СВЕРХПРОЧНАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HEAVY-DUTY STRUCTURAL STEEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к сверхпрочной конструкционной стали, которая подвергается горячей прокатке с целью получения стального листа.
p0,2
p0,2
m
В частности, изобретение относится к сверхпрочной конструкционной стали согласно ограничительно части п.1 формулы изобретения, а также к способу изготовления сверхпрочной конструкционной стали согласно ограничительной части п.27 формулы изобретения. Под сверхпрочной конструкционной сталью подразумевается сталь, у которой предел прочности при разрыве R составляет, по меньшей мере, 960 МПа, а отношение предела текучести к пределу прочности (R/R) составляет более 0,7, что является обычными показателями для конструкционной стали, подвергавшейся прямой закалке.
Изобретение относится к производству сверхпрочной конструкционной стали, состав которой в массовых процентах представлен ниже:
С: 0,07-0,12%,
Si: 0,1-0,7%,
Mn: 0,5-2,0%,
Ni: 0,8-4,5%,
Cu: 0,25-3,0%,
Cr: 0,5-1,6%,
Mo: <0,8%,
Ti: 0,04%,
а также железо, неизбежные примеси и остаточные компоненты.
Изобретение также относится, в частности, к сверхпрочной конструкционной стали, в состав которой входят вышеуказанные элементы и которая вдобавок к высокой прочности обладает отличной свариваемостью за счет отличной ударной вязкости материала в зоне термического влияния сварного шва.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Конструкционные стали используются в строительной и транспортной промышленностях, в которых наметилась тенденция использования более прочных материалов с целью получения более легких конструкций. В этом случае стальные конструкции могут быть облегчены, грузоподъемность машин и устройств увеличена, а энергопотребление снижено. Были сделаны попытки получить сталь с максимальной прочностью, однако, как известно, с увеличением прочности, эксплуатационные свойства, такие как пригодность к сварке и отбортовке, так же как и другие не менее важные свойства, такие как удлинение при разрыве и ударная вязкость, могут ухудшаться. В частности, у таких прочных сталей велик риск водородного растрескивания сварки, кроме того, невозможно предугадать, как поведет себя трещина, что осложняет работу конструктора и специалистов по прочности. Во время сварки нельзя допускать какого-либо существенного размягчения в зоне термического влияния 3ТВ сварного шва или, по меньшей мере, необходимо обеспечить, чтобы ширина этой зоны размягчения оставалась узкой насколько это возможно для того, чтобы прочность сварного соединения была хорошей, то есть соответствовала прочности основного металла насколько это возможно. Другие механические свойства зоны термического влияния сварного шва, такие как удлинение при разрыве и, в особенности, ударная вязкость должны также оставаться по возможности хорошими для того, чтобы облегчить процесс проектирования конструкций, кроме того, должна быть обеспечена практическая функциональность конструкций.
Как известно, при сварке высоко- и сверхпрочных сталей необходимо существенно уменьшать погонную энергию, что может являться причиной образования нежелательных форм сварного валика, с невысокими характеристиками сопротивления на излом и сопротивления усталости. При более низкой погонной энергии место соединения сварного и основного металла не образует гладкой поверхности так же легко, как это происходит при более высокой погонной энергии. Ограничение погонной энергии также ухудшает производительность сварных работ и приводит к дополнительным затратам.
Более того, в некоторых случаях конструкционные стали должны быть устойчивы к воздействиям окружающей среды, при этом сталь не нуждается в покрытии за счет образования тонкого оксидного слоя на ее поверхности, который существенно замедляет развитие коррозии. Востребованной является сталь, которая противостоит не только обычным климатическим воздействиям, но также и хлориду натрия NaCl, содержащемуся в морском среде, в которой сверхпрочная конструкционная сталь замечательно зарекомендовала себя в качестве материала для конструкций кораблей и гаваней, в том числе при отсутствии на ее поверхности какого-либо покрытия. При наличии покрытия устойчивость крашеной поверхности такой стали в точках локального повреждения лучше, потому что замедляется распространение коррозии под покрашенной поверхностью. В частности, за счет использования сверхпрочных конструкционных сталей осуществляются попытки сократить толщину конструкционного материала, сталь также обеспечивает противодействие коррозионному разрушению.
Известна сверхпрочная горячекатаная конструкционная сталь, состав которой в % масс. выглядит следующим образом: С: 0,095%; Si: 0,20%; Mn: 1,0%; Cu: 0,4%; Cr: 1,0%; Ni: 0,20% и Ti: 0,03%, а также железо и другие неизбежные примеси и остаточные компоненты. Сталь, рассматриваемая в настоящем вопросе, имеет предел прочности при разрыве более 960 МПа, однако ударная вязкость основного металла характеризуется средними значениями, кроме того, эта сталь не противостоит воздействию соленой воды в достаточной степени. Также во время сварки зона термического влияния основного металла существенно размягчается и в относительно широкой зоне, причем несущая способность сварного соединения, в том числе прочность и ударная вязкость, существенно ухудшается во время обычной сварки по сравнению с несущей способностью основного металла.
Из KR 950004775 В1 известен способ получения стали, обладающей пределом прочности при разрыве около 150 KSI (приблизительно 1034 МПа), в котором сталь состава С: <0,12%, Mn: 0,6-0,9%; Si: 0,2-0,35%; Ni: 4,75-5,25%; Cr: 0,4-0,7%, Mo: 0,3-0,65%; V: 0,05-0,10%; Р:<0,01% и S<0,015%, остальное - железо и неизбежные примеси, подвергается закалке после процесса горячей прокатки, а затем термообработке. Однако известно, что такая сталь не лишена недостатков, в частности, сталь не устойчива к воздействию окружающей среды из-за того, что в сплаве не содержится медь Cu, и, в то же время, присутствует только небольшое количество хрома Cr. Усиление свойств за счет использования Ni без меди Cu  приводит к излишне высокому содержанию никеля, что нежелательно, т.к. повышает затраты на легирующие добавки. Если после прямой закалки сталь подвергают закалке с последующим отпуском, у такой стали не наблюдается выделение меди Cu, что могло бы увеличить прочность стали. Также известно, что такая сталь обладает плохой способностью к свариванию, потому что в ее составе отсутствует титан Ti, который предотвращает рост зерен при высокой погонной энергии, причем из-за низкой погонной энергии трудно получить гладкое соединение сварного валика и основного металла, вследствие чего трудно получить жесткое и прочное соединение.
