СУДОСТРОЕНИЕ 4'2013
НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОРПУСНЫХ СТАЛЕЙ
А. С. Орыщенко, докт. техн. наук, генеральный директор, С. А. Голосиенко, канд. техн. наук, Е. И. Хлусова, докт. техн. наук (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», тел. 812 2747756)
Одним из важнейших направлений работ института является создание корпусных высокопрочных хорошо свариваемых сталей для кораблестроения и судостроения. Концепция создания и внедрения нового поколения материалов, технологий их получения и обработки для перспективной морской техники базируется на учете имеющегося опыта и комплексном подходе, включающем всю технологическую цепочку от использования исходных материалов до утилизации изготавливаемых из этих материалов изделий при авторском сопровождении каждого звена этой цепочки.
В 50-е годы прошлого столетия были созданы первые корпусные стали серии АК-25 с пределом текучести 600 МПа [1], превосходящие по комплексу физико-механических и технологических свойств американские аналоги серии ИУ-80, в первую очередь по свариваемости. Главное преимущество отечественной стали — обеспечение сварки без подогрева, более высокая пластичность и коррозионно-механическая прочность. На базе этих сталей были созданы корпусные стали с более высокой прочностью с использованием электрошлакового переплава [2, 3], которые до настоящего времени не имеют аналогов в мире.
Поскольку производство этих материалов в СССР было сосредоточено на Украине, в последние годы было организовано изготовление корпусных сталей по принципиально новой энергосберегающей технологии на ОАО «Северсталь», ОАО «ОМЗ-Спецсталь», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», что обеспечило строительство новейших стратегических проектов кораблей. Работа института по воссозданию производства корпусных сталей в РФ отмечена Премией Правительства за 2011 г.
В то же время, несмотря на уникальные свойства, широко используемые в кораблестроении высокопрочные корпусные стали в связи с высоким уровнем легирования дорогостоящими и дефицитными элементами все
Б! Мп+Сг+Си N Мо V 1Рст = С + — +-+ — +-+ — + 5В.
30 20 60 15 10
же имеют определенные недостатки, к которым в современных экономических условиях можно отнести:
— высокую стоимость стали, составляющую ощутимую долю затрат в общих расходах на строительство конструкций, обусловленную ее высоким уровнем легирования, использованием электродуговой выплавки и длительным технологическим циклом производства;
— высокое значение коэффициента тре-щиностойкости при сварке Рст, достигающее 0,30—0,37%, что требует подогрева стали при сварке, увеличивая тем самым трудоемкость и энергоемкость при строительстве;
— относительно низкий уровень пластичности, заставляющий увеличивать коэффициент запаса прочности при проектировании, что приводит к увеличению металлоемкости конструкций.
Современное развитие техники требует значительного повышения физико-механических свойств сталей и сварных соединений, необходимого для обеспечения надежной эксплуатации конструкций и механизмов в различных экстремальных условиях, в первую очередь арктических.
Расширение районов эксплуатации, наличие коррозионных сред, высокие удельные нагрузки, цикличность нагружения, широкий диапазон температур и целый ряд других условий эксплуатации кораблей и конструкций морской техники в экстремальных условиях обуславливают поиск новых высокопрочных металлических материалов. В связи с этим существует тенденция использования качественной стали с повышенной сопротивляемостью статическим, циклическим и динамическим воздействиям и с повышенной долговечностью, особенно для крупногабаритных сварных конструкций, с целью снижения риска аварийных ситуаций и увеличения сроков безремонтной службы.
Разработанные к настоящему времени технологии производства листового проката из высокопрочных корпусных сталей основаны на принципах достижения требуе-
СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2013
Рис. 1. Технологическая схема производства листового проката из высокопрочных марок стали
мого комплекса потребительских характеристик стали преимущественно за счет легирования дорогостоящими элементами, что в значительной мере и определяет высокую стоимость продукции [4]. Однако современный уровень развития металлургических и прокатных технологий позволяет решать задачи достижения высокого уровня свойств высокопрочных сталей за счет применения альтернативных подходов, в частности использования выплавки в конвертерах и специальных термопластических воздействий [5]. Таким образом, возможно достичь существенного сокращения цикла изготовления и снижения содержания в стали дорогостоящих легирующих элементов, повысив тем самым экономическую эффективность производства, при одновременном увеличении объема производимых материалов.
Концепция создания высокопрочных сталей нового поколения. Основная идея предлагаемого подхода заключается в максимальном использовании современных научных знаний о совместном влиянии горячей пластической деформации, микродобавок легирующих и модифицирующих элементов на структуру и свойства низкоуглеродистой стали [6]. При этом изменение прин-
ципов легирования требует соответствующего изменения технологии производства высокопрочных сталей.
