CN102191438A

CN102191438A - 一种高压无缝气瓶用钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN102191438A
Application number: CN 201010128344
Authority: CN
Inventors: 杨才定; 张汉谦
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明提供一种高压无缝气瓶用钢板，其特征在于，以重量百分比计，包含以下组分：C：0.28～0.40％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.50～1.50％、S：≤0.010％、P：≤0.015％、Cr：≤1.20％、Mo：≤0.50％、Ni：0.10～0.50％、Ti：0.010～0.030％、Al：≤0.050％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明还提供该钢板的制造方法，包括冶炼、热轧、卷取、保温、淬火、回火工序。本发明钢板经调质热处理后屈服强度高于990MPa，抗拉强度超过1100MPa，且-50℃冲击功达到40J/cm²以上，可用于制造各类压缩气体钢瓶，尤其是高压气瓶。

Description

一种高压无缝气瓶用钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料，具体地说，本发明涉及一种高压无缝气瓶用钢板及其制造方法。

背景技术

传统无缝气瓶的制作是通过钢坯穿孔、拉拔等工序实现，用钢坯制造的无缝气瓶存在钢瓶壁过厚、钢瓶自身重量大、装载效率低的缺点。传统气瓶用钢一般是低碳钢，采用正火处理，强度一般只有500MPa左右，低碳微合金钢正火强度也只有600MPa左右。钢瓶的强度决定了承压能力，通常充气压力不超过150kgf/cm²，对于车载气瓶来说，由于充气压力低充气量少，限制了一次充气的行驶距离，需要频繁充气，实用性有待提高。出于节能目的，车载气瓶要求自身重量小，以达到降低能耗的目的；气瓶充气压力要高，增加燃料装载量以延长一次充气行驶里程，如常用压缩天然气车载气瓶的公称工作压力达到200kgf/cm²，气瓶水压试验则要达到300kgf/cm²，对气瓶材质的强度提出了更高的要求。所以，对于车载气瓶或工业气瓶来说，不仅要求钢瓶材质具有强度高，韧性好的特点，满足规定充气压力下的安全要求，而且要求钢瓶自身重量轻，这样才能达到节能降耗的目的。为此，需采用调质型的钢种制造气瓶。气瓶制造时钢板先经过正火处理，再经过3次高温旋压成形，每次成形后需要进行正火降低强度和改善塑性以利于下一道次旋压成形，最终制作成无缝气瓶。气瓶成形后通过调质热处理提高强度，使调质态屈服强度超过990MPa，抗拉强度等级达到1100MPa以上；同时，按照淬火回火型气瓶相关标准ISO9809-2，对于直径140mm以上的气瓶，钢板厚度为7.5-12mm时要求-50℃冲击值达到40J/cm²以上。

传统的气瓶常用钢坯经过冲压、拉拔等工艺制造，其缺点较为明显，如钢瓶壁厚，特别是钢瓶底部较厚，使钢瓶自身重量大，当用作压缩天然气车载气瓶时因重量大不利于节能，而且冲压制造的钢瓶表面质量较差，需要经过多道次表面处理工艺，生产效率较低。传统钢瓶在正火态使用时，低碳钢的强度一般不超过500MPa，低碳微合金钢的强度也只有600MPa左右，因强度较低限制了充气压力。而采用钢板经过多次旋压成形的制造工艺，可减小钢瓶壁厚降低重量，并且钢瓶成形后再经调质热处理后提升强度，可满足充气压力达到300kgf/cm²的车载气瓶或其他工业气体用气瓶的要求。

现在国内外关于气瓶用钢的制造方法已形成多项专利，钢种主要是低合金钢，主要添加Cr、Mo等合金元素，多数属于低碳或中低碳钢，而且多以正火型钢板见多。对关键词为“((GAS CYLINDER)OR(PRESSURE VESSEL)AND(STEEL OR PLATE))(气瓶+钢)”进行检索结果分析如下：

1、中国专利文献CN1865480(一种具有良好冲压性能薄规格气瓶钢及其生产方法)公开了一种具有良好冲压性能薄规格气瓶钢，其成分重量百分配比为：0.08～0.12％C，≤0.05％Si，1.00～1.20％Mn，≤0.025％P，≤0.015％S，0.010～0.020％Nb，0.010～0.030％Ti，0.015～0.060％Al，≤60ppm N，其余为Fe和钢中不可避免的杂质。

2、中国专利文献CN00110094.7(一种高强度钢气瓶)公开了一种钢气瓶，可用于装配消防器材，具有强度高、重量轻的特点，化学成分为(wt％)：C：0.30～0.34，Si：0.20～0.35，Mn：0.50～0.70，P≤0.015，S≤0.010，Cr：0.90～1.10，Ni：1.60～1.90，Mo：0.65～0.80，V：0.08～0.15，P+S≤0.020，这种钢属于中碳低合金钢，加入了Cr、Ni、Mo、V等多种合金元素。

