УДК 669-419.4:669.14.018.8
РАЗРАБОТКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ОСНОВНОГО СЛОЯ ПЛАКИРОВАННОГО ПРОКАТА
© Зайцев Александр Иванович1, д-р физ.-мат. наук, e-mail: aizaitsev@mtu-net.ru; Родионова Ирина Гавриловна1, д-р техн. наук, e-mail: igrodi@mail.ru; Павлов Александр Александрович2, канд. техн. наук, e-mail: bimt@rambler.ru; Бакланова Ольга Николаевна1, e-mail: baklanovao@yandex.ru; Лясоцкий Игорь Всеволодович1, канд. физ.-мат. наук 1ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Россия, Москва 2ООО «Институт биметаллических сплавов». Россия, Москва Статья поступила 07.10.2014 г.
Показана актуальность разработки новых низкоуглеродистых высокопрочных сталей для существенного повышения как механических и служебных свойств металла основного слоя, так и показателей прочности и сплошности соединения слоев, качественных характеристик коррозионностойкого плакированного проката в целом. Для решения поставленной задачи на базе оригинальных методов физико-химического прогнозирования создана новая низкоуглеродистая высокопрочная хорошо свариваемая экономно легированная сталь и разработаны основы технологии ее производства. Показано, что для одновременного достижения высоких показателей прочности (пределы текучести - более 700 МПа, прочности - более 850 МПа), пластичности (относительное удлинение - более 17%) и других служебных свойств стали ключевое значение имеют процессы наноструктурирования, реализуемые при относительно невысоких скоростях охлаждения металла, характерных для получения плакированного проката.
Ключевые слова: высокопрочный коррозионностойкий плакированный прокат; основной слой; высокопрочные низкоуглеродистые микролегированные стали; электрошлаковая наплавка; совместимость материалов слоев; прочность; пластичность; механизмы упрочнения; свариваемость; структурное состояние; выделения избыточных фаз.
Новые объекты энергетики, химической, нефтехимической, коксохимической, нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности функционируют в условиях экстремального воздействия агрессивных сред, высоких температур, давлений, знакопеременных механических, термических нагрузок и т.п. В связи с этим для изготовления их компонентов необходимы хорошо свариваемые металлические материалы, обладающие высокими, часто трудно сочетаемыми показателями коррозионной стойкости, прочности, пластичности и ряда других характеристик. Реализация комплекса перечисленных свойств в монометаллическом материале невозможна, особенно в свете решения задачи по снижению материальных и энергетических затрат, экономному расходованию остродефицитных и дорогостоящих легирующих элементов. Поэтому перспективным для этих целей является использование высокопрочных, коррозион-ностойких, хорошо свариваемых плакированных сталей. Их высокая конструкционная прочность обеспечивается благодаря использованию высокопрочных конструкционных сталей в качестве несущего слоя.
Сортамент производимых методом электрошлаковой наплавки плакированных сталей довольно ограничен [1]. Он включает композиции, состоящие из основного слоя (стали Ст3, 10, 20, 09Г2С) с невысокими прочностными характеристиками (временное сопротивление не превышает 600 Н/мм2), плакированного корро-зионностойкими сталями ферритного (типа Х13) или аустенитного (типа Х18Н10Т) классов. Низкая прочность и, как следствие, высокая металлоемкость плакированного проката приводит к существенному снижению технических и экономических характеристик создаваемых из него конструкций и оборудования.
Из-за существенного различия концентрации (термодинамической активности) углерода в сталях основного и плакирующего слоев при наплавке и последующей прокатке заготовок происходит перераспределение углерода между слоями, приводящее к формированию неблагоприятных фазовых и структурных составляющих в переходной зоне, что ухудшает показатели прочности и сплошности соединения слоев [1]. Поэтому актуальной задачей является разработка новых низкоуглеродистых высокопрочных сталей для по-
вышения как механических и служебных свойств металла основного слоя, так и показателей прочности и сплошности соединения слоев, качественных характеристик плакированного проката в целом. Перспективное направление решения поставленной задачи - управление формированием и эволюцией форм присутствия примесей, выделений избыточных фаз и структурных составляющих, влияние которых на комплекс свойств стали усиливается при уменьшении их размеров и особенно при переходе в нанометровую область [2].
Наиболее близким аналогом разрабатываемых сталей является сталь Б700МС (по стандарту БЫ 10149-2), химический состав которой (мас. %, макс.), свойства проката по требованиям европейских норм следующие: С 0,12; 0,6; Мп 2,1; Р 0,025; Б 0,015; А1 мин. 0,015; №Ь 0,09; V 0,2; Т 0,22 (ЫЬ+У+И < 0,22% макс.); Мо>0,5%, В>0,005%; с > 700 МПа; с = 750-950 МПа; 5 > 12%. В насто-
т в 5
ящее время производство проката из такой стали осваивается на отечественных металлургических предприятиях.
