ТОЛСТОЛИСТОВАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
THICK COLD-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности, к хладостойким сталям и может быть использовано при производстве толстолистового проката для изготовления сварных изделий, эксплуатируемых при пониженных (до -90°С) температурах в условиях воздействия динамических нагрузок.
Известна хладостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, медь, ниобий, ванадий, алюминий, титан, и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,07-0,11, кремний 0,10-0,40, марганец 0,70-1,90, никель 0,60-1,60, медь 0,01-0,65, ниобий 0,001-0,050, ванадий 0,01-0,050, алюминий 0,02-0,06, титан 0,001-0,06, азот 0,009-0,02 и железо остальное, при этом суммарное содержание никеля и марганца составляет 2,10-2,50 мас. %, а отношение содержания азота к суммарному содержанию алюминия и титана - 0,29-0,31. (SU 885324, С22С 38/16, опубликовано 30.11.1981)
Указанная сталь обладает удовлетворительным комплексом физико-механических и технологических свойств в листах толщиной не выше 40 мм. Однако в толщинах до 70 мм невозможно обеспечит однородность физико-механических характеристик листа из известной стали в сочетании с высокой прочностью и хладостойкостью.
Наиболее близкой по назначению и технической сущности является мартенситная сталь для криогенной техники, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, ванадий, ниобий, азот, алюминий, церий, цирконий, кальций, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,03-0,06; кремний 0,10-0,40; марганец 0,20-0,80; никель 9,0-10,5; молибден 0,30-0,50; медь 0,80-1,50; ванадий 0,005-0,08; ниобий 0,005-0,08; азот 0,005-0,025; алюминий 0,001-0,008; церий 0,005-0,03; цирконий 0,001-0,004; кальций 0,005-0,02; сера<0,025; фосфор<0,008; железо - остальное.
При этом суммарное содержание алюминия, кальция и церия в известной стали составляет 0,011-0,058 мас. %.
(RU 2594572, С22С 38/16, опубликовано 20.08.2016) Указанная сталь обладает достаточно высокими физико-механическими характеристиками, обусловленными, в частности, образованием карбонитридов циркония и нитридов алюминия при кристаллизации. Однако физико-механические характеристики стали заметно снижаются в области сварного шва, особенно при воздействии динамических нагрузок, что ограничивает применение известной стали. Кроме того, для известной стали характерна неравномерность физико-механических свойств по толщине толстолистового проката.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка толстолистовой хладостойкой стали, обеспечивающей однородность физико-механических характеристик листа толщиной 70 мм и выше при высокой прочности и высокой хладостойкости при температурах до -90°С, а также повышение прочности сварного шва при воздействии динамических нагрузок.
Технический результат достигается тем, что толстолистовая хладостойкая сталь, содержит углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, ванадий, ниобий, алюминий, церий, кальций, цирконий, частицы карбонитрида циркония, хром и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,05-0,08; кремний 0,15-0,30; марганец 0,30-0,60; никель 2,35-3,50; молибден 0,25-0,35; медь 0,40-0,70; ванадий 0,05-0,08; ниобий 0,02-0,05; алюминий 0,01-0,05; церий 0,001-0,02; кальций 0,005-0,025; цирконий 0,05-0,08; частицы карбонитрида циркония 0,05-0,10; хром 0,3-0,6; железо остальное, причем суммарное содержание алюминия, церий, кальция, циркония и частиц карбонитрида циркония<0,25 мас. %.
Технический результат также достигается тем, что сталь дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, мас. %: барий 0,005-0,025; титан 0,03-0,08 и/или азот 0,005-0,012; суммарное содержание примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка, не превышает 0,05 мас. %; содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас. %: сера<0,008; фосфор<0,008 и кислород<0,005; и содержит частицы карбонитрида циркония размером 30-65 нм.
