CN113737090B

CN113737090B - 一种高强韧合金结构钢及其制备方法

Info

Publication number: CN113737090B
Application number: CN202110832553.3A
Authority: CN
Inventors: 范芳雄; 郑霏; 刘鑫; 鲁钰斌
Original assignee: CSSC Shuangrui Luoyang Special Equipment Co Ltd
Current assignee: CSSC Shuangrui Luoyang Special Equipment Co Ltd
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: CN113737090A

Abstract

一种高强韧容器用钢及其制备方法，钢材料化学成分重量百分数包含：C：0.04～0.08％、Si：≤0.40％、Mn：≤0.6％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：1.0～2.5％、Mo：0.40～0.80％、Ni：5.5～7.5％、Cu：3.0～4.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明旨在解决材料屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，通过良好的成分设计和合理的工艺，实现材料夏氏冲击功（‑50℃）≥120J。

Description

一种高强韧合金结构钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢材料技术领域，具体说的是一种高强韧容器用钢及其制备方法。

背景技术

随着船舶、航空航天及工程装备的发展，特别对于高压容器等特种装备，为保证装备的安全性、降低容器重量及符合耐久性/损伤容限设计准则，对材料的强度、低温冲击韧性、断裂韧度等均提出了极高的要求，而传统的高强韧结构钢如610MPa级等难以满足实际应用需求，目前某些特种装备上要求材料的屈服强度900MPa以上，抗拉强度1100MPa以上，低温冲击KV₂（-50℃）≥120J，同时具有良好的经济性。现有的高强度钢主要有中碳合金钢，如中碳Cr-Ni-Mo-V系合金钢37CrNi3MoV等，主要依靠马氏体强化，通过回火调整材料的强度和韧性。这类材料虽然可以获得较高的强度和良好的韧性，但低温冲击韧性偏低，材料强度达到1100MPa以上时，冲击韧性通常仅60J左右甚至更低，无法满足工程设计及应用需要。另一类高强度钢是Ni-Co-Mo类二次硬化马氏型超高强度钢，这类钢主要为16Co14Ni10Cr2MoE、AerMet100、AerMet310等材料，这类材料可以获得极高的强度（1600MPa以上）和良好的冲击韧性，主要依靠马氏体强化和碳化物析出二次强化。但这类钢因含有大量的Co元素，为保证材料的良好性能需要采用双真空熔炼等复杂熔炼工艺，热处理工艺极为复杂，同时存在显著的脆性区等缺点严重限制了其应用，且材料成本极为高昂，目前仅在航空、航天领域有部分应用，难以在民用等领域推广。

新一代的汽车钢板，如DP钢、TWIP钢等也可获得较高的强度，但这类钢通常仅适用于中板及薄板生产，受工艺限制无法实现厚板及管材等生产。

综上所述，迫切需要开发一种强韧性好、工艺性能好、低温韧性好的高强韧合金结构钢。

目前国内外对高强韧钢进行了大量的研究，如中国专利CN103667953A公开了一种低环境裂纹敏感性超高强韧性系泊链钢，该钢中C：0.12～0.24％，Mn：0.10～0.55％，Si：0.15～0.35％，Cr：0.60～3.50％，Mo：0.35～0.75％，N≤0.006％，Ni：0.40～4.50％，Cu≤0.50％，S≤0.005％，P：0.005～0.025％，O≤0.0015％，H≤0.00015％，经热处理后其抗拉强度≥1110MPa，屈强比为0.88～0.92，延伸率≥12％，断面收缩率≥50％，冲击功KV2（-20℃）≥50J。但材料依然属于传统的中低碳Cr-Ni-Mo-V系材料，低温冲击韧性相对偏低；中国专利CN104911499A公开了一种Cu强化Co-free二次硬化超高强度钢及制备方法，钢的化学成分重量百分数为：C：0.20～0.50％，Cr：1.0～5.0％，Ni：8.00～30.0％，Mo：1.0～5.0％，Cu：1.0～5.0％，Al：0～3.0％，W：0～2.0％,V≤0.30％,Nb≤0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法可采用真空感应+真空自耗重熔或真空感应+电渣重熔冶炼工艺。材料的熔炼工艺极为复杂，且材料依然属于中碳Ni-Cr-Mo-V系材料，在中碳Ni-Cr-Mo-V系材料基础上大幅提高了Ni、Mo含量和适量的Cu。材料强度水平极高，达到2000MPa级，但发明材料延伸率低，且未见低温冲击韧性相关报告；中国专利CN109136737A公开了一种抗拉强度1100MPa级超高强韧钢及其制造方法，材料化学成分重量百分数为：C：0.245～0.350％、Si：0.10～0.50％、Mn：0.20～1.20％、P≤0.015％、S≤0.003％、Cr：0.30～1.20％、Mo：0.20～0.80％、Ni：2.00～3.70％、Cu：0～0.30％、Nb：0～0.08％、V：0～0.12％、Al：0.01～0.08％、Ti：0.003～0.06％、Ca≤0.005％、H≤0.0002％、N≤0.0120％、O≤0.0030％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用淬火+回火热处理后材料的屈服强度≥900MPa、抗拉强度≥1100MPa、夏氏冲击功(-20℃)≥70J，延伸率≥15％，具有良好的强度、低温韧性和塑性。该材料也属于传统的中碳Cr-Ni-Mo-V系材料，低温冲击韧性相对偏低。

