ХЛАДОСТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ ARC-СТАЛЬ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ
COLD-RESISTANT WELDABLE ARC-STEEL OF IMPROVED STRENGTH

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству листового проката из хладостойкой стали повышенной прочности улучшенной свариваемости для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, машиностроении, мостостроении и других отраслях промышленности.
Стали с пределом текучести не менее 355 и 390 МПа остаются наиболее востребованными материалами для морских судокорпусных конструкций. По результатам стандартных испытаний на ударный изгиб малых образцов (KV) при температуре -60°С данных сталей отсутствие хрупких разрушений гарантируется в ограниченной области температур и толщин, т.е. возникают ограничения их применимости при строительстве различных элементов конструкций. Очевидно, что из-за тяжелых экономических и экологических последствий опасность возникновения хрупких разрушений должна быть полностью исключена, в связи с чем Российским морским регистром судоходства разработаны требования к сталям арктического применения, эксплуатируемым без ограничений в условиях Арктики для любых конструктивных элементов («Аrс» - стали).
В связи с задачами круглогодичного освоения Северного морского пути, транспортного обслуживания шельфовых месторождений и прибрежной инфраструктуры Арктики возникает потребность в строительстве широкого спектра судов ледового плавания различных типов (танкеров, контейнеровозов, судов снабжения и др.). Однако расширение районов эксплуатации, крайне тяжелые экономические и экологические последствия разрушений в экологически уязвимом бассейне Арктики определяют высокие требования к качеству этих сталей по предотвращению хрупких разрушений при низких температурах до -50…60°С. По параметрам хладостойкости и вязкости разрушения (трещиностойкости) применяемые материалы должны соответствовать новым требованиям к сталям класса «Аrс», «Правил..» Российского морского регистра судоходства [1, 2] и новой редакции ГОСТ Р 52927-2015 [3] на судостроительные стали, выдержать аттестационные испытания и обеспечить гарантированные характеристики работоспособности при низких температурах.
Известна хладостойкая сталь [патент РФ №2187574], используемая для создания тяжелонагруженных крупногабаритных конструкций, например, корпусов судов, оборудования для морских буровых платформ, сосудов, работающих под давлением, и т.д., эксплуатируемых при пониженных (до -50°С) температурах в условиях агрессивных сред типа морской воды, следующего химического состава, масс. % [4]:
углерод
0,07-0,11
кремний
0,20-0,40
марганец
0,90-1,70
никель
0,60-1,20
медь
0,30-0,65
ниобий
0,025-0,050
алюминий
0,02-0,06
кальций
0,005-0,030
сера
0,001-0,015
железо
остальное.
1
Известная сталь [патент РФ №2187574] обеспечивает в листовом прокате толщиной до 70 мм высокую хладостойкость при температуре испытаний -60°С при сохранении уровня прочностных свойств за счет повышенного суммарного содержания никеля и марганца - 2,1-2,3%. Для обеспечения высокой сопротивляемости слоистым разрывам при сохранении свариваемости в данной стали соотношение кальция к сере Ca/S≥2, а параметр трещиностойкости Рсм () не более 0,23%.
Недостатками стали [патент РФ №2187574] являются:
- недостаточная хладостойкость (оцениваемая для данной стали по уровню работы удара) только до температур -60°С, в то время как надежная эксплуатация конструкции при температурах до -50…60°С может быть обеспечена, если работа удара гарантирована при температурах на 20°С ниже эксплуатационной;
- отсутствие гарантированных характеристик работоспособности при низких температурах (трещиностойкости по критерию критического раскрытия в вершине трещины CTOD, температуры вязко-хрупкого перехода Ткб и температуры нулевой пластичности NDT, определяемых на пробах полной толщины);
- достаточно высокое содержание марганца до 1,7%, что может приводить к сильному росту зерна в зоне термического влияния сварных соединений этой стали и ухудшению свариваемости.
Известна также хладостойкая сталь повышенной прочности [патент РФ №2269587], содержащая, масс. % [5]:
углерод
0,04-0,10
кремний
0,15-0,35
марганец
1,00-1,40
никель
0,10-0,80
медь
0,05-0,20
алюминий
0,02-0,06
ниобий
0,02-0,06
ванадий
0,02-0,10
сера
0,001-0,005
железо
остальное.
Сталь [патент РФ №2269587] обеспечивает в листовом прокате толщиной до 50 мм высокую хладостойкость (высокий уровень ударной вязкости до температуры испытаний -80°С) и коррозионную стойкость, улучшенную свариваемость (в том числе, высокий уровень работы удара зоны термического влияния при температуре испытаний -60°С) и гарантированную сопротивляемость слоистым разрушениям при сохранении высокой прочности. Обеспечение указанных характеристик достигается за счет низкого содержания углерода в сочетании с легированием марганцем, никелем и медью и совместным микролегированием ниобием и ванадием в заданных пределах.
