CN103147010B

CN103147010B - 一种抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件及其生产工艺

Info

Publication number: CN103147010B
Application number: CN201310097191.3A
Authority: CN
Inventors: 是玉丰
Original assignee: WUXI PAIKE HEAVY CASTING AND FORGING CO Ltd
Current assignee: Wuxi Parker new materials Polytron Technologies Inc
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN103147010A

Abstract

本发明是一种抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件及其生产工艺，化学成分：C：0.01-0.03%，Si：0.6-0.8%，Mn：0.9-1.1%，P：＜0.015%，S：＜0.005%，Cr：28.6-28.8%，Mo：0.1-0.3%，Nb：0.06-0.08%，V：0.07-0.09%，Ti：0.005-0.007%，B：0.005-0.007%，Al：0.07-0.09%，Cu：0.03-0.05%，Co：0.014-0.016%，N：0.03-0.05%，复合稀土：0.17-0.19%，余量为Fe。本发明锻件可获得细小、完整及高位错密度的铁素体和奥氏体组织，具有突出的抗氢和抗硫化氢腐蚀性能。

Description

一种抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种锻件及其生产工艺，具体的说是一种抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件及其生产工艺。

背景技术

不锈钢发展有近一百年的历史，随着不锈钢使用领域的扩大、品种不断增加，其使用性能也在扩展，使用质量要求不断提高。石化行业在高氢、高硫和硫化氢条件下工作的关键设备和重要部件需要具有较高的抗氢和抗硫化氢腐蚀性能。国外根据设备工作条件，使用开发抗氢钢锻件较早，对不同材料抗氢、硫和硫化氢腐蚀研究较多，制定了不少标准，根据使用情况还在不断的修正，对材料抗氢、硫和硫化氢腐蚀的认识不断加深，还在不断探索。国内虽然也制定了相关标准，但全面研究和相关资料积累较少；马氏体对应力腐蚀最敏感，在硫化氢环境下最容易产生应力腐蚀开裂，生产工艺中如何避免较多马氏体的形成也是一个长久以来有待解决的一个技术问题；现有技术中，石化行业在高氢、高硫和硫化氢条件下工作的关键设备和重要部件抗氢和抗硫化氢腐蚀性能仍不能达到较高的技术水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

如何保证锻件具有突出的抗氢和抗硫化氢腐蚀性能；

如何保证锻件具有高抗拉强度和高屈服强度；

如何保证锻件具有较小的表面粗糙度，组织更为均匀稳定，极少气孔及沙眼；

如何使钢锻件避免较多马氏体的形成，而获得细小、完整及高位错密度的铁素体和奥氏体组织。

本发明解决以上技术问题的技术方案：

一种抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件，其化学成分重百分比为：C：0.01-0.03%，Si：0.6-0.8%，Mn：0.9-1.1%，P：＜0.015%，S：＜0.005%，Cr：28.6-28.8%，Mo：0.1-0.3%，Nb：0.06-0.08%，V：0.07-0.09%，Ti：0.005-0.007%，B：0.005-0.007%，Al：0.07-0.09%，Cu：0.03-0.05%，Co：0.014-0.016%，N：0.03-0.05%，复合稀土：0.17-0.19%，余量为Fe。

其中，复合稀土的组分质量百分比为：镧：12-15%，铈：15-18%，钪：16-19%，钇：9-11%，钐：7-9%，钕：11-13%，钆：7-9%，镨：1-3%，镝：8-15%，其余镧系元素：1-3%，以上各组分之和为100%。

本发明主要元素的作用及配比依据如下：

硼和稀土元素：申请人通过研究发现，成分中加入适量的硼，硼元素可以偏聚于铁素体和奥氏体晶界缺陷处，可显著提高热加工性能和韧性，但同时发硼的含量不能过多，超过0.007%后会形成各种对热加工性能和韧性不利的含B析出相，但含量0.007%的硼又不足以全部偏聚于铁素体和奥氏体晶界缺陷处，为了克服这一缺陷，申请人通过研究发现，通过加入适量的稀土元素，稀土元素可以进一步偏聚于铁素体和奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，与硼一起发挥作用，从而使铁素体和奥氏体组织更为完整，晶体缺陷大大降低，热加工性能和韧性进一步提高，获得了意想不到的技术效果。

