CN100548567C - 超低温高强度细晶粒碳钢法兰的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有超低温高强度性能的微合金细晶粒低碳钢法兰的制造方法，所述的法兰是以低碳微合金细晶粒高强度钢为材料经锻造工艺、热处理工艺制造而成，所述钢中各化学元素的成份重量百分比为：C 0.12～0.18%、Si 0.15～0.35%、Mn 1.2～1.6%以及微量元素V 0.02～0.06%、Al0.025～0.040%，N 0.001～0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，所述方法的工艺流程：控温锻造、半成品热处理和成品切削加工，锻造开始温度为1050±20℃，锻造终了温度为900℃±20℃，锻后空冷，半成品热处理采取淬火加高温回火工艺，将经过热处理的工件进行金属切削加工。本发明方法避免采用昂贵的Ni合金钢，能够满足-50℃低温韧性和高强度要求。

Description

超低温高强度细晶粒碳钢法兰的制造方法

技术领域

本发明涉及一种碳钢法兰的制造方法。具体涉及一种超低温、高强度细晶粒碳钢法兰的制造方法。碳钢法兰应用于石油、天然气、化工、船舶和各种管道工程。属金属材料加工和热处理领域。

背景技术

随着经济的发展，世界各国对能源的需求越来越大，石油天然气的消耗快速增长，相关的石油和天然气勘探、钻采、输送、加工等行业发展迅速。这些行业中大量采用法兰等承压零件，根据工况条件的要求(如在东北和西北地区)，需要在较低温度(-50℃)下仍然具有良好的塑韧性(即较高的低温冲击值指标)。一般来说，普通碳钢的韧脆转变温度较高，在-20℃以下材料即呈脆性，冲击值Akv接近于零。而要提高钢铁材料的低温冲击韧性同时又要保证钢材的强度，最有效的方法是在钢中添加合金元素Ni。但是Ni是一种贵重的金属，我国资源较少，价格很高，采用含Ni合金钢将大幅增加成本。为此，国内外都在研究不采用添加贵重合金Ni，而是采用改进碳钢成份和冶炼工艺以及法兰热处理工艺来满足耐低温冲击和高强度的要求。

发明内容

本发明的目的是避免采用昂贵的Ni合金钢，而提供一种能够满足-50℃低温韧性和高强度要求的细晶粒碳钢法兰的制造方法。

本发明的目的是这样实现的：一种具有超低温高强度性能的微合金细晶粒低碳钢法兰的制造方法，所述的法兰是以低碳微合金细晶粒高强度钢为材料经锻造工艺、热处理工艺制造而成。

所述低碳微合金细晶粒高强度钢中各化学元素的成份重量百分比为：C 0.12～0.18％、Si 0.15～0.35％、Mn 1.2～1.6％以及微量元素V 0.02～0.06％、Al 0.025～0.040％，N0.001～0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。各化学元素的主要功用是：

C是决定钢强度的主要元素，钢要达到一定的强度必须要有一定的含C量，但是含C量过高时钢中珠光体含量增加则钢的韧脆转变温度升高即低温冲击性能下降。

Si是钢中的脱氧元素并能增加钢的强度，钢中Si含量过高时钢的韧性下降。

Mn可以提高钢的强度和韧性，低碳钢中Mn含量增加可明显降低韧脆转变温度。

V可以细化晶粒并提高钢的强度，在一定的含量范围内可降低钢的韧脆转变温度。

Al是炼钢时的强脱氧剂，同时又起有效细化晶粒的作用。低碳钢中铝含量在一定范围内可以明显降低韧脆转变温度。

N在钢中易与Al、V等形成化合物，可以起到细化晶粒和提高韧性的作用。

本低碳微合金细晶粒高强度钢采用V、Al和N三种元素进行复合微合金化，在钢中形成大量弥散分布的AlN、VN以及V(C，N)微细质点，明显细化钢的晶粒，从而有效地降低钢的韧脆转变温度，提高钢的耐低温性能。

此外，钢中S、P等杂质元素对钢的韧性都有不利影响。为改善钢的韧性，要尽可能降低钢的S、P等杂质的含量。

本低碳微合金细晶粒高强度钢按常规要求，其强度级别相当于Q345级，GB/T1591中规定，σ_b470～630Mpa，σ_s≥345Mpa，但耐低温冲击性能按E级钢规定，Akv(-40℃)≥27J。由于需应用在高纬度低温地区的工况，要求成品法兰的性能σ_b490～630Mpa，σ_s≥355Mpa，Akv(-50℃)≥34J。这就要求在强度指标略高于国标要求的前提下，低温冲击性能要有较大的提高。因此，在对钢材进行微合金化处理的前提下，还必须采用特殊工艺制造法兰成品。所述工艺流程包括：控温锻造、半成品热处理、成品切削加工，其具体工艺步骤如下：

步骤一：控温锻造

锻造开始温度为1050±20℃，坯料要加热均匀、防止过高的锻造温度，防止晶粒长大和产生不良金相组织。锻造的变形量要适当加大，锻造终了温度为900℃±20℃，锻后空冷。通过控温锻造，相当于对工件进行了预备热处理，可使法兰毛坯材料具有良好的基体金相组织即细小的铁素体+珠光体，为下一步热处理调整创造条件。

