ХЛАДОСТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
COLD-RESISTANT WIELDABLE STEEL FOR STRUCTURES OPERATED IN EXTREME CONDITIONS

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству толстолистового проката из хладостойкой стали нормальной и повышенной прочности улучшенной свариваемости, обеспечивающего стойкость к слоистым разрушениям, для судостроения, топливно-энергетического комплекса, строительства и других отраслей.
-40
В ответственных сварных конструкциях достаточно широко применяются марганцевые стали нормальной и повышенной прочности, поставляемые по ГОСТ 5521-93, - марок Е, Е32, Е36, Е40. Однако вышеуказанные стали не обеспечивают требуемый в условиях Крайнего Севера и Арктических морей уровень сопротивления хрупким разрушениям по показателям хладостойкости (до -80°C) и трещиностойкости (до -60°C) и сопротивления слоистым разрушениям в Z-направлении. Основным недостатком является низкая хладостойкость листового проката (нормируемое значение работы удара при температуре -40°C KV≥27-39 Дж), отсутствие требований к уровню свойств в Z-направлении.
Для обеспечения высокой надежности и работоспособности наиболее ответственных сварных конструкций на срок до 50 лет требуется сталь, обладающая высокой пластичностью, вязкостью, стойкостью к слоистым разрушениям и хладостойкостью при температурах до -80°C без значительного повышения прочностных характеристик при низких температурах, с удовлетворительной свариваемостью в толщинах до 70 мм и высокой трещиностойкостью.
Аналогом заявляемой стали является сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,07-0,11, кремний 0,20-0,40, марганец 0,90-1,70, медь 0,30-0,65, никель 0,60-1,20, алюминий 0,02-0,06, ниобий 0,025-0,05, сера 0,001-0,015, кальций 0,005-0,03, железо остальное (патент РФ №2187574 [1])).
Недостатком аналога является хладостойкость только до температур -60°C, в то время как надежная эксплуатация конструкций при температурах до -60°C может быть гарантирована, если работа удара нормируется при температурах на 20°C ниже эксплуатационной.
Известна сталь толщиной до 50 мм, принятая за прототип, со следующим химическим составом, мас.%: углерод 0,04-0,10, кремний 0,15-0,35, марганец 1,00-1,40, медь 0,05-0,20, никель 0,10-0,80, алюминий 0,02-0,06, ванадий 0,02-0,10, ниобий 0,02-0,06, сера 0,001-0,005, железо остальное (патент РФ №2269587 [2])
Недостатками прототипа являются недостаточно высокая трещиностойкость и значительное повышение прочностных характеристик в сочетании со снижением пластичности при температурах до минус 80°C.
Техническим результатом изобретения является разработка стали с гарантированным пределом текучести от 235 до 390 МПа, с повышенной пластичностью, сопротивлением слоистым разрушениям, высокой вязкостью при температурах до минус 80°C и трещиностойкостью в толщинах до 70 мм.
Технический результат достигается тем, что хладостойкая свариваемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, никель, ниобий, ванадий, серу и железо, дополнительно содержит азот, титан, кальций и фосфор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
От более 0,06 до 0,12
Кремний
0,15-0,35
Марганец
От 0,60 до менее 1,20
Никель
От 0,05 до менее 0,40
Алюминий
0,02-0,05
Титан
0,002-0,02
Ниобий
От более 0,025 до 0,06
Ванадий
0,03-0,05
Сера
0,001-0,005
Фосфор
0,001-0,012
Азот
От более 0,005 до 0,008
Кальций
От более 0,01 до 0,03
Железо
Остальное
причем параметр трещиностойкости при сварке , % не превышает 0,32.
Содержание углерода в выбранных пределах достаточно для обеспечения требуемого уровня прочности, при этом достигается повышение пластичности, хладостойкости и трещиностойкости стали.
Марганец принят в пределах, необходимых для обеспечения прокаливаемости стали в сечениях до 70 мм, и обеспечивает требуемые характеристики хладостойкости и трещиностойкости.
Пределы содержания никеля выбраны с целью обеспечения хладостойкости и трещиностойкости при эксплуатации сварных конструкций в экстремальных климатических условиях для листов толщиной от 10 до 70 мм.
