CN104131227B

CN104131227B - 一种低合金耐热钢钢管及制造方法

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Publication number: CN104131227B
Application number: CN201410370404.XA
Authority: CN
Inventors: 王立民; 杨钢; 刘正东; 包汉生; 赵吉庆; 何西扣
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: CN104131227A

Abstract

一种低合金耐热钢钢管及制造方法，属于耐热钢及钢管制造技术领域。其化学成分组成重量百分比为：C：0.25～0.40％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr：1.10～1.50％，Mo：0.30～0.60％，V：0.35～0.55％，Nb：0.10～0.30％。其余为Fe和不可避免的杂质。钢管制造：冶炼的钢锭开坯温度为1120℃～1140℃；钢坯开锻温度1100～1120℃，终锻温度830～950℃；锻后退火，退火温度为650～680℃；锻造后的棒材作制造钢管，棒材锻成Ф105mm，经过钻孔、镗孔形成钢管毛坯；钢管毛坯的热处理在实现控制冷却速度的热处理炉中进行；最后进行钢管的精加工，制成外径80mm,壁厚5mm的钢管。优点在于，钢管具有优良的持久性能和冲击韧性。

Description

一种低合金耐热钢钢管及制造方法

技术领域

本发明属于耐热钢及钢管制造技术领域，特别是涉及一种低合金耐热钢及钢管制造新工艺，适用于冶金、能源、机械、化工等领域。

背景技术

耐热钢是钢铁材料中重要的一类，主要用作制作高温环境下的结构件。耐热钢按照组织可以分为贝氏体耐热钢、珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、铁素体型耐热钢以及沉淀硬化型耐热钢。按照合金元素含量可以分为低合金耐热钢和高合金耐热钢，低合金耐热钢通常为贝氏体耐热钢和珠光体耐热钢，高合金耐热钢通常为马氏体、奥氏体以及沉淀硬化型耐热钢。最早的耐热钢是在低碳钢中加入了0.5％Mo，使钢的热强性明显提高，随后在蒸汽锅炉上得到了应用。20世纪60年代我国研制的多元合金化的珠光体耐热钢其工作温度可达600～620℃，用于制造火力发电站的过热器管和再热器；马氏体型耐热钢以9～12％Cr型为主，这类钢有优良的综合力学性能、较好的热强性、耐蚀性及振动衰减性，工作温度为550～650℃；铁素体型耐热钢中含Cr量通常超过12％，这类钢具有优异的耐大气腐蚀、应力腐蚀性能，在一定的酸、碱、盐溶液中有一定的耐腐蚀能力，因此这类钢也可以作为一类优异的不锈钢使用；奥氏体耐热钢在室温和工作温度下的组织都是奥氏体，在高温下具有较高的热强性以及优异的抗氧化性，一般用于制作600℃以上承受较高应力的部件，其抗氧化温度可达850～1250℃；沉淀硬化型耐热钢以17-4PH和15-5PH为代表，这类钢在540～650℃具有较高的热强性和足够的抗氧化性。钢管是耐热钢中重要的一种产品，主要用在火电用钢锅炉上，如锅炉再热器和过热器等。由于耐热钢钢管长时间工作在高温、高压，以及水蒸气的腐蚀下，因此对钢管的高温长时性能要求很高，即钢管的持久性能对它的使用性能影响很大，通常用钢管的持久性能来评价钢管的使用寿命。

热处理是不改变零件形状、尺寸的加工工艺，通过不同形式的加热、保温及冷却方式改变和提高材料的机械性能以及改进材料的工艺性能。通常热处理工艺包括淬火、回火、正火和退火处理。淬火处理就是将钢加热到临界温度A_c3或以上某一温度，保温一定时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以快速冷却的热处理操作称作淬火。通过淬火可以提高工件的强度、硬度和耐磨性。回火就是将淬火后的钢加热到A₁以下的某一温度，保温一段时间，然后以一定方法冷却到室温的热处理工艺。钢淬火后强度和硬度明显提高，但塑形和韧性却大为降低，而回火一方面可以缓解淬火过程中产生的热应力和组织应力，防止工件变形、开裂，另一方面可以改善工件的综合力学性能，提高工件的塑性和韧性。所谓退火通常是将钢加热到临界点以上，保温一定时间，使钢全部或部分奥氏体化，随后缓慢冷却，以获得接近于平衡态的组织。正火是将钢加热到A_c3或A_cm温度以上，保温一定时间，使钢全部奥氏体化，然后在空气中冷却。退火和正火可以细化晶粒、改善钢中第二相的分布和形态、消除内应力、改善组织、便于切削加工。

