CN101676426A - 一种耐热结构钢、其制造方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种耐热结构钢，由以下化学元素(重量％)组成：碳：0.30～0.45％，硅：≤0.25％，锰：0.40～0.72％，钼：0.50～0.70％，铬：0.70～1.70％，钒：0.20～0.40％，Al：0.005～0.050％，铌：0.02～0.20％，Cu：≤0.50％，镍：≤0.20％，钛：≤0.20％，硫≤0.015％，磷≤0.020％，氮，50～150ppm，余量为铁。本发明钢经控制轧制与控制冷却获得珠光体+铁素体的组织，硬度和塑韧性良好，纯洁度高，具有抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，具有较好的高温强度和组织稳定性，可用于制造长期高温下工作的零部件。

Description

一种耐热结构钢、其制造方法及应用

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及黑色金属材料制造加工技术，更具体地涉及耐热结构钢的成分设计及其制造技术。

背景技术

在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。耐热钢包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢是一种合金钢，常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下长期工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。

耐热钢按其组织可分为四类：

(1)珠光体钢：合金元素以铬、钼为主，总量一般不超过5％。其组织除珠光体、铁素体外，还有贝氏体。这类钢在500～600℃有较好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作600℃以下的耐热部件，如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、紧固件及高压容器、管道等。典型钢种有：16Mo，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVTiB，10Cr2Mo1，25Cr2Mo1V，20Cr3MoWV等。

(2)马氏体钢：含铬量一般为7～13％，在650℃以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬12％左右的1Cr13、2Cr13，以及在此基础上发展出来的钢号如1Cr11MoV、1Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。此外，作为制造内燃机排气阀用的4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等也属于马氏体耐热钢。

(3)铁素体钢：含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差，如1Cr13SiAl、1Cr25Si2等。一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。

(4)奥氏体钢：含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在600℃以上工作的热强材料。典型钢种有1Cr18Ni9Ti、1Cr23Ni13、1Cr25Ni20Si2、2Cr20Mn9Ni2Si2N、4Cr14Ni14W2Mo等。

国内外关于中碳耐热结构钢的报道较少(专利检索数据库：中国知识产权网www.cnipr.com。检索式：(STRUCTURE()STEEL AND HEAT()RESIST？)/AB，TI。检索日期：2007年7月18日)。检索情况简介：共检索出信息136条，发明106件、实用新型0件；从发明名称来看，可能相关的信息有6件。检索结果见表1。

专利申请号CN02103951.8、EP 1277848、CN00124164.8、CN01109492.3的发明专利申请均涉及耐热合金结构钢，它们采用V、Nb、Ti、B中的一种或几种元素进行微合金化，碳含量均在0.01～0.35％之间，从化学成分来看很难达到较高强度要求。专利申请号CN88100065、CN90102644.1的发明专利申请均涉及耐热不锈钢，与本发明关系不大。

综上所述，现有耐热结构钢各有特点，但尚存在不足之处：(1)马氏体型耐热钢含铬量一般为7～13％，在650℃以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差，价格昂贵；(2)铁素体型耐热钢有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低且价格昂贵；(3)奥氏体型耐热钢在600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，但价格昂贵；(4)现有珠光体型耐热钢碳含量普遍较低(一般含碳量0.1～0.30％之间)，很难达到较高的强度要求，含Mo量较低，耐高温性能不理想。

因此，本发明的目的在于提供一种具有良好抗氧化性和耐高温气体腐蚀能力、高温强度和组织稳定性较好的耐热结构钢钢。

本发明的目的还在于提供这种耐热结构钢钢的制造方法。

本发明的目的还在于提供这种耐热结构钢钢在制造长期高温下工作的零部件上的应用。

发明内容

本发明的耐热结构钢由以下化学元素(重量％)组成：碳：0.30～0.45％，硅：≤0.25％，锰：0.40～0.72％，钼：0.50～0.70％，铬：0.70～1.70％，钒：0.20～0.40％，Al：0.005～0.050％，铌：0.02～0.20％，Cu：≤0.50％，镍：≤0.20％，钛：≤0.20％，硫≤0.015％，磷≤0.020％，氮，50～150ppm，余量为铁。

本发明的耐热结构钢具有珠光体组织。

本发明的耐热结构钢钢，通过在钢中加入钒、铌等微量合金元素及相应的成分设计，并通过控轧控冷组织控制技术获得珠光体组织的耐热结构钢。

成分设计原理：

碳：是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量。碳还可扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。控制0.30～0.45％的碳含量可以保证获得足够的强度，同时使钢具有良好的耐热性。

