Сталь Советский патент 1993 года по МПК C22C38/14 

кремний. 0,05-0,8 марганец 0,3-2,1 По крайней мере один элемент из группы, включающей

ниобий0,005-0,1 ванадий 0,005-0,12 титан 0,005-0,08 бор 0,0001-0,006 По крайней мере один элемент из группы, включающей кальций 0,0003-0,004 барий 0,0003-0,004 железо остальное Пои этом прочность в пределах 394-642 Н/мм обеспечивается соотношением С + +0,12Mn + 1,6С х Mn + 6Nb + 0,2551 + 4,1 В 0,220-0,833, текучесть в пределах 340-554 Н/мм2 обеспечивается соотношением С + 0,12Мп + 1,7С х Mn + 0,55V + 8,65Nb + 0,32Ti ЮСхМЬ - 21,86V х Ti + 0,1881 0,233-0,947, пластичность в пределах 22-35 % обеспечивается соотношением С + 0,07 х Мп + 0,73 х V + 6,2 х Mb + 0,22 х С X Mn - 14,6 х V х Nb + 25,2 х В 0,684-0,128, ударная вязкость основного металла на образцах с острым надрезом при температуре -40° С в пределах 60-250 Дж/см2 обеспечивается соотношением С - 0,1 Шп + 0,477V - 0,49Nb + 0.286Т1 + 0.193С х Mn + 0,373Мп х Nb - 2,47V х Nb - 4,12V x Ti - 3.88C2 + 0,02Mn2 + 0,037Si + 5B 0,045-(-0,104), ударная вязкость металла околошовной зоны при ручной электродуговой сварке (скорость охлаждения в мнтервалетемператур 800-700° С около 20° С/с) на образцах с острым надрезом при температуре -40°С в пределах 30-70 Дж/см обеспечивается соотношением С - 0,123Мл + 1,11V - 1,211Mb +2,93Ti + 0.45С х Mn - 6.87С х V - 12.2С х Ti + О.ЭЗМп х Nb - 7,69V A Ti + 0,01551 - 0.033-(-0,lS9), ударная вязкость сварного соединения при сварке ТВЧ (скорость охлаждения в интервале 800- 700° С около 90° С/с) на образцах с острым надрезом при температуре -40° С в пределах 30-72 Дж/см2 обеспечивается соотно- шениемС-0,021Мп + 0,62У-0,42иь+1,51Т - 3.47С х V -8,61 С х Ti - 4,97V х Ti + 7,65Nb x Ti+ .0,02631 0.094-(-0,014), сопротивляемость образованию холодных трещин сварных соединений, гарантированная твердостью в пределах 159-350 HV 10, обеспечивается соотношением С + 0,44Мп + 0,92 Tl+1,2lCxMn-0,7MnxTi-0,13Mn2 + 0,04Si 0,155-0.729.

Все варианты предлагаемой стали име- ют феррито-перлитную структуру.

Пределы содержания по углероду и марганцу ограничены с одной стороны необходимостью получения высоких прочностных свойств, а с другой - требованиями по хорошей пластичности, вязкости и свариваемости.

Нижний предел содержания по углероду 0,02 % выбран исходя из необходимости получения заданного уровня свойств при содержании марганца на верхнем пределе 2,1 %. Верхний предел содержания углерода 0,12 % обеспечивает получение необходимой прочности при меньшем содержании марганца.

Содержание углерода ниже 0,02 % не обеспечивает прочность стали, а при содержании углерода выше 0,12 % значительно снижается пластичность стали, ухудшается хладостойкость основного металла и металл ла околошовной зоны, а также повышается склонность к образованию холодных трещин за счет появленйя ст ру ктур закалочного типа.

При минимальном содержании углерода 0,02 % и марганца 0,3 % прочностные свойства стали обеспечиваются максимальным содержанием ниобия 0,1 %. Снижение содержания марганца менее 0,3 % приводит к разупрочнению сварного соединения.

