CN111826592B - 一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢，其特征在于：所述低碳中低合金钢的化学成分按重量百分比计为0＜C＜0.2%、Cr：2.5~3.5%、Mo：0.5~1.4%、Ni：1.6~2.0%、W：0.2~0.5%、V：0.3~0.8%、Nb：0.03~0.08%，其余成分为Fe。本发明通过不提高合金含量，而是优化合金元素的方法提高低碳中低合金钢抗烧蚀性能，具有合金量低、成本低、工艺简单可行，本发明方法在同时保证了优异的强度和韧性的基础上，有效提高了合金钢的高温抗烧蚀性能，烧蚀坑最大直径为5mm，最大深度为3mm。

Description

一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢技术领域，具体涉及一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢及其制备方法。
背景技术
调质处理的Cr-Mo系合金钢因其室温韧性、低温冲击韧性、综合机械性能等优良，是广泛应用的一种结构材料，大量运用到机械或装备上。此外，Cr-Mo系合金钢还具有较好的高温性能，已广泛应用到动力系统热端部件。但是在较高的温度下、氧含量较高以及发生机械摩擦和撞击等环境和条件下，合金钢会发生一种不同于氧化、高温熔化，而是类似于木材、尼龙等剧烈燃烧的现象，即金属燃烧。合金钢发生燃烧，会产生明显的烧蚀坑，烧蚀坑的出现一是大大降低了合金钢构件的力学性能，导致寿命降低，二是，使构件的外形结构不能满足使用要求。随着使用温度的升高、氧分压越高以及发生摩擦、碰撞概率越大，合金钢发生燃烧的情况越发增多。燃烧已成为限制合金钢在热端部件更广泛使用的重要因素之一。
因此，针对提高Cr-Mo系合金钢高温抗烧蚀性能的需求，基于现有Cr-Mo系合金材料，有必要开发一种室温高强高韧、高温抗烧蚀性能优良的低碳中低合金钢，扩大Cr-Mo系合金钢在高温领域的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢。
本发明另一目的在于提供上述高温抗烧蚀低碳中低合金钢的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢，其特征在于：所述低碳中低合金钢的化学成分按重量百分比计为0＜C＜0.2％、Cr：2.5～3.5％、Mo：0.5～1.4％、Ni：1.6～2.0％、W：0.2～0.5％、V：0.3～0.8％、Nb：0.03～0.08％，其余成分为Fe。合金设计时提高合金钢高温抗烧蚀性能主要通过降低C、Mo等易燃烧的合金元素含量，提高Ni、V等不易燃烧合金元素含量，并通过复合合金化形成复杂碳化物改变易燃烧合金元素的抗烧蚀性能。
优选的，上高温抗烧蚀低碳中低合金钢的化学成分按重量百分比计为0＜C＜0.2％、Cr：2.8～3.0％、Mo：0.6～1.2％、Ni：1.6～2.0％、W：0.2～0.5％、V：0.6～0.8％、Nb：0.03～0.04％其余成分为Fe。
上述高温抗烧蚀低碳中低合金钢的制备方法，依次通过合金化设计、熔炼、退火处理、锻造，其特征在于：锻造后还进行一次退火处理、固溶淬火处理和回火处理；所述锻造后进行的退火处理是采用不超过100℃/h的升温速率升至退火温度690～710℃，保温时间15～18h，停止保温后，随炉冷，降温至400℃后出炉空冷；所述固溶淬火处理是将退火后的精锻坯先在850～900℃下保温1.5h，再将固溶温度升至980～1030℃，保温3～5h，随后先淬水，时间为2～5min，出水后温度在110～150℃，最后淬油，时间为6～10min，温度降至100℃以内。
较高的固溶温度，可以增加合金元素的固溶量，从而增加材料的室温强度和硬度，但是过高的温度会导致基体晶粒长大，从而又降低材料的强度。本领域均知晓，合金钢中合金成分及含量的细微变化，均会对合金的性能产生影响。本发明同时添加W、V、Nb，并控制其添加量，形成的一次碳化物，在980～1030℃高温固溶时，合金元素充分回溶，促进高熔点、高稳定性WC、VC、NbC碳化物在基体中的均匀扩散，多种碳化物的配合，达到强化作用，提高了固溶与淬火马氏体中各元素的脱溶温度，达到高温环境下有具有高强度和高硬度，脱溶温度的提高，使得在高温时基体长大受到抑制，保证了其室温强韧性不下降。
