Сталь 10Г2С1. Эта сталь, разработанная в начале 50-х гг., как и сталь 09Г2, для уменьшения закаливаемости и склонности к образованию трещин при сварке, а также для понижения порога хладноломкости содержит не более 0,12% С. В первоначальном варианте состава этой стали предусматривалось наличие 0,15-0,30% Сu, роль которой, главным образом, заключалась в повышении коррозионной стойкости и до некоторой степени прочности. Сталь 10Г2С1 раскисляют и легируют по той же технологии, что и сталь 09Г2. На некоторых заводах сталь предварительно раскисляют в печи силикомарганцем (из расчета ввода в печь примерно 0,2 % Si). Проведенными на некоторых металлургических комбинатах экспериментами была установлена рациональность уменьшения количества вводимого в печь ферромарганца при раскислении сталей 10Г2С1, 09Г2 и 09Г2С с 7-8 до 3-4 кг/т.
Окончательное раскисление металла в ковше осуществляют добавкой 0,8 кг/т Аl и 0,04% Ti (без учета угара). Оптимальная температура конца прокатки листовой стали 10Г2С1 составляет 800-900° С. Нормализация листов при 890-930° С приводит к повышению характеристик прочности и ударной вязкости.
При исключении из состава стали меди для сохранения прочности на прежнем уровне содержание кремния было повышено на 0,1 %. Однако для наиболее ответственных назначений, например для судостроения, соответствующими техническими условиями предусматривалось обязательное наличие меди.
Анализ распределения механических свойств стали 10Г2С1 по результатам сдаточных испытаний листов массового производства разных заводов показывает, что с повышением толщины проката прочность и пластичность падают. Отдельные заводы для повышения механических свойств, в первую очередь пластичности и вязкости, часто прибегают к термической обработке, в основном к нормализации, а иногда и к улучшению. В первую очередь это относится к листам большой толщины.
Были исследованы стали 09Г2С и 10Г2С1 с медью и без нее.
С увеличением толщины листа характеристики прочности снижаются. На характеристики пластичности изменение толщины (в исследованных пределах) повлияло незначительно при общем высоком их уровне. По уровню прочности сталь марки 09Г2С несколько уступает стали 10Г2С1, а по ударной вязкости несколько превосходит ее. Были определены температурные границы критического интервала хрупкости и условные пороги хладноломкости. Температура условных порогов хладноломкости определялась по следующим критериям:
- 1 — ударная вязкость снижалась до 15 % своего максимального значения
- при вязком разрушении; 2—сужение у дна надреза снижалось до 20% своего максимального
- значения при вязком разрушении; 3 — ударная вязкость отдельных образцов впервые снижалась до 20 Дж/см2.
Верхнюю границу критического интервала хрупкости определяли как минимальную температуру, при которой излом всех образцов был полностью волокнистый (В = 100 %), а нижнюю — как температуру, при которой поверхность излома впервые была полностью хрупкой (В = 0 %).
По сопротивлению хрупкому разрушению сталь марки 09Г2С превосходит сталь марки 10Г2С1.
Для исследованных сталей критические температуры хрупкости при толщине листа от 12 до 40 мм оказались практически одинаковыми. Основной причиной более низкой ударной вязкости и более высокого температурного порога хрупкости стали 10Г2С1, по сравнению со сталью 09Г2С, является более высокое содержание кремния в первой из этих сталей. Это подтверждено исследованием стали 10Г2С1 с содержанием кремния 0,95-1,0 ц 1,10-1,13% (толщина листа 20 мм). Устали с более высоким содержанием кремния ударная вязкость значительно ниже.
