ВЫСОКОПРОЧНАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ ТОЛСТОЛИСТОВАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH COLD RESISTANT WELDABLE PLATE 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.
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).
см
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 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<sub>см</sub>
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<sub>см</sub> 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<sup>+20</sup>
KV<sup>50</sup>
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.