CN103526004B - 一种保证低温紧固件冲击韧性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种保证低温紧固件冲击韧性的方法，特征是：包括以下冲击韧性的步骤：原材料的选择：选用优质钢35CrMoA或42CrMoA制成紧固件；根据紧固件的常温力学性能和低温冲击韧性要求，确定紧固件零件经调质处理后的硬度；紧固件热处理工艺步骤：选用公称直径为公制和英制两种单位制的紧固件；经淬火加回火处理后完成冲击韧性试验。本发明硬度范围合理，对原材料的冶金质量提出更高要求，淬火加热温度控制在临界区域偏上附近，回火保温时间充足；通过控制原材料的冶金质量、合理的硬度匹配和热处理工艺过程的控制，获得满足产品的机械性能，尤其是低温（-101℃）冲击性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种在石油化工行业乙烯装置低温区域和液化天然气（LNG）存贮、输送装置使用的低温合金结构钢紧固件，尤其是一种在-70℃～-101℃环境下仍能满足冲击韧性的紧固件。
背景技术
近年来低温紧固件被广泛地应用于许多重大石化工程项目。所谓低温紧固件，主要是指：工作温度低于-20℃、按国标生产的35CrMoA-L螺柱（有-70℃、-80℃、-101℃冲击韧性要求）及按ASME/ASTM标准生产的A320Gr.L7螺柱（有-101℃冲击韧性要求），低温下三个冲击试样的平均冲击韧性AKV≥27J，允许其中一个试样的冲击韧性小于规定值，但不低于规定值的70%。此类压力管道紧固件服役条件比较苛刻，既承受高压，又处于低温状态。为了防止螺柱在低温状态下发生脆性转变，出现瞬间断裂失效，相关标准中对该类紧固件的材料及低温冲击性能等作了较严格的规定，用户对此都极为重视，但要满足其-101℃的低温冲击性能一直是紧固件行业中一道难以解决的问题。
材料的化学成份中碳含量及各种合金元素含量的高低直接影响到零件热处理后的各项力学性能指标，其中磷、硫等杂质元素的含量影响到材料中夹杂物的数量和分布情况，同时若硫磷含量超标，还会影响到材料在不同使用条件下的塑、韧性，尤其是磷含量太高会使材料产生冷脆性，而合金元素的加入，使钢液的流动性降低，钢液在冷却凝固过程中元素扩散不充分、杂质沿晶间富集，气体析出较困难，形成了钢的低倍组织缺陷。钢的低倍组织缺陷的种类很多，常见的有疏松、偏析、气泡、夹杂、白点及塑性和脆性夹杂物等，严重的低倍组织缺陷同样会降低钢的塑性和韧性，所以在原材料采购时，对于用于制造低温紧固件的原材料，必须严格控制磷硫含量，并控制钢的低倍组织缺陷，而材料的力学性能通过适当的热处理可得到改善，强度代表零件的承载能力，塑性是材料发生塑性变形的能力，冲击韧性是材料抵抗冲击载荷的能力，对于同一种钢材而言，经淬火、回火后，强度与塑性、韧性是此消彼长的，须确定一合理的硬度范围以保证材料良好的强度与塑、韧性的匹配，此外热处理后晶粒的大小与钢的强度的高低、韧性的优劣有着很大的关系，细化晶粒可以使钢的强度和韧性同时得到改善，临界区热处理与普通热处理相比，可以在不降低强度的情况下明显提高韧性，所以在制订热处理工艺时，淬火加热温度选择在临界区域偏上附近，保温时间充足但不可过长，以免造成淬火马氏体组织粗大，同时回火保温时间要足够，使淬火内应力充分释放，通过几方面的合理配合，并经第三方检验机构和用户的验证，低温紧固件的-101℃低温冲击韧性问题得到了完满的解决。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种保证低温紧固件冲击韧性的方法，通过控制原材料的冶金质量、合理的硬度匹配和热处理工艺过程的控制，获得满足产品的机械性能，尤其是低温（-101℃）冲击性能；达到提高材料的低温冲击性能的目的。
按照本发明提供的技术方案，一种保证低温紧固件冲击韧性的方法，包括以下冲击韧性的步骤：
1、原材料的选择：紧固件选用高级优质结构钢35CrMoA或42CrMoA材料制成，控制原材料的磷、硫和锰含量及钢材的低倍组织缺陷；其余化学成分35CrMoA满足GB/T3077的要求，42CrMoA满足ASME/ASTM标准A320L7的要求。
