.12.003Hannula J., Komi J., Porter D.A., Somani M.C., Kaijalainen A., Suikkanen P., Yang J., Tsai S. Effect of boron on the strength and toughness of direct-quenched low-carbon niobium bearing ultra-high-strength martensitic steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2017;48(11): 5344–5356. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4295-3Hannula J., Komi J., Porter D.A., Somani M.C., Kaijalainen A., Suikkanen P., Yang J., Tsai S. Effect of boron on the strength and toughness of direct-quenched low-carbon niobium bearing ultra-high-strength martensitic steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2017;48(11): 5344–5356. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4295-3Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н., Сычев А.В. Теоретические основы и технология глубокой десульфурации металла и прямого микролегирования стали бором под основными борсодержащими шлаками. Металлург. 2019;(12):23–28.Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N., Sychev A.V. Theoretical foundations and technology of deep metal desulfurization and direct microalloying of steel with boron under basic boron-containing slags. Metallurg. 2019;(12):23-28. (In Russ.).Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Москва: Металлургия; 1982:184.Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. Applied Science Publishers; 1978:275.Yang H., Wang X.-X., Qu J.-B. Effect of boron on CGHAZ microstructure and toughness of high strength low alloy steels. Journal of Iron and Steel Research International. 2014;21(8):787–792. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(14)60142-4Yang H., Wang X.-X., Qu J.-B. Effect of boron on CGHAZ microstructure and toughness of high strength low alloy steels. Journal of Iron and Steel Research International. 2014;21(8):787–792. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(14)60142-4Zhu K., Oberbillig C., Musik C., Loison C., Iung T. Effect of B and B + Nb on the bainitic transformation in low carbon steels. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(12): 4222–4231. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.02.022Zhu K., Oberbillig C., Musik C., Loison C., Iung T. Effect of B and B + Nb on the bainitic transformation in low carbon steels. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(12): 4222–4231. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.02.022Koo J.Y., Luton M.J., Bangaru N.V., Petkovic R.A., Fairchild D.P., Petersen C.W., Asahi H., Hara T., Terada Y., Sugiya­ma M., Tamehiro H., Komizo Y., Okaguchi S., Hamada M., Yamamoto A., Takeuchi I. Metallurgical design of ultra-high strength steels for gas pipelines. In: Proceedings of The Thirteenth Int. Offshore and Polar Engineering Conf. Honolulu, Hawaii, USA, May 25–30, 2003. Honolulu, Hawaii, USA; 2003.Koo J.Y., Luton M.J., Bangaru N.V., Petkovic R.A., Fairchild D.P., Petersen C.W., Asahi H., Hara T., Terada Y., Sugiya­ma M., Tamehiro H., Komizo Y., Okaguchi S., Hamada M., Yamamoto A., Takeuchi I. Metallurgical design of ultra-high strength steels for gas pipelines. In: Proceedings of The Thirteenth Int. Offshore and Polar Engineering Conf. Honolulu, Hawaii, USA, May 25–30, 2003. Honolulu, Hawaii, USA; 2003.Bangaru Narasimha-Rao V., Koo J., Luton M.J. Ultra-high strength, weldable, boron-containing steels with superior toughness. Patent USA no. 6228183, MPC С22С38/04. 2001.05.08.Bangaru Narasimha-Rao V., Koo J., Luton M.J. Ultra-high strength, weldable, boron-containing steels with superior toughness. Patent USA no. 6228183, MPC С22С38/04. 2001.05.08.Асахи Х., Хара Т., Тзуру Е. и др. Разработка ультравысокопрочных труб Х120 UEO. В кн.: Международный семинар «Современные стали для газонефтепроводных труб, проблемы и перспективы»: сб. докладов. Москва: Металлургиздат; 2006:123–130.Asahi H., Hara T., Tzuru E., etc. Development of ultra-high-strength X120 UEO pipes. In: Int. Seminar “Modern Steels for Gas and Oil Pipeline Pipes, Problems and Prospects”: Transactions. Moscow: Metallurgizdat; 2006:123–130. (In Russ.).Hu J., Du L., Ma Y., Sun G., Xie H., Misra R.D.K. Effect of microalloying with molybdenum and boron on the microstructure and mechanical properties of ultra-low-C Ti bearing steel. Materials Science and Engineering: A. 2015; 640:259–266.Hu J., Du L., Ma Y., Sun G., Xie H., Misra R.D.K. Effect of microalloying with molybdenum and boron on the microstructure and mechanical properties of ultra-low-C Ti bearing steel. Materials Science and Engineering: A. 2015; 640:259–266.Heckmann C.J., Ormston D., Grimpe F., Hillenbrand H.