CN101613835A

CN101613835A - 一种合金热轧钢板及用其制造高压气瓶的方法

Info

Publication number: CN101613835A
Application number: CN200810039769A
Authority: CN
Inventors: 唐文军; 杨才定; 宋国斌; 张汉谦
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-12-30

Abstract

本发明提供了一种合金热轧钢板，所述合金热轧钢板的化学成分包含：C：0.30～0.40wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.50～1.00wt％、P≤0.015wt％、S≤0.010wt％、Al≤0.05wt％、Cr：0.8～1.2wt％、Mo：0.15～0.30wt％、Ni≤0.50wt％、V≤0.20wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了用该热轧钢板制造高压气瓶的方法，该方法包括：将正火处理后的热轧钢板经过多道次旋压成形等工序制成无缝高压气瓶，产品再经过淬火回火热处理。经调质热处理后的产品屈服强度超过850MPa，抗拉强度超过950MPa，冲击韧性达到67J/cm²，满足气瓶行业的需求。

Description

一种合金热轧钢板及用其制造高压气瓶的方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料领域，具体地说，本发明涉及一种合金热轧钢板及用该热轧钢板制造高压气瓶的方法。

背景技术

高压气瓶用钢的基本要求是具有较高的强度，良好的塑性、韧性、且具有适宜的热处理性能。传统无缝气瓶常用钢坯经过冲压制造，瓶壁过厚，特别是钢瓶底部较厚，使钢瓶自身重量大，当用作压缩天然气车载气瓶时因重量大不利于节能。气瓶材质一般采用低碳钢种，但其正火态强度较低，传统低碳钢的正火态强度一般只有500MPa级，低碳微合金钢正火强度也只有600MPa左右，承压能力有限，通常充气压力不超过150kgf/cm²，由于充气压力低充气量少，限制了一次充气的行驶距离，需要频繁充气，实用性有待提高。现常用压缩天然气车载气瓶的公称工作压力达到200kgf/cm²，气瓶水压试验则要达到300kgf/cm²，这就对气瓶材质的强度提出了更高的要求。所以，对于车载气瓶来说，不仅要求钢瓶材质具有强度高，韧性好的特点，满足规定充气压力下的安全要求，而且要求钢瓶自身重量轻，这样才能达到节能降耗的目的。

现在国内外关于压力容器用钢主要采用低合金钢，以添加Cr、Mo等合金元素为主，多数属于低碳或中低碳钢，而且多以正火型钢板见多。经检索，有下列相关专利文献涉及压力容器用钢，其化学成分见表1。

CN00110094.7公开了一种高强度钢气瓶用钢，属于中碳低合金钢，其化学成分中加入了较多Mo和Ni，特别是必须添加Ni，且要求添加量在1.60wt％以上，该钢是通过Ni从而改善低温韧性，可以用于装配消防器材。

CN88105870.X公开了一种正火型的气瓶钢，需通过850℃正火热处理，但其屈服强度为600MPa左右，抗拉强度为800MPa左右。

JP11036043A公开了一种高温高压容器钢，其碳含量为0.03～0.20wt％，添加了较多合金元素，属于低碳合金钢，且加入了Ca、Mg、稀土等元素以提升钢的抗蠕变和再热裂纹性能，其强度为700MPa左右。

JP55041960A公开了一种Cr-Mo合金钢，并用V、Nb微合金化，通过降S改善韧性，降Si改善脆性敏感性，并且添加V或Nb弥补了因降Si造成的强度降低，其原料成本较高，

JP55100963A涉及一种Ni-Cr-Mo型高强高韧压力容器钢，显著提高钢中的Cr、Ni合金含量，使钢中的P、Sb、Sn、As等有害杂质元素保持在较低水平从而降低回火脆性的敏感性，配合特殊热处理工艺(850℃奥氏体化正火，580～630℃回火)保证钢的优良强度和韧性，但其对成分含量控制要求较高，增加了生产成本。

