CN100569981C - 用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢及制备方法 - Google Patents

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CN100569981C CNB2006101350879A CN200610135087A CN100569981C CN 100569981 C CN100569981 C CN 100569981C CN B2006101350879 A CNB2006101350879 A CN B2006101350879A CN 200610135087 A CN200610135087 A CN 200610135087A CN 100569981 C CN100569981 C CN 100569981C
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本发明涉及离心压缩机叶轮材料领域，具体为一种用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢及制备方法，解决现有技术中存在的综合力学性能不够以及成本较高等问题。按重量百分比计，其化学成分为：C 0.10～0.20%，Si 0.17～0.37%，Mn 0.5～1.3%，S≤0.025%，P≤0.03%，Cr 1.8～2.5%，Mo 0.5～1.2%，Nb 0.01～0.15%，B 0.0001～0.003%，V0.1～0.3%，Fe余量；经熔炼后，进行调质热处理，经热处理后具有高的综合力学性能及高的硫化氢应力腐蚀抗力，完全可以代替原有的FV520(B)、HUS100、SG100不锈钢作为空气、氮气、高压氢及含硫化氢等介质下服役的叶轮材料。本发明钢锻件造价还不到不锈钢锻件价格的一半，这将大大降低叶轮的制造成本，同时本发明钢种加工性能也远优于不锈钢。

