ВЫСОКОПРОЧНАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ ТОЛСТОЛИСТОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2011 года по МПК C22C38/48 

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 P_см 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 Р_см 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.

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.

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,