CN101899622A - 一种高压容器用合金钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

高压容器用合金钢，其成分重量百分比为：C 0.27～0.33％、Mn 0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，余Fe及不可避免杂质，杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。本发明冶炼工艺由“真空感应炉+真空自耗炉”取代“电炉或电炉+电渣重熔”，解决原钢种纯净度不够所导致的韧性特别是断裂韧性低的问题；加工工艺由“快锻+径锻，加工比大于10”取代“快锻或汽锤，加工比大于5”，解决原钢种由于锻造不均匀所造成的晶粒度、组织不均匀的问题；调质处理由“淬火+低温回火”取代“淬火+高温回火”，以马氏体组织取代原钢种索氏体组织解决强度不足的问题。

Description

一种高压容器用合金钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及合金结构钢的成分设计和制造，尤其是指高压釜、储运罐等高压容器用钢的合金钢及其制造方法。

背景技术

高压容器用钢，属于合金结构钢。根据使用条件(工作环境)的不同，高压容器用钢可分为中低等级的高压容器用钢、高等级的高压容器用钢。

目前，我国高压容器用钢大多是低、中等级的高压容器用钢，其中低等级钢一般采用CrMn、CrMnSi、CrNiMo系低、中碳低合金结构钢(合金含量不超过5％，其强度低(300-600MPa)、由于采用一般的钢包精炼工艺冶炼，制造成本也很低；中等级的钢以30CrMnSiA为代表，采用电渣重熔工艺冶炼，制造成本稍有增加，强度有所提高(900-1200MPa)但韧、塑性匹配性不够高。

部分用途非常重要(如：制造承受高压及超高压的压力容器、连接件、紧固件仓体部件及其高性能结构部件等等)的高等级高压容器用钢(强度1500MPa以上)，通常采用00Ni18Co9Mo5Ti、00Ni12Mn5Cr4Mo3Al等类型超低碳高合金结构钢(合金含量超过12％)，例如典型的高等级的高压容器用钢00Ni18Co9Mo5Ti虽然强度高、韧塑性好、变形工艺性也很好，但制造成本高，性价比不足，缺乏市场竞争力。

对比同用途的低合金、高合金典型钢种主要技术参数，化学成分见表1；力学性能见表2。

表1化学成分

表2力学性能

发明内容

本发明的目的是设计一种高压容器用合金钢及其制造方法，该合金钢是一个低合金结构钢(合金含量不超过5％，且无贵重金属)，性能达到高等级高压容器用钢要求(强度1500MPa以上)。

本发明的技术方案是：

在30CrMnSiA合金钢的基础上增加Mo、V元素及其Si含量，以解决原钢种沾透性不足、晶粒粗大、回火易脆化的问题；冶炼工艺由“真空感应炉+真空自耗炉”取代原来的“电炉或电炉+电渣重熔”，以解决原钢种纯净度不够所导致的韧性特别是断裂韧性低的问题；加工工艺由“快锻+径锻，加工比大于10”取代原来的“快锻或汽锤，加工比大于5”，以解决原钢种由于锻造不均匀所造成的晶粒度、组织不均匀的问题；调质处理由“淬火+低温回火”取代“淬火+高温回火”，以马氏体组织解决原钢种索氏体组织导致强度不足的问题，该调质工艺是配合本发明钢种达到预期质量效果不可缺少的要素。

本发明制造的高压容器用合金钢，力学性能达到超高级综合性能水平(强度达到1700MPa、屈服强度达到1400MPa、伸长率达到10％、断面收缩率达到50％、冲击韧性50J、断裂韧性达到100MPa√m以上)，远高于常规使用的低合金结构钢，赶上甚至超过了超低碳高合金钢00Ni18Co9Mo5Ti的质量水平(30CrMnSi2MoVA合金钢的原料成本仅为高合金钢的1/10～1/20，性价比远远高于高合金钢)，是优质的高等级且具有很强市场竞争力的高压容器用钢。

具体地，本发明的高压容器用合金钢，其化学成分重量百分比为：C0.27～0.33％、Mn 0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，余Fe及不可避免杂质，其中，杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。

