Хладостойкая сталь повышенной прочности

Изобретение относится к металлургии, к производству листового проката улучшенной свариваемости, применяемого для судостроения, топливно-энергетического комплекса, транспортного и тяжелого машиностроения, мостостроения и др. Хладостойкая сталь высокой прочности содержит компоненты в следующем соотношении, в масс.%: углерод 0,04-0,10, марганец 1,00-1,40, кремний 0,15-0,35, никель 0,1-0,8, ниобий 0,02-0,06, ванадий 0,02-0,10, алюминий 0,02-0,06, сера 0,001-0,005, медь 0,05-0,20, железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости и коррозионной стойкости, улучшение свариваемости и сопротивляемости слоистым разрушениям при сохранении высокой прочности. 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству толстолистового проката из хладостойкой стали повышенной прочности улучшенной свариваемости для судостроения, топливно-энергетического комплекса, транспортного и тяжелого машиностроения, мостостроения и других отраслей.

Широкое применение находит поставляемая по ГОСТ 6713 и ГОСТ 19281 сталь марки 10ХСНД следующего химического состава, масс.%: углерод - не более 0,12, кремний - 0,80-1,10, марганец - 0,50-0,80, хром - 0,60-0,90, никель - 0,50-0,80, медь - 0,40-0,60, сера - не более 0,035. Прокат, поставляемый в состоянии после закалки и отпуска или нормализации, обеспечивает предел текучести не менее 390 МПа.

Основными недостатками аналога являются низкая хладостойкость (гарантированная ударная вязкость на образцах с острым надрезом KCV при -40°С - 30 Дж/см²) и отсутствие гарантии сопротивляемости слоистым разрывам (содержание серы до 0,035%).

Известна сталь, принятая за прототип, содержащая (масс.%): 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, кальций - 0,001-0,01, азот - 0,006-0,014, железо - остальное, причем должны выполняться следующие соотношения (патент РФ 2016127):

600≥830-270С-90 Mn-37Ni-70Cr≥550

0,13≥C-12/93Nb-12/51V-12/48(Ti-3,4N)≥0,03.

Недостатком известной стали является то, что в результате ускоренного охлаждения от температуры окончания горячей прокатки известная сталь сохраняет высокую прочность и улучшенную хладостойкость, но только в толщинах до 10 мм, однако химический состав известной стали не гарантирует хорошую свариваемость, т.к. значения коэффициента трещиностойкости при сварке уже при содержании углерода 0,09% и более превышают нормируемое Морским Регистром для хорошо свариваемой стали значение Р_см 0,22%. Кроме того, отсутствие ограничений по содержанию серы в известной стали не позволяет гарантировать такую важную для крупногабаритных сварных конструкций характеристику, как сопротивляемость слоистым разрушениям. Данные по прочности и хладостойкости листового проката толщиной больше 10 мм, не указываются.

Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости и коррозионной стойкости, обеспечение улучшенной свариваемости и гарантированной сопротивляемости слоистым разрушениям стали при сохранении высокой прочности.

Технический результат достигается за счет того, что хладостойкая сталь повышенной прочности, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, ванадий, ниобий, железо, дополнительно содержит серу и медь при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод - 0,04-0,10, марганец - 1,00-1,40, кремний - 0,15-0,35, никель - 0,1-0,8, ниобий - 0,02-0,06, ванадий - 0,02-0,10, алюминий - 0,02-0,06, серу - 0,001-0,005, медь - 0,05-0,20, железо - остальное.

Повышение прочности низколегированной стали может быть достигнуто за счет следующих факторов: упрочнения твердого раствора (25-40%), дисперсионного упрочнения (20-25%) и измельчения зерна (30-40%).

Наиболее эффективным механизмом, который одновременно с повышением предела текучести вызывает повышение хладостойкости, является измельчение зерна (зернограничное упрочнение).

Применение термомеханической обработки обеспечивает увеличение количества зародышей феррита и способствует формированию развитой субструктуры при завершении деформации при температуре, близкой к точке Ar₃, и равномерному выделению супермелкодисперсной карбидной фазы по всей площади ферритных зерен.

Содержание углерода в выбранных пределах в сочетании с мелкозернистой структурой обеспечивает высокую прочность в совокупности с улучшенной свариваемостью и хладостойкостью при - 60°С. Содержание углерода менее 0,04% не позволяет достичь требуемого уровня прочности и значительно усложняет процесс выплавки стали, более 0,10% С - ухудшает свариваемость и снижает вязкость стали.

Добавки марганца, меди, никеля в заявляемых пределах вносят вклад в твердорастворное упрочнение металла и способствуют повышению хладостойкости. Меньшее содержание этих элементов не позволяет обеспечить требуемую хладостойкость, большее - снижает свариваемость и экономически нецелесообразно.

Добавки ванадия и ниобия в указанных пределах служат целям дисперсионного упрочнения, а также препятствуют росту аустенитного зерна и способствует появлению при охлаждении субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными карбидными частицами.

Совместное легирование Nb и V в принятых пределах особенно эффективно для малоуглеродистой стали, т.к. температура растворения NbC на 50-70°С выше, чем VC, и в результате дисперсные карбиды VC выделяются при охлаждении, а NbC тормозит рост зерна аустенита при нагреве.

Кроме того, совместное легирование Nb и V повышает горячую пластичность литых заготовок.