Комбинация свойств из отличной прочности и ударной вязкости известных сверхпрочных сталей, получаемых при термомеханической прокатке и прямой закалке, ослабляется в 3ТВ из-за термического цикла, провоцируемого сваркой.
Таким образом, проблема существующих решений, в частности, состоит в том, что не известна из уровня техники сверхпрочная горячекатаная конструкционная сталь, в которой одновременно достигались бы высокая ударная вязкость в 3ТВ, устойчивость воздействию окружающей среды основного металла и высокая прочность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является решение проблемы существующего уровня техники и получение сверхпрочной конструкционной стали с отличной ударной вязкостью в 3ТВ сварного соединения. В таком случае сталь может быть предназначена для сварных работ, таких как изготовление сварных опоясывающих конструкций, при этом предъявляются высокие требования к ударной вязкости стали.
2
Изобретение позволяет получить сверхпрочную конструкционную сталь, ударная вязкость которой в 3ТВ сварного шва, образуемого в этой стали, как измерено в поперечном прокатке направлении при температуре -40°С, составляет более чем 34 Дж/см, иначе это может быть представлено следующим образом:
2
Шарпи V-40°С Т (ЛО, ВК3ТВ, К33ТВ)>34 Дж/см.
Другой целью изобретения является получение нового способа изготовления сверхпрочной конструкционной стали, в состав которой входят вышеобозначенные элементы.
Для осуществления этого сверхпрочная конструкционная сталь согласно настоящему изобретению отличается тем, что указано в отличительной части п.1 формулы изобретения.
Способ согласно изобретению отличается тем, что указано в отличительной части п.27 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в независимых пунктах формулы изобретения, а также в описании.
Цели изобретения достигаются путем легирования стали согласно настоящему изобретению, и предпочтительно, но не обязательно, путем прямой закалки стали, имеющей определенный состав сплава, после горячей прокатки. Другими словами, настоящее изобретение осуществляется, преимущественно, но не обязательно, путем использования уникальной комбинации состава сплава стали и прямой закалки.
Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что путем вышеуказанного состава стали и, предпочтительно, но не обязательно, прямой закалки этой стали, удается получить сверхпрочную сталь, обладающую одновременно хорошей ударной вязкостью в 3ТВ, отличной устойчивостью к воздействию окружающей среды и отличными сварными свойствами. В частности, в изобретении неожиданно было обнаружено, что как и в сплавах с высоким содержанием никеля и/или меди, так и, в большинстве случаев, при небольшом количестве титана в сплаве удается получить сверхпрочную сталь, у которой прочность основного металла и 3ТВ сварного шва, а также ударная вязкость находятся на высоком уровне.
Наиболее существенные преимущества сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению состоят в том, что отличные прочностные свойства этой стали сочетаются с хорошей ударной вязкостью и отличной свариваемостью, благодаря отличным механическим свойствам в 3ТВ. Сварка может быть даже осуществлена без предварительного нагревания. Во время сварки можно избежать проблем, связанных с водородным растрескиванием, и, следовательно, для такой прочной конструкционной стали, подвергавшейся прямой закалке, может быть использована обоснованно высокая погонная энергия, при этом несущая способность сварного шва остается на высоком уровне, так же как и эффективность сварных работ. Далее, конструкционная сталь согласно настоящему изобретению обладает отличными свойствами, такими как сопротивление на излом, что является преимуществом, особенно в экстремальных напряженных ситуациях. Так, существенным преимуществом является высокая ударная вязкость в 3ТВ, в частности, в линии оплавления, в таких прочных конструкционных сталях также при нетипично низких температурах.
Более того, сталь обладает отличной стойкостью к воздействию окружающей среды, она также может быть использована, когда патинированная в темно-коричневый цвет стальная поверхность является целью разработки. Сталь согласно настоящему изобретению способна замедлять развитие коррозии под покрашенной поверхностью, что увеличивает устойчивость конструкции против коррозии, например, в местах, которые трудны для визуального наблюдения или которые имеют покрытие, что делает наблюдение затруднительным или невозможным. Также интервалы наблюдений за конструкцией и интервалы между восстановительным окрашиванием могут быть увеличены. Более того, при соответствующем легировании, сталь противостоит воздействию морской среды дольше, чем обычно, даже без покрытия. Когда же покрытие присутствует, сталь демонстрирует отличную устойчивость даже в сильно коррозионных условиях, причем адгезия покрытия улучшается, и необходимость его смены снижается благодаря стали согласно настоящему изобретению.
Хорошая защита против коррозии и образование гладкого шва предотвращают усталостные растрескивания, увеличивая жизненный цикл конечной продукции, произведенной из сверхпрочной конструкционной стали согласно настоящему изобретению.
Наиболее существенное преимущество способа согласно изобретению состоит в получении конструкционной стали, обладающей вышеуказанными достоинствами. Благодаря прямой закалке не требуется отдельного нагревания для последующей закалки, что означает существенную экономию энергии. Более того, охлаждение до низкой температуры при прямой закалке повышает скорость производственной выработки, ввиду отсутствия необходимости в ожидании остывания стальной продукции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Ниже приводится описание настоящего изобретения более детально со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
на фиг.1 изображены основные этапы способа согласно изобретению,
на фиг.2 изображен способ, который предусматривает последующую закалку,
на фиг.3 более подробно изображен первый предпочтительный вариант осуществления согласно изобретению, и
на фиг.4 более подробно изображен второй предпочтительный вариант осуществления согласно изобретению.
На фигурах пунктирная линия означает, что следующий этап является предпочтительным, но не обязательным этапом способа.