2、根据紧固件的常温力学性能和低温冲击韧性要求，确定零件经调质处理后的硬度为HRC26～30。
3、紧固件热处理工艺步骤：
（1）、所述紧固件选用双头螺柱，公称直径为公制和英制两种单位制；
（2）、淬火加热：淬火加热采用阶梯加热，第一次加热为30Kw的烘箱，加热至300℃～400℃，第二次加热用50Kw的中温盐浴炉，装炉量≤50Kg，加热至淬火温度，淬火温度为810℃～870℃，淬火保温时间15～40分钟，具体保温时间按照双头螺柱坯料截面直径每毫米约1分钟计算；
（3）、冷却：用10#或20#机械油或用盐水溶液对双头螺柱进行冷却，盐水溶液中含有质量百分比浓度为6%～10%的氯化钠；冷却介质温度：盐水≤40℃，油≤80℃；
（4）、回火：回火采用35Kw的井式炉，装炉量≤120Kg，加热至回火温度，回火温度为590℃～670℃，保温时间90～120分钟，在室温下进行冷却。
所述35CrMoA或42CrMoA的磷含量控制在质量百分比浓度0.012%以下；硫含量控制在质量百分比浓度0.006%以下。
所述42CrMoA的锰含量质量百分比浓度为0.65%～0.80%。
所述35CrMoA或42CrMoA的低倍组织缺陷一般疏松和方形偏析0.5级以下，中心疏松1.0级以下，塑性和脆性夹杂物分别不大于2.5级，两者之和不大于4.5级。
所述热处理后的洛氏硬度为：HRC26～30；冲击韧性试验温度为：-101℃。
所述紧固件选用双头螺柱螺纹直径规格为公制M16-M39和英制0.625”-1.75”。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
本发明硬度范围合理，对原材料的冶金质量提出更高要求，尤其是对微量元素的含量和夹杂物的等级，淬火加热温度控制在临界区域偏上附近，淬火保温时间恰当（过短，游离铁素体溶解不充分，过长，将导致晶粒粗大），回火保温时间充足。
通过控制原材料的冶金质量、合理的硬度匹配和热处理工艺过程的控制，获得满足产品的机械性能，尤其是低温（-101℃）冲击性能。
具体实施方式
实施例1：
本发明一种保证低温紧固件冲击韧性的方法，包括以下冲击韧性的步骤：
1、原材料的选择：
紧固件双头螺柱原材料筛选宝钢和无锡兴澄钢厂的35CrMoA材料制成，磷和硫的含量分别小于质量百分比浓度0.012%和0.006%；低倍缺陷一般疏松和方形偏析均为0.5级，中心疏松为0.5～1.0级，塑、脆性夹杂物1.5～2.0级，两者之和小于4.5级，按订单要求下料，随炉试样长度大于等于180mm。
控制原材料的磷和硫的含量及钢材的低倍组织缺陷；其余化学成分符合GB/T3077标准的要求；
2、根据紧固件双头螺柱的常温力学性能和低温冲击韧性要求，确定零件经调质处理后的硬度为HRC26～30；
3、紧固件双头螺柱热处理工艺步骤：
（1）、选用公称直径为公制和英制两种单位制双头螺柱；
（2）、淬火加热：淬火加热采用阶梯加热，第一次加热为30Kw的烘箱，加热至300℃～400℃，第二次加热用50Kw的中温盐浴炉，装炉量≤50Kg，公称直径≤M22或7/8”的，淬火温度：850℃～870℃，公称直径≥M24或1”的淬火温度830℃～850℃，淬火保温时间15～40分钟，保温时间按螺柱坯料截面直径每毫米约1分钟计算；
（3）、冷却：用10#或20#机械油或用盐水溶液进行冷却，盐水溶液中含有质量百分比浓度为6%～10%的氯化钠；冷却介质温度：盐水≤40℃，油≤80℃；
（4）、回火：回火采用35Kw的井式炉，装炉量≤120Kg，加热至回火温度，回火温度为590℃～650℃，保温时间90～120分钟，在室温下进行冷却。实施例1中35CrMoA制成的双头螺柱见表一。
表一
实施例2：
本发明一种保证低温紧固件冲击韧性的方法，包括以下冲击韧性的步骤：
1、原材料的选择：
