CN110230003B

CN110230003B - 一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备工艺

Info

Publication number: CN110230003B
Application number: CN201910581059.7A
Authority: CN
Inventors: 马保斌; 路琛; 蔡天志
Original assignee: Datong Reciprocity Group Co ltd
Current assignee: Fujian Huishang Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-06-29
Publication date: 2021-05-21
Anticipated expiration: 2039-06-29
Also published as: CN110230003A

Abstract

本发明公开了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其原料按质量百分比（wt%）如下：碳（C）：0.10‑0.12%，锰（Mn）：0.50‑0.90%，硅（Si）：0.45‑0.55%，铬（Cr）：1.0‑1.5%，钼（Mo）：0.45‑0.55%，硼（B）：0.002‑0.003%，稀土元素（RE）：0.02‑0.06%，其余为铁以及不可避免的杂质元素。本发明还提供了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的制备工艺。该铸钢材料的‑42℃的冲击功Akv≥100J；在较高的温度(500℃)下兼具较高的强度：σb≥450MPa,σ0.2≥320MPa；保证材质具有较低的碳含量及碳当量，具有良好的焊接性能，可以较好的满足要求。

Description

一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及铸钢材料制备技术领域，尤其涉及一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备工艺。

背景技术

目前铸钢行业存在巨大的发展潜力和经济效益，恶劣的使用环境（极低温环境，高压高温蒸汽，重载等）对铸钢件的性能提出了更高的要求。铸钢件在高寒地区采油炼油设备，火力发电高温蒸汽设备的使用，需要设备的铸钢材质保证较高的高温强度，同时还要具备良好的低温冲击韧性。因高寒地区的设备在使用中，可能会因故障或者其他原因停机，在这种极寒工况下，设备温度骤降到极低温环境温度时，常用的设备材料因低温韧性较差，导致设备产生裂纹，可能会发生灾难性的事故。一般的高磅级，耐高温的铸件与管道连接大部分采用焊接，故又需要材质具备良好的可焊接性。因此，设计开发一种铸钢材质使其在高温具有优异的高温强度，在低温具有良好的低温冲击韧性，还要有优良的焊接性能，来满足高寒地区，耐高温设备的需求。为此，我们提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备工艺。

发明内容

本发明提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其原料按质量百分比（wt%）如下：碳（C）：0.10-0.12%，锰（Mn）：0.50-0.90%，硅（Si）：0.45-0.55%，铬（Cr）：1.0-1.5%，钼（Mo）：0.45-0.55%，硼（B）：0.002-0.003%，稀土元素（RE）：0.02-0.06%，其余为铁以及不可避免的杂质元素。

优选的，所述的杂质元素中的磷（P）≤0.025%，硫（S）≤0.015%。

本发明还提供了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的制备工艺，包括如下步骤：

S1、熔炼：将配合的材料加入炉中熔解，出钢时为改善钢水清净度在脱氧作业上除加入强脱氧剂铝之外，还加入了硅钙合金和稀土元素，目的除了降低氧含量与夹渣率外，钙或稀土元素还可净化晶界，提高延韧性能；

S2、铸造：采用砂型铸造，铸件表面的铸砂采用特种砂（铬铁矿砂）以加快冷激效果，加快凝固速度，细化晶粒，得到良好的铸态组织；

S3、焊补：在热处理前，完成铸件的所有焊补，且铸钢材质的含碳量和碳当量较低，材质具有优异的焊接性能；

S4、采用特殊的热处理工艺，铸件经过扩散退火，麻淬火，以及高温回火热处理方式，获得回火托氏体+少量铁素体的铸钢组织，使得在低温环境下（-42℃）具有优良的韧性，且在高温环境(500℃)下具有较高的高温强度，因此该铸钢材质组织良好，高温和低温性能优异，较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。

优选的，所述铸钢材料的钢水清净度好，钢中氧含量和氧化夹杂物含量少,且氧化夹杂物的颗粒比较细小, 分布比较分散和均匀，铸钢材料中有害的残余元素含量较低，铸件的使用寿命、稳定性及可靠性优异。

优选的，所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织，铸件组织较细且均匀。

优选的，所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大，热应力较集中，但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织，并且还能释放集中的热应力，故铸件的所有焊补需要在热处理前完成。