3、中国专利文献CN88105870.X(高压气瓶钢)公开了一种正火型的气瓶钢，成分为：0.27～0.36％C，0.20～0.40％Si，1.50～1.80％Mn，≤0.040％P，≤0.040％S，0.07～0.14％V，其余为铁。该种气瓶钢只需通过简单的正火热处理后，就能获得很好的综合机械性能，使其制造的高压气瓶瓶壁减薄，因而具有制造成本低，工艺简单，节省能源和设备投资等优点。

4、日本专利文献JP11036043A(具有优良蠕变脆性和再热裂纹抗力的高温高压容器钢)公开了一种低碳合金钢，其化学成分为：C：0.03～0.20％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.5～2.0％，Ni：0.2～1.5％，Mo：0.3～1.0％，Cr：0.05～0.50％，V：0.01～0.05％，B：0.0003～0.003％，并添加Ca、Mg、稀土等元素，以提升抗蠕变和再热裂纹性能。

5、日本专利文献JP55041960A(Cr-Mo压力容器钢)公开了一种Cr-Mo合金钢，并用V、Nb微合金化，其成分为；C：0.08～0.20％，Si：≤0.10％，Mn：0.20～0.90％，Cr：1.00～3.50％，Mo：0.40～1.50％，可加0.01～0.10％的V或Nb。其成分设计通过降S改善韧性，降Si改善脆性敏感性，并且添加V或Nb弥补了因降Si造成的强度降低。

6、日本专利文献JP55100963A(Ni-Cr-Mo型高强高韧压力容器钢)所涉及钢显著提高其Cr、Ni合金含量，同时降低Mn含量，使钢中的P、Sb、Sn、As等有害杂质元素保持在较低水平从而降低回火脆性的敏感性，配合特殊热处理工艺保证优良的强度和韧性。

7、日本专利文献JP61250152A(锅炉和压力容器用高强高韧正火型低碳钢板)公开了一种在正火状态使用的低碳钢，钢板正火处理后含20～85％贝氏体组织，其成分为：0.01～0.12％C，0.05～1.0％Si，0.20～1.50％Mn，0.05～0.19％Cu，0.05～0.40％Ni，0.05～0.39％Cr，0.45～1.00％Mo，0.0003～0.0020％B。该钢的碳含量低，有优良的抗焊接裂纹性能，加入Cu、Ni元素，有优良的腐蚀和蠕变性能。

8、法国专利文献FR2568894(高强高韧压力容器钢制造方法)公开了一种独特的热处理方法生产压力容器钢，板坯在1200℃加热，累计压下量大于30％并且终轧温度在1050℃以上，钢板轧后直接淬火和回火处理。其成分是低碳合金钢，以Cr、Ni、Mo作为主要合金元素，可以加V、Nb、Ti、B的一种和数种。

9、日本专利文献JP57120652A(高强韧性压力容器钢)公开了一种高温强度优良的容器钢，适当提高Mn含量，以Cr、Mo合金化，可以选用Cu、Ni等元素增加淬透性并提高强度。该钢采用低碳设计，加入Cu元素。

表1为上述专利文献所涉及钢的合金设计和工艺控制的比较。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压无缝气瓶用钢板，本发明的另一个目的在于提供该钢板的制造方法，通过成分优化和适当的热处理工艺，使其屈服强度高于990MPa，抗拉强度超过1100MPa，且-50℃冲击功达到40J/cm²以上，可用于制造各类压缩气体钢瓶，尤其是高压气瓶。

本发明的第一个方面提供一种高压无缝气瓶用钢板，其特征在于，以重量百分比计，包含以下组分：C：0.28～0.40％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.50～1.50％、S：≤0.010％、P：≤0.015％、Cr：≤1.20％、Mo：≤0.50％、Ni：0.10～0.50％、Ti：0.010～0.030％、Al：≤0.050％，余量为铁和不可避免的杂质。

根据本发明的高压无缝气瓶用钢板，其屈服强度≥990MPa，抗拉强度≥1100MPa，-50℃冲击值≥40J/cm²。

本发明钢板成分设计的理由如下：

碳：碳是钢中的主要强化元素，是奥氏体转变成马氏体强化相所必不可少的元素，合适的碳含量可稳定高温下亚稳奥氏体，使钢种具有合适的临界冷速。若钢中碳含量过低，则奥氏体稳定性不足，淬火时不易淬透，达不到所需强度要求；若碳含量过高，则易生成脆性相。为了达到抗拉强度的要求，本发明碳的含量以0.28～0.40％为宜。

