CN101553590B - 钢坯的变形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢坯的变形方法，特别涉及包含锻造以获得具有良好机械性能的钢坯的变形方法。所得产品尤其可用于制造压力设备元件。

Description

钢坯的变形方法
本发明涉及钢坯，特别是用于制造至少一个压力设备元件的坯的变形方法。
现有技术
用于制造能承受4,000-10,000巴压力的压力设备元件，尤其包括用于构成压力设备元件的后膛螺锁、套筒或管的超高性能钢已经研发了很多年。这些钢应满足具有定义非常严格的组分质量及很好的机械性能，特别是在低温下，具有非常高的屈服点和优良的屈服点/韧性比。
获得很低的硅和锰含量，但相对高的铬、钼和镍含量是非常必要的。
现有技术中提出了不同的组分以得到满足这些机械性能的钢，但这些钢的机械性能应该进一步提高。专利DE 195 31 260 C2对这些钢进行了特别描述。因此，应当改善钢的组成及其机械性能，特别是低温下的屈服点和屈服点/韧性比。
当希望用这样的钢制得具有非常高的屈服点和/或良好的低温屈服点/韧性比的管时，通常的变形方法不可能得到最优机械性能，特别是在承受4,000-10,000巴压力的压力设备领域内。
另一方面，通常所知的方法具有与重要的工业活动不一致的持续期。专利DE 195 31 260中描述的方法就是很明显的例子，该方法包括奥氏体化步骤及随后进行的100-200小时的珠光体退火步骤。
发明目的
本发明的目的在于解决上述技术问题，特别是要提供适于制造压力设备元件且具有一定机械性能，特别是低温下的屈服点和最优屈服点/韧性比折衷的钢组分。
本发明的主要目的在于解决上述技术问题，特别是提供具有上述组分及良好机械性能，特别是包括很高屈服点和良好延展性的钢管的变形方法。
本发明的目的尤其在于，根据成本效益和生产时间通过工业实施方法，在制造压力设备元件范围内解决此技术问题。
发明的描述
具体地，本发明涉及钢组分，其主要包括：
碳：0.35-0.43，
锰：＜0.20，
硅：＜0.20，
镍：3.00-400
铬：1.30-1.80，
钼：0.70-1.00
钒：0.20-0.35，
其余是铁。
以总组分及控制在较低水平、不可避免的杂质的重量百分比计，杂质尤其包括：通常主要由原材料引入的铜(优选＜0.100)；铝(优选＜0.015)；硫(优选＜0.002)；磷(优选＜0.010)；锡(优选＜0.008)；砷(优选＜0.010)；锑(优选＜0.0015)和通常主要在制造工艺中引入的钙(优选＜0.004)，分子氧(优选＜0.004)；分子氢(优选＜0.0002)和分子氮(优选＜0.007)。这种钢能够满足承受4,000-10,000巴压力的压力设备元件特别是诸如压力装置上的后膛螺锁、套筒或管如炮管所需的机械性能。
令人惊奇地发现，解决上述技术问题，尤其是获得具有非常高的屈服点及良好的低温屈服点/韧性比的上述钢组分是可能的。在钢元件的最大截面，尤其是管状或圆柱形上，其锻造比小于或等于5，优选为约4.5。
因此，本发明描述了基本上呈管状或圆柱状的钢坯的变形方法，该钢坯主要包括如下成分：
碳：0.35-0.43，
锰：＜0.20，
硅：＜0.20，
镍：3.00-4.00，
铬：1.30-1.80，
钼：0.70-1.00
钒：0.20-0.35，
其余是铁。
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，杂质包括分子氮(优选N2＜70ppm)，分子氧(优选O2＜30ppm)和分子氢(优选H2＜2ppm)，
所述方法包括通过锻造变形坯的步骤，以保证基本上呈管状或圆柱状的最厚截面的锻造比小于或等于5，优选小于或等于4.5。
令人感兴趣的是，通过锻造实现上述钢的变形包括升温足够时间以减少钢内偏析。在锻造前保持铸锭温度不仅保证了化学均一性，还可以提高机械性能。
可以在可避免裂缝的温度下进行至少一次加热操作以便造管，并可以得到锻造比小于或等于5，优选小于或等于4.5。
基本上呈圆柱形的坯是指例如具有多边形或平滑圆柱体的坯。优选地，管可以在锻造后通过钻孔获得。
因此，可制得至少80mm内径的管。例如，可制得用作炮管且内径为105mm、120mm、140mm和155mm，并具有良好机械性能的管。其厚度通常大于100mm，外径高达400mm。
优选地，为改良钢的结构，所述方法包括锻造后退火。