优选的，在S4中的扩散退火具体为：铸钢材料经950-980℃奥氏体化，保温2-5小时，炉冷至常温。

优选的，在S4中的麻淬火具体为：铸钢材料经900-940℃奥氏体化，保温2-5小时，水冷至铸钢材料表面温度到350-400℃之间，之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温。

优选的，在S4中的高温回火，铸钢材料经670-710℃，保温3-5小时，空冷至常温。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、从调整化学成分入手，提高材质的低温韧性和强度；

2、在制程中控制产生的夹杂物种类及数量；第三通过采用特殊的热处理工艺，调整材质的强度和韧性，使材质更加适用于高寒地区，耐高温介质设备的全年均可使用，包括严寒的冬季；

3、该种高寒地区的耐高温介质、高强度低合金铸钢材质的-42℃的冲击功Akv≥100J；在较高的温度(500℃)下兼具较高的强度：σb≥450MPa,σ0.2≥320MPa；保证材质具有较低的碳含量及碳当量，具有良好的焊接性能，可以较好的满足要求；

4、该制备工艺的生产工艺简单、铸造性能好、焊接性能良好。

附图说明

图1是适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的砂芯的表面状况图。

图2是适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的取样1夹杂物Ⅲ型粗系2级示意图。

图3是适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的取样2夹杂物Ⅲ型细系2级示意图。

图4是适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的金相组织100×的示意图。

图5是适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料的金相组织400×的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其原料按质量百分比（wt%）如下：碳（C）：0.10%，锰（Mn）：0.50%，硅（Si）：0.45%，铬（Cr）：1.0%，钼（Mo）：0.45%，硼（B）：0.002%，稀土元素（RE）：0.02%，其余为铁以及不可避免的杂质元素；所述的杂质元素中的磷（P）≤0.025%，硫（S）≤0.015%。

所述铸钢材料的钢水清净度好，钢中氧含量和氧化夹杂物含量少,且氧化夹杂物的颗粒比较细小, 分布比较分散和均匀，铸钢材料中有害的残余元素含量较低，铸件的使用寿命、稳定性及可靠性优异；所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织，铸件组织较细且均匀；所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大，热应力较集中，但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织，并且还能释放集中的热应力，故铸件的所有焊补需要在热处理前完成。

在S4中的扩散退火具体为：铸钢材料经950℃奥氏体化，保温2小时，炉冷至常温；在S4中的麻淬火具体为：铸钢材料经900℃奥氏体化，保温2小时，水冷至铸钢材料表面温度到350-400℃之间，之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温；在S4中的高温回火，铸钢材料经670℃，保温3小时，空冷至常温。

实施例2

本发明提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其原料按质量百分比（wt%）如下：碳（C）：0.11%，锰（Mn）：0.70%，硅（Si）：0.50%，铬（Cr）：1.25%，钼（Mo）：0.50%，硼（B）：0.0025%，稀土元素（RE）：0.04%，其余为铁以及不可避免的杂质元素；所述的杂质元素中的磷（P）≤0.025%，硫（S）≤0.015%。

在S4中的扩散退火具体为：铸钢材料经965℃奥氏体化，保温3.5小时，炉冷至常温；在S4中的麻淬火具体为：铸钢材料经925℃奥氏体化，保温3.5小时，水冷至铸钢材料表面温度到350-400℃之间，之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温；在S4中的高温回火，铸钢材料经685℃，保温4小时，空冷至常温。

实施例3

本发明提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其原料按质量百分比（wt%）如下：碳（C）：0.12%，锰（Mn）：0.90%，硅（Si）：0.55%，铬（Cr）：1.5%，钼（Mo）：0.55%，硼（B）：0.003%，稀土元素（RE）：0.06%，其余为铁以及不可避免的杂质元素；所述的杂质元素中的磷（P）≤0.025%，硫（S）≤0.015%。

在S4中的扩散退火具体为：铸钢材料经980℃奥氏体化，保温5小时，炉冷至常温；在S4中的麻淬火具体为：铸钢材料经940℃奥氏体化，保温5小时，水冷至铸钢材料表面温度到350-400℃之间，之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温；在S4中的高温回火，铸钢材料经710℃，保温5小时，空冷至常温。