步骤二：半成品热处理

半成品热处理采取淬火加高温回火工艺。淬火加热温度为900±20℃，保温时间1±0.5小时，出炉后淬水冷却至300～400℃后空冷。回火温度600±20℃，保温1±0.5小时，出炉后空冷。

淬火是将本低碳微合金细晶粒钢加热到Ac₃以上30～50℃即900℃±20℃并保持一定时间，使钢的金相组织转变为均匀的奥氏体，经快速冷却后，组织发生转变，形成由于“马氏体+贝氏体”的混合细晶组织。为了减少工件发生严重的变形，当工件温度降低到300～400℃后应转为空冷。

由于淬火组织中的马氏体是是不稳定的组织，造成工件内部的较大应力，并且钢中的马氏体组织影响了材料的塑性，因此必须将工件进行回火处理，以改善金相组织和消除应力。本低碳微合金细晶粒钢的回火是将工件在600±20℃保温均匀后出炉空冷。经回火处理后，钢中的马氏体转变为回火索氏体，而贝氏体组织也进一步转变为细小的下贝氏体组织，这样钢的强韧性综合指标非常优良，加工性能也很好。

步骤三：成品切削加工

将经过热处理的工件进行金属切削加工，使外形尺寸达到规定的要求，再经过检验(包括无损探伤)合格后，成为符合标准的成品。

与现有技术相比，本发明具有的优点：

1、钢种的化学成份得到优化，通过合理控制材料中各化学元素的配比，加入微量的合金元素，并通过特殊冶炼工艺，为材料优良的综合力学性能创造了基础条件。本发明通过专用材料和热处理工艺相结合，达到了高的强度和抗低温冲击性能。运用该发明批量生产的碳钢法兰产品，其力学性能达到：σ_b560～630Mpa，σ_s≥420Mpa，Akv(-50℃)≥40J，在强度指标比国标同钢种提高80Mpa的前提下，韧脆转变温度大幅降低，零下50℃冲击性达到40J，最高达到80J，可完全代替含Ni的贵重合金钢材料，用于高寒地区的石化、管线工程。

2、应用控温锻造和热处理相结合的工艺技术，最大限度提高材料的综合性能。控温锻造可为后道热处理工序预备理想的金相组织，使热处理发挥更好的效果。通常类似钢种采用正火处理，但其组织为常规的“铁素体+珠光体”，其综合性能特别是抗低温冲击性能并不优越。本发明对此低碳微合金钢改用淬火加高温回火工艺，使金相组织改善形成“回火索氏体+下贝氏体”的混合细晶组织，且组织较为均匀，在确保强度提高的前提下大幅度提高了低温冲击韧性。

具体实施方式

本发明涉及的具有超低温高强度性能的微合金细晶粒低碳钢法兰的制造方法，所述的法兰是以低碳微合金细晶粒高强度钢为材料经锻造工艺、热处理工艺制造而成。

所述低碳微合金细晶粒高强度钢中各化学元素的成份重量百分比为：C 0.12～0.18％、Si 0.15～0.35％、Mn 1.2～1.6％以及微量元素V 0.02～0.06％、Al 0.025～0.040％，N0.001～0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述方法的工艺流程包括：控温锻造、半成品热处理、成品切削加工，其具体工艺步骤如下：

步骤一：控温锻造

锻造开始温度为1050±20℃，锻造终了温度为900℃±20℃，锻后空冷，

步骤二：半成品热处理

半成品热处理采取淬火加高温回火工艺，淬火加热温度为900±20℃，保温时间1±0.5小时，出炉后淬水冷却至300～400℃后空冷，回火温度600±20℃，保温1±0.5小时，出炉后空冷，

步骤三：成品切削加工

将经过热处理的工件进行金属切削加工，使外形尺寸达到规定的要求，再经过检验合格后，成为符合标准的成品。

Claims (1)

1、一种具有超低温高强度性能的微合金细晶粒低碳钢法兰的制造方法，其特征在于：所述的法兰是以低碳微合金细晶粒高强度钢为材料经锻造工艺、热处理工艺制造而成，

所述低碳微合金细晶粒高强度钢中各化学元素的成份重量百分比为：C 0.12～0.18％、Si 0.15～0.35％、Mn 1.2～1.6％以及微量元素V 0.02～0.06％、Al 0.025～0.040％，N 0.001～0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质，

所述方法的工艺流程包括：控温锻造、半成品热处理、成品切削加工，其具体工艺步骤如下：

步骤一：控温锻造

锻造开始温度为1050±20℃，锻造终了温度为900℃±20℃，锻后空冷，

步骤二：半成品热处理

半成品热处理采取淬火加高温回火工艺，淬火加热温度为900±20℃，保温时间1±0.5小时，出炉后淬水冷却至300～400℃后空冷，回火温度600±20℃，保温1±0.5小时，出炉后空冷，

步骤三：成品切削加工

将经过热处理的工件进行金属切削加工，使外形尺寸达到规定的要求，再经过检验合格后，成为符合标准的成品。