Основным недостатком стали [патент РФ №2269587] является отсутствие гарантированных характеристик работоспособности при низких температурах (трещиностойкости по критерию критического раскрытия в вершине трещины CTOD, температуры вязко-хрупкого перехода Ткб, температуры нулевой пластичности NDT), а также отсутствие ограничений по содержанию вредных примесей - фосфора и азота, приводящих к охрупчиванию при низких температурах.
Наиболее близкой к предлагаемой по достигаемым механическим свойствам и характеристикам работоспособности, выбранная в качестве прототипа, является хладостойкая свариваемая сталь для конструкций, работающих в экстремальных условиях [патент РФ №2452787], следующего состава, масс. % [6]:
углерод
0,06-0,12
кремний
0,15-0,35
марганец
0,60-1,20
никель
0,05-0,40
ванадий
0,03-0,05
ниобий
0,025-0,060
титан
0,002-0,020
алюминий
0,02-0,05
азот
0,005-0,008
кальций
0,01-0,03
сера
0,001-0,005
фосфор
0,001-0,012
железо
остальное.
Сталь [патент РФ №2452787] обеспечивает в листовом прокате толщиной до 70 мм получение гарантированного предела текучести от 235 до 390 МПа и повышенной пластичности при температурах +20…-80°С, сопротивления слоистым разрушениям, высокой работы удара при температурах до -80°С, гарантированной трещиностойкости до -60°С, а также низких значений температуры вязко-хрупкого перехода Ткб не выше -30°С. Обеспечение требуемой прочности в сочетании с характеристиками хладостойкости и трещиностойкости достигается легированием низкоуглеродистой стали марганцем и никелем в пределах 0,65.. 1,60%, совместным микролегированием азотом, титаном, ванадием и ниобием в заданных пределах при ограничении содержания серы и фосфора.
Основным недостатком прототипа [патент РФ №2452787] является недостаточная сопротивляемость хрупким разрушениям по критерию значения температуры нулевой пластичности NDT согласно требованиям «Правил…» РМРС [1, 2] к сталям с индексом «аrс».
Техническим результатом изобретения является разработка листовой стали с гарантированным пределом текучести 355 и 390 МПа в толщинах от 25 до 50 мм, вязко-пластическими свойствами и характеристикам работоспособности согласно требованиям «Правил…» РМРС [1, 2] и ГОСТ Р 52927-2015 [3] к сталям с индексом «аrс» - трещиностойкости по критерию критического раскрытия в вершине трещины CTOD, температуры вязко-хрупкого перехода Ткб, определяемой при статических испытаниях на пробах натурной толщины, температуры нулевой пластичности NDT, определяемой при динамических испытаниях крупногабаритных проб с хрупкой наплавкой. Технический результат достигается тем, что хладостойкая свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, алюминий, азот, кальций, серу, фосфор и железо, дополнительно легирована никелем и содержит медь при следующем соотношении элементов, масс. %:
углерод
0,05-0,07
кремний
0,15-0,35
марганец
1,15-1,35
никель
0,55-0,70
хром
не более
0,15
медь
0,05-0,20
ниобий
0,02-0,04
ванадий
не более
0,01
титан
не более
0,005
алюминий
0,02-0,05
азот
0,001-0,009
сера
0,001-0,005
фосфор
0,001-0,010
кальций
0,0001-0,0300
железо
остальное,
2
причем величина углеродного эквивалента, рассчитываемого по формуле (), не должна превышать 0,38%.
Достижение технического результата обеспечивается за счет формирования в низкоуглеродистой стали пониженного легирования (по сравнению с существующими аналогами) ультрамелкозернистой ферритно-бейнитной структуры с квазиполигональным ферритом и бейнитом преимущественно гранулярной морфологии без наличия крупных областей реечного бейнита, понижающих характеристики работоспособности, хладостойкости и пластичности, и избыточного количества полигонального феррита, понижающего прочность, при использовании прецизионной двухстадийной термомеханической обработки с жесткой регламентацией основных термодеформационных параметров прокатки и ускоренного охлаждения.
Содержание углерода 0,05-0,07% достаточно для обеспечения требуемого уровня прочности, при этом достигается повышение свариваемости и работы удара при пониженных температурах как основного металла, так и зоны термического влияния, и снижение сегрегационной неоднородности металла. Уменьшение содержания углерода снижает твердость в зоне термического влияния, исключает появление холодных трещин. В сочетании с низким содержанием азота углерод в заявленных количествах исключает блокировку дислокаций примесями внедрения, повышает их подвижность, что способствует релаксации напряжений в сварных соединениях без трещинообразования.
