хладостойкая arc-сталь высокой прочности
Классы МПК: | C22C38/48 с ниобием или танталом |
Автор(ы): | Малышевский Виктор Андреевич (RU), Хлусова Елена Игоревна (RU), Голосиенко Сергей Анатольевич (RU), Сошина Татьяна Викторовна (RU), Хомякова Надежда Федоровна (RU), Милюц Валерий Георгиевич (RU), Павлова Алла Григорьевна (RU), Батов Юрий Матвеевич (RU), Ларионов Александр Викторович (RU), Иванова Елена Александровна (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-09-17 публикация патента:
20.02.2014 |
Изобретение относится к металлургии, а именно к производству толстолистового проката из хладостойкой стали высокой прочности и улучшенной свариваемости для применения в судостроении, мостостроении и других отраслях промышленности. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, % мас: углерод 0,08-0,11, кремний 0,20-0,40, марганец 0,50-0,80, хром 0,40-0,60, никель 1,20-1,50, медь 0,30-0,50, молибден 0,15-0,20, ниобий 0,02-0,05, алюминий 0,01-0,05, кальций 0,005-0,050, сера 0,001-0,005, фосфор 0,001-0,010, железо - остальное. Величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рсм не превышает 0,24%. Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой стали высокой прочности для судостроения с нормируемой величиной предела текучести 500 МПа, обеспечивающей гарантированные характеристики сопротивляемости хрупким разрушениям и температуру нулевой пластичности. 3 табл., 1 пр.
Формула изобретения
Хладостойкая сталь высокой прочности, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, ниобий, молибден, алюминий, кальций, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,08-0,11 |
кремний | 0,20-0,40 |
марганец | 0,50-0,80 |
хром | 0,40-0,60 |
никель | 1,20-1,50 |
медь | 0,30-0,50 |
молибден | 0,15-0,20 |
ниобий | 0,02-0,05 |
алюминий | 0,01-0,05 |
кальций | 0,005-0,050 |
сера | 0,001-0,005 |
фосфор | 0,001-0,010 |
железо | остальное, |
причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рсм не превышает 0,24%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве толстолистового проката из хладостойкой arc-стали высокой прочности улучшенной свариваемости для применения в судостроении, мостостроении и других отраслях промышленности.
Для проектирования и строительства таких объектов морской техники, как плавучие и самоподъемные буровые разведочные и добычные платформы, суда категорий arc4-arc9 для эксплуатации в ледовых условиях арктических морей, плавучие краны большой грузоподъемности, ледостойкие терминалы, требуются высокопрочные хладостойкие свариваемые arc-стали с гарантированным пределом текучести 500 МПа, способные обеспечить надежную эксплуатацию сварных конструкций в экстремальных условиях воздействия низких окружающих температур (до минус 50°С) и высоких нагрузок в соответствии с требованиями «Правил » российского морского регистра судоходства [1, 2]. При этом сталь должна отличаться пониженным уровнем легирования для снижения трудоемкости сварочных работ.
Для изготовления ответственных сварных конструкций используется низкоуглеродистая низколегированная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,04-0,10; кремний 0,15-0,35; марганец 1,00-1,40; никель 0,1-0,8; медь 0,05-0,20; ванадий 0,02-0,10; ниобий 0,02-0,06; алюминий 0,02-0,06; серу 0,001-0,005; фосфор 0,003-0,015; железо - остальное [3]. В листовом прокате толщиной до 50 мм сталь обеспечивает предел текучести 450-470 МПа, высокую пластичность, ударную вязкость при -80°С, сопротивляемость хрупким и коррозионно-механическим разрушениям, хорошую свариваемость, технологичность, оцениваемую по результатам испытаний проб на холодный изгиб, изотропность свойств и сопротивление слоистому разрыву.
Известна сталь, принятая за прототип, следующего химического состава, мас.% [4]:
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 |
причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рсм, 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. Основными недостатками указанной стали являются высокая температура нулевой пластичности NDT и недостаточная сопротивляемость хрупкому разрушению, оцениваемая по критерию вязко-хрупкого перехода Ткб.
Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой arc-стали высокой прочности с гарантированной величиной предела текучести 500 МПа для судостроения, обладающей гарантированными характеристиками работоспособности в соответствии с требованиями «Правил » Российского морского регистра судоходства [2]: значения температур вязко-хрупкого перехода для оценки способности материала тормозить распространение хрупкого разрушения должны быть не выше минус 30°С для температуры Ткб, а температура нулевой пластичности NDT должна быть не выше минус 60°С.
Технический результат достигается тем, что сталь, 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 | 0,20-0,40 |
Марганец | 0,50-0,80% |
Хром | 0,40-0,60 |
Никель | 1,20-1,50 |
Медь | 0,30-0,50 |
Молибден | 0,15-0,20 |
Ниобий | 0,02-0,05 |
Алюминий | 0,01-0,05 |
Кальций | 0,005-0,050 |
Сера | 0,001-0,005 |
Фосфор | 0,001-0,010 |
Железо | остальное |
причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рсм, рассчитываемого в соответствии с [1] (ч.XII, п.4.2.2.) по формуле:
не должна быть выше 0,24%.