Содержание углерода в выбранных пределах (0,05-0,08 мас. %) обеспечивает требуемый уровень прочности, при этом достигается повышение свариваемости и хладостойкости. Увеличение содержания углерода выше 0,08 мас. % вызывает значительное повышение прочности, но приводит к снижению ударной вязкости и пластичности.
Кремний используется как раскислитель, а также присутствует в исходной шихте. Содержание кремния 0,15-0,30 мас. % является оптимальным. Уменьшение его содержания ниже 0,15 мас. % не обеспечивает достаточной раскисленности стали. Содержание выше 0,30 мас. % отрицательно влияет на вязкопластические свойства хладостойкой стали.
Марганец упрочняет хладостойкую сталь, увеличивает прокаливаемость, компенсирует уменьшение содержания никеля и обеспечивает повышение однородности физико-механических характеристик по толщине листа. При содержании марганца более 0,60 мас. % снижается комплекс вязкопластических свойств стали и ухудшается свариваемость стали. Для данной стали содержание марганца 0,30-0,60 мас. % является оптимальным.
Никель является одним из немногих элементов, который одновременно улучшает как прочностные, так и вязкопластические свойства хладостойкой стали. Минимальное содержание никеля 2,35 мас. % установлено исходя из надежной работы массивных толстослойных деталей из хладостойкой стали при рабочей температуре -90°С, а максимальное содержание никеля 3,50 мас. % надежно обеспечивает температуру эксплуатации стали для всех диапазонов толщин проката.
Совместное легирование молибденом, ванадием и ниобием в заявленных пределах наиболее эффективно способствует упрочнению стали за счет твердорастворного и дисперсионного упрочнения, а также улучшения прокаливаемости. При повышении содержания молибдена до 0,35 мас. % растут и вязкопластические свойства стали. Дальнейшее увеличение содержания молибдена для не дает заметного эффекта.
Ванадий в присутствии никеля, является эффективным дисперсионным упрочнителем, однако это реализуется лишь при полноценной термообработке сварных швов толстостенной стали.
Температура растворения образующихся карбидов ниобия в аустените выше на 50-70°С, чем карбидов ванадия, в результате чего карбиды ниобия ограничивают рост аустенитного зерна, а карбиды ванадия, выделяющиеся при отпуске способствуют упрочнению стали. Таким образом, ниобий и ванадий одновременно обеспечивают твердорастворное, зернограничное и дисперсионное упрочнение. Кроме того, введение ниобия приводит к измельчению зерна, что способствует повышению ударной вязкости стали при низких температурах.
Медь эффективно улучшает прочностные свойства и прокаливаемость стали в больших толщинах, причем при содержании в выбранных пределах 0,40-0,70 мас. % не оказывает негативного влияния на вязкость и пластичность, а также свариваемость. Медь эффективно улучшает атмосферостойкость стали.
Хром в пределах 0,30-0,60 мас. % необходим для обеспечения прокаливаемости стали в сечениях до 70 мм и некоторого упрочнении стали. При этом не ухудшаются характеристики свариваемости и хладостойкости.
Добавки хрома в хладостойкую сталь, содержащую никель, при термической обработке из межкритического интервала стабилизируют аустенит обратного превращения до низких температур, что улучшает пластичность и ударную вязкость при низких температурах. Повышение содержания хрома выше 0,60 мас. % ухудшает свариваемость и требует термообработки сварных швов.
Введение в состав стали мелкодисперсных карбонитридов циркония размером 30-65 нм в количестве 0,05-0,10 мас. % позволяет образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме толстолистовой стали, что обеспечивает однородность физико-механических характеристик по толщине листа, а также более высокую ударную вязкость, прочность и хорошую свариваемость. Карбонитриды требуемых размеров получают по известной технологии, например, взаимодействием циркона с графитом или коксом при температурах 2000-2500°С в электродуговых печах. Присадки карбонитридов вводят в струю стали во время разливки или в расплав при выплавке стали способом электрошлакового переплава.