Номера позиций
Легирование
2
Предварительная прокатка
4
Прокатка
5
Прямая закалка
8
Поворот листа на 90°
9
Намотка
10
Закалка с последующим отпуском
12
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Состав сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению в массовых процентах представлен ниже:
С: 0,07-0,12%,
Si: 0,1-0,7%,
Mn: 0,5-2,0%,
Ni: 0,8-4,5%,
Cu: 0,25-3,0%,
Cr: 0,5-1,6%,
Mo: <0,8%,
Ti: 0,04%,
а также железо (Fe), неизбежные примеси и остаточные компоненты.
В таблице 1 приведены примеры составов стали согласно изобретению, которые описаны ниже более подробно. В таблице также присутствует эталонный состав R1.
Таблица 1
Образцы. Содержание компонентов сплава в массовых процентах (% масс.)
сталь
С
Si
Mn
Al
Cr
Ni
Cu
Mo
В
Ti
Nb
V
С<sub>э</sub>
1372
0,10
0,2
1,1
0,04
1,1
3,6
0,4
0,15
0,012
0,8
1371
0,10
0,2
1,1
0,04
1,1
1,6
2,4
0,15
0,012
0,8
1370
0,10
0,2
1,1
0,04
1,5
1,6
2,4
0,60
0,012
1,0
1369
0,11
0,6
1,4
0,04
1,5
3,6
2,4
0,60
0,012
1,2
R1
0,14
0,2
1,1
0,03
0,7
0,05
0,20
0,0019
0,031
0,003
0,009
0,5
Углерод С
э
В отношении уровня прочности сталь имеет до некоторой степени низкое содержание углерода С: 0,07-0,12%, что благоприятным образом сказывается на ударной вязкости и свариваемости материала, при этом углеродный эквивалент С сам по себе может быть в некоторой степени высоким. Углерод С необходим, по меньшей мере, в количестве 0,07% для того, чтобы добиться затвердения и обеспечения сверхпрочностных характеристик. Предпочтительно, содержание углерода в стали находится в интервале 0,08-0,12%, что еще больше улучшает указанные свойства. Наиболее предпочтительным является содержание углерода в интервале 0,08-0,10%. Низкое содержание углерода также препятствует формированию остаточного аустенита между реечным мартенситом, что снижает риск водородного растрескивания.
э
э
э
э
Примечательно, что в некоторой степени высокий углеродный эквивалент С=(C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15) в сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению оказывает положительное влияние на получении комбинации хорошей ударной вязкости и прочности в сварном шве. Как видно из таблицы 1, на примере стали согласно изобретению углеродный эквивалент С>0,50. Так, во время сварки соответствующим образом затвердевает зона реаустенизации, при этом достигается высокая прочность совместно с хорошей ударной вязкостью. Более предпочтительно, чтобы углеродный эквивалент стали находился в интервале 0,5<С<1,2, а еще более предпочтительно в интервале 0,65<С<1,00.
Кремний Si
Содержание кремния в стали составляет 0,1-0,7%, в частности, для достижения необходимой прочности. Не используются стали с содержанием кремния менее 0,1%, так как десульфуризация и контроль включений стали становятся легче, когда в стали присутствует небольшое количество кремния. Более того, кремний Si способствует улучшению стойкости стали к воздействию окружающей среды. С другой стороны, излишнее содержание кремния может ухудшить ударную вязкость и качество поверхности. По этой причине содержание кремния преимущественно находится в интервале 0,15-0,4% и наиболее предпочтительно в интервале 0,15-0,25%, при этом обеспечивается отличное качество поверхности, а также отличная ударная вязкость листовой стали.
Марганец Mn
h
h
Содержание марганца в стали составляет 0,5-2,0%, потому что марганец повышает способность принимать закалку. Однако содержание марганца в стали желательно поддерживать умеренным, так как марганец Mn может проникать в непрерывную разливку и ухудшать такие характеристики, как удлинение образца при разрыве во время прямой закалки стали, а также сопротивление на излом. По этой причине в конструкциях стали с достаточной толщиной марганец включается в состав стали преимущественно в количестве 0,5-1,5%. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления марганец Mn добавляют в количестве, по меньшей мере, 0,7%, особенно когда толщина конструкционной стали T·5 мм. Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления марганец добавляют в количестве, по меньшей мере, 0,9%, особенно когда толщина конструкционной стали T·6 мм.
Никель Ni
Содержание никеля в стали составляет 0,8-4,5%, преимущественно 1,5-4,5%, что является высоким показателем в сравнении с составами обычных конструкционных сталей такого класса прочности. Однако за счет высокого содержания никеля достигается, главным образом, высокая прочность, благодаря увеличению способности к закалке без значительного риска водородного растрескивания, при этом может быть снижена необходимость предварительного нагрева во время сварки. Более того, достигается более хорошая ударная вязкость как основного металла, так и 3ТВ, когда желательно сохранить высокий уровень прочности в обоих местах. Кроме того, никель Ni способен обеспечить отличную устойчивость к воздействию окружающей среды, и в количествах согласно настоящему изобретению улучшает сопротивляемость стали коррозии даже в соленой воде. По этой причине наиболее предпочтительным является содержание никеля в стали в интервале 2,6-4,0%, при этом достигается отличная устойчивость стали воздействию соленой воды.
Медь Cu
Так же как и никель Ni, содержание меди в стали увеличивает ее прочность. Более того, медь Cu улучшает устойчивость стали к воздействиям окружающей среды и используется в количестве 0,25-3,0%. Низкое содержание углерода в сверхпрочной стали в изобретении становится возможным благодаря присутствию Cu и Ni в сплаве, которые улучшают способность стали к свариванию.
Совместное содержание меди Cu и никеля Ni в % масс., преимущественно, но не обязательно, составляет, по меньшей мере, 2,5% согласно следующему условию Cu(%)+Ni(%)-2,5%. В таком случае удается достичь высокой прочности стали при низком содержании углерода, что обеспечивает хорошую свариваемость и позволяет получить комбинацию - отличная ударная вязкость и прочность в 3ТВ сварного шва. Предпочтительно Cu(%)+Ni(%)·3,0%, еще более предпочтительно Cu(%)+Ni(%)·3,5%. Однако содержание никеля и меди по сумме не должно превышать 6%.