铌：轧制过程中固溶于奥氏体中的Nb和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，Nb是获得薄饼状未再结晶奥氏体的最有效元素，固溶于奥氏体的Nb还能够提高淬透性，回火过程中沉淀析出的碳氮化铌粒子具有沉淀强化作用，由于稀土元素的存在，防止破坏稀土元素的作用，Nb含量应控制在0.06-0.08%，低于0.06%铌的上述作用不明显，高于0.08，则妨碍稀土元素的修补作用。

钛：本发明中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子，可以细化加热过程中铁素体和奥氏体晶粒；Ti含量应控制在0.005-0.007%，低于0.005%所形成TiN数量较少，细化晶粒作用很小；Ti含量较高将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅不能起到细化晶粒作用，而且对铸件韧性有害。

上述的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺，按以下工序进行：选材—下料—锻前加热—锻造—锻后热处理—轧环—轧后回火—冷却—理化检验—超声波探伤—清洁—包装；

锻前加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1160-1180℃加热，到温后保温15-17min，第二段加热温度为920-940℃加热，到温后保温12-14min；

锻后热处理工序采用两次正火加一次回火，第一次正火温度大于第二次正火温度；第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为900-930℃，到温后保温17-19min，第二段加热温度为800-830℃，到温后保温21-23min，然后空冷5-7min后进行第二次正火；第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为720-750℃加热，到温后保温5-7min，第二段加热温度为630-650℃加热，到温后保温15-17min，然后水冷至室温；回火：回火温度740-760℃，到温后保温16-18min，然后进行冷却；

轧环工序中，开轧温度880-980℃，终轧温度为750-880℃，轧后直接淬火冷却，冷速16-18℃/s，终冷温度250-270℃；

轧后回火工序中，回火加热温度为370-390℃，保温时间20-100min；

冷却采用水冷与空冷结合的方法，先采用水冷以4-6℃/s的冷却速率将钢板水冷至560-580℃，然后空冷至470-490℃，再采用水冷以1-3℃/s的冷却速率将钢板水冷至室温。

以上工序中：选材、下料、锻造、理化检验、超声波探伤、清洁和包装都使用现有常用工艺。

本发明锻前加热工序，可以控制奥氏体化温度，高于微合金元素Nb、V的全固溶温度但低于奥氏体发生反常晶粒长大温度，获得细小均匀的原始奥氏体组织，遏制马氏体的形成。

本发明的锻后热处理工序，采用两次正火加一次回火，保证了铁素体和奥氏体纵向组织细化均匀，确保后续工序不损坏细化的组织，进一步减少马氏体的形成；另外，本发明第一次正火温度高于第二次正火温度，使第二次正火不破坏第一次正火的效果，使组织细化效果更为明显；正火采取分段加热，第二段加热在第一段加热的基础上可以减小表面和心部的温度之差，使锻件厚度方向组织细小均匀；正火后回火进一步减小表面和心部的温度之差，从而使表面至心部性能趋于一致；锻后热处理可以达到理想的组织，消除、改善钢锻件化学成分偏析，实现组织均匀性。

本发明的轧环工序，较高的开轧温度，适当降低终轧温度，然后淬火冷却，以合适的冷却速度实现终冷温度250-270℃，可以实施再结晶控轧，从而细化铁素体和奥氏体。

本发明的轧后进行较低温度的回火，回火过程中发生微合金碳氮化物在奥氏体基体中的沉淀析出，这些析出相一方面阻碍位错回复，使基体中位错密度保持在较高水平，另一方面起到沉淀强化作用，能够显著提高铸件的回火稳定性。

本发明的冷却工序冷却通过水冷与空冷结合，先以较慢的冷却速度水冷，然后进行空冷，最后再通过一快一慢的水冷，不仅可提高锻件的韧性和获得较好的综合力学性能，而且使组织更为均匀稳定，极少出现气孔及沙眼，获得细小、高位错密度的铁素体和奥氏体组织。

本发明在化学成分上，采用低碳、多元少量合金以及稀土元素的配合，在生产工艺上，充分利用加热、热处理、轧环、回火和冷却对铁素体和奥氏体状态的调节作用，获得细化的铁素体和奥氏体组织，获得良好的耐蚀性，良好的冷加工性和良好的韧性，同时具有较高的抗拉强度和高屈服强度；本发明铸件的主要性能为：屈服强度≥980，抗拉强度≥1020，延伸率≥13.5%，-40℃冲击功≥125J以上，冷弯性能合格。

