Высокопрочные термически улучшаемые стали с молибденом

Из сталей такого рода высокими эксплуатационными свойствами обладают термически улучшенные стали с молибденом, приобретающие после закалки в воде структуру мартенсита. Химический состав и механические свойства этих сталей подробно рассматривались в ряде работ.

Высокая экономическая эффективность применения сталей с σ_т ≥ 600 Н/мм², содержащих ~0,2 % Мо, привела к созданию за рубежом большого числа марок стали такого типа. В этих сталях сочетание 0,2 % Мо + В служит обычно основой легирования, обеспечивающей требуемую прокаливаем ость в тол стол истовом прокате толщиной до 30 мм. В качестве других легирующих элементов выбирали следующие: хром, введение которого подавляет перлитное превращение; марганец и никель, расширяющие γ-область; малые количества сильных карбидообразующих элементов (ванадия, титана, циркония), повышающих стойкость стали против разупрочнения при высоком отпуске и в зоне термического влияния сварки. Кроме того, никель улучшает сопротивление стали хрупким разрушениям. В некоторых марках стали присутствует медь, повышающая сопротивление низколегированных сталей коррозии. В сталях рассматриваемого типа содержание углерода не превышает 0,2 %, кремния — 0,9%, марганца — 1,3%. Стали с 0,2 % Мо содержат меньше Si, Мn, другие легирующие элементы используются в различных сочетаниях.

Для окончательного выбора оптимального состава стали в 5-т электродуговых печах выплавили сталь разных химических составов, выбранных по результатам проведенных механических испытаний, разливали ее в слитки массой 3,9 т и прокатывали на листы размером 30x2000x6000 мм по принятой на заводе технологии.

Результаты, полученные при механических испытаниях плавки 3, показывают, что высокопрочную низколегированную сталь для сварных металлических конструкций можно создать без применения никеля и меди. Анализ прочностных характеристик проката из исследованных плавок еще раз подтверждает важную упрочняющую роль сильных карбидообразующих элементов (например, ванадия) при использовании сталей в термически улучшенном состоянии. Установлено также, что у закаленных низкоуглеродистых сталей с пределом текучести σ_т≥600 Н/мм², поставляемых после отпуска при температуре 650° С, снизить содержание углерода до 0,1 % практически невозможно.

Рассмотрим некоторые свойства проката толщиной до 40 мм из стали 14ГСМФР промышленных партий. Определение прокаливаемое методом торцовой закалки показало, что в исследованном диапазоне толщин прокат обладает сквозной прокаливаемостью.

Исследования показали, что ударная вязкость при температуре —40° С после закалки и отпуска стали 14ГСМФР при различных температурах не зависит от скорости охлаждения после отпуска; исследуемая сталь не склонна к обратимой отпускной хрупкости. Чувствительность стали 14ГСМФР к деформационному старению определяли методом сериальных испытаний на ударный изгиб образцов с γ-образным надрезом после равномерной деформации на 5 % и отпуска при температуре 250° С в течение 1 ч. Результаты позднейших работ изменили точку зрения авторов на рассматриваемые стали. Наиболее перспективной и предпочтительной для применения в строительных конструкциях оказалась многокомпонентная комплекс-нолегированная сталь 14ХГСНМФР.

Для уменьшения себестоимости молибденсодержащих сталей было предложено выпускать их полуспокойными.

Была разработана сталь марки 18Г2АМФпс, себестоимость которой меньше аналогичной по составу спокойной стали. Термически улучшенный прокат толщиной 12-50 мм из стали 18Г2АМФпс обладает механическими свойствами стали класса прочности С590.

Рассмотрим особенности сварки высокопрочных сталей, содержащих 0,2 % Мо. При выборе теплового режима сварки рассматриваемой стали следует соблюдать два условия: во-первых, предупреждать образование холодных трещин в зоне термического влияния и в шве и, во-вторых, обеспечивать минимально возможное разупрочнение основного металла в зоне термического влияния.

Наличие в стали молибдена, ванадия и других карбидообразующих элементов обеспечивает существенное уменьшение степени разупрочнения ее в зоне термического влияния сварки и уменьшение протяженности разупрочненного участка. Благодаря этому при ограничении погонной энергии сварки получают сварные соединения, в которых при проектировании сварных конструкций можно не учитывать разупрочнение. Этому способствует эффект контактного упрочнения мягкой прослойки, проявление которого не снижает агрегатную прочность при растяжении сварного соединения, имеющего ширину зоны разупрочнения и степень разупрочнения металла в этой зоне, не превышающие определенных значений. Диапазон допустимых тепловложений при сварке стали таков, что термически улучшенные стали с молибденом отнесены к разряду неразу-прочняемых при сварке. Так, поданным работы, стыковые соединения проката толщиной 12-20 мм из стали марок 15ХГ2МФР и 14ГСМФР могут свариваться при погонной энергии дуги 8-32 кДж/см без снижения агрегатной прочности соединения. Необходимо также отметить, что чрезмерное увеличение погонной энергии сварки (более 36 кДж/см для элементов толщиной 20 мм) вызывает заметное уменьшение ударной вязкости металла околошовной зоны, особенно при температурах ниже -20° С.

