Конструкционная сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям, которые могут быть использованы при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах, например трубопроводов, морских стационарных платформ, опорных конструкций буровых плавающих установок, резервуаров, строительных конструкций, деталей машин. Конструкционная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08 - 0,22; кремний 0,20 - 0,65; марганец 1,25 - 2,20; титан 0,01 - 0,03; алюминий 0,01 - 0,05; ниобий 0,01 - 0,03; бор 0,001 - 0,005; цирконий 0,01 - 0,05; азот 0,01 - 0,025; медь 0,25 - 0,55; кальций 0,0015 - 0,055; иттрий 0,0001 - 0,055; селен 0,00025 - 0,07; барий 0,01 - 0,035; гафний 0,035 - 0,065 и железо - остальное. В стали дополнительно ограничено содержание примесей, мас.%: серы до 0,035 и фосфора до 0,035. Техническим результатом изобретения является повышение сопротивления хрупкому разрушению, повышение пластичности в направлении толщины проката, улучшение обрабатываемости и свариваемости. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам группы стали, и может быть применено для изготовления конструкций, работающих при низких температурах, например для трубопроводов, морских стационарных платформ, опорных конструкций буровых плавающих установок, резервуаров, строительных конструкций, деталей машин.

Известна сталь (А. С. СССР 1052558 A; C 22 C 38/14, 1982), содержащая, мас. %: углерод - 0,08-0,20; кремний - 0,2-0,6; марганец - 1,2-2,0; титан - 0,01-0,10; алюминий - 0,01-0,06; бор - 0,0005-0,005; иттрий - 0,0001-0,05; азот - 0,005-0,025; кальций - 0,0002-0,06; железо - остальное.

В качестве примесей сталь может содержать, мас.%: Сера - до 0,035 Фосфор - до 0,035.

Недостатком известной стали является низкий запас вязкости при пониженных температурах. Она имеет плохую обрабатываемость, свариваемость и высокую анизотропию по ударной вязкости.

Наиболее близкой по составу технической сущности и достигаемому результату является сталь, описанная в авторском свидетельстве СССР N 1100332 A, по кл. C 22 C 38/60, 1982 (прототип) содержащая, мас.%: углерод - 0,08-0,20; кремний -0,20-0,60; марганец -1,2-2,0; титан - 0,01-0,10; алюминий - 0,01-0,06; бор - 0,0005-0,004; барий - 0,001-0,03; селен - 0,0002-0,08 иттрий -0,0001-0,05; азот - 0,005-0,025; железо - остальное.

В качестве примесей сталь может содержать, мас.%: Сера - до 0,035 Фосфор - до 0,035.

Известная сталь после закалки и высокого отпуска имеет следующий комплекс механических свойств: σ_в = 550-600 H/мм², σ_т = 460-480 H/мм², δ₅ = 17-22% KCU⁺²⁰≥ 220 Дж/см²; KCV^-40 > 100 Дж/см²;
%B(-40^oC) ≈ 50.

Недостатком известной стали является низкая прочность, пластичность (φ_z) в z - направлении, значительная анизотропность вязких характеристик, что определяет низкую сопротивляемость стали к хрупкому разрушению.

Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая сталь, является повышение сопротивления хрупкому разрушению, повышение пластичности в направлении толщины проката (в z направлении), улучшение обрабатываемости и свариваемости.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в известную конструкционную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, титан, алюминий, бор, иттрий, барий, селен, азот, серу, фосфор и железо, дополнительно вводят цирконий, медь, кальций, ниобий, гафний при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод - 0,08-0,22; кремний - 0,20-0,65; марганец - 1,25-2,20; титан - 0,01-0,03; алюминий - 0,01-0,05; ниобий - 0,01-0,03; бор - 0,001-0,005; цирконий - 0,01-0,05; азот - 0,01-0,025; медь - 0,25-0,55; кальций - 0,0015-0,055; иттрий - 0,0001-0,055; селен - 0,00025-0,07; барий - 0,01-0,035; гафний - 0,035-0,065; железо - остальное.

Примеси:
Сера - до 0,035
Фосфор - до 0,035
Железо - остальное.

Предлагаемая сталь при высоких значениях прочности, пластичности (особенно в z направлении), хладостойкости, также обладает высокими технологическими свойствами.