Содержание марганца более 2,1 % приводит к развитию ликвационной неоднород- ности по толщине листа, особенно в центральной части, что недопустимо для сварки ТВЧ.

При минимальном содержании карби- дообразующих элементов ванадия, ниобия, титана по 0,005 % каждого и кремния 0,05% за счет легирования углеродом и марганцем достигается нижний уровень прочности и текучести. При снижении содержания кар- бидообразующих и кремния ниже нижнего предела не обеспечивается нижний уровень требуемых прочностных свойств.

Максимальное количество ванадия 0,12 %, ниобия 0,1 % и титана 0,08 % позволяет каждому в отдельности при минимальном содержании углерода обеспечить необходимый уровень прочности стали при сохранении свойств сварных соединений.

Превышение верхнего предела по ванадию и титану приводит к резкому ухудшению свойств сварных соединений как по ударной вязкости, так и по склонности к образованию холодных трещин (HV 10 350 ед.).

Превышение содержания ниобия более 0,1 % приводит к значительному повышению прочностных характеристик (сгв 642 Н/мм2, от 554 Н/мм2) и снижению пластичности и свойств сварных соединений по ударной вязкости.

Нижний предел по кремнию 0,05 % определяется уровнем, который необходим

для полного успокоения стали, а верхний предел 0,8 %, тем уровнем, при котором кремний, повышая прочность, еще не оказывает отрицательного влияния на низкотемпературную вязкость основного металла и в меньшей степени сварного соединения.

Бор вводится в сталь дли повышения прочности стали. При содержании бора в стали по верхнему пределу обеспечивается максимально допустимая прочность. Повышение содержания бора выше верхнего предела приводит к падению удлинения.

При содержания бора ниже нижнего предела м при низком содержании углерода и марганца не выдерживаются прочностные свойства (они находятся ниже требуемого уровня) и ударная вязкость сварного соединения при сварке ручным электродуговым способом ОЛ/охл 20° С/с).

Для повышения в язкости стали, а главным образом повышения свойств сварных соединений, выполненных токами высокой частоты в сталь введены кальций и/или барий. Кальций обладает сильным термодинамическим сродством к сере и образует в стали высокотемпературные сульфиды, которые в отличии от пластических сульфидов марганца не деформируются при прокатке и сохраняют глобулярную форму, благодаря чему достигается повышение вязкости на образцах с надрезом вдоль направления прокатки, и при испытаниях сварных соединений выполненных токами высокой частоты.

При превышении содержания кальция и бария в стали свыше 0,004 % каждого значительно увеличивается количество силикатов (выше 3 балла), что делает сталь непригодной для сварки ТВЧ. При содержании этих элементов ниже нижнего предела менее 0,0003 % размер раскатанных сульфидов марганца превышает 5 балл, что переводит сталь а разряд несвариваемых токами высокой частоты.

При отсутствии в стали карбидообразующих э лёр ентов свойства стали обеспечивает бор. 8 отсутствие и бора минимальные прочностные свойства достигаются за счет легирования кремнием/углеродом и марганец, а максимальные - предельными содер- жаниями марганца 2,1 % и кремния 0,8 %.

Каждый из карбидообразующих элементов в стали может быть заменен другим или суммой других карбидообразующих элементов в зависимости от назначения стали. Так, для сталей, предназначенных для сварки ТВЧ, предпочтительно использовать в качестве упрочнителя ниобий, так как он повышает ударную вязкость сварного соединения при большой скорости охлаждения. Ванадий может быть использован с большей эффективностью в сталях, предназначенных для сварки с большими погонными энергиями (меньшими скоростями

охлаждения - менее 20° С/с), так как он в этих условиях эффективнее улучшает хладо- стойкость околошовной зоны, чем ниобий. Титан целесообразно использовать для упрочнения стали при содержаний в ней марганца свыше 1,0 %.

Выбор химического состава направлен на обеспечение комплекса свойств, выраженного через соотношение химических элементов.