硅：硅在钢中起固溶强化作用，其含量较多时能抑制碳化物的析出，提高韧性，钢中加硅可提高钢质纯净度，起脱氧作用，但过高的硅含量会影响板坯表面质量并影响产品的韧性，使其变脆，给成型带来难度。因此，本发明中硅含量以0.20～0.40％为宜。

锰：锰是固溶强化元素，能提高奥氏体稳定性并降低奥氏体相变温度，在钢中主要起固溶强化作用，有利于提高奥氏体转变组织强度，但锰含量过高时容易引起偏析。因此，本发明锰含量以0.50～1.50％为宜。

硫和磷：硫和磷在钢中属于杂质元素，应尽可能降低其含量。硫在钢中会与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此本发明中控制硫含量在0.010％以下；磷也是钢中的有害元素，会严重损害钢板的塑性和韧性，提高韧脆转变温度，所以其含量控制在0.015％以下。

铬和钼：铬在钢中主要用来延迟奥氏体转变孕育时间，提高淬透性，使铁素体、珠光体转变后移，在冷却过程中抑制该类组织形成，使钢在冷速不高的情况下直接进入马氏体相变区。钼是所有其他合金元素中对淬透性影响最大的元素，显著推迟珠光体转变。因此本发明中控制铬含量≤1.20％，钼含量≤0.50％，气瓶常用的12mm以下厚度的钢板在油冷条件下也能淬透，得到马氏体组织。

镍：作为高压气瓶用钢，韧性是至关重要的一项指标。镍同样是提高淬透性的合金元素之一，同时镍可显著改善韧性，尤其是低温韧性。本发明中控制镍含量为0.10～0.50％。

钛：钛是一种强烈的碳氮化物形成元素，钛的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN和TiC可有效抑制奥氏体晶粒长大。但若钛含量过高，则形成的氮化钛粗大，且钢中固溶的碳量减少，不利于获得良好的强韧性匹配。因此，本发明中钛的含量以0.010～0.030％为宜。

铝：铝是钢中主要的脱氧元素，有利于细化晶粒，一般的钢中均含有一定量。本发明中加入的铝主要用来脱氧和细化晶粒，其铝含量以不超过0.050％为宜。

本发明的第二个方面提供所述高压无缝气瓶用钢板的制造方法，其特征在于，包括冶炼、热轧、卷取、保温、淬火、回火工序。

根据本发明的高压无缝气瓶用热轧钢板的制造方法，优选的是，所述热轧工序中，均热温度为1180～1300℃，终轧温度为800～950℃。

根据本发明的高压无缝气瓶用热轧钢板的制造方法，优选的是，所述卷取工序中，卷取温度为600～750℃。

根据本发明的高压无缝气瓶用热轧钢板的制造方法，优选的是，所述保温工序中，保温温度为850～920℃，保温时间为3min/mm且≥15分钟。

根据本发明的高压无缝气瓶用热轧钢板的制造方法，优选的是，所述淬火工序中，将钢板保温浸入淬火油或水中冷却至100℃以下。

根据本发明的高压无缝气瓶用热轧钢板的制造方法，优选的是，所述回火工序中，回火温度为540-650℃，回火时间为120分钟。

本发明的有益效果为：

本发明钢板的成分设计易于实施，通过Cr、Mo合金化处理有效推迟奥氏体转变，对冷却速度要求不高，采用油淬方式即可使厚度12mm以下的钢板均能淬透，得到马氏体强化相；对淬火加热温度不敏感，在850-920℃较为宽松的温度范围均可加热，并得到所需的马氏体组织；回火温度范围宽，可在540-650℃回火，在此温度区间回火处理，屈服强度不低于990MPa，抗拉强度超过1100MPa，-50℃冲击值达到40J/cm²以上，并可根据需要通过回火温度调整强度指标，满足不同用途气瓶的性能需求。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

按照设计化学成分用真空感应炉冶炼，以Cr、Mo进行合金化，同时少量添加Ni、Ti，以实现强韧性的合理匹配。实施例1-10中钢板的成分如表2所示。

表2实施例1-10中钢板的成分(wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Mo	Ni	Ti
											1	0.28	0.35	1.50	0.005	0.003	0.046	1.18	0.50	0.48	0.029
2	0.30	0.32	1.35	0.010	0.005	0.032	1.05	0.38	0.30	0.025
											3	0.34	0.28	0.72	0.010	0.002	0.045	1.00	0.25	0.27	0.022
4	0.31	0.39	0.74	0.011	0.005	0.026	0.81	0.29	0.10	0.010
											5	0.36	0.25	0.99	0.010	0.003	0.039	0.94	0.19	0.17	0.016
6	0.38	0.26	0.50	0.009	0.003	0.037	0.83	0.11	0.26	0.025

