сталь для свариваемых конструкций

Формула изобретения

1. Сталь для свариваемых конструкций, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, ванадий, медь, алюминий, барий, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,06-0,12

Марганец 0,65-0,85

Кремний 0,05-0,11

Никель 0,32-0,40

Ванадий 0,04-0,08

Медь 0,32-0,40

Алюминий 0,02-0,04

Барий 0,020-0,050

Азот 0,002-0,004

Сера 0,015

Фосфор 0,015

Железо Остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что совместное содержание Мn+Si+Аl+Ва составляет 0,80-1,05 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к легированным сталям для металлических конструкций, и может быть использовано при производстве сталей обыкновенного качества для свариваемых конструкций, работающих в условиях обычных температур и в коррозионных средах на водной основе, близких по водородному показателю рН к нейтральным.

Известна низколегированная конструкционная сталь для сварных конструкций марки 09Г2, содержащая, мас.%; углерод <0,12; марганец 1,40-1,80; кремний 0,17-0,37; хром <0,30; никель <0,30; сера <0,040; фосфор <0,035; азот <0,008; медь <0,30; мышьяк <0,08; железо - остальное (Марочник сталей и сплавов /В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин и др./ Под общ. ред. В.Г.Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989, с. 97-99).

Недостатком известной стали является пониженный уровень прочностных свойств и ударной вязкости: так, для листов и проката толщиной порядка 20 мм временное сопротивление разрыву _в=440 МПа, условный предел текучести _0,2=305 МПа, относительное удлинение =21%, ударная вязкость KCV^-40=29 Дж/см². Кроме того, марганец способствует росту зерна аустенита при нагреве, что и приводит к понижению свойств; сталь 09Г2 характеризуется также невысокой коррозионной стойкостью в водных средах.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является сталь для труб и других сварных конструкций, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод <0,3; кремний 0,01-0,8; марганец 0,5-2; медь <0,5; никель <2; алюминий <0,1; барий 0,003-0,015; фосфор <0,04; сера <0,03; ванадий <0,1; железо - остальное (заявка Японии JP 57-023047, опубл. 06.02.1982).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: наличие в стали углерода, марганца, кремния, никеля, ванадия, меди, алюминия, бария, азота, серы, фосфора и железа.

Известная сталь не обеспечивает высокого комплекса механических свойств и коррозионной стойкости в коррозионных средах на водной основе, близкой к нейтральной по следующим причинам.

Лимитированного количества бария в известной стали в пределах 0,003-0,015 мас.% недостаточно для того, чтобы обеспечить значительное снижение окисленности стали для предотвращения окисления карбонитридообразующего элемента - ванадия. Это снижает уровень управляющего воздействия на качество стали и приводит к увеличению дисперсии показателей механических свойств, снижая сортность стали. Малое количество бария снижает его модифицирующий эффект, а также способствует повышению размеров глобулярных включений, что приводит к снижению комплекса механических свойств.

Допустимое содержание серы и фосфора в известной стали, равное 0,03 и 0,04 мас.% соответственно, препятствует получению стали с высокой коррозионной стойкостью, что в совокупности с невысоким содержанием бария приводит, кроме того, к снижению пластичности и вязкости стали, снижая комплекс механических свойств.

В известной стали содержание азота не лимитировано, поэтому оно может колебаться в широких пределах в зависимости от способа выплавки стали, например, от 0,002-0,005 мас.% при конвертерном производстве до 0,007-0,010 мас.% при электросталеплавильном производстве (Гольдштейн М.И. и др. Специальные стали. Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1985, с. 29). При этом содержание ванадия ограничено только верхним пределом (0,1 мас.%), что в совокупности с не лимитированным содержанием азота приводит к непредсказуемым показателям карбонитридного упрочнения и снижению комплекса механических свойств стали.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача усовершенствования стали для свариваемых конструкций путем оптимизации количественного состава.

Ожидаемый технический результат - получение высокого комплекса механических свойств и коррозионной стойкости в коррозионных средах на водной основе, близких к нейтральным.

Поставленная задача решается тем, что сталь для свариваемых конструкций, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, ванадий, медь, алюминий, барий, азот, серу, фосфор и железо, по изобретению она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,06-0,12

Марганец 0,65-0,85

Кремний 0,05-0,11

Никель 0,32-0,40

Ванадий 0,04-0,08

Медь 0,32-0,40

Алюминий 0,02-0,04

Барий 0,020-0,050

Азот 0,002-0,004

Сера 0,015

Фосфор 0,015

Железо остальное

Кроме того, совместное содержание (Мn+Si+Аl+Ва) составляет 0,80 - 1,05 мас.%.

Сталь предлагаемого состава обеспечивает получение высокого комплекса механических свойств, а именно: временное сопротивление разрыву _в 550 МПа, условный предел текучести _0,2 500 МПа, относительное удлинение =22%, ударная вязкость KCV⁺²⁰ 50 Дж/см².

Кроме того, сталь хорошо сваривается и имеет высокую коррозионную стойкость в средах на водной основе, близких по значению рН к нейтральным; в связи с этим сталь может использована для нефте-, газопроводных труб и металлоконструкций общего назначения и обыкновенного качества.

Содержание углерода в заявляемой стали ограничивается пределами 0,06-0,12 мас.%: это обеспечивает хорошую свариваемость и пластичность стали. Для получения углерода в количестве менее 0,06 мас.% требуется усложнение плавки и снижается уровень прочностных свойств и поэтому такое содержание углерода нецелесообразно. При содержании углерода более 0,12 мас.% становится возможным снижение пластичности и ухудшение коррозионной стойкости из-за увеличения микрогальванических пар.