Верхние и нижние пределы соотношений:

С + 0,12Мп + 1.6С х Mn + 6Nb + 0.25SI + +4,16 0,220-0,833.(1)

С + 0,12Мп + 1,7С х Mn + 0,55V + 8.65Nb+ + 0.32TI - ЮС х Mb - 21,86V х Tl + 0,18SI 0,233-0,947.(2)

С + 0,07Mn + 0,73V + 6,2Nb + 0.22C x Mn - 14,6V xNb +25.26 0,684-0,128.(3)

С - 0,1 Шп + 0,477V - 0,49 Nb + 0,286Ti + 0.193CX Mn + 0,373Mn x Nb, - 2,47V x Nb - 4,12V x T) - 3,88C2+0,02 M n 2 + 0,037Sl- -5B 0.0454-0,104) (4)

C-0,123Mn + 1,11V- 1.21Nb + 2,93TI +

0.45C x Mn - 6.87C x V - 12.2C x Ti + О.ЭЗМп х

Nb - 7,69V x Ti + 0,01551 0,033-( 0,189). Ј5)

С - 0,02Шп + 0,62V - 0. + 1.51T5 - 3,47C x V - 8,61 С x Ti - 4,97V x Tl + 7,6SNb x Ti + 0.026SI 0,094-(-0,014). (5)

С -f 0,44Mn + 0.92TI + 1,21С x Mn - OJMn xTI-0,13Mn2 + 0,0451 0,155-0,729. (7)

Пределы соотношений выбирались ис- ходя из необходимости обеспечения верхнего и нижнего пределов по свойствам основного металла и сварного соединения (таблица 2).

Соотношение (1) в интервале 0,220- 0,833 обеспечивает временное сопротивление в пределах 394-642 Н/мм2.

Соотношение (2) в пределах 0,233-,947 обеспечивает предел текучести в интервале 340-554 Н/мм2.

Соотношение (3) в пределах 0,684-0.128 обеспечивает относительное удлинение в интервале 22-35 %.

Соотношение (4) в пределах 0,045-(- 0,104) обеспечивает ударную вязкость основного металла на образцах с острым

надрезом при температуре -40° С в пределах 60-250 Дж/см2.

Соотношение (5) в интервале 0,033-(- 0,189) обеспечивает ударную вязкость металла околошовной зоны при ручной дуговой сварке (скорость охлаждения в интервале температур 800-700° С около 20° С/с) на образцах с острым надрезом при температуре -40° С в пределах 30-70 Дж/см2,

Соотношение (6) в интервале 0.094-(- 0,014) обеспечивает ударную вязкость сварного соединений при сварке ТВЧ (скорость охлаждения в интервале 800-700° С около 90° С/с) на образцах с острым надрезом при температуре -40° С а пределах 30-72 Дж/см2.

Соотношение (7) в интервале 0,155- 0,729 обеспечивает твердость сварных соединений в пределах 159-350 HV 10, гарантирующую. отсутствие холодных тре- щйн. ;. ;: ;;. ; ; . - : :-- ;

При химическом составе стали, выводящем соотношение за пределы заявляемого. не обеспечивается требуемый уровень свойств основного металла и сварных соединений. Максимальная и минимальная прочность 642-394 Н/мм определяются требованиями конструкционной прочности изделий (таблица 3).

Верхний предел текучести (554 Н/мм2) ограничивается возможность) деформации трубной заготовки. Нижний предел 340 Н/мм2 устойчивостью конструкции.

Превышение верхнего уровня времен- ного сопротивления и предела текучести приводит к появлению технологических трудностей при изготовлении изделий.

При прочности и текучести ниже минимального допустимого уровня не обеспечи- вается конструктивная надежность изделия или требуется увеличение толщины, что не целесообразно.

/.Удлинение не менее 22 % и высокая хладостойкость основного металла 60 Дж/См2 на образцах с острым надрезом, расположённым вдоль направления прокатки, при -40° С определяется условиями изготовленияи эксплуатации изделий.