淬火、退火和正火主要区别就是钢奥氏体化后的冷却速度不同，淬火最快，正火次之，退火最慢。不同的冷却速度获得组织不同，淬火获得马氏体组织，退火通常获得珠光体组织，正火对于低合金钢通常获得贝氏体组织。但正火过程中，由于冷却速度不同，贝氏体形态不同，获得的力学性能差别很大。在实际生产中，对于正火而言，严格控制正火冷却速度决定了工作最终的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低合金耐热钢钢管及制造方法。获得的低合金耐热钢钢管具有优良的持久性能和冲击韧性。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

采用真空感应炉冶炼，其化学成分组成重量百分比为：C：0.25～0.40％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr：1.10～1.50％，Mo：0.30～0.60％，V：0.35～0.55％，Nb：0.10～0.30％。其余为Fe和不可避免的杂质。

冶炼的钢锭开坯温度为1120℃～1140℃。开坯后的钢坯经过表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，装炉加热。钢坯开锻温度1100～1120℃，终锻温度830～950℃，锻后退火，退火温度为650～680℃。锻造后的棒材一部分用于成分分析、夹杂物评定、力学性能检测另一部分用作制造钢管，制造钢管的棒材锻成Ф105mm，经过钻孔、镗孔形成钢管毛坯。钢管毛坯的热处理在可实现控制冷却速度的热处理炉中进行。奥氏体化温度为920～945℃，保温时间2～2.5小时，然后以10℃/min～40℃/min的速度冷却。待冷却到室温后及时进行回火，回火工艺为620～630℃，保温时间2～2.5小时，空冷到室温。最后进行钢管的精加工，制成外径80mm,壁厚5mm的钢管。

本发明的关键在于：通过对钢中重要合金元素的合理优化及配比，得到了一种新型低合金耐热钢。同时，通过选择合适的加工及热处理工艺，生产出了持久性能和冲击性能优良的低合金耐热钢钢管。

耐热钢中常见的合金元素有C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、Cr(铬)、Ni(镍)、Mo(钼)、W(钨)、Co(钴)、Cu(铜)、Nb(铌)、Al(铝)、Ti(钛)、B(硼)、N(氮)、RE(稀土)等。碳是钢中不可缺少的元素。碳在钢中既扩大奥氏体相区，又是高强度碳化物的组成元素。其强化作用与温度有关，随着温度的升高，由于碳化物聚集，强化作用下降。碳含量低，强度不足，碳含量过高，塑性不足并且焊接性能不好；硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素，高温下，在含硅的耐热钢表面会形成一层保护性好的SiO₂膜。当钢中含硅量达到1％时就有明显的抗氧化效果。锰同时又是碳化物形成元素，进入碳化物中取代一部分铁原子。锰对钢的高温瞬时强度提高有益，但对高温长时性能提高帮助不大；Cr是耐热钢中重要的合金元素，钢中含有超过12％的Cr就会使钢具有良好的耐腐蚀性能。低合金耐热钢中的Cr溶入固溶体后可以抑制过冷奥氏体向珠光体和贝氏体的相变，增加获得马氏体组织的数量，即提高钢的淬透性钢。同时，Cr可以参与形成碳化物，提高材料的强度。Mo是钢中强化元素，一方面可以提高淬透性，另一方也可以进入碳化物，对钢的强度有利。V和Nb都是强碳化物形成元素，它们在钢中容易与C形成细小弥散分布的(V、Nb)(C、N)碳化物，这种碳化物有利于提高钢的强度。