Марганец содержится в количестве 0,65-0,85 мас.%. Общее снижение марганца по отношению к стали по ближайшему аналогу вызвано тем, что при отливке крупных слитков из-за ликвации марганца могут образовываться обогащенные им микрообъемы, так что при ускоренном охлаждении проката получаются неравновесные структуры с низкой пластичностью. При содержании менее 0,65 мас.% марганца он недостаточно упрочняет твердый раствор. При содержании более 0,85 мас.% марганца в прокате тонких сечений встречаются участки с пониженной пластичностью.

Кремний в заявляемой стали ограничен значениями 0,05-0,11 мас.%. При этом содержании кремния достаточное раскисление достигается совокупным действием (Мn+Si+Аl+Ва), которое регламентируется в заявляемой стали. Получение очень низких значений кремния (менее 0,05 мас.%) усложняет технологию выплавки и нецелесообразно; при содержании кремния более 0,11 мас.% возрастает вероятность получения заметного количества силикатных включений, что снижает сопротивление хрупкому разрушению, особенно при циклических нагрузках.

Оптимальное содержание никеля составляет 0,32-0,40 мас.%. В этих количествах его положительное действие проявляется на ударной вязкости. При содержании меньше 0,32 мас.% твердый раствор будет недостаточно легирован никелем, более 0,40 мас.% никеля заметно удорожает сталь, и с точки зрения условий и области использования заявляемой стали нецелесообразно.

Ванадий в количестве 0,04-0,08 мас.% обеспечивает в совокупности с алюминием в количестве 0,02-0,04 мас.% мелкозернистую структуру, что приводит к повышению вязкости и пластичности стали. Ванадий в заявленных пределах при лимитированном содержании азота, равного 0,002-0,004 маc.%, образует карбонитриды, практически полностью исключая присутствие в стали свободного азота, а алюминий - оксиды, которые и тормозят рост зерна аустенита при нагреве. Кроме того, они оказывают влияние на качество стали как раскислители.

Барий в количестве 0,020-0,050 маc.% положительно влияет на глобуляризацию включений в стали и благодаря этому увеличивает вязкость стали, положительно влияет на обрабатываемость резанием, уменьшает коррозионный ток в микрогальванических парах "глобулярное включение - твердый раствор". Содержание бария в заявляемых количествах способствует снижению окисленности стали, обеспечивая более полное использование ванадия, входящего в состав заявляемой стали в качестве карбонитридного связующего, что практически исключает наличие в стали свободного азота. При этом не прореагировавший с азотом и углеродом ванадий повышает вязкость и пластичность стали. Кроме того, барий в заявляемых количествах модифицирует сульфидные и фосфидные составляющие неметаллических включений, образуя прочные комплексы, что приводит к повышению комплекса механических свойств стали и обеспечивает высокую коррозионную стойкость в средах на водной основе, препятствуя образованию блистеринга - поверхностного водородного растрескивания - одного из распространенных дефектов трубной стали. При содержании меньшем 0,020 мас.% бария эффект не стабилен, а при более 0,050 мас.% бария снижается пластичность стали ниже допустимой.

Медь содержится в количестве 0,30-0,40 мас.%. Это количество необходимо для придания стали коррозионной стойкости в средах на водной основе, близких по рН к нейтральным, причем позитивное влияние меди на коррозионную стойкость усиливается в присутствии фосфора и бария. Кроме того, медь упрочняет твердый раствор, обеспечивая в совокупности с никелем прочностные свойства.

В заявляемой стали содержание серы и фосфора ограничивается верхним пределом 0,015 мас.%. Большее содержание серы увеличивает количество сульфидов, увеличивает склонность стали к коррозионному растрескиванию и насыщаемости водородом, что приводит к снижению пластичности. Большее чем 0,015 мас.% содержание фосфора приводит к тенденции хрупкого разрушения стали при наиболее низких температурах эксплуатации.

Азот в предлагаемой стали содержится в количестве 0,002-0,004 мас.%. Это количество необходимо для образования карбонитридов, упрочняющих сталь. При содержании азота менее 0,002 мас.% снижается содержание карбонитридов при одновременном повышении доли карбидов, что приводит к снижению комплекса механических свойств стали. При содержании азота более 0,004 маc.% и лимитированном содержании ванадия, равном 0,04-0,08 маc.%, может проявиться эффект старения, сопровождающийся снижением пластичности и ударной вязкости.

Вариант осуществления заявляемой стали, не исключающий другие варианты в объеме формулы изобретения.

Опытные стали выплавляли в полупромышленной тигельной печи с номинальной емкостью тигля 30 кг. Для шихты использовали лом низкоуглеродистых сталей. Химический состав опытных сталей приведен в таблице 1 (№№ плавок 1-3 - предлагаемая сталь, №4 - сталь по ближайшему аналогу).

В тех же условиях выплавляли сравнительный слиток с составом стали по ближайшему аналогу.

Полученные слитки массой 25 кг ковали на заготовки сечением 30120 мм, затем их прокатывали на полосы толщиной 15 мм. Из полос изготавливали образцы для термообработки, механических, коррозионных испытаний и свариваемости. Коррозионные испытания проводили в водопроводной воде с рН 7,32. Оценивали скорость общей коррозии по потере массы, свариваемость оценивали визуально осмотром сварочного шва и околошовной зоны.

Результаты испытаний опытных сталей приведены в таблице 2, из которой видно, что заявляемая сталь по комплексу механических свойств и коррозионной стойкости в коррозионных средах на водной основе, близких к нейтральным, предпочтительнее известной.