專利名稱：一種高強度氣瓶用合金鋼、氣瓶及其制備方法
技術領域：
本發明涉及氣瓶用低合金鋼，特別是涉及一種用于生產高壓無縫氣瓶的高強度低合金鋼及其制備方法。
背景技術：
氣瓶是指在正常環境下可重復充氣使用的盛裝永久氣體、液化氣體或溶解氣體等的移動式壓力容器。鋼質氣瓶作為一種氣體儲存容器，已廣泛應用于工業、礦業、軍事、醫藥、潛水、汽車等領域。根據制造工藝的不同鋼質氣瓶又可分為焊接氣瓶和無縫氣瓶兩類。 焊接氣瓶是以鋼板為原料，沖壓卷焊制造的鋼瓶。無縫氣瓶是以鋼坯為原料，經沖壓拉伸制造或以無縫鋼管為材料，經熱旋壓收口收底而制造。無縫氣瓶從根本上消除了傳統氣瓶生產中與焊縫有關的不連續、強度降低、脆裂和拉應力集中等缺陷，氣瓶的氣密性和耐壓性能有了大幅提高。隨著工業技術的進步，人們對鋼制無縫氣瓶的工作壓力、公稱容積、瓶體重量提出了更高的要求。目前，鋼質無縫氣瓶常見的充裝壓力為15-20MPa，少部分采用30MI^高壓充裝。據統計，國外30MI^高壓力氣瓶的比例呈10%的年均速度增長。增大氣瓶的公稱容積同樣也利于提高氣瓶儲氣能力，但容積增大將導致氣瓶直徑增加，為保證氣瓶的安全使用， 設計上將不得不提高瓶壁厚度，勢必增加氣瓶重量。當前，社會的發展正朝資源節約型的方向進行，大力提倡產品、結構的輕量化設計概念。對于高充裝壓力、大容積無縫氣瓶，只有在鋼坯材料性能保證的前提下，氣瓶的壁厚才有可能降低，從而使得單個氣瓶的重量降低，達到既節約資源，又減輕運輸成本的目的。目前工業生產常用的氣瓶鋼合金材料抗拉強度均在IlOOMPa以下，如果通過熱處理方法進一步提高其強度，將使氣瓶低溫沖擊韌性無法保證。CN101818309A介紹了一種氣瓶鋼及其制造方法，主要通過提高鋼中Mo含量到0. 40%以上，同時添加少量的Ti元素強化合金，鋼坯經淬火回火處理后抗拉強度達到 1120MPa以上，斷后延伸率在14%以上。CN101560631A提供一種鋼質無縫氣瓶制造用鋼坯材料，主要通過控制材料中P、 S、V、Nb、Ti、B、Zr、Cu、Al元素含量，同時優化C、Si、Mn、Cr含量，當該鋼坯材料經沖壓而制成無縫氣瓶后抗拉強度達到920MPa以上時，仍能通過應力腐蝕試驗，可用于汽車動力系統中儲存壓縮天然氣。US4461657提供一種高強度鋼及氣瓶的制造方法，主要通過添加0. 04-0. 10%的V 元素強化材料，同時根據鋼中S元素含量添加Ca和稀土元素，優化熱處理工藝后該材料抗拉強度可達1069MPa以上。US5133^8提供一種氣瓶鋼成分，通過降低鋼中S含量到0.005%以下，同時添加少于0. 25%的Ni，以提高鋼的強度和韌性。上述專利或申請所涉及的低合金鋼種大多采取添加M元素同時提高Mo含量的方式，達到提高材料強度、韌性和回火穩定性的目的，但附、Mo元素的添加將使得材料合金成本增加，從而使得最終氣瓶價格提高。隨著工業技術的進步，為達到提高氣體傳送和儲存效率的目的，鋼制無縫氣瓶要求具有更高的工作壓力、大的公稱容積、以及輕的瓶體重量。這對于用于制造無縫氣瓶的材料性能提出了更高的要求，特別是其強度和韌性。因此，研究開發高強度、高沖擊韌性的高壓無縫氣瓶用低合金鋼意義重大。
發明內容
本發明的目的在于提供一種抗拉強度在IlOOMPa以上，_50°C低溫沖擊韌性在 45J/cm2以上，同時無需添加Ni元素，且Mo含量控制在0. 30%以下的經濟型高強度氣瓶用合金鋼。為實現上述目的，本發明高強度氣瓶用合金鋼，其化學成分配比(重量百分比)為C :0· 30-0. 38 %, Si 0. 15-0. 37 %, Mn 0. 60-0. 90 %, Cr 0. 80-1. 20 %, Mo 0. 15-0. 30%, Al 0. 01-0. 05%, Ti :0. 00-0. 25%, Nb :0. 02-0. 25%, W :0. 03-0. 