优选地，为改良钢的结构，退火操作包括正火步骤，尤其是通过保持温度不低于900℃，如50mm厚的钢管至少需要1小时，然后空气冷却到约400℃。
在锻造和/或正火步骤后，控制冷却速率有利于提高材料的机械性能。
优选地，当分子氢含量需要这样的处理时，退火包括抗剥落退火步骤，该步骤包括保持温度约650℃。
优选地，所述方法至少包括随炉冷却，以避免冷却时尤其是在正火或抗剥落退火过程中的裂化危险。
优选地，锻造结束时对所得钢筒或管进行热处理，以获得具有基本完全马氏体结构，优选完全马氏体结构的钢筒或管。热处理优选包括在具有适宜冷却能力的液体(如油)中淬火，以得到基本完全马氏体结构并降低裂化危险。热处理优选包括回火以基本达到钢的最高硬度。热处理优选包括至少一次回火操作，以基本上使得沿钢筒或管的机械性能均一。
即使油淬时，超高机械性能(高屈服点、良好的低温韧性)也能得到保证，这是因为籍此降低了淬火操作中的裂化危险，这是相当有利的。
根据具体实施例，基本上呈管状或圆柱状的钢坯可通过包括电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)在内的钢坯加工方法获得，为优化结构，优选通过减少杂质，并且采用变形后得到的具有优良机械性能的坯。
本发明涉及在上述方法的任何步骤中得到的用于制造压力设备元件的钢坯。
在阅读解释性描述后，本发明的其它目的、特征和优势将清晰地展现于技术专家面前，该解释性描述参考仅以说明性方式给出的实施例，且并不限制本发明的范围。
实施例是本发明的主要部分，在包括实施例在内的作为一个整体的描述中，任何相对于现有技术看起来很新颖的特征，其功能和通用性是本发明的主要部分。
因此，每个实施例具有一个通用范围。
另一方面，在实施例中，除有另外说明，全部百分比均以重量记，除有另外说明，温度以摄氏度给出，并且除有另外说明，压力均是大气压力。
实施例
实施例1：变形：锻造
一种(或多种)基本上呈管状或圆柱状的钢坯主要包括下列成分：
碳：0.37-0.42
锰：＜0.15
硅：＜0.100
镍：3.50-3.80
铬：1.50-1.70
钼：0.70-1.00
钒：0.25-0.30，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，杂质包括分子氧(优选＜0.004)，分子氢(优选＜0.002)和分子氮(优选＜0.007)，
将钢坯变形以获得可用于武器装备中的管，如具有超高屈服点和低温下良好屈服点/韧性比的炮管。
使用气体分析仪在制造过程中和铸造铸锭时对钢的气体含量(O2，N2，H2)进行计量。在加工过程中，使用电化学装置：氧气电池、Hydriss探针对氧气活度和氢分压进行测量。
钢坯经历了如下变形步骤：
1锻造前铸锭加热：
加热铸锭可减少产品的偏析(例如，对8-10吨的铸锭，温度高达约1200℃加热至少10个小时)；
2锻造所得铸锭(例如，为制得120mm内径的管)包括至少一次加热操作，以避免裂缝并得到横截面尤其是最大截面的锻造比小于5，优选小于4.5。
锻造尤其可包括如下步骤：
-第一次加热后，在一定温度如约1200-1230℃下重烧例如至少4个小时。
-进行第二次热拉。
使用此方法，可获得，例如具有如下外部尺寸的圆柱状或管状坯：
-尾部：
-身管：最小总长度＞6300mm
由此获得的尾部锻造比小于等于4.5，这是相当令人惊讶的，因为通常获得的此类型钢的尾部锻造比大于5。
如果坯不是管状，随后进行钻孔以获得所需的管。
优选锻造后进行退火，以获得基本完全马氏体结构，从而在压力设备元件如炮管的应用中具有更好的屈服点。
实施例2：变形：锻造后退火
例如，将实施例1中所得的管锻造后进行退火，以改善钢的微结构(正火步骤)，当通过固态或液态渣电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)方法对坯进行重熔时，采用抗剥落退火不仅避免了冷却时(随炉冷却步骤)的裂化危险，也避免了冷却后剥落或氢缺陷型产品的出现。
实施例3：变形：热处理调质
例如，优选将由实施例2获得的管或圆柱体进行调整以用于包括热处理调质在内的热处理型面。该处理的目的是，在对-40℃的屈服点/恢复力和-40℃的K1c或J1c折衷优化的同时，赋予管或圆柱全部所需的机械性能。
