Микролегированные стали с пределом текучести 300-500 Н/мм2

Подробно ее рассмотрим свойства трех групп малоуглеродистых сталей, наиболее перспективных для применения в строительных конструкциях: спокойные с ванадием и титаном, полуспокойные с ниобием, ванадием, иногда с азотом, а также стали, микролегированные нитридами титана и алюминия. Технологии выплавки, прокатки и упрочняющих обработок выбраны производителями в зависимости от конкретных условий.
Приведены также данные о свариваемости рассматриваемых сталей, которую оценивали с помощью валиковой пробы по ГОСТ 13585, а также на сварнык соединениях по ГОСТ 6996. Наплавку валиков и сварку вели способами и материалами, регламентированными СНиП 11-23-81 для сварки конструкций из сталей повышенной прочности; режимы варьировали таким образом, чтобы погонная энергия электрической дуги изменялась в широком диапазоне. В производственных условиях ее минимальные значения используются при выполнении соединений с малыми катетами, при этом возможна подкалка металла в зоне термического влияния сварки (ЗТВ); максимальные значения имеют место при выполнении стыковых швов за один проход, в этом случае возможен перегрев и охрупчивание металла ЗТВ.

Из свойств металла ЗТВ оценивали твердость, микроструктуру и хладостойкость в процессе испытаний на ударный изгиб. Вершины надрезов ударных образцов располагали на наиболее уязвимых в рассматриваемом смысле участках ЗТВ: границе сплавления, участке неполной перекристаллизации, участке деформационного старения. Оценивали сопротивление хрупким разрушениям сварных соединений в целом на крупных образцах. Склонность соединений к образованию кристаллизационных трещин определяли, испытывая на старческий изгиб крупные образцы в процессе сварки стыковых соединений с F-образной разделкой кромок; изгиб образца начинали после наплавки 2/3 длины шва.

Рассмотрим наиболее простые стали с ванадием и титаном. В горячекатаном состоянии сталь с ванадием (18Ф) по свойствам на растяжение соответствует стали С345, однако по ударной вязкости не превосходит обычную горячекатаную сталь типа Ст_Зсп. Малые добавки ванадия упрочняют горячий прокат из малоуглеродистой стали благодаря процессам дисперсионного твердения, но не измельчают зерно. В рассматриваемом случае размер зерна достигал 40-45 мкм, т. е. соответствовал баллу 6.

Полученные результаты испытаний на ударный изгиб характерны для строительных сталей с наблюдаемым размером зерна, типичным для обычных горячекатаных сталей типа Ст_Зсп. Данная сталь, как и другие микролегированные стали, малочувствительна к деформационному старению из-за активного взаимодействия сильного нитридообразующего элемента с азотом, в первую очередь ответственным за старение малоуглеродистых сталей.

При исследовании свариваемости максимальная твердость в ЗТВ не превышала HV 220, поэтому здесь не возникало опасности образования околошовных трещин после сварки. Не наблюдалось также участков снижения твердости в ЗТВ, т.е. рассматриваемая сталь не разупрочняется при сварке.

На основании результатов испытаний на ударную вязкость установлено, что сопротивление хрупкому разрушению металла ЗТВ такое же, как и у основного металла. При этом наиболее низким сопротивлением (но не ниже, чем основной металл) обладал участок неполной перекристаллизации при малых тепловложениях из-за появления в достаточно крупнозернистой структуре продуктов промежуточного распада. Установлено, что малоуглеродистая сталь 18Ф сваривается хорошо и свойства ЗТВ не ниже, чем у основного металла.

Горячекатаная сталь 18Ф обладает повышенной прочностью, но обычной. хладостойкостью (на уровне малоуглеродистых сталей типа Ст_Зсп) из-за относительно крупного зерна. Существенно измельчить зерно в прокате нетрудно, например, при термическом улучшении листов.

Подробно изучали вопрос о возможности получения на металлургических комбинатах проката повышенной прочности из сталей типа Ст_Зсп, микролегированной титаном обычно в сочетании с алюминием. В частности, исследовали крупные фасонные профили и толстые листы из малоуглеродистой стали с титаном и алюминием производства ОХМК и «Азовсталь».