Холодные трещины — один из наиболее часто встречающихся и опасных дефектов сварных соединений высокопрочных строительных сталей, возникающих в процессе мартенситного превращения. Протекая со значительным изменением объема, мартенситное превращение способствует возникновению и росту субмикротрещин по границам зерен. Растворенный в металле водород, который адсорбируется на поверхности микротрещин, стимулирует их рост.

Одним из методов оценки сопротивляемости стали образованию холодных трещин является расчетное определение углеродного эквивалента С_э. По существующим представлениям, при С_э > 0,45 % имеется потенциальная возможность образования в сварных соединениях холодных трещин. Эта возможность реализуется при неблагоприятном сочетании основных факторов, обусловливающих образование трещин: наличия структурных составляющих мартенситного типа, содержания определенного количества водорода в металле, растягивающих сварочных остаточных напряжений. Считалось, что в высокопрочной стали с пределом текучести 600-700 Н/мм² можно предупредить образование трещин в зоне термического влияния в том случае, если в ней меньше 90% мартенсита и твердость меньше НУ415.

Основные технологические меры по предупреждению образования трещин при сварке высокопрочных сталей следующие.

1. Замедление охлаждения сварного соединения после сварки, для чего чаще всего применяют предварительный подогрев. Температуру предварительного подогрева принимают в пределах 70-200° С; ее устанавливают в зависимости от состава стали, толщины проката, вида сварки и конструкции сварного соединения; применяется также подогрев, сопутствующий сварке, а также послесварочный подогрев.
2. Применение низководородных электродов с фтористокальциевым покрытием при ручной дуговой сварке и основного низкокремнистого флюса (АН-17М, АН-17) при автоматической сварке под флюсом.
3. Прокалка и просушка электродов и флюсов, предназначенных для сварки, с целью удаления из них влаги. Считают, что содержание влаги в электродном покрытии не должно превышать 0,2 %.
4. Сварка на постоянном токе обратной полярности, позволяющая сократить проникновение водорода из атмосферы в расплавленную ванну шва.

При многослойной сварке стыковых швов применяют «мягкие прослойки» — первые слои шва выполняют с использованием сварочных проволок марок Св-08Г2С, Св-ЮНМА, дающих менее прочный и более пластичный металл шва по сравнению с последующими слоями. Такой технологический прием также повышает стойкость сварных соединений против образования холодных трещин.

Для обеспечения необходимого уровня прочностных свойств металла шва при сварке используют легированные электродные проволоки следующих марок: при сварке под флюсом — Св-08ХН2ГМЮ, Св-08ХМФ, Св-08ХГСМФ и др.; при сварке в среде углекислого газа — Св-10ХГ2СМА, СВ-10ХГ2СН2МЮ и др.

Из высокопрочных сталей, содержащих 0,15-0,25 % Мо, для строительных конструкций наиболее часто применяли сталь марки 12ГН2МФАЮ. Эта сталь была создана на базе стали 12Г2СМФ путем дополнительного легирования никелем, азотом, алюминием; такое легирование привело к повышению хладостойкости из-за специфического влияния никеля и дополнительного измельчения аустенитного зерна.

Способность стали различных марок гасить движущуюся хрупкую трещину при статических нагрузках изучали с помощью испытаний по Робертсону при инициировании трещин статической нагрузкой. Полученные результаты свидетельствуют о том, что по температуре «увязания» трещины (-55° С) исследованный прокат из стали 12ГН2МФАЮ значительно превосходил прокат из других строительных сталей повышенной и высокой прочности. У этой стали К\0 примерно вдвое больше, чем у стали Ст_Зсп.

Проведенные исследования технологических свойств стали 12ГН2МФАЮ позволили разработать рекомендации по режимам ее холодной механической обработки, гибки, штамповки, вальцовки и т. п. Оказалось, что исследуемая сталь мало склонна к механическому старению: под действием растяжения на 5 % и отпуска при температуре 250° С в течение 1 ч критическая температура хрупкости стали повысилась всего на 3-12° С.

Сталь 12ГН2МФАЮ обладает достаточно хорошей свариваемостью. Анализ изменения твердости в околошовной зоне и результатов испытания поперечных образцов сварных соединений на растяжение показал, что она практически не разупрочняется при сварке. При сварке стали с малыми тепловложениями (1,46 МДж/м²) сопротивление хрупкому разрушению вблизи границы сплавления остается высоким.

Эта сталь применена для изготовления наиболее ответственных сварных конструкций, сосудов высокого давления, резервуаров большого объема, в том числе работающих при расчетной температуре ниже -40° С.

