ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ
COLD RESISTANT STEEL OF HIGH STRENGTH

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 используется низкоуглеродистая хромоникельмолибденовая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: 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 - до 100, при условии, что сумма (никель+медь) не менее 2 мас.%; сумма (сера+фосфор) не более 0,025 мас.% [1]. В листовом прокате толщиной до 30 мм сталь обеспечивает высокую прочность при сохранении высокой пластичности, ударной вязкости при +20 и -40°С, сопротивляемости хрупким и коррозионно-механическим разрушениям, хорошей свариваемости, изотропности свойств и сопротивления слоистому разрыву.
Известна сталь, принятая за прототип, следующего химического состава,  мас.% [2]:
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
Сера
0,001-0,005
Железо
Остальное,
cm
причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р, рассчитываемого по формуле
не должна быть выше 0,28%.
Известная сталь обеспечивает высокие требования по хладостойкости до минус 80°С, 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 - не обеспечивается гарантированная величина предела текучести не менее 590 МПа.
Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной стали высокой прочности с гарантированной величиной предела текучести от 590 до 715 МПа, обладающей высокой хладостойкостью при температурах до минус 60°С.
Технический результат достигается тем, что хладостойкая сталь высокой прочности, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, ниобий, молибден, алюминий, кальций, серу и железо, дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,08-0,11
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
Ниобий
0,02-0,05
Алюминий
0,01-0,05
Кальций
0,005-0,050
Сера
0,001-0,010
Фосфор
0,001-0,015
Железо
Остальное,
cm
причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Р, рассчитываемого по формуле
(п.4.2.2 части XII «Правил классификации, постройки и оборудования ПБУ И МСП», Российский морской регистр судоходства, 2006), не должна быть выше 0,26%.
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 и никеля обеспечивают необходимую прочность стали и ее вязкость при отрицательных температурах 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.
Молибден значительно повышает прочность стали, а также предотвращает формирование феррита и развитие отпускной хрупкости стали. При содержании свыше 0,4% молибден понижает вязкость стали.
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 60°С при повышении предела текучести, а в сочетании с введением молибдена в указанных пределах позволяет исключить отпускную хрупкость.
Пример: Сталь была выплавлена в кислородном конвертере и после внепечного рафинирования и вакуумирования разлита в непрерывнолитые слябы. Химический состав приведен в таблице 1.
Слябы нагревали до температуры 1200±20°С в методической печи и прокатывали на стане «5000» на листы толщиной 8-30 мм, которые подвергали термическому улучшению (закалка в воду от температуры 920±10°С с отпуском в интервале температур 620÷680°С).
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 18 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 типа 12 (для листов толщиной 8 мм) и типа 11 (для листов толщиной 18 и 30 мм) при температурах минус 40°С и минус 60°С.
Результаты механических испытаний (средние значения по результатам двух испытаний на растяжение и трех на ударный изгиб) приведены в таблице 2.
Свариваемость оценивали по результатам испытаний на растяжение образцов полной толщины с расчетной длиной , ударных образцов типа 11 по ГОСТ 9459 с надрезом, выполненным по линии сплавления и на расстоянии 2, 5 и 20 мм от нее, а также по изменению твердости по Виккерсу на различных участках сварного соединения (таблица 3). Трещиностойкость зоны термического влияния (ЗТВ) сварки оценивали по британскому стандарту BS 7448 (часть 2) на сварных соединениях, выполненных с К-образной разделкой кромок автоматической сваркой под флюсом с погонной энергией ~ 1,0 кДж/мм. Для испытаний использовали призматические образцы с шевронным надрезом, выполненным по ЗТВ. Испытания проводили при температуре минус 40°С.
Литературные источники
1. Патент Российской Федерации №1676276, МПК С22С 38/46, 1996 г.
2. Патент Российской Федерации №2269588, МПК С22С 38/48, 2004 г.
Хладостойкая сталь повышенной прочности