На основании исследований, признано целесообразным ограничить в стали 10Г2С1, предназначенной для сварных строительных конструкций, содержание кремния до 1 %. Исследование чувствительности стали 10Г2С1 и 09Г2С к деформационному старению (наклеп растяжением 10 % + нагрев 250° С, 1 ч) показало, что под действием старения границы критического интервала хрупкости стали 09Г2С сдвигаются в сторону более высоких температур на 20-30° С (в среднем на 24° С), ударная вязкость при вязком разрушении падает на 17,6-35,7 %. Сопротивление пластической деформации возрастает при этом на 40-50 Н/мм2. Аналогичные изменения для стали 10Г2С1 имеют несколько большие значения: 20-57° С (в среднем 38° С), 29-42,5% и 2,5-4,7 Н/мм2. Таким образом, сталь 10Г2С1, по сравнению со сталью 09Г2С, более чувствительна к деформационному старению. Особенно это относится к стали 10Г2С1 с содержанием кремния более 1,05%: минимал! ная ударная вязкость проката толщиной 12—40 мм после де-формацис нного старения составила 20-25 Дж/см2.
Исследованные стали обеих марок удовлетворительно сопротивляются хрупкому разрушению при статическом приложении нагрузки. Однако температура перехода к хрупкому разрушению больших плоских надрезанных образцов из листов стали 09Г2С составила от 0 до -10° С, а образцов стали 10Г2С1 не ниже +20° С.
Сварку сталей 10Г2С1 и 09Г2С в диапазоне тепловложений, соответствующих скорости охлаждения металла шва 2-60° С/с (при 600° С), можно производить без каких-либо ограничений на режимах, обычно применяемых для сварки малоуглеродистой стали, не опасаясь понижения свойств в околошовной зоне. Для получения сварных соединений сталей марок 10Г2С1 и 09Г2С, равнопрочных исходному металлу, автоматическую сварку под флюсом марок АН348А или ОСЦ-45 следует производить с применением проволоки Св08ГА, а ручную — с применением электродов УОНИ13/55.
Стадь 10Г2С1 с содержанием более 1,1 % Si отличается повышенной склонностью к хрупкому разрушению в сварных соединениях при статическом растяжении. Предел выносливости сварных соединений стали марки 10т 2С1 на 5 % и марки 09Г2С на 16 % выше пределов выносливости сварных соединений из стали СтЗсп.
Достаточно высокие свойства стали 10Г2С1 с медью (10Г2С1Д) позволили рекомендовать ее в качестве свариваемой корпусной стали для судостроения. При этом в стали 10Г2С1Д, по сравнению со сталью 10Г2С1, содержание кремния было снижено на 0,1 % и установлено гарантированное содержание меди 0,15-0,30%.
Коэффициент чувствительности к деформационному старению (наклеп 5% + отпуск 250° С, 2 ч) находится в пределах 19,3-34,5%, а при наклепе 10% стаким же отпуском составляет 25,8-51,3%. Предел усталости, который определяют на машине Велера, для гладких и надрезанных образцов составляет 270 и 75-80 Н/мм2 соответственно.
Режим термической обработки листов большого сечения заключается в закалке с 920-960° С в воду, отпуске при 650-670° С и охлаждении в воде.
Весьма важным фактором при сравнительной оценке низколегированных сталей является относительная их коррозионная стойкость в различных коррозионных средах в зависимости от условий эксплуатации. Детальные исследования коррозионной стойкости низколегированной стали отдельных марок представлены в работе. Испытаниям в течение трех лет подвергали стали марок 09Г2С, 10Г2С1Д и 15ГС. Полученные результаты сравнивали с результатами аналогичных испытаний сталей 15ХСНД и СтЗкп.
Многочисленными исследованиями установлено, что у низколегированных сталей в атмосферных условиях в первые 1,5-2 года наблюдается более интенсивное развитие коррозии, после чего устанавливается практически постоянная скорость, в то время как скорость коррозии углеродистой стали продолжает увеличиваться. На поверхности низколегированных сталей образуются плотные мелкокристаллические слои оксидов железа, которые до некоторой степени и защищают металл от дальнейшего развития коррозии.
Если принять стойкость против атмосферной коррозии исследованной стали СтЗкп за единицу, то относительная стойкость горячекатаной стали 09Г2С будет 1,8, а нормализованной — 1,7, стали 15ГС нормализованной — 1,25 и нормализованных марки 10Г2С1Д — 1,44 и стали 15ХСНД — 2,05. С уменьшением продолжительности испытаний разница в относительной стойкости стали разных марок уменьшается. Основным фактором, обеспечивающим более высокую коррозионную стойкость исследованных сталей 09Г2СД и 10Г2С1Д, является наличие в них меди. Наличие в стали 15ХСНД, наряду с медью, никеля и хрома обусловило дальнейшее повышение коррозионной стойкости.