JP61250152A涉及一种锅炉和压力容器用高强高韧正火型低碳钢板，它是一种正火状态使用的低碳钢，具有优良的抗焊接裂纹性能，要求其PCM≤0.23，对成分含量控制要求较高。

FR2568894公开了一种高强高韧压力容器钢的制造方法，它采用独特的热处理方法生产压力容器钢，板坯在1200℃加热，累计压下量大于30％并且终轧温度在1050℃以上，钢板轧后直接淬火和回火处理。其成分是低碳合金钢，以Cr、Ni、Mo作为主要合金元素，可添加V、Nb、Ti或B，添加元素的种类较多，增加了成本。

JP57120652A公开了一种高强韧性压力容器钢，增加了Mn含量，以Cr、Mo合金化，选用Cu、Ni等元素增加钢的淬透性并提高强度，但其屈服强度仅为500MPa左右，抗拉强度600MPa左右。

考虑到高压气瓶用钢应具有高强度、高韧性等特性，且为了降低生产成本、便于实施等因素，本发明者通过Cr、Mo合金化处理，设计出了一种合金热轧钢板，该钢板经旋压成形制成气瓶，调质热处理后完全能满足气瓶行业的需求，从而完成了本发明。

本发明的一个目的在于提供一种合金热轧钢板。

本发明的另一个目的在于提供用所述合金热轧钢板制造高压气瓶的方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种合金热轧钢板，所述合金热轧钢板的化学成分包含：C：0.30～0.40wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.50～1.00wt％、P≤0.015wt％、S≤0.010wt％、Al≤0.05wt％、Cr：0.8～1.2wt％、Mo：0.15～0.30wt％、Ni≤0.50wt％、V≤0.20wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

下面，对本发明的合金热轧钢板的化学成分作用作详细叙述。

碳：碳是钢中的主要强化元素，起到延迟奥氏体转变的作用，是奥氏体转变成马氏体强化相所必不可少的元素。适合的碳含量可稳定高温下亚稳奥氏体，使钢种具有合适的临界冷速，钢中碳含量过低，奥氏体稳定性不足，淬火时不易淬透，达不到所需强度要求，碳含量过高则易生成脆性相。本发明碳含量一般控制为0.30～0.40wt％。

硅：硅在钢中起固溶强化作用，但过高的硅含量会影响板坯表面质量并影响产品的韧性，使其变脆，给成形带来难度。本发明不依靠硅的强化效果增加产品强度，所以将硅含量控制在0.20～0.40wt％。

锰：锰是固溶强化元素，能促进碳在奥氏体中的溶解，在一定程度上也可提高淬透性，但锰含量过高时容易引起偏析，因此不能通过提高锰含量来提高淬透性。本发明锰含量的控制范围为0.50～1.00wt％。

硫和磷：硫和磷在钢中属于杂质元素，应尽可能降低含量，因为硫在钢中会与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫含量最好控制在0.010wt％以下，磷也会严重损害钢板的塑性和韧性，其含量最好控制在0.015wt％以下。

铝：铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，一般钢中均含有一定量。本发明热轧钢板中加入的铝主要用来脱氧和细化晶粒，加入量不超过0.05wt％。

铬和钼：铬在钢中的作用主要是延迟奥氏体转变孕育时间，提高淬透性，使铁素体、珠光体转变后移，在冷却过程中抑制该类组织形成，使在冷速不高的情况下直接进入马氏体相变区。钼是所有其他合金元素中对淬透性影响最大的元素，显著推迟珠光体转变，淬透性主要反映钢材热处理性能，表征了钢材接受淬火的能力。当钢中铬和钼的含量分别不超过1.20wt％和0.30wt％时，气瓶常用的10mm以下厚度的钢板在油冷条件下能淬透，得到马氏体组织，经适当温度回火后屈服强度高于850MPa，抗拉强度超过950MPa，并且具有优良的冲击性能。

镍：镍同样是提高淬透性的合金元素之一，但效果不如铬、钼强烈，它同时能显著改善韧性，尤其是低温韧性，作为压力容器用钢，韧性是至关重要的一项指标，根据需要可以添加少量镍以改善韧性，一般不超过0.50wt％。

