Высокопрочная хладостойкая arc-сталь

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству толстолистового проката из хладостойкой высокопрочной стали с улучшенной свариваемостью для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении и других отраслях промышленности. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, % мас: углерод 0,08-0,11, кремний 0,20-0,40, марганец 0,65-0,85, хром 0,75-0,95, никель 2,10-2,30, медь 0,60-0,80, молибден 0,25-0,30, ниобий 0,02-0,05, алюминий 0,01-0,05, кальций 0,005-0,050, сера 0,001-0,005, фосфор 0,001-0,010, железо - остальное. Величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рем не превышает 0,30%. Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой стали высокой прочности для судостроения с нормируемой величиной предела текучести 690 МПа, обеспечивающей гарантированные характеристики сопротивляемости хрупким разрушениям и температуру нулевой пластичности. 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве толстолистового проката из хладостойкой arc-стали высокой прочности, улучшенной свариваемости для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении и других отраслях промышленности.

Для проектирования и строительства таких объектов морской техники, как плавучие и самоподъемные буровые разведочные и добычные платформы, суда категорий arc4-arc9 для эксплуатации в ледовых условиях арктических морей, плавучие краны большой грузоподъемности, ледостойкие терминалы требуются высокопрочные хладостойкие свариваемые arc-стали с гарантированным пределом текучести 690 МПа, способные обеспечить надежную эксплуатацию сварных конструкций в экстремальных условиях воздействия низких окружающих температур (до минус 50°С) и высоких нагрузок в соответствии с требованиями «Правил…» Российского морского регистра судоходства [1, 2]. При этом сталь должна отличаться пониженным уровнем легирования для снижения трудоемкости сварочных работ.

Для изготовления ответственных сварных конструкций используется низкоуглеродистая хладостойкая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,12; кремний 0,2-0,4; марганец 0,45-0,75; хром 1,05-1,30; медь 0,35-0,65; никель 1,05-2,20; молибден 0,10-0,18; алюминий 0,01-0,06; ванадий 0,04-0,06; ниобий 0,02-0,05; кальций 0,005-0,050; сера 0,001-0,005; железо - остальное, причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р_см, рассчитываемого по формуле

$$P_{cм}=C+\frac{Si}{30}+\frac{Mn+Cr+Cu}{20}+\frac{Ni}{60}+\frac{Mo}{15}+\frac{V}{10}+5\text{ В}\text{, }\text{}\text{ мас}\text{.\%}\text{,}$$

должна быть не более 0,28% [3].

В листовом прокате толщиной до 70 мм сталь обеспечивает гарантированный предел текучести 500 МПа, обеспечивает высокие требования по хладостойкости до минус 80°С, улучшенную свариваемость (по величине коэффициента трещиностойкости), высокую трещиностойкость по критерию CTOD в зоне термического влияния сварного шва.

Для изготовления корпусов кораблей и морских технических сооружений используется низкоуглеродистая хромоникельмолибденовая сталь, принятая за прототип, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.% [4]:

Углерод	0,07-0,11
Кремний	0,17-0,37
Марганец	0,30-0,60
Хром	0,30-0,70
Никель	1,80-2,30
Медь	0,40-0,70
Молибден	0,25-0,35
Ванадий	0,02-0,05
Алюминий	0,005-0,04
Элемент из группы,
содержащей кальций, барий	0,005-0,05
Сера	0,003-0,015
Фосфор	0,003-0,015
Железо	остальное

при условии, что сумма (никель + медь) не менее 2,4 мас.%; сумма (сера + фосфор) не более 0,025 мас.%.

В листовом прокате толщиной до 30 мм сталь обеспечивает высокую прочность при сохранении высокой пластичности, сопротивляемости хрупким и коррозионно-механическим разрушениям, хорошей свариваемости, изотропности свойств и сопротивления слоистому разрыву, однако высокие показатели ударной вязкости гарантируются при температурах не ниже минус 40°С. Основными недостатками указанной стали являются высокая температура нулевой пластичности NDT и недостаточная сопротивляемость хрупкому разрушению, оцениваемая по критерию вязкохрупкого перехода Ткб.

Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой arc-стали высокой прочности с гарантированной величиной предела текучести 690 МПа для судостроения, обладающей гарантированными характеристиками работоспособности в соответствии с требованиями «Правил…» Российского морского регистра судоходства [2]: значения температур вязкохрупкого перехода для оценки способности материала тормозить распространение хрупкого разрушения должны быть не выше минус 30°С для температуры Ткб, а температура нулевой пластичности NDT должна быть не выше минус 60°С.

Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, алюминий, кальций, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,08-0,11
Кремний	0,20-0,40
Марганец	0,65-0,85
Хром	0,75-0,95
Никель	2,10-2,30
Медь	0,60-0,80
Молибден	0,25-0,30
Ниобий	0,02-0,05
Алюминий	0,01-0,05
Кальций	0,005-0,050
Сера	0,001-0,005
Фосфор	0,001-0,010
Железо	остальное

причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р_см, рассчитываемого в соответствии с [1] (ч.XII, п.4.2.2) по формуле:

$$P_{cм}=C+\frac{Si}{30}+\frac{Mn+Cr+Cu}{20}+\frac{Ni}{60}+\frac{Mo}{15}+\frac{V}{10}+5\text{ В}\text{, }\text{}\text{ мас}\text{.\%}\text{,}$$

не должна быть выше 0,30%.

