專利名稱：一種高強度高韌性螺栓用合金鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，尤其涉及一種用于高壓鍋爐給水泵 上的高強度高韌性螺栓的合金鋼。
背景技術：
上海凱士比泵有限公司引進生產的德國KSB公司的CHT和HG系列高壓鍋爐給 水泵是超臨界發電機組的關鍵設備(其工作壓力分別為420bar和^Obar，工作溫度達 2300C )，而CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓則是水泵密封與承壓的關鍵零件，其質量、性能 和可靠性對機組的安全可靠運行起著至關重要的作用。CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓材 料原設計為德國1. 6772牌號鋼材，其力學性能要求列于表1 (見下)。表1德國1. 6772牌號鋼材力學性能指標
Rm/MPaRPo.2/MPaA/%Ζ/%Akv"1040 - 1240> 940> 14> 55>75(均值) >64(最小)不同溫度下的RP。.2/MPaIOO0C145°C200°C300°C350°C400°C> 885> 865> 830> 785> 735> 685注表中夏比(V型缺口)沖擊功均值按一組三個試樣單值的算術平均值計算。此材料一直完全依賴德國進口，不僅成本高(一根HG穿杠螺栓成本為1萬元)，而 且供貨進度時常不能保證，并且已有資料顯示有跡象表明德國供應商隨時可能停止該材料 的供應。這不僅僅嚴重影響水泵生產和交貨進度，而且可能影響到我國的能源安全。因此，迫切需要研究開發一種等同或等效替代德國1.6772牌號鋼材的國產化材 料，打破國外的技術封鎖、技術壟斷，以使我國該型裝備生產跨上一大臺階，并顯著降低成 本，為我國的能源安全提供保障條件。
發明內容
本發明的目的，就是針對上述問題而提供一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，該合 金鋼中合金元素含量要求較低，特別是比較稀缺的重要的戰略物質Ni、Mo的含量亦都較 低，但是該合金鋼完全能夠滿足CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓力學性能要求。本發明的另一個目的在于提供一種上述高強度高韌性螺栓用合金鋼的制備方法。本發明為達目的所用的技術方案是本發明之一的一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質量百分比包括以下合金元素0. 15 0. 23C ；0. 10 0. 35 Si ；0. 20 0. 45Mn ；P 彡 0. 03 ；S 彡 0. 025 ；1. 10
1. 45Cr ；3. 30 3. 90Ν ；0. 20 0. 45Mo ；Cu ( 0. 05 ；Al ( 0. 03，其余為 Fe 及雜質元素。上述的高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質量百分比包括以下合金元素0. 19 0. 21C ；0. 20 0. 32 Si ；0. 32 0. 40 Mn ；P 彡 0. 025 ；S 彡 0. 015 ；1. 25 1. 40Cr ；3. 50 3. 85Ν ；0. 30 0. 40Mo ；Cu ( 0. 03 ；Al ( 0. 02，其余為 Fe 及雜質元素。本發明之二的一種上述高強度高韌性螺栓用合金鋼的制備方法，包括以下步驟1)真空感應爐冶煉按化學成分要求配料，爐料全部熔清后，在1540 1560°C精 煉40min，保溫20min后取樣，分析成分后，調整成分，熔化5 lOmin，澆鑄電極棒，出鋼溫 度為 1560 1580°C ；2)電渣重熔將步驟1中的電極棒重熔，澆鑄鋼錠；3)鍛造對步驟2中的鋼錠進行鍛造，開鍛溫度彡1050°C，終鍛溫度彡850°C，鍛 造變形量> 30%，鍛造后緩慢冷卻到室溫再退火，退火溫度680°C，保溫時間2 汕；4)熱處理對步驟3中鍛造后的材料進行熱處理，淬火溫度800 890°C，回火溫 度420 550°C，回火時間40 190min。