在锻造后退火，使一次碳化物均匀化，结合两步固溶处理，改变一次碳化物的形貌，使得一次碳化物形貌球化、近球化，从而降低了界面能，降低了碳化物之间表面的结合性，从而达到抑制碳化物团聚的作用，使得组织均匀性得到改善。
进一步，上述回火处理为二级回火，第一级回火温度为600～620℃、时间为4～5h，出炉空冷，第二级回火温度为635～645℃、时间为4～5h，出炉空冷。
进一步，熔炼后的退火处理是以不超过100℃/min的速率升温至720～750℃，保温时间15～18h，停止保温后，随炉冷，降温至400℃后出炉空冷。
最具体地，一种耐高温低碳中低合金钢的制备方法，其特征在于，按如下步骤制得：
(1)合金成分设计：在Cr-Mo系合金钢的基础上，确定合金钢的化学成分及质量百分比，具体是0＜C＜0.2％、Cr：2.5～3.5％、Mo：0.5～1.4％、Ni：1.6～2.0％、W：0.2～0.5％、V：0.3～0.8％、Nb：0.03～0.08％，其余成分为Fe；
(2)熔炼：将上述原料采用真空熔炼制备出真空锭，采用电渣重熔进行纯净化熔炼，全程氩气保护，脱锭后进行罩冷处理，处理时间为24～30h；
(3)退火处理：采用≤100℃/h的升温速度加热至720～750℃，保温15～18h，停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
(4)锻造：包括开坯锻造和精锻；开坯锻造时将钢锭在加热温度为1220～1260℃下保温15h以上，开锻温度为1060～1100℃，终锻温度≥850℃，总锻比≥9；精锻是将锻件在加热温度为1130～1150℃下保温1.5h以上，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃；
(5)退火处理：采用≤100℃/h的升温速度加热至690～710℃，保温15～18h停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
(6)固溶淬火：固溶分为两步固溶，先在850～900℃下保温1.5h，再将固溶温度升至980～1030℃，保温3～5h，随后先淬水，时间为2～5min，出水后温度在110～150℃，最后淬油，时间为6～10min，温度降至100℃以内；
(7)回火处理：回火处理为二级回火，第一级回火温度为600～620℃、时间为4～5h，出炉空冷，第二级回火温度为635～645℃、时间为4～5h，出炉空冷。
本发明中W、V、Nb形成的高稳定性的碳化物，防止了高温下的晶粒长大。本领域均知晓，合金钢中合金成分及含量的细微变化，会使得合金的性能发生改变。本发明通过调整基体成分，降低碳和Mo的含量，提高Ni和V的含量，提高抗烧蚀性能；上述W、V和Nb与Mo形成的复合碳化物在高温下稳定性极高，各金属元素之间相互的作用，抑制了易燃烧合金元素Mo的燃烧，提高了合金钢整体的抗烧蚀性能。
W、V和Nb的共添加，在制备过程中形成(W，Mo，V，Nb)C复合碳化物，并通过进入到基体的晶界与晶界、碳化物之间的空隙中，阻止晶粒之间发生聚集，晶粒被碳化物及复合碳化物包围，自身的长大受到抑制，从而达到细化晶粒的作用。在WC、VC和NbC，以及(W，Mo，V，Nb)C的共同作用下，使得在淬火后和回火后合金钢得到强化，在回火过程中生成少量稳定性更高的(W，Mo，V，Nb)2C，起到二次硬化的作用，从而保证了合金钢的强度及韧性。
本发明具有如下技术效果：
本发明通过不提高合金含量，而是优化合金元素的方法提高低碳中低合金钢抗烧蚀性能，具有合金量低、成本低、工艺简单可行，本发明方法在同时保证了优异的强度和韧性的基础上，有效提高了合金钢的高温抗烧蚀性能，烧蚀坑最大直径为5mm，最大深度为3mm。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢的制备方法，按如下步骤制得：
(1)合金成分设计：在Cr-Mo系合金钢的基础上，在保证高的室温强韧性的基础上通过降低易燃烧合金元素含量，提高不易燃烧合金元素含量以及改善易燃烧合金元素化合物组成等，确定合金钢的化学成分及质量百分比，具体是C：0.15％、Cr：3.0％、Mo：1.0％、Ni：1.8％、W：0.4％、V：0.6％、Nb：0.04％，其余成分为Fe；