具体实施方式

实施例1

本实施例的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.01%，Si：0.6%，Mn：0.9%，P：0.01%，S：0.003%，Cr：28.6%，Mo：0.1%，Nb：0.06%，V：0.07%，Ti：0.005%，B：0.005%，Al：0.07%，Cu：0.03%，Co：0.014%，N：0.03%，复合稀土：0.17%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：12%，铈：18%，钪：19%，钇：9%，钐：7%，钕：11%，钆：7%，镨：1%，镝：15%，其余镧系元素：1%。

本实施例的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件生产工艺，按以下工序进行：选材—下料—锻前加热—锻造—锻后热处理—轧环—轧后回火—冷却—理化检验—超声波探伤—清洁—包装；

锻前加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1160℃加热，到温后保温15min，第二段加热温度为920℃加热，到温后保温12min；

锻后热处理工序采用两次正火加一次回火，第一次正火温度大于第二次正火温度；

第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为900℃，到温后保温17min，第二段加热温度为800℃，到温后保温21min，然后空冷5min后进行第二次正火；

第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为720℃加热，到温后保温5min，第二段加热温度为630℃加热，到温后保温15min，然后水冷至室温；

回火：回火温度740℃，到温后保温16min，然后进行冷却；

轧环工序中，开轧温度880℃，终轧温度为750℃，轧后直接淬火冷却，冷速16℃/s，终冷温度250℃；

轧后回火工序中，回火加热温度为370℃，保温时间20min；

冷却采用水冷与空冷结合的方法，先采用水冷以4℃/s的冷却速率将钢板水冷至560℃，然后空冷至470℃，再采用水冷以1℃/s的冷却速率将钢板水冷至室温。

实施例2

本实施例的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.02%，Si：0.7%，Mn：1.0%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：28.7%，Mo：0.2%，Nb：0.07%，V：0.08%，Ti：0.006%，B：0.006%，Al：0.08%，Cu：0.04%，Co：0.015%，N：0.04%，复合稀土：0.18%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：15%，铈：15%，钪：16%，钇：11%，钐：8%，钕：13%，钆：8%，镨：2%，镝：10%，其余镧系元素：2%。

锻前加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1170℃加热，到温后保温16min，第二段加热温度为930℃加热，到温后保温13min；

第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为920℃，到温后保温18min，第二段加热温度为820℃，到温后保温22min，然后空冷6min后进行第二次正火；

第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为730℃加热，到温后保温6min，第二段加热温度为640℃加热，到温后保温16min，然后水冷至室温；

回火：回火温度750℃，到温后保温17min，然后进行冷却；

轧环工序中，开轧温度920℃，终轧温度为800℃，轧后直接淬火冷却，冷速17℃/s，终冷温度260℃；

轧后回火工序中，回火加热温度为380℃，保温时间50min；

冷却采用水冷与空冷结合的方法，先采用水冷以5℃/s的冷却速率将钢板水冷至570℃，然后空冷至480℃，再采用水冷以2℃/s的冷却速率将钢板水冷至室温。

实施例3

本实施例的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.03%，Si：0.8%，Mn：1.1%，P：0.007%，S：0.004%，Cr：28.8%，Mo：0.3%，Nb：0.08%，V：0.09%，Ti：0.007%，B：0.007%，Al：0.09%，Cu：0.05%，Co：0.016%，N：0.05%，复合稀土：0.19%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：13%，铈：16%，钪：17%，钇：10%，钐：9%，钕：12%，钆：9%，镨：3%，镝：8%，其余镧系元素：3%。

锻前加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1180℃加热，到温后保温17min，第二段加热温度为940℃加热，到温后保温14min；

第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为930℃，到温后保温19min，第二段加热温度为830℃，到温后保温23min，然后空冷7min后进行第二次正火；

第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为750℃加热，到温后保温7min，第二段加热温度为650℃加热，到温后保温17min，然后水冷至室温；

回火：回火温度760℃，到温后保温18min，然后进行冷却；

轧环工序中，开轧温度980℃，终轧温度为880℃，轧后直接淬火冷却，冷速18℃/s，终冷温度270℃；

轧后回火工序中，回火加热温度为390℃，保温时间100min；

冷却采用水冷与空冷结合的方法，先采用水冷以6℃/s的冷却速率将钢板水冷至580℃，然后空冷至490℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率将钢板水冷至室温。