本發明高強度高韌性螺栓用合金鋼的化學成分設計依據及限定含量范圍的理由 如下C是強烈提高材料淬透性的元素，同時提高材料的強度和硬度。但是，隨C含量的 增加會大大降低材料韌塑性，使材料易發生脆性斷裂。當C含量較低時，可形成韌塑性較好 的材料，但是其淬透性和強度不夠。材料強度上的不足可以通過合金元素的固溶強化和析 出強化等來彌補，對于韌性的不足卻不容易提高。綜合考慮，材料的含C量應控制在低碳水 平，增加低碳韌性材料的強度是本發明的主要技術路線。Si與氧的親和力僅次于Al和Ti，而強于MruCr和V。Si在鋼中不形成碳化物，而 是以固溶體的形態存在于α (鐵素體)或、(奧氏體)中。Si提高鋼中固溶體強度的作用 極強，但同時也在一定程度上降低鋼的韌塑性。Si是封閉Y相區的元素之一，提高鋼的臨 界轉變溫度A1和^。Si對鋼的淬透性影響中等，但對提高鋼的回火穩定性和抗氧化性有很 大的好處。Si含量較高的鋼，退火時表面也容易脫碳。Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，能消除或減弱因S所引起的熱脆性，從而改善鋼的 熱加工性能。Mn與!^e形成固溶體，提高鋼中α和γ的硬度和強度。Mn又是碳化物形成 元素，進入滲碳體中取代一部分狗原子。Mn在提高合金強度的同時，對其延展性卻幾乎沒 有任何影響。Mn擴大γ相區，使鋼形成和穩定Y組織的能力僅次于Ni，Mn也強烈增加鋼 的淬透性。Mn的不利一面是增大鋼的過熱敏感性，晶粒易粗大，且易增大回火脆性，冶煉澆 鑄和鍛軋后冷卻不當容易使鋼產生白點。S、P是鋼中有害的殘留元素，且國產原材料中S、P含量相對較高，所以從鋼材的性 能與成本綜合考慮，應適當限制S、p的含量。Cr能顯著改善鋼的抗氧化性能，增加鋼的抗腐蝕能力。Cr與狗形成連續固溶體， 與C形成多種碳化物，Cr與C的親和力在形成碳化物的諸元素中大于！^和Mn，而低于W、 Mo等。Cr可以取代一部分狗而形成復合滲碳體(Fe，Cr)3C。Cr的復雜碳化物(Cr，Fe)7C3、 (Cr, Fe) 23C6對于鋼的性能有顯著的影響。Cr能顯著增加鋼的淬透性，但亦增加鋼的回火脆性傾向。當Cr與C形成復雜碳化物，并在鋼中彌散析出時，可起到彌散強化作用。但是Cr 在鋼中起到強化作用的同時亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。因此需根據對強韌性的 要求，確定合適的Cr含量。Ni與C不形成碳化物，Ni是形成和穩定Y的主要合金元素。Ni與!^e以互溶的形 式存在于鋼中的α相和Υ相中，使之強化，并通過細化α相的晶粒，改善鋼的低溫性能， 特別是韌性。Ni由于降低臨界轉變溫度和鋼中各元素的擴散速度，因而提高鋼的淬透性。 并且M在固溶強化鋼材強度的同時，對鋼材的韌塑性影響并不明顯。由于M在世界范圍 內都是一種比較稀缺的元素，也是一種重要的戰略物質。因此作為鋼的一種合金元素，必須 注意合理和節約的原則。Mo屬于縮小Y相區的元素，其在鋼中存在于固溶體相和碳化物中。在碳化物中， 當Mo含量較低時，與Fe及C形成復合的滲碳體；當含量較高時，則形成其自己的特殊碳化 物。Mo可顯著提高鋼的淬透性，同時還能提高鋼的再結晶溫度，增強回火穩定性，調質處理 后可獲得細晶粒的索氏體，使鋼的強韌性得到改善。當鋼中形成Mo的碳化物時，可起到彌 散或沉淀強化的作用，Mo含量較少時(< 0. 3，主要以固溶強化、提高淬透性和回火穩定 性為主。隨Mo含量的增加，鋼的強韌性得到提高。Mo在鋼中的作用可歸納為提高淬透性、 提高熱強性、防止回火脆性、提高在某些介質中的抗蝕性與防止點蝕傾向等。但Mo是一種 重要的戰略物質，另有極重要的用途，因此在鋼中使用，必須注意合理和盡可能的少用。Cu也是鋼中的殘留元素，盡管Cu對鋼的力學性能有益無害，但對鋼的熱鍛軋和熱 處理等熱加工性能不利，是引起熱裂的最主要元素。況且國產原材料中Cu含量相對較高， 需要加以控制。