Сталь 10Г2С1Д нашла широкое применение в судостроении, котло-строении, для железнодорожных цистерн, электросварных газопроводных труб диам. 530 мм и др.
Сталь 09Г2С (09Г2Т, 09Г2ДТ). Эта сталь близка к стали 10Г2С1, но содержит меньше кремния. Так же, как и сталь 10Г2С1, ее вначале выпускали с обязательным содержанием меди, затем содержание меди стало необязательным.
Сталь 09Г2С используется в строительных конструкциях, судостроении в качестве корпусной стали, мостостроении, для изготовления аппаратов и сосудов. Предусмотрена возможность изготовления из этой стали проката толщиной до 160 мм.
Раскисление стали 09Г2С производят так же, как и стали 10Г2С1. Возможны поставки этой стали (по требованию заказчика) в термически улучшенном состоянии. В этом случае гарантируется при —70° С минимальная ударная вязкость не менее 30 Дж/см2.
Исследование толстых листов из стали 09Г2СД (09Г2С с медью) в различных состояниях показало, что термическая обработка оказывает сравнительно небольшое влияние на уровень их механических свойств.
Увеличение толщины горячекатаных листов с 90 до 160 мм и после отпуска сравнительно мало снижает ударную вязкость и заметно повышает температурный порог хладноломкости. Высокий отпуск практически не изменяет ударную вязкость горячекатаных листов и понижает ее для нормализованных. Таким образом, листы стали 09Г2С большой толщины рекомендуется применять в нормализованном состоянии. Исследования показали, что сталь 09Г2С в горячекатаном и нормализованном состояниях в больших толщинах чувствительна к деформационному старению. Только у нормализованных или нормализованных и отпущенных листов толщиной 160 мм обеспечивается после деформационного старения ударная вязкость не менее 30 Дж/см2.
Детальное исследование свариваемости стали 09Г2С и свойств сварных соединений позволило уточнить режимы сварки и показать, что сталь 09Г2С может свариваться разнообразными способами с получением сварных соединений, равнопрочных основному металлу и обладающих высокой пластичностью и вязкостью.
Несмотря на дефицитность марганца, низколегированная сталь 09Г2С до настоящего времени является наиболее широко применяемой в отечественной строительной промышленности.
Стали 17ГС, 17Г1С для электросварных газо- и нефтепроводных труб большого диаметра. Газовая и нефтяная отрасли хозяйства являются наиболее металлоемкими отраслями, поэтому с экономической точки зрения для легированных сталей этого назначения необходимо использовать относительно дешевые и недефицитные легирующие элементы. Технология производства стали должна быть достаточно простой. В то же время условия эксплуатации трубопроводов (высокое рабочее давление, разнообразные и суровые климатические условия) предъявляют высокие требования к свойствам стали данного назначения.
В настоящее время в стране для изготовления электросварных труб большого диаметра используют в основном сталь марок 17ГС и 17Г1С.
Листовую сталь 17ГС для труб диам. 529-820 мм поставляют в горячекатаном состоянии, а для труб диам. 1020 и 1220 мм — в нормализованном. Сталь 17ГС выплавляют в 600-т мартеновских печах, а также в кислородных конвертерах. Как правило, раскисление металла в печи производят ферромарганцем или же ферромарганцем совместно с силикомарганцем. В ковше металл дополнительно раскисляют алюминием 0,5-0,8 кг/т и ферротитаном из расчета ввода в металл (без учета угара) 0,02-0,03 % Ti.
Прокатку листов ведут, как правило, по поперечной схеме. Режим нормализации листов следующий: 920-930° С, 1,0-1,2 мин/мм, охлаждение на спокойном воздухе или под вентилятором. Механические свойства стали 17ГС как в горячекатаном, так и в нормализованном состояниях получаются весьма высокими и стабильными.