本实施例1-3按抗氢致裂纹（HIC）试验方法，试验方法任选以下其中之一：

⑴执行NACE TM0284标准，实施例1-3三个试样平均值为：CLR≤10%；CSR≤3%；CTR≤1%。

⑵执行NACE TM0284标准，实施例1-3三个试样平均值为：CLR≤10%；CSR≤3%；CTR≤1.5%。

⑶执行GB8650标准，实施例1-3三个试样平均值为：CLR≤5%；CSR≤0.5%；CTR≤1.5%；

本施例1-3的抗硫化物应力腐蚀试验（SSCC）试验执行GB4157标准均达到要求。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺，所述抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的化学成分重量百分比为：C：0.01-0.03%，Si：0.6-0.8%，Mn：0.9-1.1%，P：＜0.015%，S：＜0.005%，Cr：28.6-28.8%，Mo：0.1-0.3%，Nb：0.06-0.08%，V：0.07-0.09%，Ti：0.005-0.007%，B：0.005-0.007%，Al：0.07-0.09%，Cu：0.03-0.05%，Co：0.014-0.016%，N：0.03-0.05%，复合稀土：0.17-0.19%，余量为Fe；

其特征在于：

抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺按以下工序进行：选材—下料—锻前加热—锻造—锻后热处理—轧环—轧后回火—冷却—理化检验—超声波探伤—清洁—包装；

所述锻前加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1160-1180℃，到温后保温15-17min，第二段加热温度为920-940℃，到温后保温12-14min；

所述锻后热处理工序采用两次正火加一次回火，第一次正火温度大于第二次正火温度；

所述第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为900-930℃，到温后保温17-19min，第二段加热温度为800-830℃，到温后保温21-23min，然后空冷5-7min后进行第二次正火；

所述第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为720-750℃，到温后保温5-7min，第二段加热温度为630-650℃，到温后保温15-17min，然后水冷至室温；

所述回火：回火温度740-760℃，到温后保温16-18min，然后进行冷却；

所述轧环工序中，开轧温度880-980℃，终轧温度为750-880℃，轧后直接淬火冷却，冷速16-18℃/s，终冷温度250-270℃；

所述轧后回火工序中，回火加热温度为370-390℃，保温时间20-100min；

所述冷却采用水冷与空冷结合的方法，先采用水冷以4-6℃/s的冷却速率将钢板水冷至560-580℃，然后空冷至470-490℃，再采用水冷以1-3℃/s的冷却速率将钢板水冷至室温。

2.如权利要求1所述的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺，其特征在于：所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：12-15%，铈：15-18%，钪：16-19%，钇：9-11%，钐：7-9%，钕：11-13%，钆：7-9%，镨：1-3%，镝：8-15%，其余镧系元素：1-3%，以上各组分之和为100%。

3.如权利要求1或2所述的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺，其特征在于：其化学成分的质量百分比为：C：0.01%，Si：0.6%，Mn：0.9%，P：0.01%，S：0.003%，Cr：28.6%，Mo：0.1%，Nb：0.06%，V：0.07%，Ti：0.005%，B：0.005%，Al：0.07%，Cu：0.03%，Co：0.014%，N：0.03%，复合稀土：0.17%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：12%，铈：18%，钪：19%，钇：9%，钐：7%，钕：11%，钆：7%，镨：1%，镝：15%，其余镧系元素：1%。

4.如权利要求1或2所述的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺，其特征在于：其化学成分的质量百分比为：C：0.02%，Si：0.7%，Mn：1.0%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：28.7%，Mo：0.2%，Nb：0.07%，V：0.08%，Ti：0.006%，B：0.006%，Al：0.08%，Cu：0.04%，Co：0.015%，N：0.04%，复合稀土：0.18%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：15%，铈：15%，钪：16%，钇：11%，钐：8%，钕：13%，钆：8%，镨：2%，镝：10%，其余镧系元素：2%。

5.如权利要求1或2所述的抗氢和抗硫化氢腐蚀钢锻件的生产工艺，其特征在于：其化学成分的质量百分比为：C：0.03%，Si：0.8%，Mn：1.1%，P：0.007%，S：0.004%，Cr：28.8%，Mo：0.3%，Nb：0.08%，V：0.09%，Ti：0.007%，B：0.007%，Al：0.09%，Cu：0.05%，Co：0.016%，N：0.05%，复合稀土：0.19%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：13%，铈：16%，钪：17%，钇：10%，钐：9%，钕：12%，钆：9%，镨：3%，镝：8%，其余镧系元素：3%。