Предлагаемая сталь имеет следующие значения механических свойств после закалки и высокого отпуска:
Предел прочности,
σ_в, H/мм² - 650-690
Предел текучести,
σ_т, H/мм² - 520-580
Относительное удлинение,
δ₅, % - 22-29
Относительное сужение,
φ, % - 55-65
Ударная вязкость,
KCU⁺²⁰, Дж/см² - 240-280
KCV^-40 - 150-175
%B(-40^oC) ≈ 50-70
Коэффициент анизотропии вязких характеристик
KCUпрод./KCUпопер. - 1,4 - 1,8
Как известно, одновременное повышение прочности и хладостойкости является сложной задачей, так как чем прочнее сталь, тем ниже сопротивление хрупкому разрушению. Эта задача может быть решена, если получить ультрамелкое зерно. Измельчение зерна достигается микролегированием карбонитридообразующими элементами (ниобий, ванадий, титан, цирконий и др.). В предлагаемой стали получение ультрамелкого зерна достигается введением гафния, иттрия, которые в комплексе с титаном, цирконием и бором обеспечивает получение 12-13 балла зерна, что невозможно при микролегировании одним титаном, цирконием или же бором. Кроме того гафний, иттрий выводят весь азот из твердого раствора, что еще больше повышает хладостойкость, а входя в состав комплексных корбонитридов, в значительной мере увеличивает их стойкость и дисперсность. Наиболее оптимальное сочетание прочности, пластичности в z - направлении, хладостойкости и характеристики свариваемости достигается при экспериментально найденной сумме титана, ниобия, циркония, гафния и иттрия в пределах 0,95-0,2%.

Повышение технологических свойств обычно достигается введением кальция и повышением содержания серы. В данном случае повышение содержания серы и кальция исключено, так как при этом резко снижается хладостойкость. В предлагаемой стали для решения этой задачи одновременно вводится кальций, гафний и иттрий, которые, не снижая характеристики хладостойкости, значительно повышают обрабатываемость, улучшают свариваемость и прочность.

Пределы по углероду ограничены 0,08-0,22 мас.%. Содержание углерода ниже 0,08 не обеспечивает достаточной прочности и текучести при содержании других элементов на нижнем и среднем уровне. Верхний предел по углероду ограничен 0,22 мас. %. Содержание углерода выше этого предела снижает хладостойкость стали при содержании остальных элементов на среднем и верхнем уровнях.

Нижний предел содержания кремния определен 0,20 мас.%, ниже которого металл не обладает достаточной раскисленностью. Верхний предел содержания кремния ограничен 0,65 мас.%, выше которого снижается сопротивление стали хрупкому разрушению.

Пределы по марганцу выбраны в интервале 1,25-2,2. мас.%. Содержание марганца ниже 1,25 мас.% не обеспечивает достаточной раскисленности металла и достаточных прочностных свойств при содержании остальных элементов на среднем и нижнем уровнях. Верхний предел по марганцу определен 2,2 мас.%. Выше этого предела замедляется образование карбонитридов и снижается хладостойкость стали.

Содержание титана ограничено пределами 0,01-0,03 мас.%. Ниже этого предела сталь недостаточно раскислена, и не обеспечивается твердость комплексных карбонитридов. Верхнее содержание титана ограничено 0,03 мас.%. Выше этого предела происходит охрупчивание стали и ухудшается технологичность стали.

Пределы по алюминию ограничены 0,01-0,05 мас.%. При содержании алюминия ниже 0,01% металл недостаточно раскислен. Верхнее содержание алюминия ограничено 0,05 мас.%, выше этого предела ухудшаются технологичность и качество поверхности проката.

Нижний предел по бору составляет 0,001 мас.%. При содержании бора ниже этого предела не обеспечивается необходимая прокаливаемость и обрабатываемость. Верхний предел выбран 0,005 мас.%, содержание бора выше этого предела вызывает выделение избыточных боридов по границам зерна, что резко снижает сопротивление стали хрупкому разрушению.

Содержание ниобия выбрано в пределах 0,01-0,03 мас.%. Содержание ниобия ниже 0,01 мас.% не обеспечивает образования достаточного количества карбонитридов, что не отражается на задержке роста зерна. При содержании ниобия выше 0,03 мас. % появляется избыточное количество карбонитридов, что может снизить хладостойкость.

Цирконий вводится в пределах 0,01-0,05 мас.%. Содержание циркония ниже 0,01 мас.% не обеспечивает требуемый уровень прочности. Содержание циркония выше 0,05 мас.% вызывает образование избыточного количества карбонитридов, что приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению.

Пределы по азоту ограничены 0,01-0,025 мас.%. При содержании азота 0,010 мас. % не обеспечивается возможность образования карбонитридов, содержание азота выше 0,025 мас.% вызывает снижение хладостойкости из-за появления в твердом растворе свободного азота.

Пределы по меди лежат в интервале 0,25-0,55 мас.%. Содержание меди ниже 0,25 мас. % недостаточно для образования ε фазы, выше 0,55 мас.% может вызвать красноломкость.

