CN106756509B

CN106756509B - 一种耐高温合金结构钢及其热处理工艺

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Publication number: CN106756509B
Application number: CN201611265306.5A
Authority: CN
Inventors: 时捷; 王毛球; 徐乐; 李晓源; 闫永明; 孙挺; 何肖飞
Original assignee: China Iron and Steel Research Institute Group
Current assignee: China Iron and Steel Research Institute Group
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN106756509A

Abstract

一种耐高温合金结构钢及其热处理工艺，属于合金钢技术领域。该结构钢化学成分重量％为：C：0.23～0.27％，Si：≤0.20％，Mn：≤0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.003％，Cr：2.85～3.05％，Mo：2.85～3.05％，Ni：0.80～1.0％，Nb：0.09～0.11％，V：≤0.20％，[O]：≤0.0020％，[N]：≤0.0080％，RE：0.0015～0.0035％，余量为Fe。工艺包括：冶炼：采用电炉+炉外精炼+电渣重熔冶炼；锻造/轧制；退火；正火；退火；淬火；回火。优点在于，该钢的高温强度较常用的40CrNi3MoV中碳合金结构钢有所提高，其断裂韧性和低周疲劳性能也优于40CrNi3MoV钢，可以大幅度提高寿命；适合制作承受周期应力作用、耐高温磨损和长寿命高压容器。

Description

一种耐高温合金结构钢及其热处理工艺

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种耐高温合金结构钢及其热处理工艺，适合于耐高温合金结构钢。

背景技术

承受高温磨损的高压容器常采用中碳Cr-Ni-Mo-V系合金结构钢，由于该类高压容器要求具有高可靠性和长寿命，中碳Cr-Ni-Mo-V系合金结构钢常因高温硬度和疲劳性能不足而导致早期失效。目前，常用的中碳Cr-Ni-Mo-V系合金结构钢Cr含量一般低于2％，Mo含量一般低于1％。研究发现，通过提高Mo、Cr和V等合金元素的含量，经高温回火可以析出M₂C型碳化物产生二次硬化，从而能有效改善钢的高温性能(聂常绅,种克端,韩丽华,等.28Cr2Mo1VA钢的碳化物相分析.兵器材料科学与工程,1992,15(7):41～57.)。因此，提高钢中Cr和Mo元素的含量，是改善其高温性能和使用寿命的有效途径之一。发明者前期研究发现，通过将Cr、Mo含量提高到3％，并采用Nb微合金化，可以保证合金结构钢的晶粒尺寸不显著长大，同时提高二次硬化性能(王毛球,董瀚,王琪,等.奥氏体化对3Cr-3Mo-Nb二次硬化钢的组织和力学性能的影响.兵器材料科学与工程,2002,25(5):9-13.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温合金结构钢及其热处理工艺，是在前期工作基础上，进一步考虑通过降低[O]、[N]气体含量，并通过RE进行夹杂物尺寸控制。与常用中碳Cr-Ni-Mo-V系合金结构钢的不同点在于：将Cr和Mo的含量提高至3％左右，进一步增强二次硬化效果，从而改善高温硬度和强度；采用Nb作为主要微合金化元素，其可以在更高温度下阻止奥氏体晶粒长大作用；通过提高洁净度和适当降低基体中碳含量，提高钢的韧性；通过降低[O]、[N]气体含量，并通过RE进行夹杂物尺寸控制，提高钢的疲劳性能。

此外，本发明还通过合理的合金设计和热处理工艺，开发一种新型耐高温合金结构钢及其配套热处理工艺。该钢的高温强度较常用的40CrNi3MoV中碳合金结构钢有所提高，其断裂韧性和低周疲劳性能也优于40CrNi3MoV钢，因此可以大幅度提高寿命。

本发明钢及热处理工艺适用于耐高温合金结构钢压力容器，特别适合制作承受周期应力作用、耐高温磨损和长寿命高压容器。

本发明耐高温合金结构钢的化学成分范围(重量％)如下：C：0.23～0.27％，Si：≤0.20％，Mn：≤0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.003％，Cr：2.85～3.05％，Mo：2.85～3.05％，Ni：0.80～1.0％，Nb：0.09～0.11％，V：≤0.20％，[O]：≤0.0020％，[N]：≤0.0080％，RE：0.0015～0.0035％，余量为Fe。