Предпочтительно, содержание меди составляет 2-3%, при этом обеспечиваются высокая прочность и ударная вязкость сварного шва в стали согласно изобретению. В таком случае содержание никеля может поддерживаться на более низком уровне, Ni 0,8-2,0%.
Согласно одному из вариантов осуществления содержание меди составляет 0,25-2,0%, причем при подходящем содержании углерода и никеля достигаются хорошая свариваемость и прочность в отношении прочностных характеристик стали при приемлемых затратах на легирующие добавки.
Хром Cr
Содержание хрома в стали составляет 0,5-1,6%. Хром добавляют в количестве, по меньшей мере, 0,5%, так как хром Cr улучшает способность к закалке и прочность стали, а также устойчивость к воздействию окружающей среды. Однако излишне высокое содержание хрома не требуется, чтобы гарантировать хорошую способность к закалке, когда сталь согласно изобретению обеспечивается со стороны других легирующих элементов. Предпочтительно, содержание хрома составляет 0,7-1,6%, более предпочтительно 0,9-1,4%, при этом обеспечивается особенно хорошая устойчивость стали воздействию окружающей среды.
Следует отметить, что для устойчивости стали воздействию окружающей среды в большой степени необходимыми легирующими добавками конструкционной стали согласно изобретению являются никель Ni, медь Cu, хром Cr и кремний Si. Для обеспечения устойчивости воздействию окружающей среды суммарное содержание этих элементов в массовых процентах предпочтительно составляет, по меньшей мере, 3,0%, т.е.
Cu(%)+Cr(%)+Ni(%)+Si(%)·3,0%.
Преимущественно, для обеспечения способности к закалке, суммарное содержание хрома Cr и марганца Mn в массовых процентах составляет, по меньшей мере, 1,8%, т.е.
Mn(%)+Cr(%)·1,8%.
Молибден Мо
Содержание молибдена в стали не должно превышать 0,8%, т.к. хоть молибден Мо и повышает прочность стали, но при излишне высоком содержании он может ухудшить ее свойства при холодной обработке конструкционной стали согласно изобретению, как, например, пригодность к отбортовке, вдобавок, Мо увеличивает затраты на легирующие добавки. Предпочтительно, содержание молибдена находится в интервале 0,1-0,8%, так как молибден увеличивает прочность и ударную вязкость за счет эффективного предотвращения перекристаллизации во время горячей прокатки, при этом зерна аустенита уплощены и обеспечивается мелкозернистая микроструктура при прямой прокалке.
Более предпочтительно содержание молибдена 0,1-0,25%, т.к., по меньшей мере, 0,1% Мо может быть необходим для обеспечения прочности, но, с другой стороны, для обеспечения пригодности стали к отбортовке количество молибдена не должно превышать значения 0,25%.
Титан Ti
Содержание титана в стали ограничивается значением Ti≤0,04%, т.к. высокое содержание титана может свести на нет преимущества, достигаемые прямой закалкой, и увеличить количество нитридов титана (TiN) в стали, что пагубным образом сказывается на ударной вязкости, изломостойкости и удлинении стали при разрыве. Однако предпочтительно, чтобы титан Ti находился в сплаве в количестве, по меньшей мере, 0,005%, потому что титан Ti улучшает свойства стали при сварке, препятствуя росту зерен в 3ТВ, при этом может быть использована высокая погонная энергия, что обеспечивает ровное соединение сварного валика и основного металла. В результате, благодаря небольшому содержанию титана Ti (0,005-0,04%) в сплаве, сварной шов приобретает максимально возможную ударную прочность, а из конструкционной стали согласно изобретению могут быть изготовлены посредством сварки исключительно надежные конструкции, при этом увеличивается эффективность сварных работ.
h
Предпочтительное содержание титана ≤0,02%, в частности, при большей толщине T≥5 мм для обеспечения ударной вязкости. Более предпочтительно, содержание титана Ti в количестве 0,005-0,02%.
Алюминий Al
Алюминий Al может быть использован для деоксидации стали при его содержании 0,01-0,15%. Конструкционная сталь согласно изобретению может обладать отличной свариваемостью при содержании алюминия Al≤0,045%.
Кальций Са
Обычно кальций может быть использован в количестве 0,0005-0,005%, например, для исключения пагубного влияния образованных при десульфуризации и/или деоксидации соединений.
Преимущественно сверхпрочная конструкционная сталь согласно настоящему изобретению содержит только указанные элементы, остальное - железо, неизбежные примеси и остаточные компоненты.
В качестве неизбежных примесей могут присутствовать, например, азот N, фосфор Р и сера S. Содержание азота N не должно превышать 0,01%, предпочтительно 0,005%. Низкое содержание азота делает возможным поддержание количества титана Ti на низком уровне.
Из-за пагубного воздействия количество фосфора Р и серы S стараются поддерживать на низком, насколько это возможно, уровне, например, таким образом, чтобы Р<0,02% и S<0,04%. Предпочтительно содержание серы должно быть <0,005% для обеспечения лучшей способности к отбортовке и ударной вязкости. Однако, хотя высокое содержание фосфора Р может быть преимуществом, благодаря устойчивости воздействию окружающей среды, его влияние на ухудшение ударной вязкости в таких прочных сталях слишком велико, поэтому целенаправленное его добавление не имеет смысла, желательно поддерживать содержание Р настолько низким, насколько это возможно.
Необязательно добавлять в качестве легирующей добавки ванадий V в конструкционную сталь согласно изобретению, так как в конструкционной стали согласно изобретению он может ухудшать ударную вязкость и свариваемость стали, особенно при многопроходной сварке. Ввиду сказанного, содержание ванадия V преимущественно, но не обязательно, не превышает V<0,1%, наиболее предпочтительно V·0,05%.
