СТАЛЬ
STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к сталям для сварных конструкций, используемых при изготовлении крупногабаритных сварных сосудов давления, например корпусов парогенераторов, гидроемкостей, компенсаторов объема, паропроводов.
Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, молибден, ванадий, алюминий, азот, хром, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,08-0,11
Кремний
0,17-0,37
Марганец
0,60-1,40
Никель
1,70-2,70
Молибден
0,35-0,60
Ванадий
0,03-0,07
Алюминий
0,02-0,07
Азот
0,005-0,012
Хром
≤0,03
Медь
≤0,02
Сера
≤0,02
Фосфор
0,018
Железо
Остальное
(SU554702, С22С 38/12, опубликовано 30.03.1978)
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, молибден, ванадий, хром, медь, серу, фосфор, олово, мышьяк, алюминий, кальций, азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,08-0,14
Кремний
0,10-0,37
Марганец
0,60-1,40
Никель
1,70-2,70
Молибден
0,40-0,70
Ванадий
0,03-0,07
Хром
≤0,20
Медь
≤0,20
Сера
≤0,02
Фосфор
0,008-0,015
Олово
0,001-0,005
Мышьяк
0,003-0,008
Алюминий
0,02-0,07
Кальций
0,005-0,15
Азот
0,005-0,012
Железо
Остальное
Содержание никеля, марганца и фосфора определяется следующим соотношением: (Ni+Мn)·Р<0,037 мас.%.
Однако известные стали не обладают требуемым уровнем сопротивления хрупкому статическому и циклическому разрушению, склонны к флокенообразованию, а также водородному и примесному охрупчиванию, что, в конечном счете, ведет к увеличению длительности изготовления сосудов давления, к снижению надежности и уменьшению сроков эксплуатации.
Стали для изготовления крупногабаритных сварных сосудов давления должны обладать требуемыми уровнями прочностных и пластических характеристик в больших сечениях, высокими характеристиками по свариваемости (невысокими температурами предварительного и сопутствующих подогревов, стабильность свойств в околошовной зоне), минимальным уровнем остаточных напряжений, отсутствием поводок и короблений, низкой склонностью к охрупчиванию в процессе длительной эксплуатации при температурах 350-450°С. Поэтому в известных сталях контролируют содержание никеля, марганца (по верхнему пределу 2,7 и 1,4 мас.% соответственно), а также примесей, ответственных за охрупчивание: фосфора, сурьмы, мышьяка и олова.
Известно отрицательное влияние фосфора, сурьмы, олова и мышьяка на охрупчивание, которое усиливается в присутствии марганца и никеля. Поэтому необходима многопараметрическая оптимизация состава стали по необходимому минимальному содержанию легирующих элементов для обеспечения требуемых механических и служебных характеристик. Кроме того, необходимо определить допустимое содержание водорода, присутствие которого в результате образования флокенов негативно влияет на сопротивление статическому и циклическому разрушению, и нивелировать это негативное влияние.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономнолегированной стали с повышенным сопротивлением статическому и циклическому разрушению, имеющей полный иммунитет к флокенообразованию, водородному и примесному охрупчиванию. Технический результат достигается тем, что сталь содержит углерод, кремний, марганец, никель, молибден, ванадий, хром, медь, серу, фосфор, олово, мышьяк, сурьму, алюминий, кальций, титан, водород, азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,08-0,12
Кремний
0,10-0,25
Марганец
0,70-1,10
Никель
1,80-2,30
Молибден
0,30-0,70
Ванадий
0,03-0,07
Хром
0,01-0,25
Медь
0,01-0,25
Сера
0,001-0,008.
Фосфор
0,001-0,010
Олово
0,001-0,008
Мышьяк
0,001-0,008
Сурьма
0,001-0,008
Алюминий
0,01-0,05
Кальций
0,0005-0,008
Титан
0,01-0,05
Водород
0,0001-0,0002
Азот
0,003-0,012
Железо
Остальное,
при этом суммарное содержание фосфора, сурьмы, олова и мышьяка определяется следующим соотношением:
(10·Р+5·Sb+4·Sn+As)·100<12.
Достижение поставленного технического результата иллюстрируется данными, представленными в таблицах 1 и 2. При изготовлении образцов для испытаний был использован аналогичный способ получения известной стали и стали по изобретению. Имитацию длительного температурного воздействия проводили при температуре 350°С. Все стали подвергали охлаждение со скоростью, моделирующей закалку в воде поковки сечением 200 мм, и отпуску при температуре 650°С.
К0
К
Результаты оценки механических свойств и малоцикловой усталости (таблица 2) показали более высокий уровень пластических характеристик (относительное удлинение и сужение), вязкости (температура хрупко-вязкого перехода Т. температурный перепад ΔТ), а также большее число циклов до разрушения стали по изобретению.
Таблица 1
Химических состав сравниваемых сталей
Содержание элементов, мас.%
Заявленная сталь
Сталь известная
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
углерод
0,10
0,08
0,10
0,08
кремний
0,20
0,15
0,30
0,15
марганец
1,0
0,9
1,0
0,91
никель
2,1
1,9
2,0
1,8
молибден
0,5
0,4
0,45
0,6
ванадий
0,05
0,07
0,07
0,06
хром
0,15
0,20
0,17
0,14
медь
0,1
0,15
0,15
0,12
сера
0,005
0,007
0,01
0.008
фосфор
0,005
0,007
0,010
0,008
олово
0,003
0,005
0,003
0,001
мышьяк
0,002
0,004
0,004
0,006
сурьма
0,003
0,005
-
-
алюминий
0,030
0,025
0,035
0,030
кальций
0,005
0,005
0,006
0,0089
титан
0,025
0,025
-
-
водород
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
азот
0,008
0,007
0,008
0,010
железо
остальное
остальное
остальное
остальное
10·Р+5·Sb+4·Sn+As)·100
7,9
11,9
11,6
9,0
Таблица 2
Служебные характеристики сравниваемых сталей
Сталь
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Служебные характерис-тики
Температура испытаний, °С
σ<sub>0,2,</sub> кгс/мм<sup>2</sup>
20
42
43
42
45
350
36
35
34
32
σ<sub>в</sub> кгс/мм<sup>2</sup>
20
61
62
62
64
350
56
57
58
57
δ, %
20
29
29
22
18
350
26
25
19
16
Ψ, %
20
80
78
68
61
350
75
73
60
57
KCV, кгс·м/см<sup>2</sup>
20
15,6
17,4
7,5
6,3
350
20,5
22,1
12,3
10,2
Т<sub>К0</sub> исходное, °С
-20
-15
0
+10
ΔТ<sub>К</sub> (после старения 5000 часов при температуре 350 °С)
0
0
15
25
Скорость роста трещины V, мм/цикл (после старения 5000 часов при температуре 350°С)
1·10<sup>-5</sup>
1,2·10<sup>-5</sup>
7·10<sup>-5</sup>
1,1·10<sup>-5</sup>