ВЫСОКОПРОЧНАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ
HIGH STRENGTH WELD STEEL

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.
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).
см
Известная сталь при пределе текучести ≥620 МПа имеет удовлетворительную работу удара при температуре до -50°С, но для стали, предназначенной для наиболее ответственных сварных конструкций в северном исполнении с целью обеспечения достаточной надежности и работоспособности, должна быть обеспечена работа удара при -60°С не менее 80 Дж, а также нормируется коэффициент трещиностойкости при сварке Р.
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 70 мм.
Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, медь, серу, фосфор 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 0,60-1,00, медь - 0,8-1,3, никель - 3,00-3,90, молибден - 0,40-0,60, ниобий - 0,02-0,05, сера - 0,001-0,005, фосфор - 0,005-0,012, железо - остальное, причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке
(п.3.2.2 части XIII «Правил постройки и классификации морских судов») не должна быть выше 0,33% и суммарное содержание никеля и меди не должно быть ниже 4,2% для листов толщиной до 40 мм включительно и 4,6% для листов толщиной свыше 40 до 70 мм включительно.
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 70 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 70 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.
Регламентация серы в указанных пределах обеспечивает повышение изотропности стали (особенно в направлении толщины) и увеличение стойкости к слоистым разрушениям.
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 в толщинах до 70 мм.
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 70 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.