发明内容

为解决现有高强度钢冲击韧性不足，低温冲击性能差，不能满足苛刻服役环境装备应用等问题。本发明旨在解决材料屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，通过良好的成分设计和合理的工艺，实现材料夏氏冲击功（-50℃）≥120J。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种高强韧容器用钢，钢材料化学成分重量百分数包含：C：0.04～0.08％、Si：≤0.40％、Mn：≤0.6％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：1.0～2.5％、Mo：0.40～0.80％、Ni：5.5～7.5％、Cu：3.0～4.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种高强韧容器用钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、由低碳合金钢熔炼工艺进行熔炼，或者采用二次精炼工艺进行精炼重熔，得到高强韧容器用钢材料；

步骤二、将钢材料浇注成型，成型后进行均匀化退火，退火温度1200-1250℃，时间4-24h，随后进行热加工成型工艺，得到料材；

步骤三、将料材经860～920℃保温淬火，出炉快冷，回火可采用单次回火或多次回火工艺，回火时效温度450℃～550℃，得到高强韧容器用钢，屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，夏氏冲击功KV2(-50℃)≥120J，延伸率≥15％，断面收缩率≥50％。

本发明有益效果是：通过采用弥散析出碳化物强化和纳米铜析出相结合，实现材料的高强化；通过选择极低的C含量及较高的Ni含量，降低渗碳体的析出，采用M₂C等弥散析出碳化物提高材料的韧性；通过添加适当的Ni含量，是材料在最终回火过程中组织生成适量的γ-Fe并弥散分布，实现材料的相变诱导塑性，使材料在高强度状态具有极为优异的低温冲击韧性。发明材料屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，冲击功KV₂（-50℃）≥120J，具有优异的强韧性。

附图说明

图1为本发明材料的透射组织图。

具体实施方式

一种高强韧容器用钢，钢材料化学成分重量百分数包含：C：0.04～0.08％、Si：≤0.40％、Mn：≤0.6％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：1.0～2.5％、Mo：0.40～0.80％、Ni：5.5～7.5％、Cu：3.0～4.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。

1）C元素：C属于间隙元素，是提高材料淬火马氏体强度的最主要元素，并在随后的回火过程以碳化物的形式析出，C可以有效提高材料的强度，但过高的碳含量会对材料的韧性带来不利的影响，同时不同的C含量和合金元素配比，在不同的回火温度下会形成不同类型的碳化物，如渗碳体、M₂₃C₆、M₂C、MC等，且碳化物析出形态和析出位置也会存在较大的差异，从而对材料的强度、韧性、抗延迟开裂性能带来极大的影响。传统中碳钢及中碳Cr-Ni-Mo-V类调质钢的强化以渗碳体强化为主，同时有少量的M₂C、MC析出，碳化物体积分数高，韧性低、韧脆转变温度高。本发明通过选择极低的C含量，避免过量渗碳体的析出，同时利用M₂C析出促进渗碳体的溶解，使材料韧性增加。

2）Si元素：Si在钢中以置换方式替代Fe原子，由于Si与Fe原子半径比差异较大，会导致材料发生晶格畸变，使材料强度提升，Si可降低C在铁素体的中扩散能力，适量的Si可避免粗大碳化物的形成，但过高的Si含量对材料的韧性和韧脆转变温度均会导致不利的影响。因此，本发明中控制Si含量为≤0.40％。

3）Mn元素：Mn是奥氏体形成元素，可提高淬火过程中奥氏体的稳定性，抑制扩散型相变的发生，提高钢的淬透性。但是Mn含量过高会导致形成较多的残余奥氏体，降低材料组织的稳定性。同时Mn会促进杂质元素的晶界偏析，恶化材料性能。因此，本发明中Mn含量为≤0.60％。

