Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к конструкционной стали, и предназначено для изготовления хладостойких высокопрочных сварных конструкций. С целью повышения хладостойкости высокопрочной стали в состоянии после горячей прокатки с ускоренным охлаждением при сохранении уровня предела текучести не менее 600 Н/мм² сталь дополнительно содержит никель и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,06 - 0,15; кремний 0,1 - 0,5; марганец 1,5 - 2,2; хром 0,3 - 0,8; ванадий 0,02 - 0,10; титан 0,01 - 0,05; алюминий 0,01 - 0,08; кальций 0,001 - 0,010; азот 0,006 - 0,014; никель 0,3 - 0,7; ниобий 0,01 - 0,05; железо остальное, при этом должны выполняться следующие соотношения: 600≥ 830-270 углерод - 90 марганец - 37 никель - 70 хром > 550; 0.13≥ углерод - 12/93 ниобий - 12/51 ванадий - 12/48 (титан - 3,4 азот) > 0.03 . 2 табл.

Изобретение относится к металлургии конкретнее к конструкционным сталям, используемым для высокопрочных хладостойких свариваемых строительных конструкций.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности, наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому эффекту является сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,08-0,22 кремний 0,12-0,40 марганец 0,80-1,80 хром 0,90-2,20 молибден 0,20-0,50 ванадий 0,05-0,15 азот 0,005-0,015 алюминий 0,01-0,01 кальций 0,001-0,01 РЗМ 0,005-0,05 титан 0,01-0,06 бор 0,001-0,005 железо остальное Эта сталь имеет высокие прочностные характеристики ( σ _0,2 = 600-1100 Н/мм²) после горячей прокатки и ускоренного охлаждения до 500-550^оС, однако имеет низкие характеристики вязкости и высокий порог хладноломкости и не может быть использована для конструкций северного исполнения.

Целью изобретения является повышение хладостойкости стали в состоянии после горячей пpокатки с ускоренным охлаждением при сохранении уровня предела текучести не менее 600 Н/мм².

Цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, титан, кальций, азот, железо, дополнительно содержит никель и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,06-0,15 кремний 0,1-0,5 марганец 1,5-2,2 хром 0,3-0,8 никель 0,3-0,7 ванадий 0,02-0,10 ниобий 0,01-0,05 титан 0,01-0,05 алюминий 0,01-0,08 кальций 0,001-0,01 азот 0,006-0,014 железо остальное При этом должны выполняться следующие соотношения: 600 ≥ 830 - 270 С = 90Mn - 37Ni - 70 Cr≥ ≥ 550 0,13 ≥ С - 12/93 Nb - 12/51 V - 12/48(Ti-3,4N) ≥ 0,03 Содержание углерода в выбранных пределах необходимо для обеспечения требуемого комплекса свойств прочности, пластичности и хладостойкости, с учетом части, связанной в карбиды ниобия, ванадия и титана. Содержание углерода менее 0,06% не обеспечивает получения бейнитной структуры в стали и соответственно требуемых прочностных свойств, а более 0,15% - приводит к снижению ударной вязкости и хладостойкости.

Пределы содержания хрома, марганца и никеля в предлагаемой стали выбраны с целью обеспечения не менее 80% бейнитной структуры при охлаждении стали со скоростью 6-8^оС/с. Содержание указанных элементов выше верхнего предела ухудшает хладостойкость стали из-за образования мартенситной структуры, а при их содержании ниже нижнего предела не обеспечиваются прочностные свойства стали.

Содержание ванадия в указанных пределах позволяет повысить прочностные характеристики за счет образования дисперсных карбонитридов, упрочняющих ферритную фазу. Повышение содержания ванадия свыше указанного предела приводит к огрублению карбонитридной фазы и ухудшению вязки свойств, а при содержании ванадия менее 0,02% не образуется достаточного для упрочнения ферритной фазы количества карбонитридов, что не позволяет обеспечить требуемый уровень предела текучести.

Пределы содержания титана и азота обеспечивают формирование дисперсных частиц нитрида титана, обеспечивающих измельчение аустенитного зерна, что приводит к повышению пластичности и вязкости стали. Нижние пределы содержания титана и азота выбраны из необходимости обеспечения минимально необходимой доли дисперсных частиц нитрида титана. Увеличение содержания азота более 0,014% и титана более 0,05% способствует интенсивному образованию крупных (1-3 мкм) частиц нитрида титана, что снижает ударную вязкость и ухудшает хладостойкость.