Снижение содержания ниобия и ванадия ниже указанных пределов не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения, превышение заданного уровня ухудшает свариваемость и снижает хладостойкость.

Добавки меди в указанных пределах существенно повышают (до 3 раз) коррозионную стойкость стали, в т.ч. в морской среде, благодаря образованию на поверхности слоя оксида типа шпинели. Кроме того, добавки меди, особенно в сочетании с низким содержанием серы, способствуют повышению стойкости против водородного растрескивания. Меньшее содержание меди не позволяет достичь требуемого эффекта, большее - нецелесообразно.

Содержание серы в заявляемых пределах гарантирует сопротивляемость слоистым разрушениям. Меньшее содержание трудно достижимо технически, при большем - снижается сопротивляемость слоистым разрушениям.

Испытания листового проката показали, что разработанные химический состав стали и технология ее производства обеспечивают наряду с требуемой прочностью высокие значения работы удара при - 60°С (не менее 50 Дж), улучшенную свариваемость, сопротивляемость слоистым разрушениям и коррозии в толщинах до 50 мм.

Пример. Сталь выплавили в шахтной электропечи, после рафинирования и вакуумирования разлили в литые заготовки.

Химический состав приведен в табл.1.

Заготовки подвергали аустенитизации при температуре 1130-1140°С, предварительной деформации при температуре 930-880°С с суммарной деформацией 45%, окончательной деформации листового проката толщиной 50 мм при температуре 830-780°С с суммарной деформацией 64% и последующему ускоренному охлаждению в установке контролируемого охлаждения (УКО) до температуры 420°С с замедленным охлаждением до 150°С.

Механические свойства проката определяли на поперечных образцах: разрывных типа III №4 по ГОСТ 1497, ударных тип 11 по ГОСТ 9454. Сопротивляемость слоистым разрушениям определяли по ГОСТ 28870 на образцах, вырезанных в направлении толщины листа. Результаты представлены в табл.2. Порог хладостойкости Т₅₀ (50% волокнистой составляющей) определяли по ГОСТ 4543 на образцах тип 11 по ГОСТ 9454.

Сопротивляемость водородному растрескиванию определяли по методике Бритиш Петролеум путем погружения образцов в синтетическую морскую воду, насыщенную H₂S, на 96 час и последующего металлографического исследования поверхности образца с целью определения доли пораженной поверхности и измерения коррозионного съема Δh г/м² (массы металла, растворившегося за время погружения). Результаты испытаний приведены в табл.2.

Оценку свариваемости выполняли для стали с наивысшим уровнем легирования (состав 2) на сварных соединениях с К-образной разделкой, заваренных автоматической сваркой под флюсом с погонной энергией 3,5 кДж/мм без послесварочного отпуска.

Из сварных соединений изготовлены и испытаны:

- на растяжение плоские образцы с расчетной длиной ,

- на ударный изгиб - образцы с V-образным надрезом, выполненным перпендикулярно поверхности проката по линии сплавления и на расстоянии 2,5 и 20 мм от линии сплавления сварного соединения.

Определена твердость по Виккерсу в зоне термического влияния и в основном металле, проведены испытания проб на изгиб в направлении вдоль и поперек сварного шва. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 1
Химический состав стали
№	Химический состав стали, масс.%
состава	Углерод	Кремний	Марганец	Никель	Медь	Ванадий	Ниобий	Сера	Алюминий	Хром	Железо
Предлагаемая сталь
1	0,04	0,15	1,00	0,10	0,05	0,02	0,02	0,001	0,02	-	остальное
2	0,10	0,35	1,40	0,80	0,20	0,10	0,06	0,005	0,05	-	остальное
3	0,08	0,28	1,26	0,63	0,12	0,04	0,03	0,003	0,04	-	остальное
Прототип
4	0,015	0,1	2,2	0,4	-	0,08	0,01	нет данных	0,01	0,3	остальное
5	0,010	0,3	1,5	0,7	-	0,02	0,05	0,03	0,6	остальное

Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства
Состав	Толщина, мм	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение в направлении толщины проката, %	Ударная вязкость KCV, Дж при температуре	Порог хладостойкости, T50, °C (ГОСТ 4543)	Результаты коррозионных испытаний
-40	-60	-80	Масса раствори-вшегося за 96 час металла Δh, г/м2	Водородное растрескивание, % пораженной поверхности
Предлагаемая сталь
1	50	450	530	30	62	269	227	180	<-80	12	21
2	50	470	530	27	48	248	236	203	<-80	14	24
3	50	470	560	26	14	253	224	193	<-80	13	22
Прототип
4	10	695	850	17	-	95	-	-	-75	-	-
5	10	610	730	20	-	116	-	-	-100	-	-

Таблица 3 - Результаты испытаний по оценке свариваемости
№ состава	Временное сопротивление, МПа	Работа удара KV-60, Дж на расстоянии от ЛС, мм	Твердость HV5	Изгиб на 120°
0	2	5	20	ЗТВ	Основной металл	Вдоль	Поперек
2	540	60	90	100	190	230-250	180-190	Трещин нет	Трещин нет

Хладостойкая сталь повышенной прочности, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, ванадий, ниобий, железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит серу и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,04-0,10
Марганец	1,00-1,40
Кремний	0,15-0,35
Никель	0,1-0,8
Ниобий	0,02-0,06
Ванадий	0,02-0,10
Алюминий	0,02-0,06
Сера	0,001-0,005
Медь	0,05-0,20
Железо	Остальное