Ниобий Nb в некоторых случаях может быть добавлен в количестве 0,008-0,08% для увеличения ударной вязкости. Однако применение ниобия не обязательно, преимущественно в тех случаях, когда сверхпрочная конструкционная сталь представляет собой полосовую сталь, т.е. стальной продукт, произведенный на полосовой прокатной линии. Ниобий Nb не добавляют для обеспечения способности к отбортовке, при этом его содержание не должно превышать 0,008%, наиболее предпочтительно, менее 0,005%.
Согласно настоящему изобретению необязательно добавлять бор В в конструкционную сталью, так как соответствующая способность к закалке достигается за счет других легирующих компонентов. Более того, исключение бора способно снизить уровень титана согласно изобретению, так как в этом случае не нужно добавлять соответствующее количество титана для обеспечения функциональной зависимости от бора. Предпочтительно содержание бора в стали составляет менее чем 0,0003%.
h
Однако, в особенности при большей толщине T 9-40 мм стального продукта, бор может быть добавлен в количестве 0,0005-0,003%, если способность к закалке не будет надлежащим образом обеспечена без него. Однако в таком случае содержание титана в стали должно находиться в интервале 0,02-0,04% или таким образом, чтобы титан Ti(%)>3*N(%), но Ti·0,04%.
Полученный на этапе легирования 2 состав стали делает ее способной к закалке, причем на этапе прямой закалки 8 сталь закаляется, по существу, как мартенсит. Микроструктура стального продукта согласно изобретению может также состоять из самозакаленного мартенсита. В ней содержится более чем 80%, предпочтительно более чем 90%, в объемных процентах, мартенсита и/или самозакаленного мартенсита. Остальная микроструктура может содержать небольшое количество бейнитных структур, таких как верхний или нижний бейнит.
Согласно предпочтительному варианту осуществления уплощенность (отношение ширины к толщине) первичных аустенитных структур сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению составляет, по меньшей мере, 1,5 и среднее значение секущей С3С первичной аустенитной структуры составляет менее чем 20 микрометров.
Определение С3С основано на вычислении кубического корня от произведения поперечных сечений трех главных направлений первичной структуры аустенитного зерна. Вычисление С3С и уплощенности первичной аустенитной структуры подробно описывается, например, в следующем источнике: «Worked Examples on Quantitative Metallography, The institute of materials, Minerals and Mining, London, UK (2003), p1, ISBN 9781902653 80 8.»
Далее, стальной продукт согласно изобретению, чья уплощенность (отношение ширины к толщине), а также предпочтительно С3С, как показало измерение различных участков стального продукта, по существу имеют одинаковое значение, что характерно для продукта после горячей прокатки и не свойственно, например, стальному продукту, обладающему горячекованными формами. Другими словами, расхождение этих значений является небольшим в стальном продукте согласно изобретению. В результате, свойства стального продукта становятся однородными в различных точках.
Согласно одному из вариантов осуществления сталь подвергается закалке 12 с последующим отпуском после прямой закалки, при этом она становится закаленной мартенситной. В этом варианте осуществления исключительно важно, чтобы в составе стали присутствовала медь, которая отделяется при закалке, увеличивая прочность стали.
В способе согласно изобретению, фиг.1, стальной сляб подвергают прокатке 5 в прокатном стане таким образом, чтобы в последний проход, температура прокатки стали составляла 720-950°C, в котором после последнего прохода, осуществляемого в прокатном стане, сталь подвергается прямой закалке 8 при скорости охлаждения 20-150°C/с до температуры не более чем 450°C.
Ниже описаны этапы способа согласно изобретению:
Легирование 2 стали осуществляют известным способом путем добавления легирующих элементов, например, управляя КАС-процессом. Легирование стали путем добавления легирующих элементов в определенных количествах в изобретении является основой этапа 2 способа. На данном этапе происходит легирование 2 таким образом, чтобы состав стали в массовых процентах выглядел следующим образом:
С: 0,07-0,12%,
Si: 0,1-0,7%,
Mn: 0,5-2,0%,
Ni: 0,8-4,5%,
Cu: 0,25-3,0%,
Cr: 0,5-1,6%,
Mo: <0,8%,
Ti: ·0,04%,
а также железо (Fe), неизбежные примеси и остаточные компоненты.
Затем сталь подлежит непрерывной разливке известным образом в стальной сляб, который далее поступает, например, после аустенитного отжига (900-1350°C), происходящего в печи с шагающим подом, на горячую прокатку 5, в которой стальной сляб прокатывают до желаемой толщины листового стального продукта и далее подвергают прямой закалке 8 непосредственно после прокатки 5. Другими словами, после последнего прохода прокатки 5 производится прямая закалка 8.
В частности, когда необходимо получить улучшенные характеристики относительного удлинения при разрыве, может быть осуществлена закалка 12 с последующим отпуском стали, в которой сталь сначала нагревают и затем охлаждают. Закалка может быть осуществлена, например, в температурном интервале 500-600°C обычно приблизительно в течение 0,2-2 часов. При более высокой температуре, может быть применено более короткое время закалки. Самая высокая температура закалки составляет 700°C, так как очень сложно получить сверхпрочную конструкционную сталь согласно изобретению при температуре выше указанной, даже если используются очень короткие температурные интервалы закалки.
Преимущественно обработка стали является только термомеханической, при этом после прямой закалки 8 не следует температурной обработки, такой как закалка 12 с последующим отпуском. По способу может быть получен стальной продукт с хорошими механическими свойствами без необходимости подвергать продукт увеличивающей затраты термической обработке после сварки. Закалка 12 с последующим отпуском не является обязательной для улучшения механических свойств конструкционной стали согласно изобретению, потому что согласно изобретению удается получить ударновязкий мартенсит. Далее, отношение предела текучести к пределу прочности может увеличиться при закалке до значения, близкого 1, что может оказаться недостатком в некоторых областях применения стали.