Description

用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢及制备方法
技术领域
本发明涉及离心压缩机叶轮材料领域，具体为一种用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢及制备方法。
背景技术
改革开放以来，申请人先后从意大利新比隆公司、日本日立制作所和德国德马格公司等引进离心压缩机专利制造技术，叶轮材料为KMN，14CrMoV69等合金结构钢，这些钢件只能保证达到σ0.2≥833MPa，σb≥930MPa强度级综合力学性能要求。要求达到σ0.2≥980MPa，σb≥1030MPa强度级综合力学性能要求的叶轮材料一般就采用FV520(B)、HUS100、SG100等马氏体沉淀硬化不锈钢，不锈钢锻件造价贵，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢及制备方法，解决现有技术中存在的综合力学性能不够以及成本较高等问题。
本发明的技术方案是：
本发明通过研究该钢的化学成分、显微组织、力学性能和H2S应力腐蚀(SSC)抗力的关系。确定其化学成分为：
C 0.10～0.20％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.5～1.3％，S≤0.025％，P≤0.03％，Cr1.8～2.5％，Mo 0.5～1.2％，Nb 0.01～0.15％，B 0.0001～0.003％，V 0.1～0.3％，Fe余量。
本发明钢种命名为SFC100，SFC100钢化学成分的确定及优化过程如下：
焊接叶轮以其强度高、可靠性高、能制造三元叶轮等优点，目前仍占据透平压缩机叶轮制造的主导地位。作为焊接叶轮材料就要考虑材料的可焊性，可焊性的好坏直接影响到叶轮制造、机器运转的稳定性和可靠性，所以要严格控制钢的含碳量、钢的冶金质量及杂质含量；考虑材料高强韧性及抗H2及H2S应力腐蚀的能力；考虑材料具有高的淬透性及低的回火脆性以及材料制造的经济性等因素来选择和硧定钢的化学成分。
碳：碳为强间隙固溶强化元素，提高钢的强度，但高的含碳量有损于钢的焊接性能和H2及H2S应力腐蚀抗力，又降低钢的韧性。故碳含量控制在0.10～0.20％之间。
锰：锰强压低贝氏体转变温度，也使马氏体转变温度有所降低，强烈推迟珠光体及贝氏体转变，而推迟贝氏体转变更为明显，大大提高贝氏体转变的淬透性，提高强度但对焊接性能恶化影响较小。但高的含锰量将导致钢的塑性及韧性降低以及钢的抗H2及H2S应力腐蚀能力的降低。故其含量控制在0.5～1.3％之间。
铬：铬强压低贝氏体转变温度，也使马氏体转变温度有所降低，强烈推迟珠光体及贝氏体转变，而推迟贝氏体转变更为明显，大大提高贝氏体转变的淬透性，提高强度，属碳化物形成元素对提高钢的H2S应力腐蚀抗力起到良好作用。铬含量控制在1.8～2.5％之间。
钼：强烈推迟珠光体转变，推迟贝氏体转变较差，但强压低贝氏体转变温度，也使马氏体转变温度降低，属碳化物形成元素。该元素减小钢的回火脆性，提高钢的H2S应力腐蚀抗力作用巨大，但价格较贵。其含量控制在0.5～1.2％之间。
钒：属碳化物形成元素，强烈推迟珠光体转变，推迟贝氏体转变较少。同时升高珠光体最大转变速度的温度，降低贝氏体最大转变速度的温度，提高钢的强度及回火稳定性以及提高钢的H2S应力腐蚀抗力作用巨大，但对钢的焊接性能不利。其含量控制在0.1～0.3％。
铌：属强碳化物形成元素。强烈推迟珠光体转变，也推迟贝氏体转变。对细化钢的晶粒、提高钢的强度及抗H2S应力腐蚀作用很大。其含量控制在0.01～0.15％之间。
硼：强烈抑制多边形铁素体转变而不抑制贝氏体转变，控制等温相变曲线。是提高钢的淬透性方面最强有力的元素，但其增加淬透性的有效作用随钢中合金元素总含量的增加而减小。且熔炼时其含量较难控制。其含量控制在0.0001～0.003％之间，主要是用微量的硼来提高钢的淬透性。
硫、磷等杂质含量对钢的力学性能、焊接性能和抗H2及H2S应力腐蚀破坏的能力都极其有害，故控制其最高含量硫、磷分别为0.025％和0.030％是完全必要的。
综上所述，根据铬、钼对降低贝氏体转变温度的强烈效果，锰、硼对抑制珠光体转变的有效作用，钼对减小回火脆性的有利作用，及钒对提高钢的回火稳定性有利作用以及铬、钼、钒、铌等元素对钢的力学性能及提高钢的H2S应力腐蚀抗力的有利作用，并考虑叶轮用钢的传统习惯以及资源的循环应用，确定本发明SFC100钢的化学成分。
上述的用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢的制备方法，包括熔炼、热处理工艺，所述热处理工艺包括如下步骤：
(1)在980℃±10℃下，按工件有效厚度每100mm保温2.0～2.5小时，油冷或风冷；
(2)根据叶轮力学性能要求在570～730℃范围内选取回火温度，按工件有效厚度每100mm保温3.0～3.5小时，空冷。
所述步骤(2)之后，根据技术要求还可以包括如下步骤：
在705℃±10℃下，保温6～8小时，炉冷或空冷。
所述步骤(1)之后，可以采用临界区热处理来达到技术要求。
本发明的有益效果是：
1、本发明钢锻件造价还不到不锈钢锻件价格的一半，这将大大降低叶轮的制造成本，同时本发明钢种加工性能也远优于不锈钢。
2、本发明钢种经热处理后具有高的综合力学性能及高的硫化氢应力腐蚀抗力，完全可以代替原有的FV520(B)、HUS100、SG100不锈钢作为空气、氮气、高压氢及含硫化氢等介质下服役的叶轮材料。
具体实施方式
本发明对SFC100钢的工艺性能(包括钢的冶炼、锻轧、热处理、表面处理及焊接等)进行了研究，并着重进行了热处理工艺对SFC100钢的力学性能及H2S应力腐蚀抗力的影响，确定了SFC100钢作为透平压缩机叶轮材料的选材规范(表1)。
表1推荐的SFC100钢的选材规范：
Figure C20061013508700061
表中，除标明Akv值外，其余为Aku值。
本发明通过对SFC100钢的力学性能、SSC抗力及工艺性能，其中包括钢的冶炼、锻轧、热处理及表面处理、焊接及切削加工等工艺进行了研究。结果说明：SFC100钢具有高的综合力学性能，高的SSC抗力，良好的焊接性，高的淬透性及低的回火脆性以及良好的切削加工性能。本发明钢种的熔炼采用电炉冶炼加电渣重熔，经过常规的冶炼以及锻轧后，钢经不同的热处理后可满足叶轮在不同工况下服役的要求。根据叶轮服役条件按表1选定材料规范及标准热处理工艺。在空气和氮气介质中运行，叶轮按受力情况在SFC100-1/SFC100-5各强度级中选定。其热处理采用调质处理，980℃油淬后按强度等级要求在580℃～660℃之间选定回火温度；在高压氢和含少量硫化氢的介质中运行，叶轮选用SFC100-S1或SFC100-S2，热处理采用870℃油淬加700℃回火；在200～300℃温度下服役，叶轮选用SFC100-4H，热处理采用980℃油淬加580℃回火；在-20～-50℃温度下服役，叶轮选用SFC100-5L，热处理采用980℃油淬加660℃回火。按表1选用强度级为SFC100-1、SFC100-S1、SFC100-S2钢叶轮锻件的应用实例，如表2所示。其相应的化学成分及热处理工艺分别如表3和表4所示。
表2本发明SFC100钢应用实例，叶轮本体试样的力学性能(切向)
