CN102505098B - 一种低合金耐热高强钢构件 - Google Patents
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Abstract
本发明是在15CrMo的基础上，合理优化了钢的组分，并通过控制冶炼、轧制、热处理等制备工艺参数，制备得到了高温性能优异，变形量小的构件，构件的室温抗拉强度为610MPa，在600℃下、200MPa应力测试下其有效寿命约为15CrMo的两倍，显著提高了耐热钢的使用温度，热处理后的表面硬度约为750HV，并且硬度超过500HV的硬化层厚度为0.5mm，变形量小，且焊接性也非常优异，可以说在各个方面都超过了15CrMo。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢铁材料及其构件，尤其是一种低合金耐热高强钢及其构件。
背景技术
高温条件下(通常指材料熔点的0.3-0.5倍以上的温度)，具有抗氧化性和足够高温强度以及良好的耐热性能的钢称为耐热钢，而耐热钢中最具代表性的一类是低合金耐热高强钢，例如我国的15CrMo即是一种典型的低合金耐热高强钢，15CrMo因其良好的耐热性能、力学性能、耐腐蚀性能而被广泛使用于锅炉、石油化工、煤转化、汽机轮缸体、火电、核电等使用条件苛刻、腐蚀介质复杂的大型设备的管道、容器、零部件等。
然而随着现代工业的飞速发展，15CrMo耐热高强钢已经越来越难以满足工业设备在强韧性、蠕变性、焊接性等方面更高的要求，优化合金成分、调整冶炼、轧制等生产工程中的工艺参数日益成为人们对于改善15CrMo钢所关注的焦点。同时，由于要获得需要的优异的耐磨性和耐疲劳性等，还需要对其进行渗碳淬火等热处理，而这往往使得产品产生一定的形变而影响产品的尺寸精度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的即在于优化设计15CrMo钢的成分，以及调整冶炼、轧制、热处理等的工艺参数，从而制备得到一种强韧性、耐蚀性、焊接性优异且热处理后变形小的新型低合金耐热高强钢及其构件产品。
本发明所采用的技术方案如下：一种低合金耐热高强钢及其构件，其是通过以下步骤制备得到的，
第一，设计所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.09-0.11，Si 0.06-0.2，Mn 0.06-0.35，Cr 1.3-1.5，Mo 0.35-0.45，P≤0.009，S≤0.006，Ni 0.2-0.4，Cu0.01-0.08，V 0.3-0.4，Nb 0.1-0.2，W 0.2-0.5，Ti 0.005-0.02，余量为Fe和不可避免的杂质；
第二，冶炼浇注，包括电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合化学成分要求 后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂质的上浮去除；
第三，轧制，包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在约1100-1150℃的加热炉中均热至少约4-6小时，轧制的开轧温度约为1000-1100℃、终轧温度约为840-880℃，冷却速度约为5-10℃/s、终冷温度约为650-680℃；
第四，构件的加工，将轧制后的低合金耐热高强钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到构件；
第五，构件的热处理，将构件以竖直的状态放入渗碳处理炉后，加热到约870-900℃，并以约80-100滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在约0.8-0.9％，进行扩散渗碳处理约2-2.5小时，随后将构件预冷到约750-780℃同时降低炉内碳势至约0.7-0.75％并保温约5-10分钟，然后将构件从渗碳炉中取出并在油温为约120-140℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度约为160-180℃，回火时间约为1-1.5小时。
下面对本发明的各个步骤予以解释说明：
第一，化学成分的选取：
C 0.09-0.11％，C的含量与钢的强韧性有直接关系，出于高温韧性以及焊接性能的考虑，将15CrMo的C含量降低，但为保证钢的高温强度，其至少应为0.09％，同时为保证高温韧性特别是焊接性，最多为0.11％。
Si 0.06-0.2％，Si为脱氧元素，要保证脱氧效果，至少应为0.06％，但过多的Si会降低高温韧性，因此最多为0.2％。
Mn 0.06-0.35％，Mn也是脱氧元素，要保证脱氧效果，至少应为0.06％，但其也会严重降低高温韧性和高温强度，因此在15CrMo的基础上进行调整，最多为0.35％。
Cr 1.3-1.5％，Cr对于耐热钢的高温抗氧化性、高温强度以及高温耐腐蚀性而言都有重要作用，增加其含量至1.3％将有助于钢性能的提高，但过量的增加也会降低高温强度及高温韧性，因此最多为1.5％。
Mo 0.35-0.45％，Mo对于蠕变强度的提高有利，还能够提高钢的焊接性，其含量应至少为0.35，但过量的Mo将会降低韧性，因此最多为0.45％
P≤0.009％，S≤0.006％，两种杂质元素，再成本允许的情况下，其含量越低越有利于钢的性能的提高。
此外，在15CrMo的基础上添加适量下列合金元素，以提高其各项性能：
Ni 0.2-0.4％，添加Ni能提高组织的稳定性，其含量至少为0.2％才能发挥较好的作用，但 过量的Ni既不利于节约成本又降低高温延展性，因此最多为0.4％。