Улучшение свойств стали 18ТЮ объясняется, во-первых, существенным измельчением структуры: фактически при нормализации зерно уменьшается на в среднем 1,6-2 балла, при термическом улучшении — еще дополнительно на в среднем 1,5 балла. Во-вторых, при принятых обработках в структуре появляется дисперсная фаза карбонитридов титана, упрочняющих сталь и измельчающих зерно.

Увеличение марганца до 1 % улучшает растворение карбонитридов титана при нагреве стали до аустенитного состояния, а затем облегчает выделение дисперсной фазы при нормализации и улучшении.

Свариваемость сталей с титаном изучали с применением валиковой пробы по той же методике, что и сталей с ванадием. Выяснилось, что сталь 18ТЮ не разупрочняется при сварке, а сварные соединения из нее имеют ту же хладостой кость, что и основной металл.
В целом при изучении стали марки 18ТЮ, микролегированной титаном и алюминием, установлено, что после горячей прокатки она немного превосходит обычные малоуглеродистые стали. После нормализации и термического улучшения прокат из стали 18ТЮ по свойствам соответствует прокату из сталей повышенной прочности с гарантией по ударной вязкости при -40° С (KCU^-40), при этом сталь хорошо сваривается.

Таким образом, прокат из стали типа СтЗсп, микролегированной титаном и алюминием (18ТЮ) или ванадием (18Ф), можно использовать как материал повышенной прочности для строительных конструкций, если на металлургическом комбинате организована термическая обработка, обеспечивающая измельчение зерна, — нормализация или термическое улучшение (хороший пример — ОАО «Носта»).

Экономически эффективными являются стали повышенной прочности типа малоуглеродистой полуспокойной стали СтЗсп, дополнительно легированйой сильными карбонитридообразующими элементами. Разработаны и применены в строительных конструкциях полуспокойные стали с ниобием (18Бпс), ванадием (18Фпс), а также с ванадием и азотом (18АФпс).

Выплавка полуспокойных сталей более производительна, чем спокойных. Основное же их преимущество в следующем. Интенсивность газовыделения при разливке и затвердевании слитков влияет на объем усадочной раковины — в полуспокойной стали раковина меньше, что существенно увеличивает выход годного металла из слитка. По качеству и свойствам полуспокойные углеродистые стали уступают спокойным. Свойства полуспокойных сталей существенно улучшаются, если их микролегируют ванадием или ниобием. Эти элементы, имея высокое сродство к азоту и углероду и малое сродство к кислороду, практически полностью усваиваются металлом, поэтому такие стали обладают всеми преимуществами полуспокойной стали по выходу годного металла, а свойства проката из-за облагораживающего влияния дисперсной карбонитридной фазы не уступают свойствам проката из низколегированных спокойных сталей, а в некоторых случаях превосходят их.

В полуспокойных сталях действие ванадия оказывается боле эффективным, чем в спокойных (18Ф). Видимо, при отсутствии элементов с большей раскисляющей способностью и с большим сродством к азоту (титана, алюминия) карбонитриды ванадия эффективнее измельчают зерно и выделяются в более дисперсном состоянии, особенно при достаточно низкой температуре конца прокатки.

Основная роль титана, помимо некоторого измельчения первичного зерна, по мнению авторов, сводится к усилению способности алюминия к образованию дисперсной фазы нитридов. Титан, обладая более сильным сродством к азоту, чем алюминий, образует уже при кристаллизации металла крупные частицы нитридов, существенно уменьшая долю нитридов алюминия. В то же время алюминий, как относительно более слабый нитридообразующий элемент, активизирует способность титана образовывать дисперсные карбонитриды. Для усиления кинетических возможностей выделения дисперсной нитридной фазы в аустенитном состоянии в сталь добавляют 0,5-1,0% Si, обладающего слабым сродством к углероду и азоту и поэтому «выталкивающего» нитриды и карбонитриды из твердого раствора. Предложенная добавка кремния усиливает действие алюминия и в требуемой степени упрочняет твердый раствор. Содержание вредных примесей — серы и фосфора — предусмотрено на уровне, принятом для обычных низколегированных сталей (не более): 0,040 % S; 0,035 % Р.