编号   σ<sub>0.2</sub>MPa   σ<sub>b</sub>MPa   δ<sub>5</sub>％   Ψ％   A<sub>ku</sub>J
  05-1111   1289.7   1325.1   14   57.15   72.5，77.5
  05-1   1125.1   1211.7   18.7   70   107，120
  05-37   1220.1   1329.3   17   62.4   82，82
  05-73   1126   1245.5   16   58.3   63，58
  05-01   1047.9   1189.2   18   62.7   65，68
  05-2   1191.9   1309.6   17   56   53，62
  05-36   1075   1173.5   16.3   62.3   62，69
  06-297   1130   1290   15   58   46，50
  06-295   1130   1310   16   59   52，54
  06-301   1120   1310   13   59   50，52
  06-298   1020   1170   17   65   54，60
  05-285   670.2   770.7   20.3   68.1   ＞146，＞146
  05-7   603   693.8   24.7   78.1   ＞146，＞146
  05-79   627.2   722.2   23.3   73.6   ＞146，＞146
  05-43   624.8   729.6   25   72.5   ＞146，＞146
  05-44   543.2   676.5   25.3   71.9   ＞146，＞146
表3本发明SFC-100钢叶轮锻件的化学成分实例(％wt)
Figure C20061013508700071
Figure C20061013508700081
表4本发明SFC100钢的热处理规范
  编号   热处理
  05-1111   970℃，保温1h，油淬+570℃，保温2h，空冷
  05-1   980℃，保温1.5h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  05-37   980℃，保温1h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  05-73   980℃，保温1h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  05-01   980℃，保温2.5h，风冷+580℃，保温4.5h，空冷
  05-2   970℃，保温3h，油淬+580℃，保温4.5h，空冷
  05-36   980℃，保温1.5h，风冷+580℃，保温3h，空冷
  06-297   980℃，保温1h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  06-295   980℃，保温1h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  06-301   980℃，保温1h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  06-298   980℃，保温1h，油淬+580℃，保温3h，空冷
  05-285   980℃，保温1h，空冷+870℃，保温1h，油淬+700℃，保温3h，空冷
  05-7   980℃，保温1h，油淬+720℃，保温3h，空冷
  05-79   980℃，保温1h，油淬+720℃，保温3h，空冷
  05-43   980℃，保温1h，油淬+720℃，保温3h，空冷
  05-44   980℃，保温1h，油淬+720℃，保温3h，空冷+705℃，保温8h，炉冷
本发明SFC100钢锻件造价还不到不锈钢锻件价格的一半，这将大大降低叶轮的制造成本，同时本发明钢种加工性能也远优于不锈钢。SFC100钢经热处理后具有高的综合力学性能及高的硫化氢应力腐蚀抗力，完全可以代替原有的FV520(B)、HUS100、SG100不锈钢作为空气、氮气、高压氢及含硫化氢等介质下服役的叶轮材料。新旧钢种的技术经济指标比较见表5。
表5新旧钢种的技术经济指标比较
  项目   FV520(B)、HUS100、SG100 SFC100
力学性能   σ<sub>0.2</sub>≥980MPa，σ<sub>b</sub>≥1030MPa，δ<sub>5</sub>≥12％，Ψ≥35％，a<sub>ku</sub>≥55J/cm<sup>2</sup> σ<sub>0.2</sub>≥980MPa，σ<sub>b</sub>≥1030MPa，δ<sub>5</sub>≥12％，Ψ≥35％，a<sub>ku</sub>≥55J/cm<sup>2</sup>
  H<sub>2</sub>S应力腐蚀断裂临界应力 门坎值σ<sub>th</sub>＝420MPa 门坎值σ<sub>th</sub>＝425MPa
切削加工性能   切削加工性能较差，生产效率低，刀具磨损快 易切削，切削加工效率提高，刀具寿命延长
  氮化工艺性能   难氮化、氮化层薄，脆性高 易氮化，氮化层厚，脆性低
焊接工艺性能   可焊，焊接材料价格昂贵，单价120～140元/千克 可焊，焊接材料价格便宜，单价50～70元/千克
  锻件制造成本   锻件毛坯价格为65300元/吨 锻件毛坯价格为30000元/吨

Claims (4)

1、一种用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：
C 0.17～0.20％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.5～1.3％，S≤0.025％，P≤0.03％，Cr1.8～2.5％，Mo 0.90～1.01％，Nb 0.01～0.15％，B 0.0001～0.003％，V 0.1～0.3％，Fe余量。
2、按照权利要求1所述的用于离心压缩机叶轮的高强度低碳合金结构钢的制备方法，包括熔炼、热处理工艺，其特征在于所述热处理工艺包括如下步骤：
(1)在980℃±10℃下，按工件有效厚度每100mm保温2.0～2.5小时，油冷或风冷；
(2)根据叶轮力学性能要求在570～730℃范围内选取回火温度，按工件有效厚度每100mm保温3.0～3.5小时，空冷。
3、按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)之后，根据技术要求还包括如下步骤：
在705℃±10℃下，保温6～8小时，炉冷或空冷。
4、按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)之后，采用临界区热处理来达到技术要求。
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1Cr17Ni2不锈钢韧化工艺的研究. 谭朝鑫.材料保护，第1989年08期. 1989
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