Требования по химическому составу ограничивают только верхние пределы содержания элементов, что представляет широкие возможности при выборе конкретной оптимальной системы легирования с учетом совместимости с материалом плакирующего слоя (слоев). Высокое содержание марганца способствует упрочнению стали по твердорастворному механизму, а присутствие в составе стали микролегирующих элементов - титана, ниобия и ванадия - предполагает их участие в образовании выделений избыточных фаз и реализацию механизмов упрочнения путем измельчения зерна и дисперсионного твердения.
Кроме высокого комплекса механических свойств сталь основного слоя плакированного проката должна обладать хорошей свариваемостью и обеспечивать свойства сварного соединения на уровне не ниже свойств основного металла. Выполнение этого условия регламентируется значением углеродного эквивалента (Сэ), определяемого химическим составом стали. Поэтому при разработке химического состава стали необходимо контролировать интервалы концентраций элементов, в наибольшей степени увеличивающих 2 Сэ, но не в ущерб обеспечению комплекса механи-™ ческих свойств.
В соответствии с отмеченным обстоятельст-^ вом выполнено исследование влияния основных ^ легирующих и микролегирующих элементов,
Ц параметров обработки металла на формирова-
<
| ние структуры и свойства низкоуглеродистых
высокопрочных конструкционных сталей [3-7]. На основе результатов этого исследования был разработан химический состав стали, который обеспечивает высокий и стабильный комплекс ее механических свойств, а также будет химически совместимым с материалом наплавляемого плакирующего слоя (слоев). В качестве материала коррозионностойкого плакирующего слоя наиболее перспективны (по материальным и энергетическим затратам) экономичные стали ферритного класса, легированные хромом или хромом и кремнием [1]. Их дополнительное рафинирование от примесей, неметаллических включений в процессе электрошлаковой наплавки дает возможность повысить стойкость к различным видам коррозии до уровня, соответствующего намного более дорогостоящим аусте-нитным сталям [1].
Выполненный на базе разработанных методов и подходов [1] анализ процессов изменения химического состава металла слоев, а также взаимодействия при наплавке в системе металл-шлак-газ позволил прийти к ряду принципиально важных выводов. Легирование стали основного слоя Сг, Мп, М, ЫЬ, V, В не снижает показатели химической совместимости, коррозионной стойкости и других ее служебных и технологических свойств. Повышение выше определенного предела содержаний С, Т1, А1 отрицательно влияет на технологичность и в результате на комплекс служебных свойств плакированного проката, поэтому содержание этих элементов целесообразно ограничивать. По разработанным требованиям была выполнена экспериментальная плавка стали, химический состав которой приведен ниже, мас. %: С 0,07; 0,24; Мп 1,93; Р 0,006; Б 0,005; Сг 0,24; № 0,16; Си 0,19; А1 0,036; N 0,01; Мо 0,104; V 0,066; №Ь 0,066; Т 0,038; В 0,0003.
Содержание основных легирующих компонентов в плавке близко к интервалам, используемым при производстве проката из стали Б700МС. Это дает основание предполагать получение необходимого комплекса механических свойств стали основного слоя.
Для определения условий реализации разных механизмов упрочнения и оптимальных режимов термодеформационной обработки, прокатку стали производили по разным режимам (см. таблицу). Показатели механических свойств проката по длине полосы изменяются. Так, значение предела текучести на всех образцах проката от средней части полосы существенно выше, чем от концевых участков (рис. 1, а). Это связано с тем, что
Параметры прокатки и свойства опытных партий стали S700MC
Партия-рулон, толщина, мм Ткп, °С тсм, °С Место отбора проб МПа 0 *, МПа в S5*, % 0 /ст т в
ср. макс. мин. ср. макс. мин.
Начало 605 815 18 0,74
1-1, 4 823 827 819 534 537 533 Середина 635 820 18 0,77
Конец 600 826 18 0,73
Начало 603 805 16 0,75
2-2, 4 822 825 821 542 543 541 Середина 654 845 13 0,77
Конец 570 821 18 0,69
Начало 705 865 17 0,82
3-1, 4 781 807 703 493 540 449 Середина 740 905 18,5 0,82
Конец 715 870 19,5 0,82
Начало 660 863 18 0,76
4-1, 4 795 805 789 549 550 548 Середина 670 855 18,5 0,78
Конец 640 780 18 0,82
Начало 595 787 18,5 0,76
5-1, 6 739 750 732 515 517 513 Середина 657 775 19 0,85
Конец 627 755 20 0,83
: Измерения вдоль направления прокатки.
800
750 -
700 650
600 -
£ 550
ср С
500
950 900 850 800 750 700
2 3 4
Номер партии
| 650
(Ü 600 С
550 500
1 2 3 4 5
Номер партии
Рис. 1. Изменение показателей предела текучести (а) и предела прочности (б) по длине полос, полученных прокаткой по разным режимам (см. таблицу)
охлаждение металла в средней зоне полосы происходит медленнее, чем на концевых участках, способствуя дополнительному выделению нано-размерных частиц карбидов (V, ЫЬ)С и упрочнению по механизму дисперсионного твердения. Характер изменения предела прочност
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.