В прокате формируется феррито-перлитная структура с зернами диам. 12-15 мкм, поскольку в данном случае при горячей прокатке фактически реализуется схема упрочнения, близкая к рекристаллизационной контролируемой прокатке. Среди неметаллических включений практически отсутствуют строчечные сульфиды, что обеспечивает высокие z-свойства; отсутствуют ламеллярные трещины в сварных соединениях.

Промышленные плавки стали проводили в кислородно-конвертерном цехе ОАО «НТМК». Раскисление и микролегирование осуществляли в ковше брикетами из порошков (гранул) необходимых ферросплавов, азотсодержащего органического вещества и связующего материала. Meталл разливали в прямоугольные изложницы на слитки массой 18,7 т, которые прокатывали на блюминге 1500, а затем на универсальном балочном стане 1300.

Режим прокатки был аналогичен принятому для стандартных малоуглеродистых и низколегированных сталей. Температура конца прокатки в чистовой клети УБС 1300 была достаточно низкой 850-880° С. Такие условия прокатки также способствуют выделению достаточно дисперсной фазы нитридов, особенно в нерекристаллизованном аустените.

Среди неметаллических включений были в основном дисперсные нитриды титана и в меньшей степени нитриды алюминия, фактически отсутствовали строчечные сульфиды, что можно объяснить наличием большого количества недеформируемых сульфидов титана, разбивающих строчки на скопления точек. Границы зерен свободны от нитридов алюминия.

Приведенные данные показывают, что количество титана, вводимого в металл, достаточно для получения мелкого зерна размером 12-15 мкм. Наблюдаемое измельчение зерна можно объяснить эффективным действием нитридов алюминия. При этом феррито-перлитная полосчатость минимальна, продукты промежуточного распада отсутствуют, что можно объяснить благоприятным воздействием добавок кремния.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что мелкое зерно исследованного проката является следствием эффективного измельчения аустенитного зерна нитридной фазой.

На примере широкополочных двутавров показано, что прокат имеет повышенные прочностные свойства.

Микроструктура околошовного участка ЗТВ стали 18САТЮ с максимальной твердостью аналогична по структуре соответствующим участкам ЗТВ марганцовистой стали. Структура околошовного участка в основном состоит из Колоний верхнего бейнита и благоприятна с точки зрения свариваемости стали.

Широкополочные двутавровые балки из стали 18САТЮ выпускаются на универсальном балочном стане УБС 1300 (ОАО НТМК) в широком ассортименте.Добавки ванадия при подобных технологиях измельчают зерно и снижают твердость в ЗТВ.

Производство рулонной полосы толщиной до 12 мм, микролегированной нитридами титана и ванадия, освоено на Новолипецком (непрерывный стан 2000) и Череповецком (непрерывный стан 2000) металлургических комбинатах.

Конкретный химический состав микролегированных сталей обычно зависит от условий конкретного комбината. В связи с последним обстоятельством строителями совместно с металлургами разработана целая серия ТУ на подобные материалы, подробно описанная в работе. Современная отечественная металлургическая промышленность имеет все возможности для полного обеспечения строительной промышленности подобными сталями с повышенными прочностью и сопротивлением хрупким разрушениям. Из стали 18САТЮ изготовлен целый ряд ответственных несущих строительных конструкций.

Известно, что скорость охлаждения полосы до смотки ее в рулон определяется следующими факторами: толщиной проката, скоростью прокатки и количеством подаваемой на поверхность проката воды. Для каждого непрерывного стана определены химический состав стали (так называемый индекс состава) и соответствующая ему температура смотки, обеспечивающие получение заданного уровня прочностных характеристик.

Использование сталей, модифицированных ниобием и ванадием, для получения проката с комплексом высоких механических свойств обеспечивается имеющимися ресурсами ванадия и относительно невысокой стоимостью ниобия.