; Верхний предел по удлинению и удар- ной вязкости основного металла и сварных .соеййненййопределяется необходимостью обеспечения нижнего предела по временному сопротивлению и пределу текучести. При а35 %, KCVoM 250 Дж/см2. KCV5 70 Дж/см2, KCVe 72 Дж/см2 HV6 159 ед. (все вместе или отдельно каждый) показатели прочности снижаются ниже требуемого уровня;

К сварным соединениям предъявляются требования по хладостойкости (KCV-40 30 Дж/см2) для ручной электродуговой и автоматической сварки под слоем флюса (Мохл 20° С/с), что обеспечивает эксплуатационную надежность изделия.

В процессе изготовления сварной конструкций на должны образовываться холодные трещины, а значит количество мартенсита в структуре сварного соединения, ответственного за образование холодных трещин, не должно превышать 30 %. Это соотношение определяется твердостью 350 ед. HV 10. оно и принимается за критерий сопротивляемости образованию холод- йых трещин. Структурообразование определяется скоростью охлаждения сварного соединения. Наибольшую скорость охлаждения, из числа применяемых в трубостроении способов сварки имеет сварка ТВЧ (Woxfl около 90° С/с). При выборе состава разрабатываемой стали исходили из необходимости обеспечения высокой сопротивляемости образованию холодных трещин при сварке ТВЧ. что гарантирует их отсутствие при всех других видах свайки.

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключающие других в объеме формулы изобретения.

Выплавку предлагаемой и известной сталей проводили в открытой индукционной 50 кг печи. Слитки развесом 17 кг нагревали до 1250° С и проковывали на 750 кг молоте в интервале температур 1200-900° С на штангу квадрат 50 х 800 мм. Горячая прокатка осуществлялась по контролируемому режиму. Температура нагрева штанги 1250° С, температура конца прокатки при имитации чистовой клети 820° С, скорость охлаждения полосы после прокатки до 580-550° С - порядка 10° С/с, что имитирует охлаждение рулонной полосы на отводящем рольганге. С 580-550° С охлаждение в печи (соответствует охлаждению рулона на воздухе).

Объектом исследования является полосовой прокат толщиной 6 мм.

Нами было проведено исследование прочности, пластичности, хладостойкости основного металла, а также оценка свариваемости с позиции хладостойкости металла околошовной зоны и склонности к образованию холодных трещин по предельной твёрдости.

Механические свойства определяли в состоянии после контролируемой прокатки на поперечных образцах. Испытания на растяжение проводили на круглых образцах типа ЛИМ по ТОМТ 1497-73, а на ударную вязкость на образцах типа УВ по ГОСТ 9454-78.

Химический состав,величины соотношений химических .элементов, определяющих уровенц,,свойств стали и сварных соединений, ищханические свойства опытных образцов прйведены в табл. 1,2, 3.

Изготовление стали технологических затруднений не вызвало.

Kgk видно из полученных данных, по с р а в не ни юс 03,8 ест ной п р е дл оже н н а я сталь имеет высокую хладострйкость металла околошбвной зоны сварных соединений,

выполненных различными видами Сварки (KCV-40 30 Дж/см2 против KCV-40 30 Дж/см2 для известной стали) и обладает высокой сопротивляемостью образованию хо- лодных трещин при сварке (HV 10 350 ед. против HV ед. для известной стали) при сохранении прочности и пластичности.

При производстве предлагаемой стали в объеме 200 тыс, т. годовой экономический эффект составит 6540 тыс. руб.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

ниобий-0,005-0,1; ванадий- 0,005-0,12;

титан- 0,005-0,08;

,0001-0,006;

по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей

кальций-0,0003-0,004;

барий-0,0003-0,004;

железо - остальное.

- 0,13Мп2 + 0,0481 - 0,155-0,729. :

-J

оэ Ј

СЛ N

. . . : . .. : . .. : .- 2 Соотношение химически элементен, обеспечивающее свойства предиожеянай и юмстно trim.

Продолжение табл. 2

Свойстоз прег аженной и известной сталей

Таблица 3

Продолжение тебя. 3