钒：钒广泛用作高强度低合金钢的强化剂，含钒钢通过沉淀析出和细化晶粒产生强化，钢中钒的碳氮化物析出相能显著提高强度，钢中添加少量钒就有显著的强化效果。

本发明的第二个方面提供用所述合金热轧钢板制造高压气瓶的方法，该方法包括以下步骤：将所述合金热轧钢板正火处理后，再经过3次高温旋压成形；对成形气瓶进行淬火热处理，于840～920℃加热，保温后以大于5℃/s的速度冷却至100℃以下；淬火后的气瓶于520～600℃回火热处理。

在一个优选实施方式中：在每次旋压成形后进行正火处理。

在一个优选实施方式中：淬火热处理中的奥氏体化保温时间按2min/mm设定，且保温时间≥15min。

在一个优选实施方式中：回火热处理中的保温时间为120min。

钢水经冶炼浇注成钢坯，坯料厚度220mm，坯料均热温度1180～1250℃，保证坯料透热并保温足够时间使奥氏体均匀，坯料保温结束后立即进行轧制，经过多道次连续轧至成品厚度，一般为6～10mm，轧制时按照正常轧制节奏完成热轧，无需控制终轧温度，轧制完成后钢板空冷或喷水冷却，降温至600～730℃进行卷取，再缓冷至室温。

热轧钢板先经过正火处理，再经过3次高温旋压成形，可减小钢瓶壁厚降低重量，每次成形后需要进行正火处理降低强度和改善塑性以利于下一道次旋压成形，最终制作成无缝气瓶。气瓶成形后通过调质热处理提高强度：于840～920℃奥氏体化，保温足够时间使形成均匀奥氏体，用油迅速冷至100℃以下，采用该油淬方式即可使厚度10mm以下的钢板均能淬透，得到马氏体强化相。回火温度范围较宽，可在520～600℃回火。

本发明的有益效果为：

1、所述成分设计易于实施，通过Cr、Mo合金化处理有效推迟奥氏体转变，提高淬透性。对淬火加热温度不敏感，在840～920℃较为宽松的温度范围均可加热，并得到所需的马氏体组织。

2、传统正火型低碳气瓶钢正火态抗拉强度一般只有500MPa级，低碳微合金钢正火强度也只有600MPa左右，经调质热处理后的本发明热轧钢板屈服强度不低于850MPa，抗拉强度超过950MPa，冲击韧性达到67J/cm²，能承受更高压力，可满足充气压力达到200kgf/cm²的车载气瓶要求。

3、按照淬火回火型气瓶相关标准ISO9809，对于直径140mm以上的气瓶，钢板厚度为7.5-10mm时要求冲击值达到67J/cm²以上，本发明的钢板经调质后性能满足ISO9809气瓶制造的要求。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1

按表2所示的化学成分真空感应炉冶炼，铸造成钢坯，坯料厚度220mm，坯料均热温度1180～1250℃并保温，保温结束后立即进行热轧，经多道次连续轧至钢板成品厚度6～10mm，终轧温度范围850～950℃，轧制完成后将钢板空冷或喷水冷却，待降温至600～730℃时进行卷取，再缓冷至室温。

模拟气瓶热处理工艺制度，将热轧态钢板于920℃加热，保温时间按照2min/mm设定，并保证最短保温时间不低于15min，钢板保温结束立即浸入淬火油中冷却至100℃以下。淬火钢板再进行回火处理，回火温度560℃，回火保温时间120min，回火结束出炉空冷至室温。

