высокопрочная хладостойкая arc-сталь

Классы МПК:C22C38/48 с ниобием или танталом
Автор(ы):, , , , , , , , ,
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:

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству толстолистового проката из хладостойкой высокопрочной стали с улучшенной свариваемостью для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении и других отраслях промышленности. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, % мас: углерод 0,08-0,11, кремний 0,20-0,40, марганец 0,65-0,85, хром 0,75-0,95, никель 2,10-2,30, медь 0,60-0,80, молибден 0,25-0,30, 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 Рем не превышает 0,30%. Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой стали высокой прочности для судостроения с нормируемой величиной предела текучести 690 МПа, обеспечивающей гарантированные характеристики сопротивляемости хрупким разрушениям и температуру нулевой пластичности. 2 табл., 1 пр.

Формула изобретения

Хладостойкая высокопрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, алюминий, кальций, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, % мас.:

углерод0,08-0,11
кремний0,20-0,40
марганец0,65-0,85
хром0,75-0,95
никель2,10-2,30
медь0,60-0,80
молибден0,25-0,30
ниобий0,02-0,05
алюминий0,01-0,05
кальций0,005-0,050
сера0,001-0,005
фосфор0,001-0,010
железоостальное,


причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рсм не превышает 0,30%.

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, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, 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 690 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 «Правилвысокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295 » 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 хладостойкая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: 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

высокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295

должна быть не более 0,28% [3].

В листовом прокате толщиной до 70 мм сталь обеспечивает гарантированный предел текучести 500 МПа, 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.

Для изготовления корпусов кораблей и морских технических сооружений используется низкоуглеродистая хромоникельмолибденовая сталь, принятая за прототип, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.% [4]:

Углерод0,07-0,11
Кремний0,17-0,37
Марганец0,30-0,60
Хром0,30-0,70
Никель1,80-2,30
Медь0,40-0,70
Молибден0,25-0,35
Ванадий0,02-0,05
Алюминий0,005-0,04
Элемент из группы, высокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295
содержащей кальций, барий 0,005-0,05
Сера 0,003-0,015
Фосфор 0,003-0,015
Железо остальное

при условии, что сумма (никель + медь) не менее 2,4 мас.%; сумма (сера + фосфор) не более 0,025 мас.%.

В листовом прокате толщиной до 30 мм сталь обеспечивает высокую прочность при сохранении высокой пластичности, сопротивляемости хрупким и коррозионно-механическим разрушениям, хорошей свариваемости, изотропности свойств и сопротивления слоистому разрыву, однако высокие показатели ударной вязкости гарантируются при температурах не ниже минус 40°С. Основными недостатками указанной стали являются высокая температура нулевой пластичности NDT и недостаточная сопротивляемость хрупкому разрушению, оцениваемая по критерию вязкохрупкого перехода Ткб.

Техническим результатом изобретения является разработка конструкционной хладостойкой arc-стали высокой прочности с гарантированной величиной предела текучести 690 МПа для судостроения, обладающей гарантированными характеристиками работоспособности в соответствии с требованиями «Правилвысокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295 » Российского морского регистра судоходства [2]: значения температур вязкохрупкого 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, молибден, алюминий, кальций, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,08-0,11
Кремний0,20-0,40
Марганец0,65-0,85
Хром0,75-0,95
Никель2,10-2,30
Медь0,60-0,80
Молибден0,25-0,30
Ниобий0,02-0,05
Алюминий0,01-0,05
Кальций0,005-0,050
Сера0,001-0,005
Фосфор0,001-0,010
Железоостальное

причем величина коэффициента трещиностойкости при сварке Рсм, рассчитываемого в соответствии с [1] (ч.XII, п.4.2.2) по формуле:

высокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295

не должна быть выше 0,30%.

Температура растворения карбидов ниобия в аустените на 50-100°С выше температуры растворения карбидов ванадия, в результате чего карбиды ниобия эффективно ограничивают рост аустенитного зерна, способствуя таким образом повышению дисперсности конечной структуры стали, что является наиболее эффективным путем одновременного повышения прочности, низкотемпературной вязкости и пластичности стали.

Введение в сталь марганца и хрома в выбранных пределах способствуют увеличению прочности стали за счет твердорастворного упрочнения, увеличению прокаливаемости, а также одновременному повышению сопротивляемости хрупким разрушениям за счет исключения образования в процессе закалки листового проката толщиной до 50 мм структурно-свободного феррита.

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 высокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295 -высокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295 -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 0,3% 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 в сочетании с введением молибдена в выбранных пределах позволяет исключить отпускную хрупкость.

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 тип II при температурах минус 60°C и минус 80°С.

Сопротивление хрупкому разрушению листового проката оценивали:

- по критической температуре вязко-хрупкого 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 достижения в нем напряжений предела текучести.

Свариваемость оценивали по результатам расчета параметра трещиностойкости при сварке Рсм по вышеприведенной формуле.

Результаты механических испытаний (средние значения по результатам двух испытаний на растяжение и трех на ударный изгиб) и характеристик работоспособности приведены в таблице 2.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемая сталь обеспечивает требуемый уровень прочности, более высокую сопротивляемость хрупким разрушениям и низкотемпературную пластичность, удовлетворяющие требованиям «Правилвысокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295 » 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 № 2269588, МПК С22С 38/48, 2006 г.

4. Патент Российской Федерации № 1676276, МПК С22С 38/46, 1996 г. - прототип.

5. BS 7448. Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1. Method for determination of Klc, 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.

Таблица 1
Химический состав стали, мас.%
№ составаС SiMnCr NiCuМо NbVAl CaSР FeРсм, мас.%
10,09 0,40,850,75 2,100,80 0,250,03- 0,010,030 0,0010,005остальное 0,275
2 0,110,2 0,650,802,30 0,600,27 0,02-0,02 0,0500,005 0,001остальное 0,275
3 0,080,30,75 0,952,20 0,700,300,05 -0,05 0,0050,0020,010 остальное0,267
Прототип
40,11 0,370,600,70 2,300,70 0,35-0,04 0,040,05 (Ba) 0,0150,010 остальное0,288

высокопрочная хладостойкая arc-сталь, патент № 2507295

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2507295

patent-2507295.pdf

Класс C22C38/48 с ниобием или танталом

сталь повышенной коррозионной стойкости и электросварные трубы, выполненные из нее -  патент 2520170 (20.06.2014)
стали со структурой пакетного мартенсита -  патент 2507297 (20.02.2014)
хладостойкая arc-сталь высокой прочности -  патент 2507296 (20.02.2014)
ролик для поддерживания и транспортирования горячего материала, имеющий наплавленный посредством сварки материал, присадочный сварочный материал, а также сварочная проволока для проведения наплавки сваркой -  патент 2499654 (27.11.2013)
способ производства листового проката -  патент 2490337 (20.08.2013)
трубная заготовка из легированной стали -  патент 2479663 (20.04.2013)
стальной лист для производства магистральной трубы с превосходной прочностью и пластичностью и способ изготовления стального листа -  патент 2478133 (27.03.2013)
способ производства толстолистового низколегированного проката -  патент 2477323 (10.03.2013)
нефтегазопромысловая бесшовная труба из мартенситной нержавеющей стали и способ ее изготовления -  патент 2468112 (27.11.2012)
способ производства листов из низколегированной трубной стали класса прочности к56 -  патент 2465343 (27.10.2012)
Наверх