Совместное легирование азотом, титаном, ванадием и ниобием в заявляемых пределах наиболее эффективно способствует упрочнению стали и созданию ультрамелкозернистой феррито-перлитной структуры с размером зерна не более 35 мкм, долей перлита не более 12% и мелкодисперсными частицами карбонитридов титана, ванадия и ниобия, эффективно стабилизирующими созданную структуру при эксплуатационных воздействиях - статических и циклических нагружениях.
Титан предотвращает значительный рост зерна при нагреве под прокатку.
Ниобий образует в широком диапазоне температур мелкодисперсные частицы Nb (С, N), которые путем выбора соответствующего режима использованы для ограничения роста зерна аустенита, при деформации - для регулирования процесса рекристаллизации [3], при охлаждении - для дисперсионного твердения в феррите.
Ванадий является высокоэффективным элементом для дисперсионного упрочнения стали, которое осуществляется благодаря выделению частиц карбонитрида V (С, N) в ферритной области при охлаждении проката [4] или в процессе отпуска (самоотпуска).
Таким образом, одновременно обеспечивается твердорастворное, зернограничное и дисперсионное упрочнение. Измельчение зерна до 8-35 мкм за счет введения азота, титана, ванадия и ниобия позволяет при содержании углерода в указанных пределах обеспечить заданный уровень прочности, способствует обеспечению необходимой пластичности при низких температурах и хладостойкости до минус 80°C, а также высокой трещиностойкости без ухудшения свариваемости.
Регламентация содержания серы в указанных пределах обеспечивает повышение изотропности стали (особенно в направлении толщины) и увеличение стойкости к слоистым разрушениям. Регламентация содержания фосфора связана с необходимостью обеспечить высокий уровень вязкости и хладостойкости. Фосфор при содержаниях выше выбранного препятствует поперечному микроскольжению, при этом уменьшается количество плоскостей скольжения, особенно с понижением температуры. Все это затрудняет эстафетную передачу микропластических деформаций от зерна к зерну и увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению, обусловливает резкое повышение прочностных характеристик при понижении температуры [5].
Кальций проявляет себя как модификатор в жидкой стали, вызывая глобуляризацию пластично-деформируемых сульфидов, уменьшение числа грубых оксидных включений и строчечных выделений. Существенное значение имеет форма включения: у остроугольных включений теоретическая концентрация напряжений в 1,5 раза больше, чем у сферических [6], что особенно важно при понижении температуры эксплуатации, статических и циклических нагружениях. Микролегирование кальцием препятствует образованию на границах зерен пленочных остроугольных неметаллических включений, обусловливающих снижение ударной вязкости и повышение критической температуры вязко-хрупкого перехода [7]. Отмечено [8] благоприятное влияние кальция на измельчение дендритной структуры за счет его адсорбции на гранях растущих кристаллов, уменьшение ликвации серы в среднем на 50%, снижение кислорода в стали и склонности к деформационному старению при введении в марганцевые стали.
Выбранный химический состав позволяет обеспечить высокую технологичность стали при изготовлении конструкций крупными блоками в условиях открытых площадок.
Испытания листового проката показали, что сталь выбранного химического состава, изготовленная по технологии термомеханической обработки, обеспечивает достижение требуемой прочности, трещиностойкости, хладостойкости и стойкости к слоистым разрушениям.
Пример. Выплавку стали осуществляли в 370 - тонном кислородном конверторе с проведением процесса десульфурации магнием в заливочном ковше. На выпуске осуществляли первичное легирование, предварительное раскисление и обработку металла твердошлаковыми смесями с продувкой металла аргоном в сталеразливочном ковше. Окончательное легирование, микролегирование и перегрев металла для проведения вакуумирования проводили на двухпозиционной установке «Печь-Ковш». Дегазацию металла осуществляли путем его вакуумирования. Разливку производили на МНЛЗ с защитой металла аргоном от вторичного окисления. Химический состав стали приведен в табл. 1.