实施例2

实施方式同实施例1。其中在热处理工艺中，将热轧态钢板于860℃加热，回火温度为540℃。

实施例3

实施方式同实施例1。其中在热处理工艺中，将热轧态钢板于860℃加热，回火温度为520℃。

实施例4

实施例5

实施方式同实施例1。其中在热处理工艺中，将热轧态钢板于900℃加热，回火温度为600℃。

实施例6

实施方式同实施例1。其中在热处理工艺中，将热轧态钢板于880℃加热，回火温度为600℃。

实施例7

实施方式同实施例1。其中在热处理工艺中，将热轧态钢板于860℃加热，回火温度为580℃。

实施例8

实施方式同实施例1。其中在热处理工艺中，将热轧态钢板于840℃加热，回火温度为560℃。

表2本发明实施例1-8的合金热轧钢板的化学成分(wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Mo	V	Ni
	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Mo	V	Ni	实施例1	0.34	0.25	0.50	0.010	0.003	0.046	0.94	0.20	/	/
实施例2	0.30	0.32	0.76	0.012	0.005	0.032	1.18	0.16	/	0.44	实施例1	0.34	0.25	0.50	0.010	0.003	0.046	0.94	0.20	/	/
实施例2	0.30	0.32	0.76	0.012	0.005	0.032	1.18	0.16	/	0.44	实施例3	0.35	0.28	0.73	0.010	0.004	0.042	0.90	0.21	/	/
实施例4	0.31	0.38	0.74	0.011	0.005	0.026	0.81	0.29	/	0.47	实施例3	0.35	0.28	0.73	0.010	0.004	0.042	0.90	0.21	/	/
实施例4	0.31	0.38	0.74	0.011	0.005	0.026	0.81	0.29	/	0.47	实施例5	0.36	0.27	0.99	0.010	0.003	0.039	0.94	0.19	/	/
实施例6	0.35	0.26	0.94	0.009	0.003	0.037	0.83	0.26	0.18	/	实施例5	0.36	0.27	0.99	0.010	0.003	0.039	0.94	0.19	/	/
实施例6	0.35	0.26	0.94	0.009	0.003	0.037	0.83	0.26	0.18	/	实施例7	0.40	0.25	0.55	0.007	0.003	0.041	0.94	0.18	/	/
实施例8	0.39	0.21	0.78	0.015	0.005	0.036	1.01	0.20	/	/	实施例7	0.40	0.25	0.55	0.007	0.003	0.041	0.94	0.18	/	/

试验例1

对本发明实施例1-8的经热处理后的合金热轧钢板进行力学性能测试，测试结果见表3。

表3本发明实施例1-8经热处理后的合金热轧钢板的力学性能测试结果

	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)
	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	实施例1	935	1035
实施例2	1000	1110	实施例1	935	1035
实施例2	1000	1110	实施例3	1025	1120
实施例4	980	1095	实施例3	1025	1120
实施例4	980	1095	实施例5	880	975
实施例6	930	1025	实施例5	880	975
实施例6	930	1025	实施例7	970	1070
实施例8	1000	1090	实施例7	970	1070

试验例2

选取实施例3和实施例4的成分，热轧成厚度为9mm的钢板，再进行淬火回火调质热处理，具体热处理工艺参数见表4。加工冲击试样，试样厚度为7.5mm，其常温冲击性能结果如表4所示。

表4本发明实施例3和4的热处理工艺参数及冲击性能结果

Claims

1、一种合金热轧钢板，其特征在于，所述合金热轧钢板的化学成分包含：C：0.30～0.40wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.50～1.00wt％、P≤0.015wt％、S≤0.010wt％、Al≤0.05wt％、Cr：0.8～1.2wt％、Mo：0.15～0.30wt％、Ni≤0.50wt％、V≤0.20wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2、用权利要求1所述的合金热轧钢板制造高压气瓶的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将权利要求1所述合金热轧钢板正火处理后，再经过3次高温旋压成形；对成形气瓶进行淬火热处理，于840～920℃加热，保温后以大于5℃/s的速度冷却至100℃以下；淬火后的气瓶于520～600℃回火热处理。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在每次旋压成形后进行正火处理。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在淬火热处理过程中，奥氏体化保温时间按2min/mm设定，且保温时间≥15min。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在回火热处理过程中，回火保温时间为120min。