一種高壓容器用合金鋼及其製造方法
2023-05-18 21:23:31
專利名稱：一種高壓容器用合金鋼及其製造方法
技術領域：
本發明涉及合金結構鋼的成分設計和製造，尤其是指高壓釜、儲運罐等高壓容器 用鋼的合金鋼及其製造方法。
背景技術：
高壓容器用鋼，屬於合金結構鋼。根據使用條件(工作環境)的不同，高壓容器用 鋼可分為中低等級的高壓容器用鋼、高等級的高壓容器用鋼。目前，我國高壓容器用鋼大多是低、中等級的高壓容器用鋼，其中低等級鋼一 般採用CrMn、CrMnSi, CrNiMo系低、中碳低合金結構鋼(合金含量不超過5 %，其強 度低(300-600MPa)、由於採用一般的鋼包精煉工藝冶煉，製造成本也很低；中等級的 鋼以30CrMnSiA為代表，採用電渣重熔工藝冶煉，製造成本稍有增加，強度有所提高 (900-1200MPa)但韌、塑性匹配性不夠高。部分用途非常重要(如製造承受高壓及超高壓的壓力容器、連接件、緊固件倉體 部件及其高性能結構部件等等)的高等級高壓容器用鋼(強度1500MPa以上)，通常採用 OONi 18Co9Mo5Ti,OONi 12Mn5Cr4Mo3Al等類型超低碳高合金結構鋼(合金含量超過12% )， 例如典型的高等級的高壓容器用鋼00Nil8Co9Mo5Ti雖然強度高、韌塑性好、變形工藝性也 很好，但製造成本高，性價比不足，缺乏市場競爭力。對比同用途的低合金、高合金典型鋼種主要技術參數，化學成分見表1 ；力學性能 見表2。表1化學成分 表2力學性能
發明內容
本發明的目的是設計一種高壓容器用合金鋼及其製造方法，該合金鋼是一個低合 金結構鋼(合金含量不超過5%，且無貴重金屬)，性能達到高等級高壓容器用鋼要求(強 度1500MPa以上)。本發明的技術方案是在30CrMnSiA合金鋼的基礎上增加Mo、V元素及其Si含量，以解決原鋼種沾透性 不足、晶粒粗大、回火易脆化的問題；冶煉工藝由「真空感應爐+真空自耗爐」取代原來的 「電爐或電爐+電渣重熔」，以解決原鋼種純淨度不夠所導致的韌性特別是斷裂韌性低的問 題；加工工藝由「快鍛+徑鍛，加工比大於10」取代原來的「快鍛或汽錘，加工比大於5」，以 解決原鋼種由於鍛造不均勻所造成的晶粒度、組織不均勻的問題；調質處理由「淬火+低溫 回火」取代「淬火+高溫回火」，以馬氏體組織解決原鋼種索氏體組織導致強度不足的問題， 該調質工藝是配合本發明鋼種達到預期質量效果不可缺少的要素。本發明製造的高壓容器用合金鋼，力學性能達到超高級綜合性能水平(強度達到 1700MPa、屈服強度達到1400MPa、伸長率達到10 %、斷面收縮率達到50 %、衝擊韌性50J、斷 裂韌性達到IOOMPa V m以上)，遠高於常規使用的低合金結構鋼，趕上甚至超過了超低碳 高合金鋼00Nil8Co9Mo5Ti的質量水平(30CrMnSi2MoVA合金鋼的原料成本僅為高合金鋼的 1/10 1/20，性價比遠遠高於高合金鋼)，是優質的高等級且具有很強市場競爭力的高壓 容器用鋼。具體地，本發明的高壓容器用合金鋼，其化學成分重量百分比為C0.27
0.33%, Mn 0. 60 1. 00%, Si 1. 40 1. 70%, S 彡 0. 003%, P 彡 0. 006%, Cr 0. 80
1.20%,Mo 0.30 0.50%、V 0. 10 0. 15%，餘Fe及不可避免雜質，其中，雜質元素及氣 體含量 S+P+H+0+N ^ IOOppm0本發明的高壓容器用合金鋼的製造方法，其包括如下步驟1)真空感應爐冶煉電極選擇純度大於99%的純鐵和純度大於99. 9% Cr、Mn、Mo、Si、或V純金屬原材料， 熔煉的精煉期採用高真空度冶煉，真空度達到2. 7Pa以下，保持時間> 40min，使其純度達 到 S+P+H+0+N ( 150ppm ；2)真空自耗爐重熔成錠平均熔速370 400Kg/h，真空度達到0. 2Pa以下，使其純度達到 S+P+H+0+N 彡 IOOppm ；3)鍛造