4）P元素：P在钢中属于有害元素，会在晶界偏聚，严重恶化材料的低温冲击性能和抗延迟开裂性能。P应控制在较低的水平，考虑到工业生产实际情况，本发明P含量不超过0.015％，以保证材料良好的低温冲击韧性和抗延迟开裂性能。

5）S元素：S和P一样，属于钢中的有害元素，S会形成硫化物夹杂，使材料产生各向异性，并会对材料的疲劳性能和抗应力腐蚀性能带来不利的影响。考虑到现代冶炼技术已可以将S含量控制在极低的水平，因此，本发明要求S含量≤0.010％，保证材料良好的性能，特别是横向冲击性能。

6）Cr元素：Cr会抑制钢中C的扩散，特别是与Ni配合等可有效提高材料的淬透性，使材料在淬火中获得良好的淬火组织。但Cr含量过高，会促进M₂₃C₆的形成，对材料的冲击韧性及抗延迟开裂性能带来不利的影响。因此，本发明中加入1.0～2.5％的Cr，保证材料良好的淬透性和合理的相析出。

7）Mo元素：Mo可有效促进M₂C等碳化物的弥散析出，使材料实现强化，并且Mo可以有效提高材料的热稳定性，可实现材料回火温度的调整，以调整材料纳米铜析出强化和碳化物析出强化处于合适的温度水平。同时Mo还可以有效消除回火脆性的影响。但加入过高Mo会导致成本上升并对材料韧性产生不利的影响。本发明旨在保证碳化物析出平衡，同时适宜的Mo/C比例，避免过量Mo的不良影响，本发明中加入0.40～0.80％的Mo元素。

8）Ni元素：Ni在钢中以固溶形式存在，和Cr等合金元素配合可有效提高材料的淬透性，同时为保证最终材料组织中合适的γ-Fe体积分数和稳定性，Ni含量应处于合适的水平，本发明中加入5.5～7.5％的Ni，以保证材料良好的低温冲击韧性和强度。

9）Cu元素：Cu加入到钢中，会在回火过程中弥散析出纳米级ε-Cu，有效实现材料的强化，同时Cu可以有效提高材料的耐候性能，但由于Cu的熔点低，过高的Cu含量会导致材料热加工工艺性能变差，因此本发明Cu含量为3.0～4.0％。

最终的钢透射组织形态，如图1所示，从组织结构可见，材料由马氏体组织+奥氏体组织+弥散析出强化相组成。

一种高强韧容器用钢的制备方法如下：

高强韧容器用钢材料可采用常规低碳合金钢熔炼工艺进行熔炼，如：真空感应、电炉+AOD、电炉+炉外精炼等熔炼工艺。也可以采用电渣、真空自耗等二次精炼工艺进行精炼重熔。

熔炼材料（高强韧容器用钢材料）可以直接浇注成铸锭，也可以浇注连铸坯，对铸锭或铸坯进行均匀化退火，退火温度1200-1250℃，时间4-24h。并随后进行轧制、锻造等热加工成型。

将轧制或锻造成型的材料经860～920℃保温淬火，出炉快冷，保证材料奥氏体组织的充分转变。回火可采用单次回火或多次回火工艺，回火时效温度450℃～550℃。

实施材料制造工艺流程如下：

高强韧容器用钢材料熔炼炉料选用纯铁、微碳铬铁、钼铁、电解锰、电解镍、结晶硅、碳粉等，脱氧剂选择镍镁合金。

采用真空感应炉熔炼化钢，出钢温度1570℃～1620℃。浇注成50Kg规格钢锭。

钢锭经1220℃保温8h均匀化退火，加热开坯锻造至50*50方。采用880℃加热保温水淬，分别进行480℃回火和520℃+450℃回火。发明材料各项性能指标完全满足设计目标要求，具有极高的强度和优异的低温冲击韧性。

表1、发明钢实施例化学成分

表2、发明钢力学性能

Claims

1.一种高强韧合金结构钢，其特征在于：钢材料化学成分重量百分数包含：C：0.04～0.08％、Si：≤0.40％、Mn：≤0.6％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr：1.0～2.5％、Mo：0.40～0.80％、Ni：5.5～7.5％、Cu：3.0～4.0％，其余为Fe和不可避免的杂质，高强韧合金结构钢屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，-50℃夏氏冲击功≥120J，延伸率≥15％，断面收缩率≥50％。

2.如权利要求1所述的高强韧合金结构钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、由低碳合金钢熔炼工艺进行熔炼，或者采用二次精炼工艺进行精炼重熔，得到如权利要求1所述的高强韧合金结构钢材料；

步骤三、将料材经860～920℃保温淬火，出炉快冷，回火可采用单次回火或多次回火工艺，回火时效温度450℃～550℃，得到高强韧合金结构钢。