Двухслойная высокопрочная коррозионно-стойкая сталь

 

Двухслойная высокопрочная коррозионно-стойкая сталь состоит из основного слоя, содержащего, мас. % : углерод 0,08 - 0,10, кремний 0,17 - 0,37, марганец 0,3 - 0,6, хром 0,6 - 0,9, никель 2,0 - 3,0, медь 0,4 - 0,7, молибден 0,35 - 0,45, алюминий 0,02 - 0,06, ниобий 0,02 - 0,05, серу 0,001 - 0,010, фосфор 0,001 - 0,015, железо - остальное, и плакирующего слоя, содержащего, мас. %: углерод 0,01 - 0,12, кремний 0,2 - 0,8, марганец 1,3 - 2,5, хром 17,0 - 20,5, никель 8,0 - 11,5, ниобий 0,7 - 1,2, железо - остальное, при условии, что толщина плакирующего слоя составляет 5,7 - 16,7% от общей толщины биметалла. Изобретенная сталь обеспечивает уровень прочности σ_0,2 не менее 590H/мм² и сопротивляемость хрупким разрушением. 5 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно, к двухслойной высокопрочной стали и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных сварных конструкций, эксплуатирующихся в широком температурном интервале (до -60^оС) в условиях повышенного коррозионного износа под воздействием морской воды и других агрессивных сред. Одной из областей использования является изготовление емкостей-хранилищ для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей.

Целью изобретения является повышение прочности, свариваемости и сопротивления хрупким разрушениям при температурах до -60^оС, в том числе в Z-направлении при обеспечении высокой коррозионной стойкости при воздействии морской воды и других агрессивных сред.

Известны двухслойные коррозионностойкие стали по ГОСТ 10885-85 с основным слоем из углеродистой или низколегированной стали с защитным слоем из коррозионностойких сталей и сплавов. Листы из этих сталей изготавливают толщиной от 4 до 160 мм при соотношении толщин защитного и основного слоев в пределах 0,07-0,37. В Японии и США плакированные стали изготавливают в соответствии с требованиями стандартов JIS3601, ASTM A263.

Наиболее близка по химическому составу и уровню свойств для решения поставленной задачи двухслойная коррозионно-стойкая сталь по ГОСТ 10885-85 10ХСНД, плакированная сталью 08Х18Н10Т.

Однако уровень прочностных характеристик известной стали недостаточен для решения поставленной задачи. Кроме того, отсутствие регламентации по содержанию серы, фосфора, а также коэффициенту трещиностойкости не позволяет в полной мере обеспечить изотропность механических свойств, в первую очередь в Z-направлении.

Сопротивляемость хрупким разрушениям при пониженных температурах у известной стали низка для использования при температуре до -60^оС, т.к. работа удара на остром надрезе при температуре - 40^оС гарантируется на уровне 37 Дж. Кроме того, гарантируемая прочность сцепления слоев в известных листах при использовании их в сварочных конструкциях недостаточна (150 Н/мм² на срез), что ведет к снижению технологичности и ухудшению свариваемости.

Целью изобретения является повышение уровня прочности (σ_0,2 не менее 590 Н/мм²), сопротивляемости хрупким разрушениям, обеспечение оптимального комплекса свойств, в том числе в Z-направлении.

Цель достигается тем, что для основного слоя использовано сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, алюминий, ниобий, серу, фосфор, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,10; кремний 0,17-0,37; марганец 0,3-0,6; хром 0,6-0,9; никель 2-3; медь 0,4-0,7; молибден 0,35-0,45; алюминий 0,02-0,06; ниобий 0,02-0,05; сера 0,001-0,010; фосфор 0,001-0,015; железо - остальное.

Для обеспечения коррозионной стойкости для защитного слоя выбрана сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,01-0,12; кремний 0,2-0,8; марганец 1,3-2,5; хром 17,0-20,5; никель 8,0-11,5; ниобий 0,7-1,2; железо - остальное, при условии, что толщина плакирующего слоя составляет 5,7-16,7% от общей толщины биметалла.

Легирование стали основного слоя молибденом позволяет за счет стабилизации аустенитной фазы обеспечить более высокую прокаливаемость, подавить процессы отпускной хрупкости, а также активизировать процессы карбидообразования при отпуске и за счет этого обеспечить более высокий уровень прочности.

