хладостойкая arc-сталь высокой прочности

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 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.%:

углерод0,08-0,11
кремний0,20-0,40
марганец0,50-0,80
хром0,40-0,60
никель1,20-1,50
медь0,30-0,50
молибден0,15-0,20
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 0,24%.

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 «Правилхладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296 » 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

хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296

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 «Правилхладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296 » 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:

хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296

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 хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296 -хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296 -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 хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296 , 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 «Правилхладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296 » 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.%
№ составаС SiMn Cr NiС АlМоV NbCa SPFe Рсм, мас.%
1 0,080,40 0,650,60 1,50 0,500,01 0,20-0,05 0,0050,003 0,002остальное 0,219
2 0,110,28 0,500,53 1,390,30 0,020,15 -0,020,050 0,0050,010 остальное0,220
30,09 0,20 0,800,40 1,20 0,460,05 0,18-0,03 0,0300,001 0,007остальное 0,212
Прототип
4 0,100,30 0,48 1,051,95 0,39 0,04 0,110,04 0,02 0,0050,001 -остальное 0,277

хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296

хладостойкая arc-сталь высокой прочности, патент № 2507296

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2507296

patent-2507296.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)
высокопрочная хладостойкая arc-сталь -  патент 2507295 (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