Кремний добавлен для раскисления и повышения прочностных характеристик. При концентрации кремния менее 0,15% прочность стали ниже допустимой. При содержании кремния более 0,35% происходит значительное искажение кристаллической решетки α-Fe, что увеличивает ее сопротивление движению дислокаций и препятствует релаксации высоких упругих микронапряжений, вследствие чего происходит понижение хладостойкости, увеличение склонности к трещинообразованию (сталь не выдерживает испытания на холодный изгиб).
Марганец в количестве 1,15-1,35% позволяет гарантировать сочетание высоких показателей прочностных характеристик и характеристик хладостойкости. Повышение содержания марганца выше установленного предела в качестве легирующего элемента для низкоуглеродистой стали неперспективно вследствие:
- увеличения чувствительности стали к перегреву;
- усиления центральной сегрегации в непрерывнолитом слябе, приводящему к ухудшению низкотемпературной вязкости и повышению температуры вязко-хрупкого перехода.
Никель является одним из основных легирующих элементов, оказывающих наиболее существенное влияние как на прочностные характеристики, так и на пластичность и характеристики хладостойкости стали за счет усиления металлической компоненты межатомных связей в твердом растворе. Ослабляя взаимодействие дислокаций с атомами внедрения и сопротивление кристаллической решетки движению свободных дислокаций, легирование никелем приводит к повышению пластичности, трещиностойкости стали и понижению темепературы вязко-хрупкого перехода. Кроме того, никель повышает термодинамическую активность углерода, что обуславливает однородность состава аустенита перед началом превращения, и, как следствие, обеспечивает формирование дисперсной конечной структуры. Пределы содержания никеля 0,55-0,70% выбраны с целью повышения прочностных характеристик за счет твердорастворного механизма и увеличения доли бейнитной составляющей при сохранении высоких показателей хладостойкости и трещиностойкости без ухудшения свариваемости стали.
Медь оказывает аналогичное никелю влияние на свойства стали. Медь, как и никель, обладает сферической конфигурацией подвалентых электронов, ослабляет ковалентную составляющую межатомной связи при комплексном легировании стали, что обуславливает высокое сопротивление стали хрупким разрушениям. Однако растворимость меди в α-железе весьма незначительна, поэтому добавление избыточного количества меди приводит к снижению хладостойкости и трещиностойкости вследствие дисперсионного упрочнения. Повышенное содержание меди приводит к ее выделению в свободном состоянии в стыках зерен, вследствие чего в процессе горячей деформации могут образовываться горячие трещины. Для обеспечения высоких вязко-пластических свойств и характеристик работоспособности пределы содержания меди ограничены 0,05-0,20%.
Микролегирование ниобием способствует получению в результате горячей прокатки более однородной и мелкодисперсной структуры аустенита за счет ряда позитивных эффектов: а) ограничение роста зерен при нагреве заготовки под прокатку; б) сдерживание динамической рекристаллизации, которая в силу технологических ограничений может быть лишь частичной, приводя к структурной неоднородности; в) предотвращение роста новых зерен после завершения первичной статической рекристаллизации в паузах между обжатиями на черновой стадии; г) расширение температурного диапазона фрагментации, которая формирует в зернах аустенита новые границы после прекращения его рекристаллизации [7]. Однако добавление ниобия в избыточном количестве усиливает взаимодействие атомов внедрения с дислокациями, повышая степень их блокировки, что приводит к повышению прочности, но одновременно тормозит релаксацию напряжений и снижает низкотемпературную ударную вязкость основного металла, пластичность и свариваемость стали. Принятые пределы содержания ниобия 0,02-0,04% позволяют обеспечить высокую прочность при сохранении высоких значений работы удара вплоть до температур испытаний -80°С, а также низких температур вязко-хрупкого перехода.
Алюминий в количестве 0,02-0,05% вводится в сталь в качестве раскислителя и оказывает влияние на измельчение структуры. Однако при увеличении содержания алюминия свыше 0,05% увеличивается доля неметаллических включений типа окиси алюминия и снижается чистота стали.
Модифицирование алюминием в указанных пределах в совокупности с введением кальция в количестве 0,0001-0,03% в процессе внепечной обработки обеспечивает высокое металлургическое качество низкоуглеродистых низколегированных сталей, в частности чистоту по неметаллическим включениям металла, что позволит обеспечить свойства в направлении толщины листов и величину работы удара при пониженных температурах как основного металла, так и зоны термического влияния сварных соединений при использовании высокопроизводительной сварки при погонной энергии до 6 кДж/мм, а также повышенную хладостойкость и трещиностойкость стали.