Высокое значение ударной вязкости при низких температурах, обеспечивающее устойчивость стали и ее сварных швов при динамических нагрузках достигается также ограничением суммарного содержания элементов: алюминия, циркония, карбонитрида циркония, кальция и церия, которое должно быть меньше 0,25 мас. %. Если суммарное содержание этих элементов будет 0,25 мас. % или более 0,25 мас. %, то ухудшается качество стали из-за избыточного количества неметаллических включений, приводящее к снижению значений ударной вязкости при отрицательных температурах и ухудшению свариваемости за счет ухудшения состояния поверхности проката.
Введение в состав стали алюминия в 0,01-0,05 мас. % в сочетании с химически активными элементами кальцием 0,005-0,025 мас. % и церием 0,001-0,020 мас. % благоприятно изменяет форму неметаллических включений, снижает в стали содержание кислорода и серы, уменьшает количество сульфидных включений, очищает и упрочняет границы зерен и измельчает структуру стали, что приводит к повышению прочности, пластичности и ударной вязкости. Кальций и церий благоприятно воздействуют и на характер нитридных и карбонитридных включений, способствуют переходу пленочных включений нитридов алюминия в глобулярные комплексы оксисульфонитридных образований.
Добавки кальция в количестве 0,005-0,025 мас. % затрудняет выделение избыточных фаз по границам зерен, что способствует повышению пластичности и ударной вязкости. Совместное введение в сталь кальция и бария значительно улучшает кинетику процесса взаимодействия кальция с примесями. Барий в большей степени глобуляризует включения, чем кальций. Значительная часть включений приобретает округлую форму. Присадки бария способствуют (по сравнению с кальцием и церием) образованию более мелких глобулей. Модифицирование кальцием и барием измельчает сульфиды и приводит к перераспределению включений в дендритной структуре в результате увеличения сульфидных включений в осях.
Таким образом, совместное введение циркония, церия и кальция обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости за счет высокой прочности при рабочих (-90°С) температурах, пластичности и ударной вязкости..
Сера, фосфор и кислород являются вредными элементами, снижающими комплекс свойств хладостойкой стали, поэтому их содержание должно быть минимальным и не превышать, мас. %: сера<0,008; фосфор<0,008 и кислород<0,005. Кислород неизбежно присутствует в стали, в основном, в виде неметаллических включений. Такое содержание примесей можно получить современными методами выплавки стали, что позволяет сохранить прочность, пластичность и ударную вязкость на требуемом уровне.
Примеси легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка негативно влияют на вязкость и пластичность хладостойких сталей. Их суммарное содержание целесообразно ограничить величиной 0,05 мас. %.
Для подтверждения достижения технического результата были выплавлены слитки 8 составов по изобретению, проведена их ковка и прокатка, а также термическая обработка по различным режимам, как с одинарной закалкой и отпуском, так и с двойной закалкой (вторая закалка из межкритического интервала) с отпуском.
Установлено, что сталь согласно изобретению после термической обработки обеспечивает требуемый высокий уровень и стабильность рабочих характеристик, в том числе повышение прочности, ударной вязкости и пластичности на 20% по сравнению с прототипом. Особенно эффективно проведение двойной закалки с отпуском (повышение характеристик прочности, ударной вязкости и пластичности на 25%).
Так в зависимости от состава и термообработки обеспечивается предел текучести не ниже 720 МПа, предел прочности 850 МПа. Удлинение и сужение при 20°С не ниже 22 и 78% соответственно.
2
Ударная вязкость KCV при минус 90°С не менее 65 Дж/см. При этом физико-механические характеристики листа толщиной 70 мм и выше являются одинаковыми.
Таким образом, листовой прокат толщиной 70 мм из стали по изобретению возможно использовать для изготовления сварных сосудов давления в топливно-энергетическом комплексе, в судостроении, а также для изготовления оборудования морских буровых платформ и в тяжелом машиностроении, эксплуатируемых при пониженных (до -90°С) температурах.