Слябы были подвергнуты аустенитизации, листовой прокат изготавливали термомеханической обработкой с двухстадийной прокаткой на реверсивном стане с последующим охлаждением в установке ускоренного охлаждения до заданной температуры.
Механические свойства (табл.2) листового проката определяли на поперечных образцах. Испытания на статическое растяжение осуществляли на образцах тип III №4 ГОСТ 1497, а на ударный изгиб - на образцах с V-образным надрезом (тип II, ГОСТ 9454). Испытания на растяжение и ударный изгиб проводили в интервале температур от +20 до -80°C. Сопротивляемость слоистым разрушениям оценивали по величине относительного сужения образцов, вырезанных по ГОСТ 28870-90 в направлении толщины листа.
Для испытания технологических проб на излом статическим изгибом из листа вырезали по одному образцу поперек направления прокатки из средней трети по ширине листа в соответствии с ГОСТ Р52927-2008. Испытание проводили статическим изгибом по ГОСТ Р52927-2008 при комнатной (оценка вида излома) и пониженной температуре (определение температуры Ткб - соответствующей минимальной температуре, при которой в изломе технологической пробы полной толщины, испытанной на статический изгиб, наблюдается 70% волокнистой составляющей). После испытания проводилась визуальная оценка поверхности разрушения на соответствие требованиям ГОСТ Р52927-2008. При испытании оценивали долю вязкой составляющей в изломе в процентах, табл.3.
Свариваемость оценивали по результатам расчета параметра трещиностойкости при сварке Сэкв по вышеприведенной формуле.
Процедура испытаний хладостойких сталей на CTOD, требования к оборудованию и измерительным средствам соответствовали части I Британского стандарта BS 7448 [9]. Требования к значениям CTOD в соответствии с [10]. 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 испытаний показывают, что предлагаемая сталь обеспечивает более стабильный при низких температурах уровень прочности, при обеспечении более высоких значениях пластичности, вязкости, стойкости к слоистым разрушениям, а также трещиностойкости при -60°C, удовлетворяющих требованиям «Правил…» Российского морского регистра судоходства [10], чем известная.
Литература
1. Патент Российской Федерации №2187574, МПК, C22C 38/16, 2000 г.
2. Патент Российской Федерации №2269587, МПК C22C 38/16, 2006 г.
3. G.Akben, I. Weiss and J.J.Jonas: Acta Metall. Mater., 1981, 29, 111-121.
4. Jonas J.J., Weiss J. // Metal Science. - 1979 - №3-4 - P.238-245.
5. Одесский П.Д., Смирнов Л.А., Кулик Д.В. Микролегированные стали для северных и уникальных металлических конструкций. М.: Интермет Инжиниринг, 2006 г., 176 с.
6. Бережницкий Л.Т., Громяк Р.С., Трущ И.И. // ФХММ. 1975. №5, с.40.
7. Бродецкий И.Л., Харчевников В.П., Троцан А.И. и др. О влиянии кальция на зернограничное охрупчивание конструкционной стали с карбонитридным упрочнением. МиТОМ. 1995, №5. С.24-26.
8. Коваленко B.C., Кучкин В.И., Пильгук В.Е., Заяц Е.Л. О влиянии кальция на структуру и свойства стали. Металлы, 1983, №6. С.92-96.
9. BS 7448. Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1. Method for determination of K1c, critical CTOD and critical J - values of metallic materials, 1991. Part 2. Method for determination of critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials, 1997.
10. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. Российский Морской Регистр судоходства, 2006 г.
Таблица 3
Хладостойкая свариваемая сталь
Сталь
Условный номер плавки
Толщина, мм
Количество волокнистой составляющей при испытании статическим изгибом при комнатной температуре (вид излома)
Количество волокнистой составляющей при испытании статическим изгибом при пониженной температуре (Ткб)
Основной металл
T, °C
% B
CTOD, среднее, мм, при Т=-40°C
CTOD, среднее, мм, при Т=-60°C
Предлагаемая
1
30
100
-10
100
1,47
0,92
-30
100
2
50
100
-10
100
1,13
0,62
-30
100
3
70
100
-10
100
0,88
0,38
-30
100
Прототип
-
70
100
-10
65
0,42
0,13
-30
45