铬、铝、硅：这些铁素体形成的元素，在高温下能促使金属表面生成致密的氧化膜，防止继续氧化，是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素。但铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。铬能显著提高低合金钢的再结晶温度，本发明钢铬含量为0.70～1.70％时，强化效果较好。同时，控制Al：0.005～0.050％以及硅≤0.25％可获得优良的耐热性和强韧性。

镍、锰：可以形成和稳定奥氏体。镍能提高奥氏体钢的高温强度和改善抗渗碳性。锰虽然可以代镍形成奥氏体，但损害了耐热钢的抗氧化性。考虑到镍元素的高价格，本发明钢控制≤0.20％的镍和0.40～0.72％的锰。

铌：在钢中能形成细小的NbCN颗粒，钢坯再加热时未溶NbCN颗粒可以阻止奥氏体晶粒的长大；Nb能显著提高钢的再结晶温度，使钢在较高、较大的热变形温度范围进行未再结晶控轧，促进晶粒的细化，提高钢的强韧性。0.02～0.20％的铌能较好地起到上述的作用。

钼：相对于其它合金元素，钼原子很大。它是非常有效的强化剂，可提高钢的蠕变强度到能够在600℃左右使用的程度。钼原子体积之大有效地阻止了砷原子向晶界的迁移，从而防止了回火脆性。钼还能降低钢中氢的活度，大大降低钢的吸氢倾向；并可强烈地阻碍碳化物的形核和长大，减少钢中的储氢陷阱；同时也可阻止氢扩散并使氢致开裂的程度减低到极小。本发明钢加入0.50～0.70％的钼是最经济有效的含量。

钛：作用与铌相似，但它是更强的碳氮化物形成元素，细小的TiCN颗粒有效阻止钢坯再加热时奥氏体晶粒长大的作用更显著。≤0.20％的钛与钒、铌配合能起到相应的作用。

钒：能产生强烈的弥散析出强化作用，提高钢的强度，并具有与Ti、Nb相类似的阻止奥氏体晶粒长大、提高钢的再结晶温度的作用。考虑到其他元素的匹配，0.20～0.40％的钒为理想的含量。

氮：可扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。钢中含铬、锰较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。本发明钢中50～150ppm的氮含量能起到相应的作用。

铝：属于细化晶粒元素。铝元素与上述元素配合可进一步细化晶粒，增加淬透性，并提高强韧性。铝明显降低碳在铁素体中的溶解度，使氢扩散变慢，使碳化物分布更均匀。但过多的铝易增加钢中夹杂物产生的机会，因此0.005～0.050％铝的是本发明钢适宜的含量。

硫、磷：硫、磷是钢中的杂质元素，会显著降低钢的塑性和韧性，必须控制在一定含量之下。本发明钢中，硫控制在0.015％，磷应控制在0.020％以下。铅、锑、铋也是钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量。

本发明耐热钢中的碳、锰、铬、钼为主元素，并配以铌、钒、铝、钛中的一种或几种作为微量合金元素，提高再结晶温度获得细小弥散的析出物。可以有效提高钢的蠕变强度，使其能够在650℃左右的温度范围内使用。

本发明耐热钢的制备方法包括冶炼浇注和热轧工艺，其特征在于：所述热轧工艺中钢坯加热温度1120～1290℃；精轧温度850℃～990℃；并采用控制冷却技术。

上述冶炼浇注工艺具体包括电弧炉冶炼、钢包精炼和连铸浇注步骤：

在60～250吨的电弧炉中进行钢液初炼；相应吨位的钢包精炼；连铸浇注；生产出化学成分符合规定的90×90mm²～460×460mm²断面尺寸的合格连铸坯。

上述热轧工艺包括将合格的连铸坯表面清理后，加热至1120～1290℃均热后出炉；除鳞；在1050～1200℃温度区间内进入初轧机组；890～990℃之间进入多道次的精轧机组；850～780℃温度区间内出精轧机组；在输送线上冷却至≤750℃后进入缓冷区缓慢冷却，冷却速度40～80℃/h。

本发明的有效效果：

1、本发明钢经实施控制轧制与冷却后进行缓冷，获得珠光体+铁素体的组织，热轧线材的硬度在90HRB左右，具有良好的塑韧性。

2、本发明钢纯洁度高：夹杂物级别低(根据GB/T 1056检测可满足：A≤2，B≤2，C≤1，D≤1)；气体含量(氧≤15ppm，氢≤1.5ppm)。

3、本发明钢具有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，较好的高温强度和组织稳定性，抗回火能力强，综合使用寿命优良。同时，耐热性能优良，能承受650℃左右的使用温度，成本低廉、易操作等特点。