Легирование ниобием в сочетании с алюминием обеспечивает мелкозернистую структуру основного слоя, а также мелкозернистую ферритную структуру в переходной зоне.

Мелкозернистая структура и равномерное распределение карбидной фазы, образующейся в процессе отпуска, одновременно с повышением прочностных свойств, обеспечивают высокую ударную вязкость, сопротивляемость хрупким разрушениям, хладостойкость.

Ограничение содержания серы и фосфора также способствует повышению сопротивляемости хрупким разрушениям, в том числе в Z-направлении.

Более высокое содержание никеля и меди в заявляемой стали позволяет обеспечить необходимую степень прокаливаемости, повысить растворимость молибдена в твердом растворе, а также способствует повышению сопротивляемости хрупким разрушениям.

Для подтверждения достижения поставленной цели была изготовлена серия сталей для основного слоя, состав которых приведен в табл. 1.

На слябы методом наплавки был нанесен защитный слой толщиной до 5 мм. Толщина защитного слоя была определена с учетом нормативов общей коррозии (0,05 мм/год) при эксплуатационном периоде 25 лет, технологических особенностей данного метода, необходимости обеспечения в двухслойной стали интегральной прочности и экономичности.

Слябы с защитным слоем прокатаны на листы толщиной 12-70 мм и подвергнуты термической обработке, состоящей из закалки и высокого отпуска. Механические свойства основного слоя листов, изготовленных по указанной технологии, в поперечном и Z-направлениях приведены в табл. 2.

Для оценки сопротивляемости основного слоя хрупким разрушениям были проведены испытания образцов с острым надрезом (тип II по ГОСТ 9454-78) при температуре -60^оС (табл. 2) и определены критические температуры хрупкости (табл. 3).

Приведенные данные показывают, что при предложенном соотношении компонентов в основном слое предлагаемой стали достигается предел текучести не менее 60 кГс/мм² при величине работы удара при температуре испытания - 60^оС не менее 8 кГсм, а также обеспечивается высокая изотропность механических свойств.

Коррозионная стойкость предлагаемой стали была оценена в синтетической морской воде на базе испытаний в течение 2000 ч, при этом скорость общей коррозии составляет для предлагаемой и известной стали не более 0,05 мм/год (табл. 4).

В табл. 5 приведены результаты испытания крупногабаритных образцов с защитным слоем различной толщины (различное соотношение слоев при постоянной толщине защитного слоя достигалось путем сострагивания основного слоя до требуемого соотношения). Как видно из представленных результатов при предлагаемой толщине защитного слоя обеспечивается требуемый уровень прочности, дальнейшее повышение толщины защитного слоя может снизить интегральную прочность листа ниже требуемого уровня, а также невыгодно экономически.

Таким образом, предлагаемая сталь обеспечивает более высокий уровень прочности в сочетании с более высокой сопротивляемостью хрупким разрушениям, изотропность механических свойств, в том числе в Z-направлении, при обеспечении высокой коррозионной стойкости при воздействии морской воды и других агрессивных сред.

Использование ее для изготовления сварных конструкций, в том числе сварных емкостей-хранилищ позволит снизить металлоемкость конструкций, повысить их работоспособность и надежность в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

ДВУХСЛОЙНАЯ ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ, состоящая из основного слоя, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор, серу, железо и плакирующего слоя, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо, отличающаяся тем, что основной слой дополнительно содержит молибден, алюминий и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,08 - 0,1 Кремний 0,17 - 0,37 Марганец 0,3 - 0,6 Хром 0,6 - 0,9 Никель 2,0 - 3,0 Медь 0,4 - 0,7 Молибден 0,35 - 0,45 Алюминий 0,02 - 0,06
Ниобий 0,02 - 0,05
Сера 0,001 - 0,01
Фосфор 0,001 - 0,015
Железо Остальное
а плакирующий слой дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,01 - 0,12
Кремний 0,2 - 0,8
Марганец 1,3 - 2,5
Хром 17,0 - 20,5
Никель 8,0 - 11,5
Ниобий 0,7 - 1,2
Железо Остальное
при условии, что толщина плакирующего слоя составит 5,7 - 16,7% от общей толщины биметалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3