Нижний предел по кальцию составляет 0,0015 мас.%. Содержание кальция ниже этого предела не обеспечивает глобуляризацию сульфидов, выше 0,055 мас. % вызывает загрязнение стали избыточным количеством неметаллических включений, что отрицательно скажется на хладостойкости.

Нижнее содержание иттрия составляет 0,0001 мас.%. Это начало положительного влияния этого элемента на обрабатываемость и вязкость. Верхнее содержание иттрия в стали ограничено 0,055 мас.%. Выше этого количества иттрия сталь существенно охрупчивается.

Нижний предел содержания гафния выбран 0,035 мас.%. Содержание гафния ниже этого предела не обеспечивает получение ультрамелкого зерна и, соответственно, оптимального сочетания прочности и хладостойкости. Верхний предел содержания гафния ограничен 0,065 мас.%. При содержаниях гафния выше этого предела сталь не технологична.

Нижний предел по барию 0,01 мас.% определяет начало его благоприятного влияния на обрабатываемость и вязкость. Верхнее содержание бария составляет 0,035 мас.%. Выше этого количества охрупчивается сталь.

Нижнее содержание селена составляет 0,00025 мас.%, определяет начало его положительного влияния на обрабатываемость и вязкость за счет глобуляризации включений. Верхнее содержание селена составляет 0,07 мас.%. Выше этого количества селен охрупчивает сталь.

Наличие в предлагаемой стали указанных количеств бария, селена и гафния способствует глобуляризации и изменению состава неметаллических включений, а также понижает анизотропию вязких характеристик, тем самым повышается сопротивляемость стали хрупкому разрушению.

Ниже даны варианты осуществления изобретения, не исключающие другие варианты в объеме формулы изобретения.

Опытные стали выплавляли в индукционной 50-кг печи на армко-железе. Предварительное раскисление проводили силико-кальцием и ферромарганцем, окончательное - алюминием. Химические составы стали с соответственным содержанием элементов представлены в табл. 1. Плавка 6 - известная сталь, взятая за прототип.

Слитки (25 кг) ковали на сутунки 45 x 500 мм, а затем прокатывали на лист толщиной 15 - 40 мм. При ковке и прокатке технологических затруднений не было.

Механические свойства при растяжении определяли по ГОСТ 1497-84 на разрывных образцах КР-1,серийные испытания на ударную вязкость на образцах "U ", "V" и "T" - по ГОСТ 9454-79.

Обрабатываемость резанием определялась в отожженном состоянии на заготовках для условий получистого точения без охлаждения по чистому металлу резцами, оснащенными твердыми сплавами при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи 0,2 мм/об и главного угла в плане резцов 60^o. Обрабатываемость оценена по скорости резания, соответствующей 60-минутной стойкости резцов B₆₀ и выражена коэффициентом K_тв.спл. по отношению к эталонной стали 45, скорость резания которой V₆₀ взята за единицу.

Свойства стали приведены в табл. 2. Как видно из полученных данных, предлагаемая сталь при достаточно высоком уровне прочности и пластических свойств имеет повышенное сопротивление вязкому разрушению.

Таким образом, предлагаемый состав конструкционной стали по сравнению с прототипом имеет при высоких значениях прочности, пластичности (особенно в z - направлении), хладостойкости, также обладает высокими технологическими свойствами, которые обеспечиваются за счет дополнительного введения следующих элементов: цирконий, медь, кальций, иттрий, ниобий, гафний.

Применение предлагаемой стали, например, для изготовления морских стационарных платформ, опорных конструкций буровых плавающих установок и магистральных трубопроводов значительно снизит металлоемкость конструкций, а также позволит за счет увеличения хладостойкости увеличить надежность в 2,0-2,5 раза.

Формула изобретения

1. Конструкционная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, титан, алюминий, бор, азот, иттрий, селен, барий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий, медь, кальций, ниобий и гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,08 - 0,22
Кремний - 0,20 - 0,65
Марганец - 1,25 - 2,20
Титан - 0,01 - 0,03
Алюминий - 0,01 - 0,05
Ниобий - 0,01 - 0,03
Бор - 0,001 - 0,005
Цирконий - 0,01 - 0,05
Азот - 0,01 - 0,025
Медь - 0,25 - 0,55
Кальций - 0,0015 - 0,055
Иттрий - 0,0001 - 0,055
Селен - 0,00025 - 0,07
Барий - 0,01 - 0,035
Гафний - 0,035 - 0,065
Железо - Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в ней дополнительно ограничено содержание примесей, мас.%:
Серы - До 0,035
Фосфора - До 0,035

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2