鋼錠加熱溫度1200°C 士 10°C，保溫至少3小時，加工比(加工前鋼錠的截面積 與成材後的鋼材截面積之比)大於10，開鍛首先進行一次墩粗，墩粗量為原來鋼錠高度的 48% 52%，最後成材火次控制1160士 10°C，加工比大於2，整支完成以保持其均勻性；4)調質處理，淬火+低溫回火油冷淬火，溫度920士 10°C，保溫時間大於1小時；低溫回火，溫度300士 10°C，保溫 時間大於3小時，空冷。在本發明的成分設計中碳含量0. 28 0. 33%，不低於0. 28 %是保證對鋼產生一定的強度貢獻，不高於 0. 33%是為了防止碳對鋼的可焊性和韌性產生不良影響；加入1. 4 1. 7%矽、0. 6 1. 0%猛、0. 80 1. 20%鉻、0. 30 0. 50%鉬、0. 10
0. 15%釩可以顯著提高鋼的沾透性，與碳綜合作用形成具有高密度位錯、高韌性的板條狀 馬氏體組織，有效提高鋼的強度同時保證具有高的韌性配合；其中，大於1. 4%矽改變了回火脆性溫度區間，使得該鋼的回火脆性溫度由傳統鋼 種的200°C提高至350°C，為300°C的低溫回火提供了強有力的保障條件，從而有效防止回 火脆性的發生，限制不高於1. 7%主要是防止該鋼塑性降低；鉬和釩為強碳化物形成元素， 釩也是強氮化物形成元素，鉬、釩的加入可以形成碳、氮化物第二相定扎晶界細化晶粒提高 韌性，極微小的碳、氮化物第二相還有定扎位錯的功能，從而在不損失韌性的前提下進一步 提高強度，不低於0. 30%鉬、0. 10%釩是這種功能的需要，不高於0. 50%鉬、0. 15%釩是防 止它們與碳形成過多的碳化物而導致鋼的強度不足；韌、塑性變差；硫、磷、氫、氧、氮等殘 餘元素對鋼的塑性、韌性、尤其是斷裂韌性有不良影響，故控制其含量儘量低，以至於要求 S+P+H+0+N ^ IOOppm的超低含量水平。與現有美國名牌鋼種牌號18Ni馬氏體時效鋼00Nil8Co9Mo5Ti、前蘇聯名牌鋼種 牌號30CrMnSiA相比，化學成分作了重大的調整本發明鋼種比00Nil8Co9Mo5Ti鋼含C量 提高，其它合金元素去除或降低，主要目的是在保持強度、韌性相當的同時，大幅度降低原 材料成本，提高實用性並提高市場競爭能力；與30CrMnSiA相比，提高了 Si元素的含量、增 加了適量Mo、V元素，其目的是在強度大幅度提高的同時，不降低鋼材的冷加工塑性和韌 性，特別是斷裂韌性。本發明的製造方法中，1、應鋼材超高強度與超高韌性相互匹配的力學性能的苛刻要求，為確保本發明鋼 冶煉成分的超高純潔度，煉製專用母合金，同時挑選高純度合金爐料。保證鋼中雜質元素及 氣體含量 S+P+H+0+N ^ IOOppm02、真空感應爐冶煉電極，首先要選擇純度大於99%的純鐵和純度大於99. 8% Cr、 Mn、Mo、Si、V純金屬原材料，進行熔煉，為最大限度的去除有害氣體和有害易揮發元素，採取 熔煉前期在較高真空度下進行，精煉期採用高真空(真空度應達到2. 7Pa以下)並保持40 分鐘以上精煉時間進行冶煉。強調精煉期必須在高真空度下冶煉足夠長的時間，以保證去 除氣體及其有害雜質元素的有效性。3、真空電弧重熔(Vacuum Arc Remelting，VAR通常稱真空自耗)重熔Φ600鋼錠 嚴格控制平均熔速小於400Kg/h，保證鋼錠具有優良的結晶狀態和表面質量。控制自耗重熔速度、各個階段所採用的電流強度、後部鋼錠頭部的補縮充填，冶煉過程保持極限真空度(0. 2Pa以下)進一步去除氣體和易揮發有害雜質元素以獲得高 純度材質，同時可以滿足鋼錠優化結晶均質化的要求。保持低於0. 2Pa的極限真空度主 要是為了進一步去除氣體和易揮發有害雜質元素，使其鋼錠熔煉的純度效果可以達到 S+P+H+0+N 彡 1OOppm。4、鍛造過程中採用均勻化鐓拔處理工藝，加工比大於10，以保證鋼材內在組織結 構的精細和均勻以及不同方向性能的均衡性。鍛造工藝重點在於加熱，鋼錠加熱溫度要1200士 10°C，保溫3小時以確保透燒，使 得可塑性處於最佳狀態，再燒溫度控制下限，再燒保溫時間控制在1小時，為使加工比(加 工前鋼錠的截面積與成材後的鋼材截面積之比)大於10，開鍛首先進行一次墩粗，最後成 材火次控制1160士 10°C，加工比大於2，終鍛溫度大於850°C，整支完成以保持其均勻性。