Высокопрочная хладостойкая свариваемая толстолистовая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству толстолистового проката из обладающей улучшенной свариваемостью высокопрочной стали для корабле- и судостроения, топливно-энергетического комплекса, транспортного и тяжелого машиностроения. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ниобий, серу и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,10, кремний 0,20-0,40, марганец 0,20-0,40, хром 0,70-1,00, медь 1,0-1,3, никель 4,00-4,40, молибден 0,50-0,60, ниобий 0,02-0,05, сера 0,001-0,005, железо - остальное. Величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р_см не превышает 0,35%, а суммарное содержание никеля и меди в стали составляет не ниже 5,3 мас.%. Достигается высокая прочность, повышенная хладостойкость, трещиностойкость при сварке и сопротивляемость слоистым разрушениям в толщинах до 100 мм. 2 табл.

 

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

Известны высокопрочные стали, содержащие марганец, хром, никель, молибден, медь и ванадий, марок НУ100, НУ130 (США), NS80 (Япония), WELDOX900 (Швеция) и др.

Однако перечисленные марки стали недостаточно хорошо свариваемы, особенно в условиях открытого воздуха, а также не обеспечивают требуемый в условиях Крайнего Севера уровень сопротивляемости хрупким разрушениям.

Для обеспечения высокой надежности и работоспособности наиболее ответственных сварных конструкций требуется сталь, обладающая высокой прочностью, удовлетворительной свариваемостью в толщинах до 100 мм и высокой хладостойкостью в экстремальных условиях.

Известна сталь толщиной 70 мм, принятая за прототип, со следующим химическим составом, мас.%: углерод 0,07-0,11, кремний 0,17-0,37, марганец 0,30-0,60, хром 0,30-0,70, медь 0,40-0,70, никель 2,40-3,00, молибден 0,35-0,45, алюминий 0,005-0,06, ванадий 0,01-0,03, кальций, барий 0,005-0,020, сера 0,001-0,015, фосфор 0,005-0,015, железо - остальное, при условии, что сумма (никель + медь)≥3,0, (сера + фосфор)≤0,025 (патент РФ №1676277).

Недостатками прототипа является недостаточно высокие прочностные свойства, хладостойкость и сопротивляемость слоистым разрывам.

Техническим результатом изобретения является разработка стали с пределом текучести не ниже 780 МПа, повышенной хладостойкостью, трещиностойкостью при сварке и сопротивляемостью слоистым разрушениям в толщинах до 100 мм (определяется относительным сужением в направлении толщины).

Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, медь, серу и железо, дополнительно содержит ниобий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,10, кремний 0,20-0,40, марганец 0,20-0,40, хром 0,70-1,00, медь 1,0-1,3, никель 4,0-4,4, молибден 0,50-0,60, ниобий 0,02-0,05, сера 0,001-0,005, железо - остальное, причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р_см согласно п.3.2.2 части XIII «Правил постройки и классификации морских судов» определяется , не должна быть выше 0,35% и суммарное содержание никеля и меди не должно быть ниже 5,3%.

Содержание углерода в выбранных пределах достаточно для обеспечения требуемого уровня прочности, при этом достигается повышение свариваемости, хладостойкости и трещиностойкости стали.

Пределы содержания никеля и меди выбраны с целью обеспечения хладостойкости и трещиностойкости при эксплуатации сварных конструкций в экстремальных климатических условиях для листов толщиной до 100 мм.

Указанное суммарное содержание никеля и меди оптимально для обеспечения высокой хладостойкости и необходимого уровня прочности, достигаемых благодаря образованию преимущественно мартенситной структуры в процессе γ→α превращения при закалке и упрочнению за счет выделений ε-меди при отпуске.

Хром и марганец приняты в пределах, необходимых для обеспечения прокаливаемости стали в сечениях до 100 мм, и не ухудшают характеристики свариваемости и хладостойкости.

Совместное легирование молибденом и ниобием в заявляемых пределах наиболее эффективно способствует упрочнению стали. Молибден, не связанный в карбиды и находящийся в твердом растворе, уменьшает скорость диффузии углерода и тем самым обусловливает получение требуемых прочностных характеристик.