(2)熔炼：将上述原料采用真空熔炼制备出真空锭，采用电渣重熔进行纯净化熔炼，全程氩气保护，脱锭后进行罩冷处理，处理时间为27h；
(3)退火处理：采用90℃/h的升温速度加热至730℃，保温16h，随炉冷，待温度降至400℃后出炉空冷；
(4)锻造：包括开坯锻造和精锻；开坯锻造是将钢锭在加热温度为1250℃下保温18h以上，开锻温度为1070℃，终锻温度≥850℃，总锻比为11；精锻是将锻件在加热温度为1140℃下保温2.5h以上，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃；
(5)退火处理：采用60℃/h的升温速度加热至700℃，保温16h，停止保温后再以8℃/min的降温速率将温度降至400℃后出炉空冷；
(6)固溶淬火：固溶分为两步固溶，先在880℃下保温1.5h，再将固溶温度升至1000℃，保温4h，随后先淬水，时间为4min，出水后温度为120℃，最后淬油，时间为8min，温度降至70℃；
(7)回火处理：回火处理为二级回火，第一级回火温度为610℃、时间为4.5h，出炉空冷，第二级回火温度为640℃、时间为4.5h，出炉空冷。
对比例1：采用与实施例1相同的制备手段，不同点是将成分中的W替换成Ta。
对比例2：采用与实施例1相同的制备手段，不同点是将成分中的W替换成等量的Ti。
本发明实施例1制备的合金钢和对比例1-3的性能指标如表1所示。
表1：实施例1和对比例1-3的性能指标统计。
实施例1 对比例1 对比例2 对比例3
室温冲击功，J 75 76 73 74
低温冲击功，J 55 54 52 53
室温抗拉强度，MPa 1150 1070 1100 1090
烧蚀坑最大直径，mm 5 20 22 25
烧蚀坑最大深度，mm 3 6 7 8
可知，本发明中采用W、V和Nb的配合，结合锻造后退火处理、固溶淬火处理和回火处理，协同作用才能达到同时保证了优异的强度和韧性的基础上，有效提高了合金钢的高温抗烧蚀性能。
实施例2
一种耐高温中低碳中低合金钢的制备方法，按如下步骤制得：
(1)合金成分设计：在Cr-Mo系合金钢的基础上，确定合金钢的化学成分及质量百分比，具体是C：0.17％、Cr：2.5％、Mo：1.4％、Ni：2.0％、W：0.2％、V：0.3％、Nb：0.08％，其余成分为Fe；
(2)熔炼：将上述原料采用真空熔炼制备出真空锭，采用电渣重熔进行纯净化熔炼，全程氩气保护，脱锭后进行罩冷处理，处理时间为30h；
(3)退火处理：采用100℃/h的升温速度加热至750℃，保温15h停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
(4)锻造：包括开坯锻造和精锻；开坯锻造是将钢锭在加热温度为1260℃下保温16h，开锻温度为1060℃，终锻温度≥850℃，总锻比为9；精锻是将锻件在加热温度为1150℃下保温2h，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃；
(5)退火处理：采用90℃/h的升温速度加热至690℃，保温18h，停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
(6)固溶淬火：固溶分为两步固溶，先在900℃下保温1.5h，再将固溶温度升至1130℃，保温3h，随后先淬水，时间为5min，出水后温度在110℃，最后淬油，时间为10min，温度降至40℃；
(7)回火处理：回火处理为二级回火，第一级回火温度为620℃、时间为4h，出炉空冷，第二级回火温度为645℃、时间为4h，出炉空冷。
本实施例制备的合金钢的烧蚀坑最大直径6mm，最大深度为3mm。
实施例3
一种耐高温中低碳中低合金钢的制备方法，按如下步骤制得：
(1)合金成分设计：在Cr-Mo系合金钢的基础上，确定合金钢的化学成分及质量百分比，具体是C：0.19％、Cr：3.5％、Mo：0.5％、Ni：1.6％、W：0.5％、V：0.3％、Nb：0.03％，其余成分为Fe；
(2)熔炼：将上述原料采用真空熔炼制备出真空锭，采用电渣重熔进行纯净化熔炼，全程氩气保护，脱锭后进行罩冷处理，处理时间为24h；
(3)退火处理：采用60℃/h的升温速度加热至720℃，保温18h停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