Пределы содержания ниобия выбраны из условий управления процессами рекристаллизации аустенита в цикле термомеханической обработки при прокатке. Содержание ниобия ниже 0,01% не обеспечивает достаточно эффективного повышения температуры рекристаллизации, что приводит к росту аустенитного зерна в интервалах между прокатными клетями и снижению хладостойкости стали. Содержание ниобия более 0,05% приводит к ухудшению вязкости стали за счет дисперсионного упрочнения.

Нижние пределы содержания кремния и алюминия выбраны для обеспечения раскисленности металла, а верхние - с целью предотвращения загрязненности стали алюминатами и ухудшения поверхности проката - для алюминия, и охрупчивания феррита - для кремния.

Кальций обеспечивает модифицирование сульфидных включений, связывая серу в прочные соединения, что обеспечивает повышенную ударную вязкость и хладостойкость. Содержание кальция менее 0,001% не обеспечивает его положительного влияния на указанные свойства, а повышение его содержания свыше 0,01% увеличивает загрязненность стали неметаллическими включениями и ухудшает пластичность и ударную вязкость.

Кроме указанных выше пределов содержания элементов, для обеспечения требуемого комплекса механических свойств, необходимо выполнение еще двух соотношений: 600 ≥ 830 - 270С - 90Mn - 37Ni - 70 Сr ≥ 550 0,13 ≥ С - 12/93 Nb - 12/51V-12/48 (Тi - 3,4 N) ≥ 0,03 Первое соотношение - статистическая модель, описывающая влияние основных легирующих элементов на температуру начала бейнитного превращения, В_н (^оС). При В_н выше 600^оС в структуре стали появляется более 20% феррита, что снижает прочностные характеристики стали, а при В_н менее 550^оС - условия непрерывного охлаждения не позволяют получить полный распад аустенита в бейнитной области, что влечет за собой образование мартенситной составляющей в структуре и приводит к снижению ударной вязкости и хладостойкости.

Второе соотношение - количество углерода в бейните и феррите, т.е. не связанное в карбиды ванадия, ниобия и титана. Содержание углерода в бейните свыше 0,13% приводит к охрупчиванию матрицы и ухудшению хладостойкости, а менее 0,003% - снижению прочностных характеристик.

Сталь выплавляли в индукционной электропечи и разливали в слитки массой 10 кг. Слитки после нагрева до 1150^оС ковали на заготовки сечением 60х60 мм, которые подвергали горячей прокатке за 9 проходов на лист толщиной 10 мм по схеме термодеформационной обработки: температура нагрева 1150^оС; температура окончания деформации 800^оС; охлаждение до 580 - 550^оС со скоростью 6^оС/с;
дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе.

Из полученных листов вырезали поперечные круглые пятикратные образцы для испытания на статическое растяжение по ГОСТ 1497-84 и поперечные ударные образцы 11 типа для определения ударной вязкости по ГОСТ 9454-78 и порога хладноломкости по ГОСТ 4543-71.

В табл.1 приведены составы предлагаемой и известной стали, а в табл. 2 - их механические свойства.

Как видно из полученных данных, предлагаемая сталь обеспечивает более высокую ударную вязкость (КСV^-40 ≥ 60 Дж/см²) и низкий порог хладноломкости (Т₅₀ < -70^оС) при достаточно высоких прочностных свойствах ( σ_0,2 > 600 Н/мм²).

При расчете ожидаемого экономического эффекта от применения предлагаемой стали, за базовый объект принята сталь 09Г2ФБ, используемая для аналогичных целей. Предлагаемая сталь имеет предел текучести не менее 600 Н/мм²; сталь - базовый объект - не менее 450 Н/мм². Такое увеличение предела текучести обеспечивает экономию более 25% металла в готовых изделиях (с учетом расходного коэффициента).

Формула изобретения

СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, титан, кальций, азот и железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения хладостойкости в состоянии после горячей прокатки с ускоренным охлаждением при сохранении уровня предела текучести не менее 600 Н/мм², она дополнительно содержит никель и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,06 - 0,15
Кремний 0,1 - 0,5
Марганец 1,5 - 2,2
Хром 0,3 - 0,8
Ванадий 0,02 - 0,10
Титан 0,01 - 0,05
Алюминий 0,01 - 0,08
Кальций 0,001 - 0,010
Азот 0,006 - 0,014
Никель 0,3 - 0,7
Ниобий 0,01 - 0,05
Железо Остальное
при этом должны выполняться следующие соотношения: 600 ≥ 830 - 270 углерод - 90 марганец - 37 никель - 70 хром > 550; 0,13 ≥ углерод - 12/93 ниобий - 12/51 ванадий - 12/48 (титан - 3,4 азот) ≥ 0,03.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2