Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СВАРИВАЕМЫЙ АРМАТУРНЫЙ ПРОФИЛЬ

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству стальных высокопрочных свариваемых арматурных профилей из непрерывнолитых заготовок.

Известен сортовой круглый горячекатаный прокат со специальной отделкой поверхности, изготовленный из среднеуглеродистой стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

при соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; O₂/Ca=1÷4,5; Ca/S≥0,065, примеси: никель не более 0,30%, медь не более 0,30%, молибден не более 0,10%, фосфор не более 0,030% [Патент РФ 2328535, МПК C21D 8/06, С22С 38/60, 10.07.2008 г.].

Известные сортовые профили имеют низкие прочностные и вязкостные свойства. Это снижает их качество и выход годного.

Известен высокопрочный свариваемый арматурный профиль, изготовленный из низколегированной стали, имеющей следующий химический состав, мас.%:

[Патент РФ 2381283, МПК C21D8/08, С22С 38/04, 10.02.2010 г.].

Известные высокопрочные арматурные профили имеют низкие качество и выход годного вследствие недостаточных пластических, вязкостных свойств и свариваемости.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является высокопрочная сталь, используемая, в том числе, и для изготовления арматурных профилей и имеющая следующий химический состав, мас.%:

по меньшей мере, один элемент из группы:

при этом сталь имеет углеродный эквивалент С_э≤0,40, а ее структура состоит из феррита и мартенсита [Патент US 4406713, МПК C21D 8/00, 27.09.1983].

Недостатком известной стали является то, что она не обладает стойкостью к разупрочнению при высоких температурах (пожаростойкость) и возможностью эксплуатации при низких температурах.

Технический результат изобретения - повышение механических и эксплуатационных свойств, качества и выхода годных арматурных профилей.

Технический результат достигается тем, что высокопрочный свариваемый арматурный профиль из низколегированной стали получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

при этом сталь имеет микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, значение δ₅≥12%, отношение σ_в/σ_т≥1,08, суммарное содержание ванадия и ниобия составляет [V]+[Nb]≥0,035%, а ее углеродный эквивалент связан с диаметром арматурного профиля соотношением

0,36≤Сэ≤0,60 при 10≤d≤18 мм,

0,40≤Сэ≤0,60 при 20≤d≤28 мм,

0,45≤Сэ≤0,60 при 32≤d≤40 мм,

0,48≤Сэ≤0,60 при 42≤d≤70 мм,

где δ₅ - относительное удлинение, %, σ_в - временное сопротивление разрыву, МПа, σ_т - предел текучести МПа, Сэ - углеродный эквивалент, %.

В качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: сера не более 0,025, фосфор не более 0,025; хром не более 0,3, никель не более 0,3, медь не более 0,45. Сталь дополнительно содержит, мас.%: молибден не более 0,08, титан не более 0,08.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Приведенные сочетания химических элементов, в совокупности с технологией производства, позволяют получить в готовом арматурном профиле структуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, оптимальные содержание и морфологию неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности, упругости и пластичности.

Углерод вводится в состав данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности. Верхняя граница содержания углерода 0,50% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня свариваемости и вязкости данной стали, а нижняя 0,03% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, а с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца 2,25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний предел марганца 0,95% - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,15% обусловлен технологией раскисления стали и необходимостью обеспечить заданный уровень пластичности стали. Содержание кремния выше 0,70% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Ванадий и ниобий являются элементами, оказывающими положительное влияние на свойства арматурных профилей. При содержании ванадия и ниобия не более 0,08% (каждого) они способствуют измельчению зерна микроструктуры, повышают прочность и пластичность стали, но ведут к удорожанию производства высокопрочных арматурных профилей. В то же время, увеличение концентрации ванадия и ниобия более 0,08% (каждого) удорожает себестоимость производства высокопрочных арматурных профилей, ухудшает их свариваемость. Это приводит к снижению выхода годного.

Экспериментально установлено, что для получения требуемых механических свойств необходимо, чтобы суммарное содержания ванадия и ниобия удовлетворяло условию [V]+[Nb]≥0,035%.

В качестве неизбежных примесей сталь может содержать серу, фосфор, хром, никель, медь в заявленных количествах.

Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы и фосфора не более 0,025% (каждого) их вредное воздействие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали.

Наличие хрома положительно сказывается на прочности стали и расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что способствует снижению себестоимости производства высокопрочных арматурных профилей. Однако содержание хрома более 0,3% негативно сказывается на свариваемости сталей.

Содержание никеля не более 0,3% позволяет обеспечить в готовом арматурном профиле высокие значения временного сопротивления предела текучести и относительного удлинения при хорошей свариваемости.

Медь способствует повышению прочностных свойств арматурных профилей. Но если содержание этого элемента для данной композиции превышает 0,45%, то возможно так называемое «выпотевание» меди на поверхности проката при нагреве передельной заготовки, что приведет к ухудшению качества поверхности и снижению коррозионно-стойкости готового проката.

Сталь может также дополнительно содержать молибден и титан в заявленных количества.

Наличие в составе стали не более 0,08% молибдена обеспечивает получение прочностных характеристик. Однако превышение приведенных значений не сопровождается дальнейшим повышением качества арматурных профилей, а лишь увеличивает расходы на легирование, что представляется нецелесообразным.