(4)锻造：包括开坯锻造和精锻；开坯锻造是将钢锭在加热温度为1220℃下保温18h，开锻温度为1100℃，终锻温度≥850℃，总锻比为12；精锻是将锻件在加热温度为1130℃下保温4h，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃；
(5)退火处理：采用90℃/h的升温速度加热至710℃，保温15h，停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
(6)固溶淬火：固溶分为两步固溶，先在850℃下保温1.5h，再将固溶温度升至980℃，保温5h，随后先淬水，时间为2min，出水后温度在150℃，最后淬油，时间为6min，温度降至80℃；
(7)回火处理：回火处理为二级回火，第一级回火温度为600℃、时间为5h，出炉空冷，第二级回火温度为635℃、时间为5h，出炉空冷。
本实施例制备的合金钢存在的烧蚀坑最大直径为7mm，最大深度为4mm。

Claims (3)

1.一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢的制备方法，其特征在于：依次通过合金化设计、熔炼、退火处理、锻造，锻造后还进行一次退火处理、固溶淬火处理和回火处理；所述锻造后进行的退火处理是采用不超过100℃/h的升温速率升至退火温度690~710℃，保温时间15~18h，停止保温后，随炉冷，降温至400℃后出炉空冷；所述固溶淬火处理是将退火后的精锻坯先在850~900℃下保温1.5h，再将固溶温度升至980~1030℃，保温3~5h，随后先淬水，出水后温度在110~150℃，最后淬油，温度降至100℃以内；所述回火处理为二级回火，第一级回火温度为600~620℃、时间为4~5h，出炉空冷，第二级回火温度为635~645℃、时间为4~5h，出炉空冷；所述低碳中低合金钢的化学成分按重量百分比计为0＜C＜0.2%、Cr：2.5~3.5%、Mo：0.5~1.4%、Ni：1.6~2.0%、W：0.2~0.5%、V：0.3~0.8%、Nb：0.03~0.08%，其余成分为Fe。
2.如权利要求1所述的一种高温抗烧蚀低碳中低合金钢的制备方法，其特征在于：所述熔炼后的退火处理是以不超过100℃/min的速率升温至720 ~ 750℃，保温时间15 ~ 18h，停止保温后，随炉冷，降温至400℃后出炉空冷。
3.一种耐高温中低碳中低合金钢的制备方法，其特征在于，按如下步骤制得：
（1）合金成分设计：在Cr-Mo系合金钢的基础上，确定合金钢的化学成分及质量百分比，具体是0＜C＜0.2%、Cr：2.5~3.5%、Mo：0.5~1.4%、Ni：1.6~2.0%、W：0.2~0.5%、V：0.3~0.8%、Nb：0.03~0.08%，其余成分为Fe；
（2）熔炼：将具有上述组分的原料采用真空熔炼制备出真空锭，采用电渣重熔进行纯净化熔炼，全程氩气保护，脱锭后进行罩冷处理，处理时间为24~30h；
（3）退火处理：采用≤100℃/h的升温速度加热至720~750℃，保温15~18h，停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
（4）锻造：包括开坯锻造和精锻；开坯锻造时将钢锭在加热温度为1220~1260℃下保温15h以上，开锻温度为1060~1100℃，终锻温度≥850℃，总锻比≥9；精锻是将锻件在加热温度为1130~1150℃下保温1.5h以上，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃；
（5）退火处理：采用≤100℃/h的升温速度加热至690~710℃，保温15~18h，停止保温后，随炉冷，温度降至400℃后出炉空冷；
（6）固溶淬火：固溶分为两步固溶，先在850~900℃下保温1~2h，再将固溶温度升至980~1030℃，保温3~5h，随后先淬水，出水后温度在110~150℃，最后淬油，温度降至100℃以内；
（7）回火处理：回火处理为二级回火，第一级回火温度为600~620℃、时间为4~5h，出炉空冷，第二级回火温度为635~645℃、时间为4~5h，出炉空冷。
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