紧固件双头螺柱原材料筛选宝钢和无锡兴澄钢厂的42CrMoA材料制成，磷和硫的含量分别小于质量百分比浓度0.012%和0.006%；锰含量为质量百分比浓度0.65%～0.80%，低倍缺陷一般疏松和方形偏析均为0.5级，中心疏松为0.5～1.0级，塑、脆性夹杂物1.5～2.0级，两者之和小于4.5级，按订单要求下料，随炉试样长度大于等于180mm。
控制原材料的磷、硫和锰含量及钢材的低倍组织缺陷；其余化学成分符合ASME/ASTM标准A320L7的要求；
2、根据紧固件双头螺柱的常温力学性能和低温冲击韧性要求，确定零件经调质处理后的硬度为HRC26～30；
3、紧固件双头螺柱热处理工艺步骤：
（1）、选用公称直径为公制和英制两种单位制双头螺柱；
（2）、淬火加热：淬火加热采用阶梯加热，第一次加热为30Kw的烘箱，加热至300℃～400℃，第二次加热用50Kw的中温盐浴炉，装炉量≤50Kg，公称直径≤M22或7/8”的淬火温度830℃～850℃；公称直径≥M24或1”，淬火温度：810℃～830℃，淬火保温时间15～40分钟，保温时间按双头螺柱坯料截面直径每毫米约1分钟计算；
（3）、冷却：用10#或20#机械油或用盐水溶液进行冷却，盐水溶液中含有质量百分比浓度为6%～10%的氯化钠；冷却介质温度：盐水≤40℃，油≤80℃；
（4）、回火：回火采用35Kw的井式炉，装炉量≤120Kg，加热至回火温度，回火温度为610℃～670℃，保温时间90～120分钟，在室温下进行冷却。
实施例2中42CrMoA制成的双头螺柱见表二。
表二
热处理完成及硬度和常温机械性能检验合格后，对随炉试样进行低温冲击试验，国标GB/T3098.1中规定取样部位沿轴向方向，并尽量靠近外表面，而美标A320中规定小于等于1”的产品，试样取自轴心线处，大于1”的产品，试样应取自1/2半径处，本着从严原则，试验试样小于等于M24或1”的自坯料中心制取，大于M24或1”从1/2半径处制取，试样符合GB/T229的规定或A370的规定，试验设备为JB30冲击试验机，低温介质为液氮加分析醇，保温用自制的冲击试验低温槽，试验温度为-101℃，过冷度为-3℃，保温时间20分钟，试验结果如下表所示。
续上表
Claims (1)
1.一种保证低温紧固件冲击韧性的方法，其特征是：包括以下冲击韧性的步骤：
（1）、原材料的选择：紧固件选用优质合金结构钢35CrMoA和42CrMoA制成，控制原材料的磷、硫和锰含量及钢材的低倍组织缺陷；其余化学成分35CrMoA满足GB/T 3077的要求，42CrMoA 满足ASME/ASTM标准A 320 L7的要求；
（2）、根据紧固件的常温力学性能和低温冲击韧性要求，确定紧固件经调质处理后的硬度为HRC26~30；
（3）、紧固件热处理工艺步骤：
（a）、所述紧固件选用双头螺柱，公称直径为公制和英制两种单位制；
（b）、淬火加热：淬火加热采用阶梯加热，第一次加热为 30kW的烘箱，加热至300℃~400℃，第二次加热用 50kW的中温盐浴炉，装炉量≤ 50kg，加热至淬火温度，淬火温度为810℃~870℃，淬火保温时间15~40分钟，具体保温时间按照紧固件双头螺柱坯料截面直径每毫米约1分钟计算；
（c）、冷却：用10#或20#机械油或用盐水溶液对紧固件双头螺柱进行冷却，盐水溶液中含有质量百分比浓度为6%~10%的氯化钠；冷却介质温度：盐水≤40℃，油≤80℃；
（d）、回火：回火采用 35kW的井式炉，装炉量≤ 120kg，加热至回火温度，回火温度590℃~ 670℃，保温时间90 ~ 120分钟，在室温下进行冷却；
所述原材料35CrMoA和42CrMoA的磷含量控制在质量百分比浓度0.012%以下；硫含量控制在质量百分比浓度0.006%以下；
所述原材料42CrMoA的锰含量质量百分比浓度为0.65%~0.80%；
所述原材料35CrMoA和42CrMoA的低倍组织缺陷一般疏松和方形偏析0.5级以下，中心疏松1.0级以下，塑性和脆性夹杂物分别不大于2.5级，两者之和不大于4.5级；
所述紧固件双头螺柱热处理后的洛氏硬度为：HRC26~30；冲击韧性试验温度为：-101℃。
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