油淬或用其它适宜的冷却液进行淬火可在避免裂化危险的同时，得到完全马氏体结构。热处理调质优选包括第一回火以获得最高的硬度；进行两次回火操作以在提高恢复力水平的同时，确保沿管机械性能的高度均一性。通过进行三次回火操作并在最后回火操作后随炉缓慢冷却，可以确保管的最终平直度及在最后加工中不变形。
例如，热处理调质包括：
-奥氏体化+淬火：
-在低于约450℃的温度下将管放入加热炉中；
-以低于约80℃/h的速率升高温度，例如，升温至高达850℃；
-对120mm的管坯而言，保持温度高于850℃并维持4小时以上；
-通过将油注入孔中进行油淬，直到任一点的温度均低于例如约150℃，然后，空气冷却到例如约80℃。
-第一回火温度高于500℃；
-第二回火温度高于550℃；
-第三回火温度高于500℃。
回火操作可与设定产品旋转垂直进行，以确保适宜的平直度。
在此过程中，可以进行热矫直操作以确保管和圆柱具有适宜的平直度。由此，可得到如下机械性能：
1,350MPa＜Rm＜1,600Mpa；
1,250＜Rp0.2％＜1,450Mpa
A％＞12％；
Z％＞35％；
得到良好的恢复力和低温韧性：
KV(-40℃)＞28J
K1c(ou KQ)(-40℃)＞110Mpa·m1/2
在屈服点(Rp0.2％)下，所得强度和韧性值对应的压力高达1450MPa。它通过选择钢的元素含量(碳、镍、铬、钼、钒)及形变热处理(锻造，热处理)获得。
获得的机械性能实例：
表1：电弧炉(FEA)加工+真空弧脱气(VAD)：

Claims (12)

1.将钢坯变形为管状或圆柱状的方法，所述钢坯具有如下组分，以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，所述杂质包括分子氮、分子氧和分子氢：
碳:0.35-0.43，
锰:<0.20,
硅:<0.20,
镍:3.00-4.00，
铬:1.30-1.80,
钼:0.70-1.00，
钒:0.25-0.35,
其余是铁，
所述方法包括通过锻造将所述坯变形的步骤，以保证基本上呈管状或圆柱状的最厚截面的锻造比小于或等于5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其包括锻造后退火，以改良所述钢的结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述退火包括抗剥落退火步骤，所述抗剥落退火步骤包括保持温度650℃。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于：其至少包括锻造后的随炉冷却，以避免冷却时的裂化危险。
5.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，其特征在于：对前述权利要求中任一权利要求所得的钢筒或管在锻造后进行热处理，以获得具有基本完全马氏体结构的钢筒或管。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述热处理包括油淬或用具有适宜冷却能力的液体淬火，以得到基本完全马氏体结构并降低裂化危险。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述热处理包括第一回火操作，以基本达到钢的最高硬度。
8.根据权利要求5所述的方法，所述热处理包括淬火后的至少一次回火操作，以基本上使得沿所述钢筒或管的机械性能均一。
9.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，其特征在于：通过包括电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)在内的钢坯加工方法获得基本上呈管状或圆柱状的所述钢坯。
10.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述方法包括锻造步骤和/或正火步骤，并且还包括在锻造步骤和/或正火步骤后控制冷却速率以提高所述钢的机械性能。
11.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述方法包括锻造及在锻造前保持铸锭温度，以均质化所述化学组分并提高机械性能。
12.权利要求1-11中任一权利要求定义的方法获得的能够制造压力设备元件的钢坯。
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