实施例4

本实施例的铸钢材料采用CO2硬化水玻璃砂铸造型，铸钢材料表面的铸砂采用特种砂（铬铁矿砂）如图1，以中频感应电炉熔炼，炉衬为中性，首先将配好的废钢，钼铁，增碳剂加入炉中，待熔解后加入铬铁，硅铁，纯锰，完全熔落后，将电流关闭，使用石川除渣剂除渣，待炉渣除去后，取样块进行分析，根据化学成分分析结果，进行调整，化性满足后，测温脱氧出钢，出钢温度1620-1660℃，加入铝条，稀土合金，硅钙合金，进行脱氧，脱氧完成后加入硼铁，改善钢水的流动性。浇注温度控制在1570-1610℃。熔炼浇注了2炉铸件，每一个炉次各浇注了一个ASTM A703规范规定的试样坯，各炉成分如下：

表1高寒地区高强地低合金耐热钢试棒机械性能（wt.%）

这些成分都符合本发明具体实施方式中的要求。

接着每一个炉次的试棒都与铸件同时进炉做热处理，热处理工艺见下表2。热处理设备：Rx3-45-9台式电阻炉

表2热处理工艺

试棒和铸件的热处理方式符合本发明具体实施方式中的要求。试棒按照ASTMA370 规范加工成拉伸性能试棒并以微机控制电液伺服万能试验机WAW-600E进行拉伸试验。冲击试块在双制冷自动低温冲击试验机中做常温的冲击试验，硬度采用数显布氏硬度计检测，检测值如下：力学性能如下：

表3高寒地区高强地低合金耐热钢机械性能（wt.%）

如图2-3所示，从试棒C6-1上取样做夹杂率分析，夹杂物级别合格，钢中夹杂物会降低钢的屈服强度和抗拉强度、塑性、断裂韧性及疲劳寿命，使钢的加工性能变坏，对焊接性能严重不利。钢中较多的非金属夹杂物，淬火时会引起应力集中而形成裂纹。

本发明通过调整材质的化学成分，高材质的高温强度且有良好的低温韧性，控制制程中产生的夹杂物种类及数量，提高材质的性能和使用寿命；热处理工艺方向思考，调整材质的高温强度和低温韧性，使材质更加适用于高寒地区的承压设备。

本发明通过严格把控铸造制程要点以及制定合理的热处理工艺得到一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢。通过热处理改善铸钢组织，使铸件获得回火屈氏体+铁素体。如图3-5，采用麻淬火工艺，使得铸件内部对表面进行一次回火处理，使得其内部具备良好的韧塑性，本发明的高寒地区低合金耐热铸钢生产工艺简单，生产成本低廉，高温强度和低温韧性较高，淬透性好，具备优良的高寒地区适用性，非常适合作为于高寒地区的耐高温承压设备的材料使用。

下面，对规定本发明的高寒地区的高强度低合金耐热铸钢的化学组成的理由进行说明：

碳（C）：C与Cr、Mo、V、Nb等元素会形成碳化物，从而会对高温蠕变强度的提高有有利影响。C含量为决定该铸钢材质显微组织的重要元素之一，如相图4-5所示，钢组织主要为先共析铁素体及回火托氏体。根据有关研究，C含量在0.1-0.2%范围内，钢具有良好的抗高温蠕变强度。同时碳含量以及碳当量较高时，会恶化钢材质的焊接性能。该钢材质中碳含量增加，屈服强度和抗拉强度会升高，但塑性和韧性会降低，对材质的低温韧性不利。电炉炉料熔落时，钢水中的含碳量称为熔化碳，根据有关实验得到，高熔化碳的强度和韧性较低熔化碳的高，通过检测，高熔化碳的铸件内部拉应力明显低于低熔化碳的内部拉应力，且低熔化碳的组织中夹杂物的种类和数量较多，夹杂物较大。本发明在钢水熔落前，加入适量的增碳剂来增大熔化碳，最终的含碳量控制在0.10-0.12%。

