ВЫСОКОПРОЧНАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH COLD-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве толстолистового проката из стали высокой прочности улучшенной свариваемости для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении и других отраслях промышленности.
Для изготовления ответственных сварных конструкций достаточно широко используется сталь следующего химического состава, мас.% [1]:
Углерод
0,08-0,12
Кремний
0,2-0,4
Марганец
0,45-0,75
Хром
1,05-1,30
Медь
0,35-0,65
Никель
1,05-2,20
Молибден
0,10-0,18
Алюминий
0,01-0,06
Ванадий
0,04-0,06
Ниобий
0,02-0,05
Кальций
0,005-0,050
Cepa
0,001-0,005
Железо
остальное
см
причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке P, рассчитываемого по формуле
не должна быть выше 0,28%.
Известная сталь обеспечивает высокие требования по хладостойкости до минус 80°C, улучшенную свариваемость (по величине коэффициента трещиностойкости), высокую трещиностойкость по критерию CTOD в зоне термического влияния сварного шва. Основным недостатком указанной стали является недостаточный уровень прочности - гарантированная величина предела текучести составляет 500 МПа, что ограничивает применение стали для изготовления тяжелонагруженных конструкций.
Для изготовления корпусов кораблей и морских технических сооружений используется низкоуглеродистая хромоникельмолибденовая сталь, принятая за прототип, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.% [2]:
Углерод
0,07-0,11
Кремний
0,17-0,37
Марганец
0,30-0,60
Хром
0,30-0,70
Никель
1,80-2,30
Медь
0,40-0,70
Молибден
0,25-0,35
Ванадий
0,02-0,05
Алюминий
0,005-0,04
Элемент из группы, содержащей кальций, барий
0,005-0,05
Сера
0,003-0,015
Фосфор
0,003-0,015
Железо
остальное
при условии, что сумма (никель + медь) не менее 2,4 мас.%; сумма (сера + фосфор) не более 0,025 мас.%.
В листовом прокате толщиной до 30 мм сталь обеспечивает высокую прочность при сохранении высокой пластичности, сопротивляемости хрупким и коррозионно-механическим разрушениям, хорошей свариваемости, изотропности свойств и сопротивления слоистому разрыву, однако высокие показатели ударной вязкости гарантируются при температурах не ниже минус 40°C.
Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной стали высокой прочности с гарантированной величиной предела текучести не менее 590 МПа, обладающей высокой хладостойкостью при температурах до минус 80°C.
Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ванадий, алюминий, кальций, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит мышьяк, олово, свинец и цинк при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,07-0,11
Кремний
0,15-0,40
Марганец
0,30-0,60
Хром
0,30-0,70
Никель
1,80-2,20
Медь
0,40-0,70
Молибден
0,25-0,35
Ванадий
0,03-0,06
Алюминий
0,01-0,05
Кальций
0,001-0,005
Сера
0,001-0,005
Фосфор
0,001-0,010
Мышьяк
0,001-0,006
Олово
0,001-0,010
Свинец
0,001-0,004
Цинк
0,001-0,012
Железо
остальное
см
при условии, что сумма (мышьяк + олово + свинец + цинк) не более 0,020 мас.%, а величина коэффициента трещиностойкости при сварке P, рассчитываемого по формуле
(п.4.2.2 части XII «Правил классификации, постройки и оборудования ПБУ и МСП») не должна быть выше 0,27%.
Содержание углерода в указанных пределах способствует обеспечению высокой прочности стали. Превышение указанных пределов нецелесообразно вследствие существенного снижения пластичности, вязкости, хладостойкости, а также повышения закаливаемости и увеличения склонности стали к образованию горячих и холодных трещин при сварке.
Пределы содержания марганца, хрома, меди, никеля и молибдена обеспечивают необходимую прочность стали и низкотемпературную вязкость стали посредством твердорастворного упрочнения, а также прокаливаемость за счет повышения стабильности аустенита в ферритной области при γ-α превращении и образования преимущественно бейнитно-мартенситных структур при закалке проката в толщинах до 30 мм.
Ванадий способствует достижению необходимого уровня прочности и вязкости вследствие измельчения микроструктуры за счет выделения дисперсных частиц карбидов и карбонитридов в процессе прокатки. Алюминий вводится в сталь в качестве раскислителя, а также с целью измельчения зерна. Кальций в указанных пределах вводится в сталь с целью модифицирования неметаллических включений, что благоприятно сказывается на изотропности механических свойств и вязкости стали, в том числе при отрицательных температурах.
Сера и фосфор являются элементами, отрицательно влияющими на изотропность механических свойств стали, пластичность и вязкость при низких температурах. Фосфор обуславливает повышенную склонность к хрупким разрушениям при понижении температуры испытаний и отпускной хрупкости за счет обогащения межзеренных границ. Ограничение содержания фосфора в указанных пределах способствует обеспечению высокой хладостойкости стали при температурах до минус 80°C, а в сочетании с введением молибдена в указанных пределах позволяет исключить отпускную хрупкость.
Влияние мышьяка на свойства стали аналогично влиянию фосфора, и при массовой доли в стали не более 0,008 мышьяк не оказывает отрицательного влияния на свойства стали [3]. Олово, свинец и цинк оказывают отрицательное влияние на горячую и холодную пластичность стали при прокатке и гибке листового проката. При суммарном содержании мышьяка, олова, свинца и цинка в металле более 0,020% происходит снижение значений ударной вязкости и сдвиг температуры вязко-хрупкого перехода в область более высоких температур. Такое влияние известно и связано со склонностью примесей цветных металлов образовывать при кристаллизации легкоплавкие эвтектики в межосных участках дендритов [4].
Пример
Сталь была выплавлена в электропечи и после внепечного рафинирования и вакуумирования разлита в непрерывнолитые слябы. Химический состав приведен в таблице 1.
Слябы прокатывали на листы толщиной 8-30 мм, которые подвергали термическому улучшению (закалка в воду от температуры 920±20°C с отпуском в интервале температур 610÷680°C).
Механические свойства определяли на образцах, вырезанных поперек направления прокатки. Испытание на растяжение выполняли по ГОСТ 1497 на плоских образцах типа I №18 (для листов толщиной 8 мм), цилиндрических образцах типа III №6 (для листов толщиной 20 мм), цилиндрических образцах типа III №3 (для листов толщиной 30 мм). Испытания на ударный изгиб выполняли по ГОСТ 9454 на образцах с V-образным надрезом тип 11 при температурах плюс 20, минус 40, минус 60°C и минус 80°C.
Результаты механических испытаний (средние значения по результатам двух испытаний на растяжение и трех на ударный изгиб) приведены в таблице 2.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2269588, МПК С22С 38/48, 2004 г.
2. Патент Российской Федерации №1676276, МПК С22С 38/46, 1994 г.
3. Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П. и др. Металлургия стали. - М.: Металлургия, 1983. - 584 с.
4. Бернштейн М.Л., Добаткин C.B., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей. - М.: Металлургия, 1989. - 544 с.