Титан используют в качестве раскислителя, обеспечивающего образование карбонитридов при температурах выше температуры ликвидус. При содержании титана более 0,08% размер карбонитридов резко возрастает, что приводит к одновременному падению пластичности и ударной вязкости стали.

Структура стали, состоящая из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, в совокупности с микролегированием стали ниобием, способствует тому, что сталь не разупрочняется при высоких температурах (до 700-750°С) и, таким образом, является пожаростойкой.

При величине относительного удлинения δ₅ менее 12% разрушение материала происходит достаточно хрупко, без образования шейки, в связи с чем снижается надежность конструкций.

При соотношении временного сопротивления разрыву к пределу текучести σ_в/σ_т менее 1,08 конструкция имеет недостаточный запас прочности после достижения арматурного профиля пластических деформаций.

Для предложенного химического состава при величине углеродного эквивалента Сэ более 0,60% возможно значительное ухудшение пластических свойств и, соответственно, снижение сопротивления готового проката ударным нагрузкам.

Углеродный эквивалент рассчитывается исходя из формулы

где С - массовая доля углерода, %;

Mn - массовая доля марганца, %;

Cr - массовая доля хрома, %;

V - массовая доля ванадия, %;

Мо - массовая доля молибдена, %;

Сu - массовая доля меди, %;

Ni - массовая доля никеля, %.

Экспериментально установлено, что для сохранения необходимого уровня прочностных свойств арматурного профиля в месте сварного соединения углеродный эквивалент должен соответствовать условиям

0,36≤С_э≤О,60 при 10≤d≤18 мм;

0,40≤С_э≤О,60 при 20≤d≤28 мм;

0,45≤С_э≤О,60 при 32≤d≤40 мм;

0,48≤С_э≤0,60 при 42≤d≤70 мм,

где d - номинальный диаметр арматурного профиля, мм.

Примеры реализации предлагаемого технического решения.

Выплавку низколегированных сталей различного химического состава производили в электродутовой печи. Для раскисления и легирования сталей в расплав вводили ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, феррованадий, ниобий. Химический состав выплавленных сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей приведен в таблице 1.

Непрерывнолитые заготовки из низколегированной стали нагревали в методической печи сортопрокатного стана 350 до температуры аустенитизации Т_а=1200°С и осуществляли многопроходную горячую прокатку арматурных профилей различных диаметров. Последний проход осуществляли при температуре Т_кп=1000°С в круглом калибре с винтовыми канавками для формирования периодического арматурного профиля.

Прокатанный арматурный профиль пропускали через трубчатые холодильники, в которых осуществляли его ускоренное охлаждение водой (закалку) от температуры Т_кп=1000°С до температуры Т_з=490-560°С.

Окончательное охлаждение закаленного арматурного профиля от T_з=490-560°C до температуры окружающей среды проводили на воздухе. В процессе охлаждения на воздухе происходил самоотпуск закаленной стали. Микроструктура термоупрочненного арматурного профиля по всему поперечному сечению состояла из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита. Для такой микроструктуры характерно сочетание высокой прочности, пластичности, ударной вязкости. Благодаря этому достигается повышение качества и выхода годных высокопрочных свариваемых арматурных профилей.

В таблице 2 представлены контролируемые параметры высокопрочных свариваемых арматурных профилей и их эффективность.

Данные, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что при реализации предложенного технического решения (составы №6, 8) достигается наиболее высокое качество высокопрочных свариваемых арматурных профилей при одновременном повышении выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (составы №1,5, 7), а также прототипа (вариант №14) качество высокопрочных профилей снижается. Также для составов №5, 7 становится неудовлетворительной свариваемость из-за высокого содержания в них углерода.

Исследования показали, что разупрочнение арматурных профилей, произведенных по составу №9, происходит при температуре ниже, чем в случае реализации предложенного технического решения.

Таким образом, предложенный высокопрочный свариваемый арматурный профиль обладает высокой пластичностью и стойкостью к высоким знакопеременным нагрузкам в зоне упругопластической работы материала, что позволяет рекомендовать его для использования в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций при строительстве атомных электростанций в сейсмически активных районах (до 9-балльных нагрузок).

Предлагаемый высокопрочный сварной арматурный профиль также характеризуется высокими служебными свойствами (свариваемость, способность к гнутью, повышенную пожарную безопасность, и т.д.), что позволяет использовать его со сварными соединениями в составе арматурных каркасов, сеток, закладных деталей и отдельных стержней при расчетной температуре до -55°С также без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся) и без сварки в качестве расчетной и конструктивной арматуры при любой расчетной температуре (до -75°С) без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся).

Кроме того, предлагаемый высокопрочный свариваемый арматурный профиль является свариваемым всеми видами сварки, применяемыми для арматурных профилей других менее прочных классов А500С и А400.

Использование предложенного технического решения позволит повысить рентабельность производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей на 10-15% за счет снижения себестоимости. При этом на 19-45% уменьшается металлоемкость конструкций за счет применения предлагаемого арматурного профиля, обладающего более высокой прочностью, при замене им арматурного профиля классов А500С и А400.