锰（Mn）：锰有助于脱氧、脱硫，且为奥氏体形成元素，可以提供较好的焊接性，细化珠光体组织，同硅一样也有较强的固溶强化效果，可以使“C”曲线的鼻端右移。可提高钢材的淬透性，能增加中低碳珠光体钢的强度。合金中添加少量的Mn元素，可导致合金能容忍较多的会引起脆性的不纯物的存在而不产生脆性。早期有关实验分析得Mn含量在0.7-0.85%之间，可使得材质具有较好的高温强度和良好的韧性。当锰含量较高时，会有使组织晶粒粗化、降低蠕变强度及增加回火脆性的不利倾向。最终的Mn 含量控制在0.50-0.90%，优选0.70-0.85%。

硅（Si）：硅可以除去钢液中的氧，是主要的脱氧剂之一，并有较强的固溶强化效果。硅的存在还可增加钢水和焊缝中熔池的流动性。硅可明显增加钢的高温强度，故设定其下限为0.45%，但硅含量太高时，会增加回火脆性的敏感性，且会产生过量的夹杂物，恶化焊接性能，故将上限定为0.55%。最终硅含量控制在0.45-0.55%。

铬（Cr）：Cr对低合金耐热钢有着以下的贡献：1）：提供高温抗氧化性；2）稳定微观组织，细化晶粒；3）：抵抗材质的脱碳行为。以上三点尤其是对合金的高温性能极其重要。故设定铬含量下限为1.0%；铬含量过高时，会在晶界形成碳化物，降低钢材的韧性，且会造成生产成本的上升，故铬含量上限为1.5%；优选1.2-1.3%。

钼（Mo）：钼和铬均为碳化物形成元素，可以显著提高钢材的淬透性，可改善高强度钢的韧性；钼含量约0.5%时，能抑止或减低其它合金元素导致的回火脆性。它还能提高耐热钢的热强性和蠕变强度，且可以普遍提高钢的抗蚀性能。当钼含量增加至0.75%以上时，脆性转变温度会上升，恶化韧性，同时钼的成本较高，故设定钼元素含量范围为0.45-0.55%。

硼（B）：硼元素加入耐热钢中可增加该钢中的高温抗蠕变强度，加入少量的硼元素会增加钢材的晶界强度，而且加入约0.003%的硼元素，可明显的增加材质的高温强度。硼可以降低钢水的表面张力，增加钢水的流动性。但是硼容易与O、N结合生成非金属夹杂物，故在熔炼时，使用稀土合金、硅钙合金、铝脱氧去氮后，才加入硼铁。合金钢中硼含量过高时，反而会恶化淬透性，故设定硼元素含量范围为0.002-0.003%。

稀土元素（RE）：稀土元素不仅可以使得铸件化学成分均匀，而且可以改变钢中夹杂物的种类、形态、大小和分布，能促使杂质以球状存在金相组织中，减少片状夹杂物及块状夹杂物的存在，对高强度钢材的韧性有很大的益处。稀土元素的化学性质特别活跃，同钢中的N、O有很强的亲和力，并形成比重轻（易上浮）的难熔化合物，故具备脱氧、去氮、减少非金属夹杂物的净化作用。同时作为表面活性元素，可以吸附在正在长大的固态晶核表面，形成薄膜，阻碍了晶体长大，从而细化晶粒和减少偏析，改善钢的化学成分的均匀性。稀土元素可以细化晶粒，还可以降低氧化物和硫化物杂质在钢液中溶解度，有益于夹杂物的上浮，提高钢液的清净度，提高铸钢件的品质，增加铸钢件的韧性。且稀土元素在晶界与低熔点的As、Sn、Pb、P等有害元素相互作用，抑制有害元素向晶界偏聚，净化和强化晶界。过量的稀土元素会导致夹杂物含量增多，将降低钢的塑性和韧性。故设定稀土元素含量范围为0.02-0.06%。

不可避免的杂质元素对焊接性能和铸造性能都是不利的，故杂质元素含量要严格控制，不宜太高。P、S、Sb、Sn、As等杂质元素过高会提高材质的回火脆性敏感性，而且有害于钢材的韧性，且降低铸钢件的使用寿命。

磷和硫是钢中的杂质，常存在于晶界中，在铸件冷却时，与其它杂质最后在晶界凝固，使钢材脆化，且有害于焊接性能，硫磷含量过高，降低韧性。有关实验研究，P元素每增加0.01%，可使脆性转变温度升高7℃；故磷含量限制在0.025%以下，优选0.02%以下，硫限制在0.015%以下，优选0.01%以下。