Фосфор обуславливает повышенную склонность к хрупким разрушениям при понижении температуры испытаний и отпускной хрупкости за счет обогащения фосфором межзеренных границ. Ограничение содержания фосфора в указанных пределах способствует повышению сопротивляемости стали хрупкому разрушению и обеспечению высокой пластичности при температурах до минус 80°С, а в сочетании с введением молибдена в выбранных пределах позволяет исключить отпускную хрупкость.
Ограничение содержания хрома не оказывает значимого влияния на прочность стали, при этом показатели низкотемпературной пластичности и вязкости стали улучшаются.
Содержание углерода в указанных пределах в сочетании с мелкозернистой структурой 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.
Выбранные пределы содержания марганца, 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 - -превращении и образования преимущественно бейнитно-мартенситных структур при закалке проката в толщинах до 50 мм.
Молибден предотвращает формирование феррита и развитие отпускной хрупкости стали. При содержании свыше 0,2% молибден понижает вязкость стали.
Пример. Сталь была выплавлена в дуговой электропечи и после внепечного рафинирования и вакуумирования разлита в слитки. Химический состав приведен в таблице 1.
Слитки нагревали до температуры 1200±20°С в камерной печи и прокатывали на стане «5000» на листы толщиной 10-50 мм, которые подвергали прямой закалке в воду после завершения горячей пластической деформации и последующему отпуску в интервале температур 620÷680°С.
Механические свойства определяли на образцах, вырезанных поперек направления прокатки. Испытание на растяжение выполняли по ГОСТ 1497 на цилиндрических образцах типа III № 6 (для листов толщиной 10 мм), цилиндрических образцах типа III № 4 (для листов толщиной 35 и 50 мм). Испытания на ударный изгиб выполняли по ГОСТ 9454 на образцах с V-образным надрезом типа 11 при температурах минус 60 и минус 80°С.
Сопротивление хрупкому разрушению листового проката оценивали:
- по критической температуре вязкохрупкого перехода Ткб по методике, приведенной в [1] (часть XII, п.2.4.2.), соответствующей минимальной температуре, при которой в изломе технологической пробы полной толщины, испытанной на статический изгиб, наблюдается 70% волокнистой составляющей;
- по температуре нулевой пластичности NDT, определяемой по результатам динамических испытаний образцов с хрупкой наплавкой по методике, приведенной в [1] (часть XII, п.2.3.2.). Эта температура характеризует условия, при которых материал не способен затормозить трещину при ударном нагружении со скоростью порядка 5 м/с и обеспечить достижение в нем напряжений предела текучести.
Свариваемость оценивали по результатам расчета параметра трещиностойкости при сварке Рсм по вышеприведенной формуле.
Сварные соединения выполняли на образцах с К-образной разделкой кромок автоматической сваркой под флюсом с погонной энергией ~1,0 кДж/мм. От сварных проб отбирали образцы полной толщины на растяжение с расчетной длиной рабочей части , образцы на ударный изгиб тип 11 по ГОСТ 9459 с надрезом, выполненным по линии сплавления (ЛС), и на расстоянии 2, 5 и 20 мм от ЛС, а также образцы для измерения твердости по Виккерсу в различных участках сварного соединения.
Трещиностойкость зоны термического влияния (ЗТВ) оценивали по требованиям Британского стандарта BS 7448 [5]. 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 механических испытаний (средние значения по результатам двух испытаний на растяжение и трех на ударный изгиб) приведены в таблице 2.
Результаты определения характеристик работоспособности основного металла и сварных соединений представлены в таблице 3.
Результаты испытаний показывают, что предлагаемая сталь обеспечивает требуемый уровень прочности, более высокую сопротивляемость хрупким разушениям и свариваемость, а также трещиностойкость при -60°С, удовлетворяющих требованиям «Правил » Российского морского регистра судоходства [2], чем известная.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения.
1. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. Российский Морской Регистр судоходства, 2012 г.
2. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства, 2012 г.
3. Патент Российской Федерации № 2269587, МПК С22С 38/16, 2006 г.
4. Патент Российской Федерации № 2269588, МПК С22С 38/48, 2006 г. - прототип.
5. BS 7448. Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1. Method for determination of K1c, critical CTOD and critical J - values of etallic materials, 1991. Part 2. Method for determination of critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials, 1997.
Таблица 1 - Химический состав стали, мас.% | ||||||||||||||||||
№ состава | С | Si | Mn | Cr | Ni | С | Аl | Мо | V | Nb | Ca | S | P | Fe | Рсм, мас.% | |||
1 | 0,08 | 0,40 | 0,65 | 0,60 | 1,50 | 0,50 | 0,01 | 0,20 | - | 0,05 | 0,005 | 0,003 | 0,002 | остальное | 0,219 | |||
2 | 0,11 | 0,28 | 0,50 | 0,53 | 1,39 | 0,30 | 0,02 | 0,15 | - | 0,02 | 0,050 | 0,005 | 0,010 | остальное | 0,220 | |||
3 | 0,09 | 0,20 | 0,80 | 0,40 | 1,20 | 0,46 | 0,05 | 0,18 | - | 0,03 | 0,030 | 0,001 | 0,007 | остальное | 0,212 | |||
Прототип | ||||||||||||||||||
4 | 0,10 | 0,30 | 0,48 | 1,05 | 1,95 | 0,39 | 0,04 | 0,11 | 0,04 | 0,02 | 0,005 | 0,001 | - | остальное | 0,277 |
Класс C22C38/48 с ниобием или танталом