Преимущество прямой закалки 8 стали непосредственно после горячей прокатки состоит в том, что легирующие добавки, увеличивающие способность к закалке, хорошо растворены и, следовательно, эффективно повышают способность к закалке, так как аустенитный отжиг осуществляется при высокой (1000-1350°C) температуре. Размер зерна стали увеличивается при высокой температуре повторного отжига, но при горячей прокатке 5 размер зерна за счет повторной рекристаллизации структуры зерна обеспечивает хорошее качество стали. Если горячая прокатка 5 продолжается при температурах ниже температуры рекристаллизации, аустенит может быть более уплощен, при этом размер упаковки мартенсита уменьшается, а плотность дислокации мартенсита растет. В этом случае ударная вязкость мартенсита увеличивается и, в частности, увеличивается предел прочности при разрыве. Таким образом, могут быть слегка увеличены предел прочности при разрыве и жесткость. В результате получается ударновязкая мартенситная микроструктура сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению.
Настоящее изобретение также способно обеспечить ударновязкую структуру в сварном соединении стали.
Во время традиционной печной закалки не может быть произведен аустенитный отжиг при таких высоких температурах из-за роста зерен, так как размер зерен аустенита больше, а размер упаковки решетки мартенсита шире, что, опять же, ослабляет ударную вязкость основного металла.
Преимущественно в сверхпрочной конструкционной стали согласно настоящему изобретению, полученной прямой закалкой 8, достигается большая прочность при том же химическом составе в сравнении со сталью, полученной традиционно печной закалкой. Это означает, что в способе согласно изобретению количество и содержание легирующих компонентов может быть уменьшено, что, в свою очередь, уменьшает затраты на их приобретение.
Согласно первому варианту осуществления способа конструкционную сталь получают в виде полосовой стали. Этапы первого варианта осуществления изобретения представлены на фиг.3.
На фиг.3 подробно изображен процесс производства сверхпрочной полосовой стали согласно первому варианту осуществления. После этапа легирования 2 и аустенитного отжига (1200-1350°C), стальной сляб подвергают прокатке согласно этапу 4 фиг.3. Прокатку 4 осуществляют, например, так, что горячая прокатка при температуре 950-1280°C при толщине стального продукта обычно 25-50 мм, после которой его немедленно подают на полосовой прокатный стан этапа 5, в котором осуществляется прокат полосы до конечной толщины 4-12 мм. Согласно рекомендациям конечная толщина полосы стали составляет, по меньшей мере, 5 мм. Также рекомендуется, чтобы конечная толщина полосы не превышала 10 мм.
Количество проходов в полосовом прокатном стане составляет обычно 5-7. Последний проход в полосовом прокатном стане осуществляется в температурном интервале 760-950°C, согласно рекомендациям температурный интервал составляет 850-920°C, особенно если полоса относительно тонкая, при этом прокатные усилия остаются невысокими.
После последнего прохода прокатки 5 в течение 15 секунд начинается прямая закалка 8 полосы стали. В начале прямой закалки 8 температура полосы стали должна быть, по меньшей мере, 700°C. Прямая закалка 8 осуществляется как закалка в воде, таким образом, что скорость охлаждения составляет 30-150°C/с, согласно рекомендациям верхняя граница не превышает 120°C/с. Прямая закалка 8 осуществляется до температуры не более чем 300°C, согласно рекомендациям не более 100°C. Непосредственно после прямой закалки 8 полосовая сталь может быть смотана на этапе 10. Температура намотки может находиться в интервале 30-300°C. Согласно рекомендациям начальная температура намотки 10 не превышает 100°C, так как при намотке стали при температуре, превышающей 100°C, может образовываться прерывистая паровая подушка на поверхности стали, что осложняет процесс и ухудшает гладкость поверхности.
Предпочтительно конечная температура прямой закалки 8 не превышает 100°C, потому что в таком случае после закалки получают листовой прокат в виде полос с ровными и гладкими краями.
Предпочтительно сталь подвергают прямой закалке 8, охлаждая ее до температуры окружающей среды.
Если необходимо, может быть осуществлена закалка 12 стали с последующим отпуском, при которой сталь сначала нагревают, а затем охлаждают. 3акалка 12 с отпуском может быть осуществлена, например, в температурном интервале 500-600°C, приблизительно, в течение менее двух часов.
Например, также возможно решение, осуществляемое с быстро выполняемым нагреванием, в котором по возможности делают закалку 12 с последующим отпуском перед намоткой 10.
Согласно второму варианту осуществления способа сверхпрочную конструкционную сталь получают в виде листовой стали, более точно, так называемый, лист «кварто». Основные этапы второго варианта осуществления показаны на фиг.4.
После легирования на этапе 2 и аустенитного отжига (1000-1300°C), стальной сляб подвергают прокатке согласно этапу 5 фиг.4. Прокатку листа осуществляют, например, на так называемом реверсном четырехвалковом прокатном стане, в котором стальной сляб обжимают между валками при обратном и прямом движении при температуре 750-1300°C. На этапе 5 лист подвергают прокатке как частично, так и полностью до его конечной толщины и затем осуществляется 90° поворот 9 в плоскости листа. Следом осуществляется прокатка 5, пока не будет достигнута желаемая толщина. Возможен вариант, когда поворот 9 может быть осуществлен более чем один раз между прокатными этапами 5, а прокат может быть осуществлен в различных направлениях более чем один раз. Для изобретения важно, что при последнем прокатном проходе температура в листовом прокате составляла менее 950°C, согласно рекомендациям менее 900°C. После последнего прохода прокатки 5 прямую закалку 8 стального листа начинают в течение 30 секунд, предпочтительно в течение 15 секунд. Когда начинается прямая закалка 8, температура стального листа должна быть, по меньшей мере, 700°C. Прямую закалку 8 осуществляют как закалку в воде таким образом, что скорость охлаждения составляет 20-150°C/с. Прямая закалка 8 осуществляется при температуре не более 450°C, согласно рекомендациям не более 200°C.