铸钢熔炼过程中添加的脱氧剂也是影响高寒地区高强度低合金耐热钢铸钢组织和性能的重要因素，在熔炼过程中添加铝条、硅钙合金和稀土合金进行脱氧。

铝为强脱氧剂之一，与氮和氧的亲和力很强，故在炼钢时作为脱氧定氮剂，且铝还能细化晶粒，抑制钢的时效，可提高钢的低温冲击韧性。有实验研究得到，当钢液中残余的铝含量低于0.015%时，残余铝含量已经起不到防止氧化的效果了，因此考虑到铝的加入钢液中，会先消耗部分含量，故将铝含量的下限定为0.03%，使得残余的铝含量大于0.015%，保证在钢水进入模穴，残余的铝含量还可以起到防止钢水的二次氧化的作用；铝含量超过0.07%时，因为铝和氮结合成氮化铝，存在于晶界中，促使断裂在晶界处发生，造成沿晶破裂。故最终铝含量应控制在0.03-0.07%，优选0.04-0.06%。

铝和硅钙合金一起加入钢中，可形成钙铝酸盐，使脱氧产物上浮并降低氧化物的熔点，增加钢水的流动性。经过实验得到，硅钙合金加入量为0.12%时，脱氧效果最佳，且夹杂物含量较少。

铸件不可避免会存在一些缺陷，缺陷的铲除和焊补，对铸件的使用寿命的有重大影响，故要严格把控这一道工序，制造高品质的优良高寒地区用高强度低合金耐热钢。

焊补：为确保焊道组织与母材组织的一致性，并避免焊接裂纹，采用低氢钠碱性焊条（R307），保证焊缝金属的强度和韧性，且要确保所有焊补在热处理前完成。

铸件热处理工艺对铸钢件组织进行调整，细化组织，消除铸态组织中的偏析，对铸钢件的机械性能和金相组织有优化的效果。通过多组实验，我们得到了最佳的热处理工艺，得到了优良的高寒地区用高强度低合金耐热铸钢。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，其原料按质量百分比（wt%）如下：碳（C）：0.10-0.12%，锰（Mn）：0.50-0.90%，硅（Si）：0.45-0.55%，铬（Cr）：1.0-1.5%，钼（Mo）：0.45-0.55%，硼（B）：0.002-0.003%，稀土元素（RE）：0.02-0.06%，其余为铁以及不可避免的杂质元素；

其制备工艺包括如下步骤：

S2、铸造：采用砂型铸造，铸件表面的铸砂采用特种砂以加快冷激效果，加快凝固速度，细化晶粒，得到良好的铸态组织；

S4、采用特殊的热处理工艺，铸件经过扩散退火，麻淬火，以及高温回火热处理方式，获得回火托氏体+少量铁素体的铸钢组织，使得该种铸钢材质在 -42℃低温环境下的冲击功Akv≥100J，具有优良的韧性，且在500℃高温环境下的强度：σb≥450MPa，σ0.2≥320MPa，具有较高的高温强度，因此该铸钢材质组织良好，高温和低温性能优异，较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。

2.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，所述的杂质元素中的磷（P）≤0.025%，硫（S）≤0.015%。

3.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，所述铸钢材料的钢水清净度好，钢中氧含量和氧化夹杂物含量少,且氧化夹杂物的颗粒比较细小, 分布比较分散和均匀，铸钢材料中有害的残余元素含量较低，铸件的使用寿命、稳定性及可靠性优异。

4.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织，铸件组织较细且均匀。

5.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大，热应力较集中，但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织，并且还能释放集中的热应力，故铸件的所有焊补需要在热处理前完成。

6.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，在S4中的扩散退火具体为：铸钢材料经950-980℃奥氏体化，保温2-5小时，炉冷至常温。

7.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，在S4中的麻淬火具体为：铸钢材料经900-940℃奥氏体化，保温2-5小时，水冷至铸钢材料表面温度到350-400℃之间，之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温。

8.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料，其特征在于，在S4中的高温回火，铸钢材料经670-710℃，保温3-5小时，空冷至常温。