各合金元素的作用和含量设计原则如下：

C：形成碳化物和固溶在基体中，以0.25％为最佳，低于0.20％难以保证足够的碳化物析出和高温强度，高于0.30％会导致韧性降低；

Si和Mn：降低含量可以降低脆性，从而提高韧性，以低于0.20％为最佳；

S：有害元素，严重降低韧性。通过多种手段，尽量降低含量，以控制在0.003％以下为宜。

P：有害元素，严重降低韧性。通过多种手段，尽量降低含量，以控制在0.008％以下为宜。

Cr：可以起到碳化物析出强化、提高高温抗氧化性能和固溶强化作用，以3％为最佳，低于2.5％作用不显著，高于3.5％增加加工难度；

Mo：析出碳化物二次硬化、固溶强化、提高晶界强度，以3％为最佳，低于2.5％作用不充分，高于3.5％显著增加加工难度；

Ni：固溶强化、提高韧性，以0.9％为最佳，低于0.5％提高韧性作用不明显，高于1％导致成本增加，并且机加工难度增加；

Nb：因Cr和Mo等碳化物形成元素较高，淬火温度较高，采用Nb形成Nb(C,N)颗粒，阻止高温时奥氏体晶粒长大，以0.10％为最佳，低于0.05％时析出相难以保证具有足够的晶粒长大阻碍作用，高于0.15％时易造成碳化物粗大；

V：二次硬化元素，使二次硬化峰值温度升高，同时还对奥氏体晶粒长大有一定的阻碍作用；

RE：脱氧和脱硫，并且使夹杂物变性，从而能够提高钢的韧性，保证疲劳强度。低于0.0015％时以上作用不明显，高于0.035％时其有益作用增加不明显，达到饱和。因此，RE含量应控制在0.0015-0.0035％。

[N]：与Nb、V等结合形成化合物，从而细化晶粒，但也会偏聚晶界而降低晶界强度。含量高于0.0100％时不利作用明显。因此，[N]含量应控制在0.0080％以下为宜。

[O]：有害气体，严重降低疲劳性能，影响寿命。通过多种手段应将[O]含量控制在0.0020％以下为宜。

本发明钢的生产工艺流程如下：

(1)冶炼：采用电炉+炉外精炼+电渣重熔(保护气氛)冶炼方法；

(2)锻造/轧制：根据尺寸要求，可锻造或轧制成Φ150mm以下的棒材；加热温度在1180～1200℃之间，开锻温度在1160～1180℃，终锻温度不低于880℃；

(3)退火：根据实际生产情况，在温度为670～750℃之间的退火炉中保温8h以上，然后以不高于40℃/h的冷速冷却至500℃以下，取出空冷；

(4)正火：在1125±25℃保温1-10h后，取出空冷；

(5)退火：在675±25℃保温2-20h后，取出空冷；

(6)淬火：在900±20℃保温1-3h后，取出水淬或油淬；

(7)回火：在620±20℃保温2-5h后，取出空冷；校直后再在640±20℃保温2-5h后，取出水冷；

(8)零件加工及其它相关工序：根据特定要求进行。

以上工艺的确定原则如下：

冶炼：耐高温磨损压力容器用合金结构钢一般采用电炉+电渣重熔冶炼方法，获得较高的冶金质量以保证强度的同时，具有足够的韧性。本发明适用的钢种为Cr、Mo等合金元素含量较高的合金结构钢，必须提高冶金质量才能保证韧性，因此在电炉冶炼后需进行炉外精炼，然后再进行保护气氛电渣重熔冶炼。

锻造/轧制及退火：该钢种的合金元素含量较高，淬透性好，因此可以用来制造较大截面的棒材，但也适合制造较小规范棒材。因碳含量相对其它中碳合金结构钢偏低，高温塑性较好，锻造和轧制温度区间稍高。该钢的Ac₃点温度在860℃左右，因此终锻温度不能低于880℃。同时，该钢的Ac₁点温度在700℃左右，而在450～600℃之间有过冷奥氏体稳定区间，因此采用的退火温度应接近700℃。

正火与退火温度：正火的目的是为了得到均匀化组织，并且碳化物充分溶解。考虑到本发明钢中含有较多的Cr、Mo等碳化物形成元素，1100℃时碳化物才能显著溶解。因此，正火温度以1125±25℃为最佳。正火后退火的目的在于控制碳化物析出，以650-700℃为最佳。

淬火温度：本发明适用的合金结构钢的Ac₃点温度在860℃左右，按通常要求淬火温度在Ac₃+30～50℃计算，该钢的淬火温度应在890～910℃左右。因此，淬火温度以900±20℃为最佳。

回火温度：第一次回火目的是为了降低硬度以便校直，第二次回火的目的是调整最终的性能。二次硬化钢的特点是：当回火温度在二次硬化峰值温度附近时，强度和硬度较高，但韧性较低；当回火稍高于二次硬化峰值温度时，硬度和强度迅速降低，而韧性迅速升高。本发明适用的合金结构钢的二次硬化峰值温度在580℃左右，因此选用的最终回火温度为640±20℃。回火温度过高则强度降低太多，回火温度过低则韧性尚未达到最佳。

