Конструкционная сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам группы стали, и может быть применено для изготовления конструкций, работающих при низких температурах, например для резервуаров и трубопроводов сжиженных газов. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,05 - 0,10; кремний 0,15 - 0,35; марганец 1,0 - 1,5; никель 4,0 - 5,0; ниобий 0,02 - 0,06; азот 0,008 - 0,020; алюминий 0,01 - 0,06; титан 0,03 - 0,05; молибден 0,2 - 0,3; ванадий 0,12 - 0,16; медь 0,3 - 0,6; железо - остальное, причем соблюдается соотношение 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам группы стали, и может быть применено для изготовления конструкций, работающих при низких температурах, например для резервуаров и трубопроводов сжиженных газов.

Известна сталь, содержащая, мас.%: Углерод 0,01-0,2 Кремний 0,01-0,8 Марганец 0,1-2,5 Никель 3,5-9,6 Алюминий 0,001-0,01 Азот 0,015 Ниобий 0,1 Титан 0,03 Железо Остальное В качестве примесей сталь может содержать, мас. %: Сера 0,01 Фосфор 0,02 Эта сталь при достаточной прочности имеет низкие характеристики сопротивления хрупкому и вязкому разрушению при отрицательных температурах.

Наиболее близкой по составу, технической сущности и достигаемому результату является сталь, взятая за прототип и содержащая, мас.%: Углерод 0,03-0,15 Кремний 0,18-0,40 Марганец 0,5-2,0 Никель 5,0-7,0 Ниобий 0,01-0,06 Азот 0,005-0,025 Алюминий 0,01-0,2 Титан 0,01-0,3 Железо Остальное В качестве примесей сталь может содержать, мас.%: Сера до 0,025 Фосфор до 0,025 Известная сталь применяется в сварных конструкциях и после двойной нормализации и высокого отпуска имеет следующий комплекс механических свойств: Предел прочности, σ_в, Н/мм² 680-720 Предел текучести, σ_0,2, Н/мм² 450-500 Относительное удлинение, δ , % 20-25 Относительное сужение, Ψ , % 55-75 КСV_-196, Дж/см² 30-35 КСТ_-196, Дж/см² 20-25 Недостатком известной стали является низкая усталостная прочность и неудовлетворительные характеристики сопротивления хрупкому и вязкому разрушению при -196^оС.

Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, азот, алюминий, титан и железо, дополнительно содержит молибден, ванадий и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,05-0,10 Кремний 0,15-0,35 Марганец 1,0-1,5 Никель 4,0-5,0 Ниобий 0,02-0,06 Азот 0,008-0,020 Алюминий 0,01-0,06 Титан 0,03-0,05 Молибден 0,2-0,3 Ванадий 0,12-0,16 Медь 0,3-0,6 Железо Остальное причем отношение Сu к Σ (Mn + Ni) должно быть в пределах 0,06-0,09.

Предлагаемая сталь позволяет получить при достаточно высоких прочностных и пластических свойствах повышенные характеристики усталостной прочности и сопротивления хрупкому и вязкому разрушению.

После двойной нормализации и высокого отпуска сталь обеспечивает следующий комплекс свойств: Предел прочности, σ_в, Н/мм² 800-850 Предел текучести, σ_0,2, Н/мм² 550-600
Относительное удлинение, δ , % 23-26
Относительное сужение, Ψ , % 72-75 КСV_-196, Дж/см² 60-80
Предел выносливости, H/мм² 450 Т₅₀^о, С -196 КСТ_-196, Дж/см² 40-60
Известно, что усталостная прочность тесно связана с прочностью, наиболее легким способом повышения которой является увеличение содержания углерода. Но при этом резко ухудшается свариваемость и снижаются характеристики вязкости.

В заявляемой стали повышение прочности обусловлено комплексным микролегированием карбонитридообразующими элементами (ванадием в дополнение к титану и ниобию) и твердорастворными элементами (медь, молибден). Полный комплекс карбонитридообразующих элементов (V, Nb, Ti) обеспечивает измельчение зерна и, кроме повышения прочности и усталостной выносливости, значительно повышает сопротивление стали хрупкому и вязкому разрушению.

Введение меди, кроме повышения прочности, позволяет повысить вязкие свойства за счет образования мелкодисперсной -фазы, являющейся эффективным барьером продвижения хрупкой трещины. Легирование медью, кроме того, позволяет снизить содержание дефицитного никеля.

Действие элементов, преимущественно находящихся в твердом растворе (марганец, никель, медь) и одновременно влияющих на прочность и вязкость, взаимосвязано и обеспечение повышенной прочности, усталостной выносливости и высокой вязкости наблюдается при экспериментально найденном соотношении
= 0,06÷0,09.

В предлагаемой стали железо является основой, углерод, кремний, марганец, никель, медь и молибден являются основными легирующими элементами, а ниобий, титан, ванадий, алюминий и азот - микролегирующими элементами, которые в сочетании с основными легирующими элементами обеспечивают требуемый уровень конструктивных технологических и эксплуатационных свойств.

В заявляемой стали содержание углерода ограничено пределами 0,05-0,10 мас. % не обеспечивает твердости мартенсита и, следовательно, прочности, а содержание выше 0,10 мас.% - свариваемости.

Содержание кремния лежит в интервале 0,15-0,35 мас.%. При содержании кремния ниже 0,15 мас.% металл недостаточно раскислен, при содержании выше 0,35 мас.% повышается балл силикатов, что снижает усталостную прочность.