-G. Development of low carbon Nb-Ti-B microalloyed steels for high strength large diameter linepipe. Iron & Steelmaking. 2005;32(4):57–60. https://doi.org/10.1179/174328105X48034Heckmann C.J., Ormston D., Grimpe F., Hillenbrand H.-G. Development of low carbon Nb-Ti-B microalloyed steels for high strength large diameter linepipe. Iron & Steelmaking. 2005;32(4):57–60. https://doi.org/10.1179/174328105X48034Зайцев А.И., Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Крюкова А.И., Удод К.А., Мишнев П.А., Митрофанов А.В. Неметаллические включения и перспективные принципы повышения комплекса свойств и качественных характеристик стали. Металлург. 2014;(11):62–69.Zaitsev A.I., Rodionova I.G., Baklanova O.N., Kryukova A.I., Udod K.A., Mishnev P.A., Mitrofanov A.V. Nonmetallic inclusions and promising principles for improving the complex properties and quality characteristics of steel. Metallurg. 2014;(11):62-69. (In Russ.).ГОСТ ISO 3183 – 2015. Трубы стальные для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Москва: Стандарт информ; 2015:157.GOST ISO 3183 – 2015. Steel pipes for pipelines of the oil and gas industry. Moscow: Standard inform; 2015:157. (In Russ.).Бабенко А.А., Шартдинов Р.Р., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н. Влияние основности на фазовый состав, структуру, вязкость и температуру кристаллизации шлаков системы CaO-SiO2-Al2O3-MgO-В2О3. Металлург. 2023;(2):46–51. https://doi.org/10.52351/00260827_2023_02_46Babenko A.A., Shartdinov R.R., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N. Effect of basicity on phase composition, structure, viscosity, and crystallization temperature of CaO-SiO2-Al2O3-MgO-В2О3 based slags. Metallurg. 2023; (2):46-51. (In Russ.). https://doi.org/10.52351/00260827_2023_02_46Бабенко А.А., Сметанников А.Н., Уполовникова А.Г. Влияние основности и содержания оксида бора в шлаках системы CaO-SiO2-B2O3-Al2O3 на растворимость периклазоуглеродистых огнеупоров. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2020;76(4):390–396. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2020-4-390-395Babenko A.A., Smetannikov A.N., Upolovnikova A.G. Influence of basicity and boron oxide content in slags of CaO-SiO2-B2O3-Al2O3 system on solubility of periclase-carbon refractories. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2020;76(4):390–396. (In Russ.). https://doi.org/10.32339/0135-5910-2020-4-390-395Бабенко А.А., Шартдинов Р.Р., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н., Гуляков В.С. Физические свойства шлаков системы CaO – SiO2 – B2O3 , содержащей 15 % Al2O3 и 8 % MgO. Известия вузов. Черная металлургия. 2019;62(10): 769–773. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-769-773Babenko A.A., Shartdinov R.R., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N., Gulyakov V.S. Physical properties of slags of CaO – SiO2 – B2O3 system containing 15 % Al2O3 and 8 % MgO. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(10): 769–773. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-769-773Бабенко А.А., Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Уполовникова А.Г. Равновесное распределение бора между металлом системы Fe–C–Si–Al и борсодержащим шлаком. Известия вузов. Черная металлургия. 2017;60(9):752–758. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7-752-758Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Leont’ev L.I., Upolovnikova A.G. Equilibrium boron distribution between Fe–C–Si–Al melt and boron-bearing slag. Steel in Translation. 2017;47(9):599–604. https://doi.org/10.3103/S0967091217090029API Spec 5L Standard (USA). Oil and gas industry – Steel pipes for pipeline transport systems. 2008:192.API Spec 5L Standard (USA). Oil and gas industry – Steel pipes for pipeline transport systems. 2008:192.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.