Примесные элементы (фосфор, сера) и растворенные газы (кислород, азот, водород) оказывают отрицательное влияние на хладостойкость металла.
Сера, фосфор и азот являются вредными примесями, ограничение их содержания выбрано исходя из обеспечения металлургического качества стали. С увеличением содержания серы растет количество сульфидных включений, играющих роль концентраторов напряжений, ухудшающих z - свойства. Ограничение содержания серы до 0,005% способствует повышению пластичности и низкотемпературной ударной вязкости. Фосфор обуславливает повышенную склонность к хрупким разрушениям при понижении температуры испытаний и отпускной хрупкости за счет обогащения межзеренных границ. Ограничение содержания фосфора до 0,010% позволяет исключить отпускную хрупкость. Наиболее опасным следствием наличия азота в стали является снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости, поэтому его содержание ограничено величиной 0,009%.
Пример: Сталь была выплавлена в дуговой электропечи и после внепечного рафинирования и вакуумирования разлита в слитки. Химический состав стали приведен в таблице 1.
Листовой прокат толщиной 25-50 мм изготавливали на реверсивном стане «5000» по технологии двухстадийной термической обработки с последующим ускоренным охлаждением с жесткой регламентацией основных параметров - температуры и времени нагрева, температуры и схемы обжатий на черновой и чистовой стадиях, температуры начала и окончания ускоренного охлаждения.
Механические свойства листового проката различных толщин представлены в таблице 2. Испытания на растяжение проводились на полнотолщинных призматических образцах в соответствии с ГОСТ 1497-84 при температурах +20 и минус 80°С, на ударный изгиб - на образцах типа 11 в соответствии с ГОСТ 9454 при температурах испытаний -20…-80°С, на ударный изгиб после механического старения - на образцах типа 11 в соответствии с ГОСТ 9454 при температуре испытания -60°С, на холодный изгиб в соответствии с п. 2.2.5 Ч. XIII СП РМРС. Испытание на растяжение в направлении толщины выполняли на образцах согласно ГОСТ 28870 с определением относительного сужения. Испытания на излом выполняли в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52927-2015.
Сопротивление хрупкому разрушению листового проката оценивали:
- по критической температуре вязко-хрупкого перехода Ткб по методике, приведенной в [1] (часть XII, п. 2.4), 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.). Эта температура характеризует условия, при которых материал не способен затормозить трещину при ударном нагружении со скоростью порядка 5 м/сек и достижения в нем напряжений предела текучести.
Трещиностойкость по критерию раскрытия в вершине трещины CTOD оценивали по требованиям Британского стандарта BS 7448 р. 1 [8]. 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 представлены в таблице 3.
Испытания листового проката толщиной 25-50 мм показали, что сталь выбранного химического состава (составы №№2-4 таблицы 1), изготовленная по технологии двухстадийной термомеханической обработки с последующим ускоренным охлаждением, обеспечивает гарантированный предел текучести 355-390 МПа, высокие вязко-пластические свойства и более высокую сопротивляемость хрупким разрушениям согласно требованиям «Правил…» РМРС [1, 2] и ГОСТ Р 52927-2015 [3] к характеристикам работоспособности сталей с индексом «аrс» - трещиностойкости CTOD, температуры вязко-хрупкого перехода Ткб ([6]), температуры нулевой пластичности NDT.
В случаях отклонения содержания легирующих элементов от предложенного химического состава происходит понижение предела текучести до значений ниже 355 МПа (для стали состава №1) или работы удара до значений ниже 50 Дж при температуре испытаний -60°С и доли волокнитстой составляющей в изломах проб натурной толщины ниже 80% (для стали состава №5) (таблица 2).
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения
1. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. Российский морской регистр судоходства, 2015.
2. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства, 2015 г.
3. ГОСТ Р 52927-2015 «Прокат для судостроения из стали нормальной, повышенной и высокой прочности. Технические условия».
4. Патент Российской Федерации №2187574 «Хладостойкая сталь» от 20.08.2002 г., МПК С22С 38/16.
5. Патент Российской Федерации №2269587 «Хладостойкая сталь повышенной прочности», от 10.02.2006 г., МПК С22С 38/16 (2006.01).
6. Патент Российской Федерации №2452787 «Хладостойкая свариваемая сталь для конструкций, работающих в экстремальных условиях» от 10.06.2012 г., МПК С22С 38/14 (2006.01) - прототип.
7. Е.И. Хлусова, Т.В. Сошина, А.А. Зисман // Влияние микролегирования ниобием на рекристаллизационные процессы в аустените низкоуглеродистых легированных сталей // Вопросы материаловедения, 2013, №1 (73), с. 31-36
8. BS 7448. Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1. Method for determination of K1c, critical CTOD and critical J - values of metallic materials, 1991.