7	0.40	0.25	0.55	0.007	0.003	0.041	0.94	0.18	0.45	0.030
											8	0.35	0.20	0.65	0.008	0.006	0.025	0.99	0.18	0.39	0.018
9	0.33	0.26	0.70	0.010	0.002	0.022	1.04	0.35	0.36	0.028
											10	0.39	0.27	0.78	0.013	0.005	0.036	1.11	0.20	0.35	0.020

对实施例1-10所得钢板进行热轧，坯料厚度250mm，坯料均热温度1180～1300℃，保证坯料中心烧透并保温足够时间使组织均匀化。坯料保温结束后立即轧制，经过多道次连续轧至成品厚度6～12mm，轧制时控制终轧温度范围为800～950℃，轧制完成后钢板空冷或喷水冷却，钢板温度降至600～750℃时进行卷取，再缓冷至室温。对热轧态钢板采用热处理调整力学性能，钢板在850～920℃加热，保温时间按照3min/mm设定，并保证最短保温时间不低于15分钟，钢板保温结束立即浸入淬火油或水中冷却至100℃以下。淬火钢板再进行回火处理，回火温度540～650℃回火，回火保温时间120分钟，回火结束出炉空冷至室温。

实施例1-10中钢板的热处理工艺参数和性能如表3所示。

表3实施例1-10中钢板的热处理工艺参数和性能

	淬火温度℃	回火温度℃	屈服强度MPa	抗拉强度MPa	延伸率％
						1	920	540	995	1105	20.0
2	900	550	990	1110	18.5
						3	860	580	1010	1120	15.5
4	860	580	1000	1150	15.2
						5	900	600	1040	1175	13.0
6	880	600	1050	1155	16.3
						7	850	650	995	1130	12.8
8	880	610	1000	1170	13.5
						9	870	590	1005	1125	15.8
10	850	640	1000	1135	15.0

由表3可以看出，所得钢板的热处理态屈服强度均超过990MPa，抗拉强度均超过1100MPa。

选择厚度为8～12mm的实施例钢板进行淬火回火调质热处理，加工冲击试样尺寸为7.5×10×55mm，实施例1-10中钢板在-50℃低温冲击性能如表4所示。

表4实施例1-10中钢板的调质态冲击性能

	厚度	冲击值J/cm²(-50℃)	FA％
				1	8	65	100
2	8	57	100
				3	10	62	90
4	10	45	70
				5	10	47	70
6	12	50	80
				7	12	42	65
8	12	52	70
				9	12	61	90
10	12	46	80

由表4可以看出，所得钢板的调质态冲击性能良好，-50℃实物冲击值超过40J/cm²。

本发明通过优化通常气瓶用Cr-Mo合金钢的成分，利用热连轧机组生产一种高强度热轧钢板，用此钢板采用旋压法制造的无缝气瓶经调质热处理后屈服强度高于990MPa，抗拉强度超过1100MPa，且-50℃冲击功达到40J/cm²以上，产品可用于制造各类压缩气体钢瓶，尤其是高压气瓶。

Claims

1.一种高压无缝气瓶用钢板，其特征在于，以重量百分比计，包含以下组分：C：0.28～0.40％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.50～1.50％、S：≤0.010％、P：≤0.015％、Cr：≤1.20％、Mo：≤0.50％、Ni：0.10～0.50％、Ti：0.010～0.030％、Al：≤0.050％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高压无缝气瓶用钢板，其特征在于，其屈服强度≥990MPa，抗拉强度≥1100MPa，-50℃冲击值≥40J/cm²。

3.一种高压无缝气瓶用钢板的制造方法，所述钢板以重量百分比计包含以下组分：C：0.28～0.40％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.50～1.50％、S：≤0.010％、P：≤0.015％、Cr：≤1.20％、Mo：≤0.50％、Ni：0.10～0.50％、Ti：0.010～0.030％、Al：≤0.050％，余量为铁和不可避免的杂质，其特征在于，包括冶炼、热轧、卷取、保温、淬火、回火工序。

4.如权利要求3所述高压无缝气瓶用钢板的制造方法，其特征在于，所述热轧工序中，均热温度为1180～1300℃，终轧温度为800～950℃。

5.如权利要求3所述高压无缝气瓶用钢板的制造方法，其特征在于，所述卷取工序中，卷取温度为600～750℃。

6.如权利要求3所述高压无缝气瓶用钢板的制造方法，其特征在于，所述保温工序中，保温温度为850～920℃，保温时间为3min/mm且≥15分钟。

7.如权利要求3所述高压无缝气瓶用钢板的制造方法，其特征在于，所述淬火工序中，将钢板保温浸入淬火油或水中冷却至100℃以下。

8.如权利要求3所述高压无缝气瓶用钢板的制造方法，其特征在于，所述回火工序中，回火温度为540-650℃，回火时间为120分钟。