本發明的有益效果本發明通過成分的改進設計，採用VIM+VAR重熔冶煉工藝結合鍛造加工及調質工 藝，獲得高品質的鋼材，抗拉強度Rm彡1700 (Mpa)，屈服強度RpO. 2彡1400 (Mpa)、延伸率 A ^ 10(% )、面縮率Z ^ 50(% )、衝擊韌性Aku彡55 (J)、斷裂韌性KIC彡90 (MPa V m)。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明做進一步說明本發明化學成分實施例見表3，主要冶煉工藝指標見表4，鍛、軋工藝參數見表5 ； 熱處理工藝參數見表6 ； 表3本發明實施例的化學成分(wt % )
表4本發明實施例的真空感應、電渣重熔冶煉工藝參數 表5本發明實施例的鍛造、軋制加熱工藝參數 表6本發明實施例的熱處理工藝參數 鋼材的檢驗結果見表7、表8，採用特殊熱處理規範油冷淬火+低溫空冷回火。表7本發明實施例的力學性能 表8本發明實施例的宏觀、微觀質量檢驗統計 從上表可以看出，本發明製造的高壓容器用合金鋼，力學性能達到超高級綜合性 能水平(抗拉強度達到1700MPa、屈服強度達到1400MPa、伸長率達到10%、斷面收縮率達到 50%、衝擊韌性55J、斷裂韌性達到90MPa V m以上)，遠高於常規使用的低合金結構鋼，趕 上甚至超過了超低碳高合金鋼00Nil8Co9Mo5Ti的質量水平(30CrMnSi2MoVA合金鋼的原料 成本僅為高合金鋼的1/10 1/20，性價比遠遠高於高合金鋼)，是優質的高等級且具有很 強市場競爭力的高壓容器用鋼。
權利要求
高壓容器用合金鋼，其化學成分重量百分比為C 0.27～0.33％、Mn0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，餘Fe及不可避免雜質，其中，雜質元素及氣體含量S+P+H+O+N≤100ppm。
2.如權利要求1所述的高壓容器用合金鋼的製造方法，其包括如下步驟1)真空感應爐冶煉電極選擇純度大於99%的純鐵和純度大於99. 9% Cr、Mn、Mo、Si、或V純金屬原材料，熔 煉的精煉期採用高真空度冶煉，真空度達到2. 7Pa以下，保持時間> 40min，使其純度達到 S+P+H+0+N 彡 150ppm ；2)真空自耗爐重熔成錠平均熔速370 400Kg/h，真空度達到0. 2Pa以下，使其純度達到 S+P+H+0+N 彡 IOOppm ；3)鍛造鋼錠加熱溫度1200°C 士 10°C，保溫至少3小時，加工比大於10，開鍛首先進行一次墩 粗，墩粗量為原來鋼錠高度的48% 52%，最後成材火次控制1160 士 10°C，加工比大於2， 整支完成以保持其均勻性；4)調質處理，淬火+低溫回火油冷淬火，溫度920士 10°C，保溫時間大於1小時；低溫回火，溫度300士 10°C，保溫時間 大於3小時，空冷。
全文摘要
高壓容器用合金鋼，其成分重量百分比為C 0.27～0.33％、Mn 0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，餘Fe及不可避免雜質，雜質元素及氣體含量S+P+H+O+N≤100ppm。本發明冶煉工藝由「真空感應爐+真空自耗爐」取代「電爐或電爐+電渣重熔」，解決原鋼種純淨度不夠所導致的韌性特別是斷裂韌性低的問題；加工工藝由「快鍛+徑鍛，加工比大於10」取代「快鍛或汽錘，加工比大於5」，解決原鋼種由於鍛造不均勻所造成的晶粒度、組織不均勻的問題；調質處理由「淬火+低溫回火」取代「淬火+高溫回火」，以馬氏體組織取代原鋼種索氏體組織解決強度不足的問題。
文檔編號C21D1/25GK101899622SQ20091005220
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月27日
發明者餘忠民, 劉忠國, 周瓊豔, 姚長貴, 廖洪軍, 張杉, 楊樺, 陳杰 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司