本发明的高压容器用合金钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)真空感应炉冶炼电极

选择纯度大于99％的纯铁和纯度大于99.9％Cr、Mn、Mo、Si、或V纯金属原材料，熔炼的精炼期采用高真空度冶炼，真空度达到2.7Pa以下，保持时间≥40min，使其纯度达到S+P+H+O+N≤150ppm；

2)真空自耗炉重熔成锭

平均熔速370～400Kg/h，真空度达到0.2Pa以下，使其纯度达到S+P+H+O+N≤100ppm；

3)锻造

钢锭加热温度1200℃±10℃，保温至少3小时，加工比(加工前钢锭的截面积与成材后的钢材截面积之比)大于10，开锻首先进行一次墩粗，墩粗量为原来钢锭高度的48％～52％，最后成材火次控制1160±10℃，加工比大于2，整支完成以保持其均匀性；

4)调质处理，淬火+低温回火

油冷淬火，温度920±10℃，保温时间大于1小时；低温回火，温度300±10℃，保温时间大于3小时，空冷。

在本发明的成分设计中：

碳含量0.28～0.33％，不低于0.28％是保证对钢产生一定的强度贡献，不高于0.33％是为了防止碳对钢的可焊性和韧性产生不良影响；

加入1.4～1.7％硅、0.6～1.0％锰、0.80～1.20％铬、0.30～0.50％钼、0.10～0.15％钒可以显著提高钢的沾透性，与碳综合作用形成具有高密度位错、高韧性的板条状马氏体组织，有效提高钢的强度同时保证具有高的韧性配合；

其中，大于1.4％硅改变了回火脆性温度区间，使得该钢的回火脆性温度由传统钢种的200℃提高至350℃，为300℃的低温回火提供了强有力的保障条件，从而有效防止回火脆性的发生，限制不高于1.7％主要是防止该钢塑性降低；钼和钒为强碳化物形成元素，钒也是强氮化物形成元素，钼、钒的加入可以形成碳、氮化物第二相定扎晶界细化晶粒提高韧性，极微小的碳、氮化物第二相还有定扎位错的功能，从而在不损失韧性的前提下进一步提高强度，不低于0.30％钼、0.10％钒是这种功能的需要，不高于0.50％钼、0.15％钒是防止它们与碳形成过多的碳化物而导致钢的强度不足；韧、塑性变差；硫、磷、氢、氧、氮等残余元素对钢的塑性、韧性、尤其是断裂韧性有不良影响，故控制其含量尽量低，以至于要求S+P+H+O+N≤100ppm的超低含量水平。

与现有美国名牌钢种牌号18Ni马氏体时效钢00Ni18Co9Mo5Ti、前苏联名牌钢种牌号30CrMnSiA相比，化学成分作了重大的调整：本发明钢种比00Ni18Co9Mo5Ti钢含C量提高，其它合金元素去除或降低，主要目的是在保持强度、韧性相当的同时，大幅度降低原材料成本，提高实用性并提高市场竞争能力；与30CrMnSiA相比，提高了Si元素的含量、增加了适量Mo、V元素，其目的是在强度大幅度提高的同时，不降低钢材的冷加工塑性和韧性，特别是断裂韧性。

本发明的制造方法中，

1、应钢材超高强度与超高韧性相互匹配的力学性能的苛刻要求，为确保本发明钢冶炼成分的超高纯洁度，炼制专用母合金，同时挑选高纯度合金炉料。保证钢中杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。

2、真空感应炉冶炼电极，首先要选择纯度大于99％的纯铁和纯度大于99.8％Cr、Mn、Mo、Si、V纯金属原材料，进行熔炼，为最大限度的去除有害气体和有害易挥发元素，采取熔炼前期在较高真空度下进行，精炼期采用高真空(真空度应达到2.7Pa以下)并保持40分钟以上精炼时间进行冶炼。强调精炼期必须在高真空度下冶炼足够长的时间，以保证去除气体及其有害杂质元素的有效性。

3、真空电弧重熔(Vacuum Arc Remelting，VAR通常称真空自耗)重熔Ф600钢锭严格控制平均熔速小于400Kg/h，保证钢锭具有优良的结晶状态和表面质量。