Температура растворения карбидов ниобия в аустените выше на 50-70°С, чем карбидов ванадия, в результате чего карбиды ниобия ограничивают рост аустенитного зерна при нагреве под закалку, способствуют упрочнению стали. Таким образом одновременно обеспечивается твердорастворное, зернограничное и дисперсионное упрочнение. Измельчение зерна за счет введения ниобия способствует повышению хладостойкости и трещиностойкости. Таким образом, введение ниобия позволяет при содержании углерода, никеля и молибдена в указанных пределах обеспечить заданный уровень прочности, способствует обеспечению необходимой свариваемости.

Кроме того, введение ниобия позволяет снизить содержание углерода, никеля и молибдена при обеспечении заданного уровня прочности, что способствует улучшению свариваемости и снижению себестоимости.

Сера является примесным элементом, отрицательно влияющим на изотропность механическихз свойств стали, пластичность и вязкость при низких температурах, а следовательно, ее содержание в стали необходимо минимизировать.

Ограничение величины коэффициента трещиностойкости при сварке исключает образование холодных трещин и повышает свариваемость стали.

Испытания листового проката показали, что выбранный химический состав стали, изготовленной по современной технологии, обеспечивает достижение высокой прочности, трещиностойкости и свариваемости.

Пример. Сталь выплавляли в лабораторной индукционной электропечи с разливкой в 25 кг слитки.

Химический состав приведен в таблице 1.

Слитки ковали на заготовки сечением 40×120 мм, которые прокатали на пластины толщиной 13 мм. Из пластин вырезали образцы для испытания на ударный изгиб, тип 11 по ГОСТ 9454, на которых моделировали закалку в воду плиты толщиной 100 мм. Образцы испытывали при температурах +20-80°С, после чего из испытанных образцов изготавливали образцы на растяжение диаметром 3 мм, на которых определяли прочностные и пластические характеристики. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Образцы были подвергнуты закалке от температуры 880-900°С и отпуску при температуре 620-630°С.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемая сталь обеспечивает более высокий уровень прочности, чем известная, при обеспечении удовлетворительной свариваемости и высокой сопротивляемости хрупким разрушениям при пониженных температурах,

Указанные преимущества позволяют значительно расширить диапазон применения стали, повысить надежность и работоспособность изготавливаемых из нее конструкций. Технологичность и трудоемкость изготовления полуфабрикатов при этом практически не изменяется.

Таблица 1
Химический состав стали, мас.%
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Мо	V	S	Nb	Ni+Cu	Fe	Pсм
1	0,08	0,40	0,30	0,70	4,00	1,3	0,60	-	0,001	0,020	5,3	Остальное	0,315
2	0,10	0,30	0,40	0,90	4,40	1,0	0,50	-	0,003	0,040	5,4		0,331
3	0,09	0,20	0,20	1,00	4,20	1,1	0,55	-	0,005	0,050	5,3		0,319
4	0,10	0,40	0,40	1,00	4,40	1,1	0,55	-	0,004	0,040	5,5		0,346
прототип	0,11	0,37	0,60	0,70	2,80	0,70	0,45	0,05	0,015	-	3,5	0.305
Пример расчета Рсм для состава 1: 0,08+0,013+0,015+0,035+0,065+0,040+0,067=0,315 мас.%.

Таблица 2
Механические свойства стали
Сталь	Условный номер плавки	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение в направлении толщины, %	Работа удара, Дж
KV+20	KV50
Предлагаемая	1	786	844	16,5	64	196	172
	2	806	862	17,0	62	187	137
	3	812	868	17,0	58	201	154
4	834	902	17,3	66	198	162
Известная	70 мм	650-623	773-755	19-21	25	-	124
Относительное сужение в направлении толщины и работа удара - средние результаты трех испытаний.

Высокопрочная хладостойкая свариваемая толстолистовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,08-0,10
кремний	0,20-0,40
марганец	0,20-0,40
хром	0,70-1,00
медь	1,0-1,3
никель	4,00-4,40
молибден	0,50-0,60
ниобий	0,02-0,05
сера	0,001-0,005
железо	остальное,

при этом величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р_см не превышает 0,35%, а суммарное содержание никеля и меди составляет не ниже 5,3 мас.%.