Основной принцип создания принципиально новых технологических процессов заключается в использовании единых базовых химических составов для производства стали широкого спектра прочности преимущественно благодаря варьированию режимов деформационной обработки.
Принцип «единого базового состава» реализуется за счет добавок микролегирующих элементов и формирования мелкозернистой структуры при использовании менее энергозатратных технологий горячего пластического деформирования, совмещенных с закалкой или ускоренным охлаждением, с последующим отпуском в отличие от традиционно используемых закалки и отпуска, для которых требуется существенно более высокий уровень легирования стали и более значительное потребление энергии на повторный печной нагрев при термической обработке.
При экономном легировании возрастает роль металлургического качества исходных полуфабрикатов (содержание газов, серы, фосфора, неметаллических включений, цветных примесей), которое, как из-
Рис. 2. Влияние температуры отпуска на изменение механических свойств:
о — предела текучести; б — работы удара КУ при температуре -40 °С стали категории прочности 600 МПа (марки АБ2-1);
□ — после закалки с прокатного нагрева; ■ — после закалки с отдельного нагрева
вестно, наследуется конечной продукцией — листовым или профильным прокатом. Широкое развитие при производстве высокопрочных сталей в электропечах или конвертерах находят методы внепечной обработки и вакуумирования [3] (рис. 1).
Влияние модифицирующих и микролегирующих добавок становится определяющим для формирования мелкодисперсной структуры, размера аустенитного зерна стали, вида излома крупногабаритных проб, вырезанных из листов, который зависит от ее прокаливаемости, а в целом — для обеспечения необходимых вязкости и сопротивления разрушению.
Роль микролегирующих элементов сводится к влиянию на процессы рекристаллизации, а совместно с легирующими элементами — на дисперсионное вторичное твердение при отпуске (ванадий совместно с молибденом и хромом).
Следует отметить, что повышение отпускоустойчивости стали позволяет увеличивать температуру отпуска, а значит, способствует повышению вязкости стали. Повышение отпускоустойчивости проявляется в хромоникельмолибденовых сталях в наибольшей степени после закалки с прокатного нагрева, т. е. под влиянием горячей пластической деформации аустенита, субструктура которого наследуется конечной мар-тенсито-бейнитной структурой. Влияние состояния аустенита при высокотемпературной термомеханической обработке перед полиморфным превращением было подробно исследовано в работах уральской школы металловедов [7] и находит свое развитие в последних работах ученых института применительно к судостроительным сталям [8]. Экспериментально установлено, что в хро-моникельмолибденовой стали, подвергнутой закалке с прокатного нагрева, при последующем отпуске процессы выделения цементита и по-
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2013
СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Таблица 1
Механические свойства стали марки АБ2-1 после закалки с отпуском (З+О) и закалки с прокатного нагрева с отпуском (ЗПН+О)
Вид термической обработки
Механические свойства, мин.—макс. средн.
аВ, МПа О0 2, МПа 85, % V, % КУ40, Дж
640—800 589—715 18—31 67—84 172—349
706 640 22,3 77 258
665—820 589—716 18—29 61—82 145—329
733 664 20,5 73 235
670—870 600—820 16—24 49—71 84—267
791 734 19 63 185
З + О
ЗПН + О
ЗПН + О
2
лигонизация а-фазы происходят медленнее, чем в этой же стали, подвергнутой закалке с дополнительного нагрева, обусловливая повышенную отпускоустойчивость. Прочностные характеристики стали снижаются менее интенсивно, а вязкость стали сохраняется на высоком уровне (рис. 2).
В случае экономного легирования и применения термомеханической обработки (закалки с прокатного нагрева с отпуском) при производстве высокопрочных сталей особенно важными становятся характеристики оборудования, используемого для производства, в частности, листового и профильного проката. Разрабатываемые технологические схемы должны быть адаптированы под оборудование конкретных предприятий. Такой принцип впервые был обоснован применительно к производству высокопрочных штрипсовых сталей и успешно применен при изготовлении заготовок для труб из стали К65 системы газопроводов «Бованенково—Ухта» на ЧерМК ОАО «Северсталь» и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», располагающих несколько отличным друг от друга металлургическим и прокатным оборудованием [9].
Реализация разработанных подходов в промышленном производстве. Применительно к высокопрочным трубным сталям установлено, что термомеханическая обработка позволяет обеспечить высокое сочетание прочности, пластичности и вязкости стали, несмотря на снижение уровня легирования. Однако выполнение специфических требований, предъявляемых к высокопрочным корпусным сталям (по виду излома, изотропности механических свойст
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.