控制自耗重熔速度、各个阶段所采用的电流强度、后部钢锭头部的补缩充填，冶炼过程保持极限真空度(0.2Pa以下)进一步去除气体和易挥发有害杂质元素以获得高纯度材质，同时可以满足钢锭优化结晶均质化的要求。保持低于0.2Pa的极限真空度主要是为了进一步去除气体和易挥发有害杂质元素，使其钢锭熔炼的纯度效果可以达到S+P+H+O+N≤100ppm。

4、锻造过程中采用均匀化镦拔处理工艺，加工比大于10，以保证钢材内在组织结构的精细和均匀以及不同方向性能的均衡性。

锻造工艺重点在于加热，钢锭加热温度要1200±10℃，保温3小时以确保透烧，使得可塑性处于最佳状态，再烧温度控制下限，再烧保温时间控制在1小时，为使加工比(加工前钢锭的截面积与成材后的钢材截面积之比)大于10，开锻首先进行一次墩粗，最后成材火次控制1160±10℃，加工比大于2，终锻温度大于850℃，整支完成以保持其均匀性。

本发明的有益效果：

本发明通过成分的改进设计，采用VIM+VAR重熔冶炼工艺结合锻造加工及调质工艺，获得高品质的钢材，抗拉强度Rm≥1700(Mpa)，屈服强度Rp0.2≥1400(Mpa)、延伸率A≥10(％)、面缩率Z≥50(％)、冲击韧性Aku≥55(J)、断裂韧性KIC≥90(MPa√m)。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明：

本发明化学成分实施例见表3，主要冶炼工艺指标见表4，锻、轧工艺参数见表5；热处理工艺参数见表6；

表3本发明实施例的化学成分(wt％)

实施例	C	Mn	Si	P	S	Cr	Mo	V
									1	0.31	0.98	1.64	0.004	0.002	1.13	0.42	0.12
2	0.28	0.87	1.65	0.012	0.004	1.09	0.45	0.14
									3	0.27	0.62	1.55	0.007	0.003	0.85	0.32	0.13
4	0.30	0.78	1.66	0.010	0.004	1.16	0.40	0.10
									5	0.32	0.79	1.42	0.008	0.001	1.10	0.46	0.11

表4本发明实施例的真空感应、电渣重熔冶炼工艺参数

表5本发明实施例的锻造、轧制加热工艺参数

表6本发明实施例的热处理工艺参数

钢材的检验结果见表7、表8，采用特殊热处理规范：油冷淬火+低温空冷回火。

表7本发明实施例的力学性能

表8本发明实施例的宏观、微观质量检验统计

从上表可以看出，本发明制造的高压容器用合金钢，力学性能达到超高级综合性能水平(抗拉强度达到1700MPa、屈服强度达到1400MPa、伸长率达到10％、断面收缩率达到50％、冲击韧性55J、断裂韧性达到90MPa√m以上)，远高于常规使用的低合金结构钢，赶上甚至超过了超低碳高合金钢00Ni18Co9Mo5Ti的质量水平(30CrMnSi2MoVA合金钢的原料成本仅为高合金钢的1/10～1/20，性价比远远高于高合金钢)，是优质的高等级且具有很强市场竞争力的高压容器用钢。

Claims (2)

1.高压容器用合金钢，其化学成分重量百分比为：C 0.27～0.33％、Mn0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，余Fe及不可避免杂质，其中，杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。

2.如权利要求1所述的高压容器用合金钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)真空感应炉冶炼电极

选择纯度大于99％的纯铁和纯度大于99.9％Cr、Mn、Mo、Si、或V纯金属原材料，熔炼的精炼期采用高真空度冶炼，真空度达到2.7Pa以下，保持时间≥40min，使其纯度达到S+P+H+O+N≤150ppm；

2)真空自耗炉重熔成锭

平均熔速370～400Kg/h，真空度达到0.2Pa以下，使其纯度达到S+P+H+O+N≤100ppm；

3)锻造

钢锭加热温度1200℃±10℃，保温至少3小时，加工比大于10，开锻首先进行一次墩粗，墩粗量为原来钢锭高度的48％～52％，最后成材火次控制1160±10℃，加工比大于2，整支完成以保持其均匀性；

4)调质处理，淬火+低温回火

油冷淬火，温度920±10℃，保温时间大于1小时；低温回火，温度300±10℃，保温时间大于3小时，空冷。