热处理后力学性能满足：常温硬度为HRC28～38，600℃名义屈服强度(σ_0.2)不低于550MPa，-40℃低温冲击韧度(钥匙孔)不低于25J/cm²，室温断裂韧性不低于150MPa m^1/2。

本发明通过选择合适的冶炼和热处理工艺，可以发挥该合金结构钢优良的高温性能和低周疲劳性能。与现有40CrNi3MoV钢及其生产工艺相比，具有以下优点：

1.高温强度显著提高。

40CrNi3MoV钢一般回火温度在600℃左右，而本发明钢热处理工艺的回火温度在620℃以上，说明本发明钢抗回火软化能力较强，因而其高温性能也较高。本发明钢中的碳化物以M₂C为主，而40CrNi3MoV钢在使用状态中的碳化物以M₃C为主，M₂C碳化物的高温强化作用大大优于M₃C碳化物，因而本发明钢的高温强度较高。特别是由于采用了1100-1150℃高温正火+650-700℃退火，析出大量的碳化物，再经900℃左右仍有部分较粗大碳化物保留，有利于提高高温硬度和耐磨性。

2.低周疲劳性能提高。

40CrNi3MoV等身管用钢的屈强比较高(一般在0.9以上)，在循环载荷的作用下循环软化倾向严重。本发明钢及热处理工艺处理后，其屈强比稍低(一般在0.85左右)，虽然在循环载荷的作用下也发生循环软化，但其软化倾向远不如40CrNi3MoV钢。另外，本发明钢具有较高的疲劳延性指标，并且疲劳过渡寿命也较高。

3.断裂韧性高

40CrNi3MoV钢的室温断裂韧性一般在100-120MPa m^1/2，由于基体中碳含量低，本发明钢室温断裂韧性在150MPa m^1/2以上。

具体实施方式

采用30吨电炉+炉外精炼+保护气氛电渣重熔方法冶炼工艺，进行了本发明钢的试制，实施例成分见表1。电渣重熔后的钢坯直径为480mm，经加热锻造成直径为40-90mm的圆棒，再经700℃退火8h后，进行了不同热处理制度处理，根据热处理制度分别记为实施例1～6。按国家标准分别进行硬度、断裂韧性、低温冲击、高温拉伸以及低周疲劳等各项力学性能测试，并且将其力学性能与40CrNi3MoV钢进行了对比。试件的化学成分列于表1，热处理制度列于表2，硬度、强度、冲击韧度及断裂韧性等列于表3，低周疲劳性能列于表4。实施例的综合力学性能明显高于对比的40CrNi3MoV钢。

表1实施例钢和对比钢40CrNi3MoV的化学成分(wt％)

元素	实施例钢	40CrNi3MoV
			C	0.25	0.40
Si	0.15	0.25
			Mn	0.20	0.40
P	0.005	0.012
			S	0.001	0.001
Cr	3.00	1.28
			Mo	2.95	0.38
Ni	0.95	3.16
			Nb	0.10	-
V	-	0.20
			RE	0.0025	-
[O]	0.0018	0.0025
			[N]	0.0075	0.0092
Fe	余	余

表2实施例钢和对比钢40CrNi3MoV的热处理工艺

表3实施例钢和对比钢40CrNi3MoV的常规力学性能

表4实施例钢和对比钢40CrNi3MoV的低周疲劳性能

Claims

1.一种耐高温合金结构钢，其特征在于，化学成分重量％如下：C：0.23～0.27％，Si：≤0.20％，Mn：≤0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.003％，Cr：2.85～3.05％，Mo：2.85～3.05％，Ni：0.80～1.0％，Nb：0.09～0.11％，V：≤0.20％，[O]：≤0.0020％，[N]：≤0.0080％，RE：0.0015～0.0035％，余量为Fe。

2.一种权利要求1所述的耐高温合金结构钢热处理工艺，其特征在于，工艺流程及控制的技术参数如下：

(1)冶炼：采用电炉+炉外精炼+电渣重熔冶炼；

(2)锻造/轧制：锻造或轧制成Φ150mm以下的棒材；加热温度在1180～1200℃之间，开锻温度在1160～1180℃，终锻温度不低于880℃；

(3)退火：在温度为670～750℃之间的退火炉中保温8h以上，然后以不高于40℃/h的冷速冷却至500℃以下，取出空冷；

(4)正火：在1125±25℃保温1-10h后，取出空冷；

(5)退火：在675±25℃保温2-20h后，取出空冷；

(6)淬火：在900±20℃保温1-3h后，取出水淬或油淬；

(7)回火：在620±20℃保2-5h后，取出空冷；校直后再在640±20℃保温2-5h后，取出水冷。