Согласно одному из вариантов осуществления в конструкционную сталь, полученную на этапе горячей прокатки изобретения в виде стального листа, добавляют ниобий Nb 0,008-0,08% для увеличения ударной вязкости.
Под листовым стальным продуктом понимается такой стальной продукт, у которого длина и ширина значительно больше, чем толщина проката, другими словами, под листовым стальным продуктом подразумевается стальной лист или полоса стали. В качестве примера можно привести размеры такого листового стального продукта, ширина у которого может быть 1500 мм, в то время как толщина - 5 мм.
Предпочтительно листовым стальным продуктом является полоса стали, так как при прокате полосы достигаются самые низкие производственные затраты, при этом зерна структуры стали могут быть быстро и эффективно измельчены во время горячей прокатки 5.
h
h
h
Толщина сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению, T составляет, по меньшей мере, 2 мм и, предпочтительно, 4 мм. В случае стальных полос толщина составляет, предпочтительно, T=5-12 мм, и, наиболее предпочтительно, T=6-10 мм, тогда при определении параметров реальных конструкций учитывается хорошая ударная вязкость стали, также стальные полосы технически проще наматывать в стальные рулоны.
В случае листа «кварто» толщина стального продукта может составлять даже 10-40 мм, при этом даже при 40 мм толщине достигается соответствующая глубина закалки согласно изобретению. Предпочтительно толщина листа «кварто» составляет 12-30 мм. Если целью является получение структуры с уплощенными зернами, в этом случае предпочтительно добавляют ниобий Nb: 0,008-0,08%.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже осуществляется раскрытие изобретения посредством примеров, выполненных в лаборатории.
В миниатюрном варианте сплавы 55 мм толщины согласно составам, приведенным в таблице 1 1372, 1371, 1370 и 1369 были подвергнуты прокатке 5 до толщины 6 мм серией из шести прокатных проходов. Слябы нагревали в печи до температуры 1225°C. После последнего прохода листы подвергали прямой закалке. Конечные размеры прокатной стали составляли 1120×95×6 мм. Результаты испытаний на растяжение приведены в таблице 2.
Испытание сварного соединения осуществляли с использованием дуговой сварки встык плавящимся электродом, с образованием двухпроходного сварного шва со скосом кромок без притупления корня, в котором угол скоса составляет 50 градусов, притупление корня 0,5 мм и воздушный зазор 1,5 мм. В обоих, первом и втором сварных проходах была задействована погонная энергия приблизительно 0,6 кДж/мм. При сварке был использован твердый проволочный электрод, который классифицируется как G 89 5 М Mn4Ni2, 5CrMo согласно стандарту EN 12534 и ER120S-G согласно стандарту AWS А 5.28. Сварной шов выполняли в том же направлении, что и направление прокатки. Ударную вязкость по Шарпи V сварных швов определяли с использованием образцов для испытания размером 5×10 мм в поперечном по отношению к сварному соединению направлении, результаты испытаний представлены в таблице 2. Когда сварка осуществляется по вышеописанной схеме, результаты испытания на свариваемость сопоставимы.
Под линией оплавления ЛО подразумевают среднюю точку сварного соединения в плоскости листа в поперечном по отношению к продольному направлению сварного валика. Крупнозерновую зону термического влияния (К33ТВ) сварки определяли со стороны ЛО + 1 мм и ВК3ТВ со стороны ЛО + 3 мм.
В таблице 2 имеется ссылка на результаты испытания образца R1, полученного при полномасштабном испытании, который подвергают термомеханической обработке путем горячей прокатки до толщины 6 мм и прямой закалки.
Как известно, свойства стали, полученной в полномасштабном производстве, выше в части ее прочности и ударной вязкости, чем у стали, полученной при лабораторном испытании, из-за большей степени деформации и меньшего размера зерен первичного аустенита в условиях полномасштабного производства. Отсюда, свойства стального продукта согласно изобретению, полученного в промышленном масштабе, вероятно, будут выше, чем представленные здесь значения. Между тем, на свойства сварного соединения в ЗТВ это обстоятельство не оказывает какого-либо существенного влияния.
Таблица 2
Примеры испытаний
Сталь
Сварной шов
В поперечном направлении сварного соединения
ЛО
К33ТВ
ВК3ТВ
ЛО
К33ТВ
ВК3ТВ
Состав
R<sub>p</sub>0,2 (МПа)
R<sub>m </sub>(МПа)
R<sub>p</sub>0,2 (МПа)
A5 (%)
CV - 40°C L(Дж/см<sup>2</sup>)
CV - 40°C Т (Дж/см<sup>2</sup>)
R<sub>p</sub>0,2(МПа)
R<sub>m</sub> (МПа)
A5 (%)
CV -40°C Т (Дж/см<sup>2</sup>)
CV - 40°C Т(Дж/см<sup>2</sup>)
CV - 40°C Т (Дж/см<sup>2</sup>)
CV - 60°C Т (Дж/см<sup>2</sup>)
CV - 60°C Т (Дж/см<sup>2</sup>)
CV - 60°C Т (Дж/см<sup>2</sup>)
1372
957
1259
0,76
11,7
90
44
1035
1183
4,5
44
50
50
42
48
52
1371
968
1274
0,76
12,5
108
50
1045
1210
5,8
50
52
52
38
52
52
1370
1003
1316
0,76
10,1
75
40
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1369
1035
1393
0,74
11,8
69
36
-
-
-
-
-
-
-
R1
1102
1279
0,86
11,7
-
44
932
1023
3,3
22
40
-
-
-
-
ЛО = линия оплавления
К33ТВ = крупнозерновая зона термического влияния
ВК3ТВ = взаимнокритическая зона термического влияния
CV = Шарпи V
L = продольное (в направлении прокатки) направление
2
Как видно из таблицы 2, в образцах 1372 и 1371 достигнуты показатели сверхпрочной стали, чья ударная вязкость в ЗТВ, измеренная в поперечном по отношению к направлению прокатки направлении, при температуре -40°C составляет более чем 34 Дж/см, т.е. выражаясь по другому
2
Шарпи V -40°C Т (ЛО, ВК3ТВ, К33ТВ) >34 Дж/см.