20%, Ca 0. 002-0. 004 %, P ^ 0. 010 %, S 彡 0. 010 %，且 Ti+Nb ^ 0. 07 %, Ca :0. 002-0. 004 %, N^O. 0035%,其余為！^和不可避免的雜質，雜質元素的總量低于0. 05%。本發明的上述高強度氣瓶用合金鋼的組織為回火索氏體組織。本發明的上述高強度氣瓶用合金鋼的抗拉強度為IlOOMPa以上，_50°C低溫沖擊韌性高于45J/cm2。優選地，所述合金鋼的抗拉強度為1150-1305MPa，_50°C低溫沖擊韌性為 50-90J/cm2。本發明的另一個目的是提供由上述合金鋼制造的鋼質氣瓶。本發明的又一個目的是提供高強度氣瓶的制造方法，該方法包括經電爐或轉爐冶煉后進行LF爐精煉和VD處理，控制鋼中P、S元素含量，同時調整 N 含量(‘ 0. 0035% )；出鋼前喂入Si-Ca線進行夾雜物變性處理，喂入量為2_3m/噸鋼；采用連鑄機在氬氣保護下澆注方坯后，于1050-109(TC溫度下初軋開坯為方坯料； 方坯料經切割、加熱、沖拔、收口后制成各規格尺寸的鋼質無縫氣瓶；無縫氣瓶在800-940°C保溫30-60分鐘后，進行水淬火處理；隨后在500_65(TC溫度下回火，保溫時間為30-120分鐘。優選地，采用大方坯連鑄機在氬氣保護下澆注成300_425mm方坯后，于 1050-1090°C溫度下初軋開坯為150-250mm方坯料。采用上述成分和制造方法生產的氣瓶用合金鋼強度可達IlOOMPa以上，同時具有足夠的韌性，從而達到高壓氣瓶安全使用的要求。由于該氣瓶鋼材料強度高，可用于制造高壓力、大容積、重量輕的氣瓶，從而提高氣瓶的使用效率。由于該成分氣瓶用合金鋼通過Ti、Nb添加達到細晶強化和沉淀強化的目的，同時添加W元素降低鋼的回火脆性，在無需添加Ni元素，且Mo含量低于0. 30%條件下，強度仍能達到IlOOMPa以上，可有效降低材料的合金成本，從而使得由該合金制備的高壓氣瓶成本降低。
具體實施方式
以下對本發明進行較為詳細的說明。本發明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。為實現本發明的提供抗拉強度在IlOOMPa以上，_50°C低溫沖擊韌性在45J/cm2以上，同時無需添加Ni元素，且Mo含量控制在0. 30%以下的經濟型高強度氣瓶鋼的目的，不受限于任何理論，本發明合金鋼的化學成分進行如下選擇和控制C是保證氣瓶鋼室溫強度和淬透性所必需的成分。在此成分體系下，當碳含量低于0. 30%時鋼的強度不夠，而高于0. 38%時則會使得材料韌性太差，無法滿足氣瓶使用安全性的要求。因此，本發明鋼中C含量控制在0. 30-0. 38%。Si加入鋼中主要起到脫氧及強化鐵素體相的目的，當合金中Si元素含量低于 0. 15%時效果不明顯，當含量超過0.37%后，將使鋼的加工性和韌性惡化。因此，本發明鋼中 Si 含量控制在 0. 15-0. 37%，優選地，Si :0. 15-0. 30%，更優選 Si :0. 15-0. 25%。通過Mn、Cr、M0元素的相互作用，保證在水淬條件下材料不發生開裂，同時得到馬氏體微觀組織結構。Mn、Cr、M0元素通過固溶強化和析出強化作用提高材料強度和韌性，同時提高材料回火穩定性。此外，Mn元素的添加還有利于消除鋼中S的有害作用，避免形成低熔點的i^eS，但含量過高時將降低材料韌性，因此本發明中Mn含量控制在0. 90%以下和 0. 60%以上，優選地Mn 0. 75-0. 90%。Mo元素的提高將使合金成本增加，為保證材料經濟性，本發明中將Mo含量控制在0. 30%以下和0. 15%以上，將Cr含量控制為0. 80-1. 20%, 優選為 0. 90-1. 10%。Al在鋼中主要起到了脫氧作用和細化晶粒的作用，當加入量低于0. 