Строительные нормы (СНиП II-2-B) в качестве материала с наиболее высокой прочностью предусматривали стали класса прочности С85/75; однако в СНиП II-В.3-81 отсутствуют рекомендации по применению конкретных марок стали этого класса для несущих конструкций. Одной из наиболее характерных сталей этого класса является термически улучшенная сталь марки 12ХГН2МФБАЮ. Ее химический состав приведен выше. При разработке стали 12ХГН2МФБАЮ за основу приняли химический состав стали 12ГН2МФАЮ. Для получения в прокате предела текучести более 750 Н/мм² в сочетании с достаточно высокой хладостойкостью в стали увеличили содержание хрома и молибдена и дополнительно ввели ниобий.

Способность стали 12ХГН2МФБАЮ гасить быстрораспространяющуюся трещину изучали с помощью испытаний по методике Робертсона при инициировании страгивания трещины статической нагрузкой. Установлено, что по полученным при этих испытаниях показателям рассматриваемая сталь превосходит даже сталь 12ГН2МФАЮ. Исследуемая сталь практически не склонна к обратимой отпускной хрупкости, имеет высокое сопротивление коррозии под напряжением и достаточно высокий уровень вязкости разрушения.

Сталь 12ХГН2МФБАЮ мало чувствительна к деформационному старению, обладает удовлетворительной свариваемостью; ее углеродный эквивалент составляет 0,6 %. Полученная максимальная твердость ЯК380-400 при сварке с малой погонной энергией не слишком высока. При сварке сталь 12ХН2МФБАЮ даже на режимах с максимальным тепловложением не склонна к разупрочнению в околошовной зоне. Плоские образцы, вырезанные из сварного соединения поперек стыковых швов, при испытаниях на растяжение разрушаются по основному металлу вдали от зоны сварки.

Приведенные данные показывают, что сталь 12ХГН2МФБАЮ особенно рекомендована для использования в несущих конструкциях, работающих, в том числе, и при расчетных температурах ниже —40° С.

К недостаткам обсуждаемых сталей в первую очередь следует отнести упомянутое выше положение о том, что высокое сопротивление хрупким разрушениям эти стали обеспечивали лишь в том случае, если при высокотемпературном отпуске в ферритной матрице с достаточной полнотой протекали процессы полигонизации и первые стадии рекристаллизации (рекристаллизация на месте), однако эти температуры не должны превышать точку ACl. Эта рациональная температурная область режимов отпуска для стали с σ_т ≥ 600 Н/мм² оказалась слишком узкой для практических целей (она составляет 20...30° С), вследствие чего при серийном изготовлении проката не всегда обеспечивается необходимая структура, а следовательно, свойства проката. Рассматриваемые стали оказались не вполне технологичными, на что указывали данные статистического анализа механических свойств изученных партий. Кроме того, введение в стандартную сталь 12ГН2МФАЮ азота как легирующего элемента снижает вязкость материала, особенно в околошовной зоне, о чем подробно изложено в предыдущем параграфе.

Эти недостатки были устранены при создании на АО «Ижорские заводы» стали 13ХГСН1МД. Эта сталь, в принципе близкая по составу к остальным, особенно к сталям 14ХГСНМФР, 12ГН2МФАЮ, Т-1, тип В. Характерными особенностями ее являются: 1 — пониженное содержание марганца, что обеспечивает расширение области рациональных температур отпуска, достаточное для практических целей; 2 — отсутствие азота как легирующего элемента; 3 — отсутствие бора.

Оба последних обстоятельства способствуют также улучшению технологичности стали настадях изготовления проката и сварных конструкций.

При производстве этой стали на АО «Ижорские заводы» осуществляют весь комплекс ковшовой металлургии: металл подвергают очистке от вредных примесей, предусматривают мероприятия по модифицированию и глобулированию неметаллических включений присадками Ti, Zr, SiCa и т. in., перемешиванию металла инертными газами, подогреву металла при обработке его в агрегате печь—ковш и т. п. Прокатку листов заканчивают при температурах не выше 930° С, между прокаткой и закалкой проводят нормализацию. При прохождении металла в потоке производства качество каждого листа на всех стадиях передела оценивают индивидуально. В случае необходимости проводят специальную антифлокенную обработку, подбирают индивидуальные режимы термического улучшения и т.п. Все эти мероприятия позволяют не только выполнить высокие требования, предъявляемые к прокату, описанные выше, но в ряде случаев превзойти их.

Распад аустенита стали типа 16Г2АФ с молибденом и никелем происходит по механизму промежуточного превращения. Такая сталь характеризуется бейнитной структурой. Более высокие температуры отпуска и его продолжительность приводят к значительному выделению карбидов и повышению прочностных характеристик. При температурах отпуска 600° С и выдержках в течение 12 и 72 часов предел текучести составлял 750 и 670 Н/мм² соответственно, а при температурах 630 и 660° С и выдержках в два часа — 600 и 500 Н/мм².

После нормализации листов ударная вязкость поперечных образцов с острым надрезом (АСУ) при температурах -40 и -70° С равнялась 50 и 30 Дж/см² соответственно. С увеличением температуры и продолжительности выдержки при отпуске нормализованной стали ударная вязкость практически не изменялась.