Пределы по марганцу находятся в интервале 1,0-1,5 мас.%. Содержание марганца ниже 1,0 мас.% не обеспечивает требуемой прочности, выше 1,5 мас.% вызывает рост зерна, что снижает хладостойкость.

Содержание никеля ограничено пределами 4,0-5,0 мас.%. Содержание никеля ниже 4,0 мас.% не обеспечивает требуемой вязкости при отрицательных температурах. При содержании никеля выше 5 мас.% в структуре стали появляется остаточный аустенит, что снижает усталостную прочность стали.

Ниобий вводится в пределах 0,02-0,06 мас.%. Содержание ниобия ниже 0,02 мас. % не обеспечивает образования достаточного количества карбонитридов, что не отражается на задержке роста зерна. При содержании ниобия выше 0,06 мас. % появляется избыточное количество карбонитридов, что может снизить хладостойкость.

Содержание азота ограничено пределами 0,008-0,020 мас.%. Содержание азота ниже 0,008 мас.% не обеспечивает образования карбонитридов, если содержание азота превышает 0,020 мас.%, то появляется в твердом растворе свободный азот, что вызывает старение и снижает хладостойкость стали.

Пределы по алюминию находятся в интервале 0,01-0,06 мас.%. Содержание алюминия ниже 0,01 мас.% не обеспечивают достаточной раскисленности металла. При содержании алюминия выше 0,06 мас.% ухудшается технологичность стали (разливаемость и качество поверхности листов).

Титан вводится в пределах 0,03-0,05 мас.%. Содержание титана ниже 0,03 мас. % не обеспечивает образование достаточного количества карбонитридов и не влияет на хладостойкость стали. При содержании титана выше 0,05 мас.% избыточное количество карбонитридов отрицательно сказывается на усталостной прочности.

Содержание молибдена выбрано в пределах 0,2-0,3 мас.%. Содержание молибдена ниже 0,2 мас.% не обеспечивает предотвращение отпускной хрупкости II рода, выше 0,3 мас.% приводит к образованию верхнего бейнита, что отрицательно сказывается на хладостойкости.

Пределы по ванадию лежат в интервале 0,12-0,16 мас.%. Содержание ванадия ниже 0,12 мас.% не обеспечивает образования достаточного количества карбонитридов для измельчения зерна, выше 0,16 мас.% приводит к избыточному количеству их с теми же последствиями.

Медь вводится в пределах 0,3-0,6 мас.%. Содержание меди ниже 0,3% недостаточно для образования -фазы, выше 0,6 мас.% - может вызвать красноломкость.

В предлагаемой стали обеспечение одновременного повышения уровня прочностных и вязких свойств наряду с комплексным микролегированием обусловлено количественным соотношением элементов - меди, марганца и никеля, активно влияющих на эти свойства, а именно,
= 0,06-0,09. Если это соотношение меньше 0,06, то в структуре появляется бейнитная и даже ферритная области, что снижает как прочностные, так и вязкие свойства. Если это соотношение больше 0,09, то при значительном повышении прочностных свойств, понижается уровень вязких свойств. Это определено экспериментально.

Ниже приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие другие варианты в объеме формулы изобретения.

Опытные стали выплавляли в открытой индукционной печи на армко-железе. Предварительное раскисление проводили силикокальцим и ферромарганцем, окончательное - алюминием. Плавка 4 - известная сталь, взятая за прототип.

Слитки (25 кг) ковали на сутунки 45х500 мм. Температура нагрева 1150^оС, окончания ковки 950^оС. Сутунки катали на лист 12 мм, температура конца прокатки 900^оС. Термообработку проводили на заготовках 12х70х500 мм по режиму: нормализация 900^оС, 30 мин; вторая нормализация 790^оС, 30 мин, отпуск 600^оС, 2,5 ч, охлаждение на воздухе.

Механические свойства при растяжении определяли по ГОСТ 1497-84 на пятикратных образцах, вырезанных поперек направления прокатки. Сопротивление стали хрупкому разрушению определяли по ГОСТ 9454-78 на поперечных образцах. Сопротивление усталостному разрушению исследовали при растяжении-сжатии по схеме малоцикловой усталости, по которой работает резервуар для сжиженного газа при наполнении - выкачивании.

Химический состав опытных сталей приведен в табл. 1, механические свойства - в табл. 2.

Как видно из полученных данных предлагаемая сталь при достаточно высоком уровне прочностных и пластических свойств имеет повышенную усталостную прочность и сопротивление стали вязкому разрушению.

Предлагаемая сталь по характеристикам хладостойкости может успешно конкурировать с ранее применяемой для данного назначения нержавеющей сталью Х18Н10Т, превосходя ее по пределу текучести более чем в 2 раза, что позволит значительно снизить металлоемкость конструкций. Кроме того усталостные характеристики превосходят таковые заменяемой стали, что более чем в 2 раза продлит срок службы pезервуаров сжиженного газа.

Формула изобретения

КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, азот, алюминий, титан и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ванадий и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,05 - 0,10
Кремний 0,15 - 0,35
Марганец 1,0 - 1,5
Никель 4,0 - 5,0
Ниобий 0,02 - 0,06
Азот 0,008 - 0,020
Алюминий 0,01 - 0,06
Титан 0,03 - 0,05
Молибден 0,2 - 0,3
Ванадий 0,12 - 0,16
Медь 0,3 - 0,6
Железо Остальное
причем соблюдается соотношение Cu(Mn+Ni)=0,06 - 0,09.

РИСУНКИ

Рисунок 1