01%時，效果不明顯，但加入量過多時易形成脆性的氧化鋁夾雜物，對鋼的韌性有害，因此本發明控制其含量在0. 05%以下和0. 01 %以上。Ti、Nb元素具有強的氮化物和碳化物形成傾向，該成分合金回火過程中Ti、Nb的氮化物和碳化物析出將使材料硬度和強度增加，發生二次硬化，因此鋼中需添加Ti和Nb總量高于0. 07 %。如果合金中添加的Ti和Nb含量過高，將使得其碳化物和氮化物過早析出， 并且尺寸粗大，因此本發明中將其含量分別控制在低于0.25%。優選地，Nb 0. 05-0. 25%； 更優選，Ti 0. 07-0. 25%。W元素的添加有利于提高鋼的淬透性和強度，同時還可防止回火過程中脆性的發生，因此本發明中添加0. 03-0. 20%的W。Ca處理將改善鋼中脆性夾雜物的形態和性質，有利于提高氣瓶鋼的低溫沖擊韌性，因此控制鋼中Ca元素的范圍為0. 002-0. 004%。為保證材料的韌性將本發明鋼中有害的P、S元素含量控制在0. 010%以下。本發明的上述高強度氣瓶鋼，按照如下方法制造經電爐或轉爐冶煉后進行LF爐精煉和VD處理，控制鋼中P、S元素含量，同時調整 N 含量(‘ 0. 0035% )；出鋼前喂入Si-Ca線進行夾雜物變性處理，喂入量為2_3m/噸鋼；采用大方坯連鑄機在氬氣保護下澆注為300-425mm方坯后，于1050-1090°C溫度下初軋開坯為150-250mm方坯料；方坯料經切割、加熱、沖拔、收口后制成各規格尺寸的鋼
質無縫氣瓶；無縫氣瓶的熱處理工藝為800_940°C保溫30_60分鐘后，進行水淬火處理；隨后在500-650°C溫度下回火，保溫時間為30-120分鐘。淬火前的熱處理溫度越高，同時在保證抗拉強度的前提下適當提高回火溫度，均將有利于改善鋼的沖擊韌性。因此，無縫氣瓶優化的熱處理工藝為880-940°C，回火工藝為 550-630 "C。采用上述成分和制造方法生產的氣瓶鋼強度可達IlOOMPa以上，同時具有足夠的韌性，從而達到高壓氣瓶安全使用的要求。由于該氣瓶鋼材料強度高，可用于制造高壓力、 大容積、重量輕的氣瓶，從而提高氣瓶的使用效率。由于該成分氣瓶鋼通過Ti、Nb添加達到細晶強化和沉淀強化的目的，同時添加W 元素降低鋼的回火脆性，在無需添加Ni元素，且Mo含量低于0. 30%條件下，強度仍能達到 IlOOMPa以上，可有效降低材料的合金成本，從而使得由該合金制備的高壓氣瓶成本降低。實施例本發明的實施例1-10的氣瓶鋼產品的化學成分如下表1中所示。表1本發明實施例氣瓶鋼的化學成分，Wt %
權利要求
1.一種高強度合金鋼，其重量百分比化學成分為:C :0. 30-0. 38%, Si :0. 15-0. 37%, Mn :0. 60-0. 90%, Cr :0. 80-1. 20%, Mo :0. 15-0. 30%, Al :0. 01-0. 05%, Ti :0. 00-0. 25%, Nb :0. 02-0. 25%, W :0. 03-0. 20%, P ^ 0. 010%, S 彡 0. 010 %，且 Ti+Nb ^ 0. 07%, Ca 0. 002-0. 004%,N^O. 0035 %，其余為!^e和不可避免的雜質，雜質元素的總量低于0. 05 %。
2.如權利要求1所述的高強度合金鋼，其特征在于，Si0. 15-0. 30%，優選地，Si 0. 15-0. 25%o
3.如權利要求1或2所述的高強度合金鋼，其特征在于，Mn0. 70-0. 90%，優選地，Mn 0. 75-0. 90%。
4.如權利要求1-3任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，Cr0. 90-1. 10%。