2
Также из таблицы 2 следует, что в образцах 1372 и 1371 достигнуты показатели сверхпрочной стали, чья ударная вязкость крупнозерновой зоны термического влияния сварного шва, измеренная в поперечном по отношению к направлению прокатки направлении, при температуре -40°C составляет более чем 40 Дж/см, т.е. выражаясь по другому
2
Шарпи V -40°C Т(К33ТВ) >40 Дж/см.
2
Также из таблицы 2 следует, что в образцах 1372 и 1371 достигнуты показатели сверхпрочной стали, чья ударная вязкость зоны термического влияния сварного шва, измеренная в поперечном по отношению к направлению прокатки направлении, при температуре -40°C составляет более чем 35 Дж/см, т.е. выражаясь по другому
2
Шарпи V -40°C Т(ЛО) >35 Дж/см.
Преимущественно сталь согласно изобретению отвечает соответствующим требованиям, предъявляемым к ударной вязкости также и при температуре -60°C.
В частности, из таблицы 2 видно, что сверхпрочная конструкционная сталь R1, полученная вне рамок настоящего изобретения, более хрупкая в зоне термического влияния сварного шва, чем образцы сверхпрочной стали 1372 и 1371 согласно изобретению.
p0,2
2
Далее, из таблицы 2 следует, что в образце 1372 достигнуты показатели сверхпрочной стали, чей предел прочности при разрыве R составляет около 957 МПа и показатель теста Шарпи V -40°C >50 Дж/см, измеренные в поперечном по отношению к направлению прокатки направлении. Ссылаясь на сказанное ранее, можно прийти к выводу, что у промышленного образца такой стали, гарантированно может быть получен предел прочности при разрыве, по меньшей мере, 960 МПа.
p0,2
p0,2
p0,2
p0,2
p0,2
p0,2
Далее, из таблицы 2 видно, что в образцах предел прочности при разрыве R 3TB, по меньшей мере, настолько высок, насколько R основного металла. В промышленном масштабе предел прочности при разрыве R 3TB может приближаться к значению предела прочности при разрыве основного металла R таким образом, что предел прочности при разрыве R 3TB составляет, по меньшей мере, 85%, предпочтительно, по меньшей мере, 90% или более предела прочности при разрыве основного металла R.
p0,2
2
Далее, из таблицы 2 видно, что в образце 1371 получена сверхпрочная сталь, чей предел прочности при разрыве R составляет, по меньшей мере, 960 МПа и результат теста Шарпи V основного металла при -40°C >50 Дж/см, что измерено в продольном прокатке направлении.
Согласно изобретению может быть получена конструкционная сталь со следующими улучшенными механическими свойствами:
p0,2
p0,2
- предел прочности при разрыве R=960-1250 МПа. В частности, даже R=1100-1250 МПа.*
m
- предел прочности при растяжении R 980-1500 МПа. В частности, даже 1120-1500 МПа.*
p0,2
m
p0,2
m
- отношение предела прочности при разрыве к пределу прочности при растяжении (R/R)>0,7. В частности, (R/R)>0,8.*
5
5
- относительное удлинение при разрыве A>7%. В частности, даже А>8%.*
5
5
- при закалке 12 с последующим отпуском, относительное удлинение при разрыве A>8%. В частности, даже А>10%.*
2
- ударная вязкость основного металла по Шарпи V -20°C >50 Дж/см,
2
В частности, Шарпи V -40°C >50 Дж/см,
2
В частности, даже Шарпи V -60°C >50 Дж/см.***
*как измерено на прутке в продольном по отношению к прокатке направлении.
**измерено на прутке, имеющем толщину листа, но максимально 10 мм.
При сварке сверхпрочной конструкционной стали согласно изобретению может быть использован без каких-либо проблем способ сварки, обычно используемый при сварке сверхпрочных сталей, и может быть осуществлена сварка сверхпрочной стали без каких-либо проблем и потреблении нормальной погонной энергии, используемой при сваривании сверхпрочных сталей. Естественно, слишком большие значения сварных энергий в некоторой степени снижают прочность сварного соединения по сравнению с более низкими энергиями. Сталь с соответствующим содержанием титана согласно изобретению способна хорошо противостоять росту зерен в зоне термического влияния ЗТВ, образующейся во время сварки, что оказывает благоприятное воздействие на ударную вязкость, так называемой, крупнозерновой зоны. Более того, конструкционная сталь согласно изобретению эффективно упрочняется во время сварки через зону повторной аустенизации, при этом повышается прочность шва. Благодаря подходящему размеру зерен в зоне и происходящему там образованию мартенсита за счет низкого содержания углерода, удается получить исключительно хорошие свойства ударной вязкости для таких прочных конструкционных сталей, даже несмотря на то, что углеродный эквивалент остается в некоторой степени высоким. При многопроходной сварке также удается получить хорошие свойства - ударную вязкость и прочность, благодаря подходящему составу, например, за счет ограничения содержания ванадия. Предпочтительно также выполнять сварку в общепринятой манере, предел прочности сварного шва при разрыве в испытании на поперечное растяжение поперек сварного соединения составляет, по меньшей мере, 960 МПа, что было продемонстрировано выше.
Более того, благодаря низкому содержанию углерода и высокому содержанию никеля, повышается сопротивление на излом конструкционной стали, полученной способом согласно изобретению, т.е. требуется больше энергии для разрушения ядра и дальнейшего развития трещины, учитывая прочность и способ получения стали, стальные трещины распространяются вязким образом, особенно в условиях прямой закалки 8. Что является особенно важным и зачастую необходимым свойством для таких прочных конструкционных сталей. Это свойство может быть грубо оценено через ударную вязкость, которая в сверхпрочных конструкционных сталях, полученных способом согласно изобретению, является отличной.
Изобретение раскрыто выше посредством предпочтительных вариантов осуществления, очевидно, что изобретение может быть осуществлено множеством других вариантов в пределах объема формулы изобретения.