Хладостойкая arc-сталь высокой прочности

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству толстолистового проката из хладостойкой стали высокой прочности и улучшенной свариваемости для применения в судостроении, мостостроении и других отраслях промышленности. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, % мас: углерод 0,08-0,11, кремний 0,20-0,40, марганец 0,50-0,80, хром 0,40-0,60, никель 1,20-1,50, медь 0,30-0,50, молибден 0,15-0,20, 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 Рсм не превышает 0,24%. Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой стали высокой прочности для судостроения с нормируемой величиной предела текучести 500 МПа, обеспечивающей гарантированные характеристики сопротивляемости хрупким разрушениям и температуру нулевой пластичности. 3 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, 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 500 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 низколегированная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,04-0,10; кремний 0,15-0,35; марганец 1,00-1,40; никель 0,1-0,8; медь 0,05-0,20; ванадий 0,02-0,10; ниобий 0,02-0,06; алюминий 0,02-0,06; серу 0,001-0,005; фосфор 0,003-0,015; железо - остальное [3]. В листовом прокате толщиной до 50 мм сталь обеспечивает предел текучести 450-470 МПа, высокую пластичность, ударную вязкость при -80°С, сопротивляемость хрупким и коррозионно-механическим разрушениям, хорошую свариваемость, технологичность, оцениваемую по результатам испытаний проб на холодный изгиб, изотропность свойств и сопротивление слоистому разрыву.

Известна сталь, принятая за прототип, следующего химического состава, мас.% [4]:

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

$$P_{см}=C+\frac{Si}{30}+\frac{Mn+Cr+Cu}{20}+\frac{Ni}{60}+\frac{Mo}{15}+\frac{V}{10}+5B,мас.\%,\left[2\right]$$

не должна быть выше 0,28%.

Известная сталь 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. Основными недостатками указанной стали являются высокая температура нулевой пластичности NDT и недостаточная сопротивляемость хрупкому разрушению, оцениваемая по критерию вязко-хрупкого перехода Ткб.

Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой arc-стали высокой прочности с гарантированной величиной предела текучести 500 МПа для судостроения, обладающей гарантированными характеристиками работоспособности в соответствии с требованиями «Правил…» Российского морского регистра судоходства [2]: значения температур вязко-хрупкого 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, ниобий, молибден, алюминий, кальций, серу и железо, дополнительно содержит фосфор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,08-0,11
Кремний	0,20-0,40
Марганец	0,50-0,80%
Хром	0,40-0,60
Никель	1,20-1,50
Медь	0,30-0,50
Молибден	0,15-0,20
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 Рсм, рассчитываемого в соответствии с [1] (ч.XII, п.4.2.2.) по формуле:

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

не должна быть выше 0,24%.

Фосфор обуславливает повышенную склонность к хрупким разрушениям при понижении температуры испытаний и отпускной хрупкости за счет обогащения фосфором межзеренных границ. Ограничение содержания фосфора в указанных пределах способствует повышению сопротивляемости стали хрупкому разрушению и обеспечению высокой пластичности при температурах до минус 80°С, а в сочетании с введением молибдена в выбранных пределах позволяет исключить отпускную хрупкость.

Ограничение содержания хрома не оказывает значимого влияния на прочность стали, при этом показатели низкотемпературной пластичности и вязкости стали улучшаются.

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 0,2% молибден понижает вязкость стали.

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 типа 11 при температурах минус 60 и минус 80°С.

Сопротивление хрупкому разрушению листового проката оценивали:

- по критической температуре вязкохрупкого 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 обеспечить достижение в нем напряжений предела текучести.

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

Сварные соединения выполняли на образцах с К-образной разделкой кромок автоматической сваркой под флюсом с погонной энергией ~1,0 кДж/мм. От сварных проб отбирали образцы полной толщины на растяжение с расчетной длиной рабочей части $$\mathrm{5,65}\sqrt{S_0}$$ , образцы на ударный изгиб тип 11 по ГОСТ 9459 с надрезом, выполненным по линии сплавления (ЛС), и на расстоянии 2, 5 и 20 мм от ЛС, а также образцы для измерения твердости по Виккерсу в различных участках сварного соединения.

Трещиностойкость зоны термического влияния (ЗТВ) оценивали по требованиям Британского стандарта BS 7448 [5]. Для испытаний были использованы образцы на статический изгиб прямоугольного сечения с односторонним краевым надрезом (тип SENB по BS 7448) и гладкими боковыми поверхностями. Выращивание усталостной трещины проводилось при частоте 5-8 Гц. Суммарное число циклов нагружения для образца составило не менее 55000. При испытаниях записывали диаграмму деформирования в координатах "нагрузка - раскрытие берегов трещины". Определение перемещений (раскрытия берегов трещины) производилось датчиком DSR 10/50.

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

Результаты определения характеристик работоспособности основного металла и сварных соединений представлены в таблице 3.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемая сталь обеспечивает требуемый уровень прочности, более высокую сопротивляемость хрупким разушениям и свариваемость, а также трещиностойкость при -60°С, удовлетворяющих 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 №2269587, МПК С22С 38/16, 2006 г.

4. Патент Российской Федерации №2269588, МПК С22С 38/48, 2006 г. - прототип.

5. BS 7448. Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1. Method for determination of K1c, critical CTOD and critical J - values of etallic 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	С	Аl	Мо	V	Nb	Ca	S	P	Fe	Рсм, мас.%
1	0,08	0,40	0,65	0,60	1,50	0,50	0,01	0,20	-	0,05	0,005	0,003	0,002	остальное	0,219
2	0,11	0,28	0,50	0,53	1,39	0,30	0,02	0,15	-	0,02	0,050	0,005	0,010	остальное	0,220
3	0,09	0,20	0,80	0,40	1,20	0,46	0,05	0,18	-	0,03	0,030	0,001	0,007	остальное	0,212
Прототип
4	0,10	0,30	0,48	1,05	1,95	0,39	0,04	0,11	0,04	0,02	0,005	0,001	-	остальное	0,277

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

углерод	0,08-0,11
кремний	0,20-0,40
марганец	0,50-0,80
хром	0,40-0,60
никель	1,20-1,50
медь	0,30-0,50
молибден	0,15-0,20
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 0,24%.