5.如權利要求1-4任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，Ti0. 07-0. 25%。
6.如權利要求1-5任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，Nb0. 05-0. 25%。
7.如權利要求1-6任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，Ti+Nb13%。
8.如權利要求1-7任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，N0. 0020-0. 0035%。
9.如權利要求1-8任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，組織為回火索氏體。
10.如權利要求1-9任一所述的高強度合金鋼，其特征在于，所述鋼的抗拉強度為 IlOOMPa以上，_50°C低溫沖擊韌性高于45J/cm2。
11.如權利要求10所述的高強度合金鋼，其特征在于，所述鋼的抗拉強度為 1150-1305MPa, _50°C低溫沖擊韌性為 50_90J/cm2。
12.如權利要求1-11任一所述的高強度合金鋼制造的鋼質氣瓶。
13.如權利要求12所述的高強度鋼質氣瓶的制造方法，包括經電爐或轉爐冶煉后進行LF爐精煉和VD處理，控制鋼中P、S元素含量，同時調整N含量；出鋼前喂入Si-Ca線進行夾雜物變性處理，喂入量為2-3m/噸鋼； 采用連鑄機在氬氣保護下澆注方坯后，于1050-109(TC溫度下初軋開坯為方坯料；方坯料經切割、加熱、沖拔、收口后制成各規格尺寸的鋼質無縫氣瓶；無縫氣瓶在800-940°C保溫30-60分鐘后，進行水淬火處理；隨后在500-650°C溫度下回火，保溫時間為30-120分鐘。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，無縫氣瓶在880-94(TC，保溫30-60分鐘后，進行水淬火處理；隨后在550-630°C溫度下回火，保溫時間為30-120分鐘。
15.如權利要求13或14所述的方法，其特征在于，澆注為300-425mm方坯。
16.如權利要求13-15任一所述的方法，其特征在于，初軋開坯為150-250mm方坯料。
全文摘要
本發明涉及一種高強度氣瓶用合金鋼，其重量百分比化學成分為C0.30-0.38％，Si0.15-0.37％，Mn0.60-0.90％，Cr0.80-1.20％，Mo0.15-0.30％，Al0.01-0.05％，Ti0.00-0.25％，Nb0.02-0.25％，W0.03-0.20％，P≤0.010％，S≤0.010％，且Ti+Nb≥0.07％，Ca0.002-0.004％，N≤0.0035％，其余為Fe和不可避免的雜質，雜質元素的總量低于0.05％。其高強度鋼質氣瓶的制造，包括冶煉、精煉和VD處理，控制鋼中P、S元素含量，同時調整N含量；出鋼前喂入2-3m/噸鋼的Si-Ca線進行夾雜物變性處理；采用大方坯連鑄機在氬氣保護下澆注方坯后，于1050-1090℃溫度下初軋開坯為方坯料；再制成無縫氣瓶；無縫氣瓶在800-940℃保溫30-60分鐘后，進行水淬火處理；隨后在500-650℃溫度下回火，保溫時間為30-120分鐘。所得到的氣瓶鋼為回火索氏體組織，抗拉強度為1100MPa以上，-50℃低溫沖擊韌性高于45J/cm2。
文檔編號C22C38/28GK102409242SQ20111038325
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者姚贊, 陸明和 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司