Al是強烈縮小γ相區的元素，與0、Ν有很大的親和力。Al在鋼中的作用是，用作 煉鋼時的脫氧定氮劑，并且細化晶粒，阻抑低碳鋼的時效，可以減輕鋼對缺口的敏感性，并 提高鋼的沖擊韌性，降低鋼的脆性轉變溫度，但對鋼的抗松弛和抗蠕變性能不利。而且鋼中 脫氧時Al用量過多，將使鋼產生反常組織，并促進鋼的石墨化傾向。在鐵素體及珠光體鋼 中，當含Al量較高時，其強度和韌性較低，并給冶煉和澆鑄等方面帶來困難。雖然Al細化 鋼的本質晶粒，提高鋼晶粒粗化的溫度，但當鋼中的殘余鋁(固溶金屬鋁)含量超過一定值 時，鋼的奧氏體晶粒反而更易長大粗化。因此需控制Al在鋼中的殘留量。本發明一種高強度高韌性螺栓用合金鋼的合金元素含量要求較低，特別是比較 稀缺的重要的戰略物質Ni、Mo的含量亦都較低，而各項力學性能指標都優于或等于德國 1. 6772牌號鋼材的力學性能指標(請見表幻，達到了國際先進水平。表2本發明高強度高韌性螺栓用合金鋼力學性能指標
權利要求
1.一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質量百分比包括以下合金元素0. 15 0. 23C ；0. 10 0. 35Si ；0. 20 0. 45Mn ；P 彡 0. 03 ；S 彡 0. 025 ； 1. 10 1. 45Cr ； 3. 30 3. 90Ν ；0. 20 0. 45Mo ；Cu ( 0. 05 ；Al ( 0. 03，其余為 Fe 及雜質元素。
2.如權利要求1所述的高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質量百分比包括以下合金元素0. 19 0. 21C ；0. 20 0. 32Si ；0. 32 0. 40Mn ；P 彡 0. 025 ；S 彡 0. 015 ；1. 25 1. 40Cr ； 3. 50 3. 85Ν ；0. 30 0. 40Mo ；Cu ( 0. 03 ；Al ( 0. 02，其余為 Fe 及雜質元素。
3.—種如權利要求1所述高強度高韌性螺栓用合金鋼的制備方法，包括以下步驟1)真空感應爐冶煉按化學成分要求配料，爐料全部熔清后，在1540 1560°C精煉 40min,保溫20min后取樣，分析成分后，調整成分，熔化5 lOmin，澆鑄電極棒，出鋼溫度為 1560 1580 ；2)電渣重熔將步驟1中的電極棒重熔，澆鑄鋼錠；3)鍛造對步驟2中的鋼錠進行鍛造，開鍛溫度彡1050°C，終鍛溫度彡850°C，鍛造變 形量彡30%，鍛造后緩慢冷卻到室溫再退火，退火溫度680°C，保溫時間2 汕；4)熱處理對步驟3中鍛造后的材料進行熱處理，淬火溫度800 890°C，回火溫度 420 550°C，回火時間40 190min。
全文摘要
本發明涉及一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質量百分比包括以下合金元素0.15～0.23C；0.10～0.35 Si；0.20～0.45 Mn；P≤0.03；S≤0.025；1.10～1.45 Cr；3.30～3.90 Ni；0.20～0.45 Mo；Cu≤0.05；Al≤0.03，其余為Fe及雜質元素。還提供了本發明的制備方法。本發明各項力學性能指標都優于或等于德國1.6772牌號鋼材的力學性能指標，完全能夠滿足CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓力學性能要求，可以等同或等效替代德國1.6772牌號鋼材用于生產CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓。
文檔編號C22C38/44GK102094153SQ201110049698
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月2日 優先權日2011年3月2日
發明者于治水, 徐金星, 施永濤, 李培耀, 李霞, 潘再兵, 紀楗煜, 錢俊 申請人:上海凱士比泵有限公司, 上海工程技術大學