Нормализованные листы от горячекатаных отличаются более высокой вязкостью и пластичностью при практически одинаковых характеристиках прочности. Металлографические исследования показали, что в горячекатаной стали 17ГС около половины перлита имеет пластинчатую форму. После нормализации почти весь перлит становится зернистым. Исходный размер зерна феррита оказывает влияние на зерно нормализованной стали: чем меньше исходное зерно, тем меньше и зерно в конечном состоянии.
Методом математической статистики (методом теории корреляции) по результатам сдаточных испытаний нормализованных листов стали 17ГС толщиной 12,5 мм массового производства (450 плавок) было изучено влияние пяти элементов химического состава на временное сопротивление.
Анализ результатов сдаточных испытаний нормализованной листовой стали 17ГС, а также результатов, полученных при исследовании влияния химического состава на свойства стали 17ГС, показал, что при значениях суммы (С + 0,25 % Mn) > 0,44% в стали 17ГС практически обеспечивается получение нормализованных листов с временным сопротивлением не ниже 520 Н/мм2 и пределом текучести не ниже 360 Н/мм2.
Предусмотрено, что в стали 17ГС корректированного состава (обозначенной маркой 17Г1С) допускается добавка до 0,05% V. Исследовали влияние добавки 0,05% V на механические свойства нормализованных листов толщиной 11 мм из стали 17ГС. Сталь выплавляли в двухжелобной мартеновской печи; при выпуске плавки в один из ковшей добавляли феррованадий.
Высокие механические свойства листов и труб диам. 1220 мм из стали 17Г1С производства различных заводов подтверждают результаты сдаточных испытаний.
Модальные значения механических свойств листовой нормализованной стали толщиной 12,5 мм оказались следующими: предел текучести 390-400 Н/мм2; временное сопротивление 540-550 Н/мм2; относительное удлинение 27-30 % и ударная вязкость при —40° С (образец 10 х 10 х 55 мм) 75 Дж/см2.
Распределение плавок стали 17Г1С одного из заводов по химическому составу показывает, что известное количество их имело содержание углерода, марганца и кремния ниже предусмотренного техническими условиями. Это, естественно, отразилось на некотором общем снижении прочности. Металл характеризуется относительно низким содержанием серы и особенно фосфора. Преобладающая часть плавок получена с содержанием серы ниже 0,030% и фосфора менее 0,025 %.
Опыт производства газопроводных труб из стали 17Г1С подтвердил, что формуемость этой стали в процессе изготовления труб не отличается от формуемости стали 17ГС и что сварка труб из стали 17Г1С может производиться по режимам, принятым для стали 17ГС.
Уровень механических свойств (средние значения) листов из этих плавок весьма высок.
Нижняя граница критического интервала хрупкости у исследованного металла была не выше -90° С, а у стали с небольшой добавкой ванадия при +110° С. Верхняя граница этого интервала для большинства исследованных плавок соответствовала температуре —10° С, а для плавок с содержанием углерода, близким к нижнему пределу, эта температура снижалась до —40° С.
Сталь, содержащая ванадий, характеризуется относительно меньшей чувствительностью к деформационному старению, так как в этой стали азот связан в стойкие нитриды (карбонитриды) ванадия.
Потеря ударной вязкости при +20° С в результате деформационного старения составляла 25-41 %. Отмеченная ограниченная чувствительность стали 17Г1С к деформационному старению имеет большое практическое значение. Это связано с тем, что сталь в процессе изготовления труб подвергаемся холодной пластической деформации, вызывающей с течением времени старение. Сталь 17Г1С относительно чиста по неметаллическим включениям. Листы характеризуются мелкозернистой перлито-ферритной структурой, размер зерна 8-9 баллов. Приведенные данные обусловили широкое применение стали марок 17ГС и, особенно, 17Г1С не только при изготовлении газопроводных труб, но и в самых разнообразных отраслях промышленности. Сталь этих марок обладает повышенной прочностью (временное сопротивление не менее 520 Н/мм2), хорошей свариваемостью, высокой пластичностью и вязкостью, низким порогом хладноломкости и высоким сопротивлением хрупкому разрушению.