Cu 0.01-0.08％，Cu的作用与Ni相似，不再赘述。
V 0.3-0.4％，V能提高蠕变强度，应保证至少为0.3％，但过量添加反而不利于蠕变强度，并且降低焊接性，因此最多为0.4％。
Nb 0.1-0.2％，Nb的作用与V相似，不再赘述。
W 0.2-0.5％，W对蠕变强度的提高作用显著，应保证至少为0.2％，但过量添加降低韧性，因此最多为0.5％。
Ti 0.005-0.02％，Ti的主要作用是提高焊接性能，为保证其发挥作用，至少为0.005％，但过量添加降低韧性，因此最多为0.02％。
第二，冶炼及轧制，通过RH、LF等精炼步骤降低O、P、S等有害元素的含量，通过轧制工艺的调整控制钢的组织结构。
第三，热处理，通过渗碳淬火提高钢的硬度、耐磨性、疲劳性能等，其中工件的放置方式、油温的选择都对构件型变量的起到很好的抑制作用，渗碳淬火、回火的工艺参数，对于构件最终的性能起到决定性的作用。
本发明的优点是：在15CrMo的基础上，合理优化了钢的组分，并通过控制冶炼、轧制、热处理等制备工艺参数，制备得到了高温性能优异，变形量小的构件，特别是由于变形量小，热处理后无需进行再加工。
具体实施方式
下面，通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
一种低合金耐热高强钢及其构件，其是通过以下步骤制备得到的，
第一，设计所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.1，Mn 0.2，Cr 1.2，Mo 0.4，P 0.009，S 0.006，Ni 0.3，Cu 0.05，V 0.35，Nb 0.15，W 0.3，Ti 0.01，余量为Fe和不可避免的杂质；
第二，冶炼浇注，包括电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合化学成分要求后浇注，其中钢包精炼时以5atm的压力进行吹氩5分钟，以有利于杂质的上浮去除；
第三，轧制，包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在1130℃的加热炉中均热至少5小时，轧制的开轧温度为1050℃、终轧温度为860℃，冷却速度为8℃/s、终冷温度为670 ℃；
第四，构件的加工，将轧制后的低合金耐热高强钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到构件；
第五，构件的热处理，将构件以竖直的状态放入渗碳处理炉后，这里的竖直状态是指以构件三维最长的一维尽量保持铅直为准，加热到890℃，并以90滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在0.85％，进行扩散渗碳处理2小时，随后将构件预冷到760℃同时降低炉内碳势至0.7％并保温10分钟，然后将构件从渗碳炉中取出并在油温为125℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度为170℃，回火时间为1.5小时。
本发明的构件的室温抗拉强度为610MPa，在600℃下、200MPa应力测试下其有效寿命约为15CrMo的两倍，显著提高了耐热钢的使用温度，热处理后的表面硬度约为750HV，并且硬度超过500HV的硬化层厚度为0.5mm，变形量小，且焊接性也非常优异，可以说在各个方面都超过了15CrMo。
Claims (1)
1.一种低合金耐热高强钢构件，其是通过以下步骤制备得到的，
第一，设计所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C0.09-0.11，Si0.06-0.2，Mn0.06-0.35，Cr1.3-1.5，Mo0.35-0.45，P≤0.009，S≤0.006，Ni0.2-0.4，Cu0.01-0.08，V0.3-0.4，Nb0.1-0.2，W0.2-0.5，Ti0.005-0.02，余量为Fe和不可避免的杂质；
第二，冶炼浇注，包括电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合化学成分要求后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂质的上浮去除；
第三，轧制，包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在1100-1150℃的加热炉中均热4-6小时，轧制的开轧温度为1000-1100℃、终轧温度为840-880℃，冷却速度为5-10℃/s、终冷温度为650-680℃；
第四，构件的加工，将轧制后的低合金耐热高强钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到构件；
第五，构件的热处理，将构件以竖直的状态放入渗碳处理炉后，加热到870-900℃，并以80-100滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在0.8-0.9％，进行扩散渗碳处理2-2.5小时，随后将构件预冷到750-780℃同时降低炉内碳势至0.7-0.75％并保温5-10分钟，然后将构件从渗碳炉中取出并在油温为120-140℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度为160-180℃，回火时间为1-1.5小时。
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