Температура растворения карбидов ниобия в аустените на 50-100°С выше температуры растворения карбидов ванадия, в результате чего карбиды ниобия эффективно ограничивают рост аустенитного зерна, способствуя таким образом повышению дисперсности конечной структуры стали, что является наиболее эффективным путем одновременного повышения прочности, низкотемпературной вязкости и пластичности стали.

Введение в сталь марганца и хрома в выбранных пределах способствуют увеличению прочности стали за счет твердорастворного упрочнения, увеличению прокаливаемости, а также одновременному повышению сопротивляемости хрупким разрушениям за счет исключения образования в процессе закалки листового проката толщиной до 50 мм структурно-свободного феррита.

Содержание углерода в указанных пределах в сочетании с мелкозернистой структурой способствует обеспечению высокой прочности стали. Превышение указанных пределов нецелесообразно вследствие существенного снижения пластичности, вязкости, хладостойкости, а также повышения закаливаемости и увеличения склонности стали к образованию горячих и холодных трещин при сварке.

Выбранные пределы содержания марганца, меди и никеля обеспечивают необходимую прочность стали и ее вязкость при отрицательных температурах посредством твердорастворного упрочнения, а также прокаливаемость за счет повышения стабильности аустенита в ферритной области при γ-α-превращении и образования преимущественно бейнитно-мартенситных структур при закалке проката в толщинах до 50 мм.

Молибден предотвращает формирование феррита и развитие отпускной хрупкости стали. При содержании свыше 0,3% молибден понижает вязкость стали.

Фосфор обуславливает повышенную склонность к хрупким разрушениям при понижении температуры испытаний и отпускной хрупкости за счет обогащения межзеренных границ. Ограничение содержания фосфора в указанных пределах в сочетании с введением молибдена в выбранных пределах позволяет исключить отпускную хрупкость.

Пример

Сталь была выплавлена в дуговой электропечи и после внепечного рафинирования и вакуумирования разлита в слитки. Химический состав приведен в таблице 1.

Слитки нагревали до температуры 1200±20°С в камерной печи и прокатывали на стане «5000» на листы толщиной 10-50 мм, которые подвергали прямой закалке в воду после завершения горячей пластической деформации и последующему отпуску в интервале температур 620÷680°С.

Механические свойства определяли на образцах, вырезанных поперек направления прокатки. Испытание на растяжение выполняли по ГОСТ 1497 на цилиндрических образцах типа III №6 (для листов толщиной 10 мм), цилиндрических образцах типа III №4 (для листов толщиной 35 и 50 мм). Испытания на ударный изгиб выполняли по ГОСТ 9454 на образцах с V-образным надрезом тип II при температурах минус 60°C и минус 80°С.

Сопротивление хрупкому разрушению листового проката оценивали:

- по критической температуре вязко-хрупкого перехода Ткб по методике, приведенной в [1] (часть XII, п.2.4.2), соответствующей минимальной температуре, при которой в изломе технологической пробы полной толщины, испытанной на статический изгиб, наблюдается 70% волокнистой составляющей;

- по температуре нулевой пластичности NDT, определяемой по результатам динамических испытаний образцов с хрупкой наплавкой по методике, приведенной в [1] (часть XII, п.2.3.2). Эта температура характеризует условия, при которых материал не способен затормозить трещину при ударном нагружении со скоростью порядка 5 м/с, и достижения в нем напряжений предела текучести.

Свариваемость оценивали по результатам расчета параметра трещиностойкости при сварке Р_см по вышеприведенной формуле.

Результаты механических испытаний (средние значения по результатам двух испытаний на растяжение и трех на ударный изгиб) и характеристик работоспособности приведены в таблице 2.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемая сталь обеспечивает требуемый уровень прочности, более высокую сопротивляемость хрупким разрушениям и низкотемпературную пластичность, удовлетворяющие требованиям «Правил…» Российского морского регистра судоходства [2], чем известная.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:

1. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. Российский Морской Регистр судоходства, 2012 г.

2. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства, 2012 г.

3. Патент Российской Федерации №2269588, МПК С22С 38/48, 2006 г.

4. Патент Российской Федерации №1676276, МПК С22С 38/46, 1996 г. - прототип.

5. BS 7448. Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1. Method for determination of Klc, critical CTOD and critical J - values of metallic materials, 1991. Part 2. Method for determination of critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials, 1997.

Таблица 1
Химический состав стали, мас.%
№ состава	С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Мо	Nb	V	Al	Ca	S	Р	Fe	Рсм, мас.%
1	0,09	0,4	0,85	0,75	2,10	0,80	0,25	0,03	-	0,01	0,030	0,001	0,005	остальное	0,275
2	0,11	0,2	0,65	0,80	2,30	0,60	0,27	0,02	-	0,02	0,050	0,005	0,001	остальное	0,275
3	0,08	0,3	0,75	0,95	2,20	0,70	0,30	0,05	-	0,05	0,005	0,002	0,010	остальное	0,267
Прототип
4	0,11	0,37	0,60	0,70	2,30	0,70	0,35	-	0,04	0,04	0,05 (Ba)	0,015	0,010	остальное	0,288

Хладостойкая высокопрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, алюминий, кальций, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, % мас.:

углерод	0,08-0,11
кремний	0,20-0,40
марганец	0,65-0,85
хром	0,75-0,95
никель	2,10-2,30
медь	0,60-0,80
молибден	0,25-0,30
ниобий	0,02-0,05
алюминий	0,01-0,05
кальций	0,005-0,050
сера	0,001-0,005
фосфор	0,001-0,010
железо	остальное,

причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р_см не превышает 0,30%.