实施例

下面用实施例对本发明作进一步阐述。应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

实施例1

某钢铁公司实施本发明，采用二步法工艺流程：第一步：电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→连铸；第二步：轧钢机热加工轧制成线材。

冶炼工艺中控制各种化学成分的含量如表2所示。

表2本发明耐热结构钢的化学成分，wt％

实施例	C	Mn	Si	Cr	Al	Mo	Ni	V	S	Cu	P	Nb	Ti	N(ppm)
															1	0.40	0.60	0.19	1.00	0.023	0.60	0.02	0.29	0.002	0.09	0.015	0.02	0.015	80
2	0.45	0.40	0.25	0.90	0.050	0.64	0.05	0.40	0.002	0.08	0.009	0.06	0.006	60
															3	0.33	0.55	0.10	0.79	0.005	0.59	0.02	0.33	0.005	0.20	0.020	0.18	0.020	90
4	0.42	0.58	0.23	0.70	0.012	0.55	0.06	0.20	0.015	0.25	0.006	0.15	0.008	100
															5	0.38	0.69	0.09	1.49	0.015	0.50	0.05	0.25	0.008	0.49	0.012	0.08	0.002	150
6	0.35	0.65	0.10	1.60	0.008	0.65	0.20	0.29	0.006	0.45	0.013	0.09	0.009	120
															7	0.30	0.72	0.22	1.70	0.045	0.70	0.10	0.38	0.004	0.29	0.018	0.20	0.010	50

注：其他为Fe+不可避免的杂质。

轧钢机热加工轧制工艺：

首先将钢坯加热至1120～1290℃。钢坯均热后出炉，经除鳞后，在1050～1100℃温度区间内进入初轧机组，初轧过程中，一方面使钢坯均匀变形，一方面控制钢坯的降温速度，使钢坯出初轧机组温度控制在1000～1030℃。控制钢坯进精轧机组前的冷却速度，在该过程中使钢中的形变奥氏体完成再结晶。

钢坯在890～990℃之间进入多道次的精轧机组，在奥氏体未再结晶区轧制，轧制过程中控制线材的冷却速度，使其在850～780℃温度区间内出精轧机组，在输送线上冷却至≤750℃后进入缓冷区缓慢冷却。

得到的产品为耐热钢线材，直径为Φ5.5～38mm，热轧硬度为90HRB，晶粒度7～9级，组织为珠光体+铁素体。

产品的力学性能如表3所示。

表3本发明耐热结构钢的力学性能

实施本发明生产的耐热钢线材(盘条)，经国内某汽车和石油设备生产厂制成某耐热零部件，各项性能均符合使用要求，特别是在650℃左右的使用温度下使用寿命相比其他耐热合金结构钢延长。

Claims (7)

1.一种耐热结构钢，由以下化学元素(重量％)组成：碳：0.30～0.45％，硅：≤0.25％，锰：0.40～0.72％，钼：0.50～0.70％，铬：0.70～1.70％，钒：0.20～0.40％，Al：0.005～0.050％，铌：0.02～0.20％，Cu：≤0.50％，镍：≤0.20％，钛：≤0.20％，硫≤0.015％，磷≤0.020％，氮，50～150ppm，余量为铁。

2.如权利要求1所述的耐热结构钢，所述耐热结构钢是通过微量合金元素设计和控轧控冷技术获得的具有珠光体+铁素体组织的耐热结构钢。

3.权利要求1所述耐热结构钢的制造方法，包括冶炼浇注和热轧工艺，其特征在于：所述热轧工艺中钢坯加热温度1120～1290℃；精轧温度850℃～990℃；并采用控制冷却技术。

4.如权利要求3所述的制造方法，其中所述冶炼浇注工艺包括电弧炉冶炼、钢包精炼和连铸浇注步骤。

5.如权利要求3所述的制造方法，其中所述热轧工艺中，出精轧机组的温度为850～780℃之间。

6.如权利要求3所述的制造方法，其中所述控制冷却技术是在输送线上冷却至≤750℃后进入缓冷区缓慢冷却，冷却速度40～80℃/h。

7.权利要求1所述耐热结构钢在制造长期高温下工作的零部件上的应用。