奥氏体化后的冷却速度对本发明中钢的组织影响很大，在水冷或油冷条件下获得马氏体组织，具有很高的强度，回火后具有较好的冲击韧性。正火条件下获得贝氏体组织，但正火冷却速不同，贝氏体形态也不同，持久性能也不同，冲击韧性也不同。在本发明中采用的冷却速度下可以获得近球形的粒状贝氏体以及板条尺寸宽大的板条贝氏体。这种组织在高温下提高了晶界移动的阻力，从而推迟了高温下材料断裂的时间，材料表现出优异的持久性能。若冷却速度过慢，组织中的贝氏体板条变宽，减少了裂纹扩展过程中的阻力，而使冲击韧性明显下降。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过对耐热钢中各关键元素的合理优化与搭配，以及制造工艺的合理选择，加工出了具有优良持久性能和冲击韧性的低合金耐热钢钢管。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

新型低合金耐热钢及钢管制造的工艺流程为：选用精料，采用真空感应炉冶炼，冶炼的钢锭开坯温度为1120℃～1140℃。开坯后的钢坯经过表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，装炉加热。钢坯开锻温度1100～1120℃，终锻温度830～950℃，锻后退火，退火温度为650～680℃。锻造后的棒材一部分用于成分分析、夹杂物评定、力学性能检测另一部分用作制造钢管，制造钢管的棒材锻成Ф105mm，经过钻孔、镗孔形成钢管毛坯。钢管毛坯的热处理在可实现控制冷却速度的热处理炉中进行。奥氏体化温度为920～945℃，保温时间2～2.5小时，然后以10℃/min～40℃/min的速度冷却。待冷却到室温后及时进行回火，回火工艺为620～630℃，保温时间2～2.5小时，空冷到室温。最后进行钢管的精加工，制成外径80mm,壁厚5mm的钢管。

本发明实施例中新型低合金耐热钢成分见表1，本发明实施例中新型低合金耐热钢棒材的夹杂物级别见表2，本发明实施例中新型低合金耐热钢棒材性能见表3，本发明实施例中新型低合金耐热钢锻造及退火工艺见表4，本发明实施例中新型低合金耐热钢钢管热处理工艺及性能见表5。从表5中可以看出，奥氏体化后冷却速度在10℃/min～40℃/min之间获得的钢管具有良好的持久性能和冲击韧性的匹配，冷却速度低于10℃/min，冲击韧性明显下降，当冷却速度高于40℃/min时，持久性能下降明显。

表1本发明实施例化学成分(wt％)

表2本发明实施例夹杂物级别

表3本发明实施例棒材力学性能

文中：R_m、R_p0.2为强度指标，A、Z为塑性指标，A_KV为韧性指标，HRC为硬度指标。

表4本发明实施例锻造及退火工艺

表5本发明实施例钢管热处理工艺及性能

注：持久试验条件为400℃,550MPa。

Claims

1.一种低合金耐热钢钢管的制备方法，其特征在于：在工艺中控制如下技术参数：

冶炼的钢锭开坯温度为1120℃～1140℃；

开坯后的钢坯经过表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，装炉加热；钢坯开锻温度1100～1120℃，终锻温度830～950℃；

锻后退火，退火温度为650～680℃；

锻造后的棒材用作制造钢管，制造钢管的棒材锻成Ф105mm，经过钻孔、镗孔形成钢管毛坯；

钢管毛坯的热处理在实现控制冷却速度的热处理炉中进行；

奥氏体化温度为920～945℃，保温时间2～2.5小时，然后以10℃/min～40℃/min的速度冷却；待冷却到室温后进行回火，回火工艺为620～630℃，保温时间2～2.5小时，空冷到室温；

最后进行钢管的精加工，制成外径80mm,壁厚5mm的钢管；

所述的耐热钢钢管的化学成分按重量百分比为：C：0.25～0.40％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr：1.10～1.50％，Mo：0.30～0.60％，V：0.35～0.55％，Nb：0.10～0.30％；其余为Fe和不可避免的杂质。