CN102094153A - 一种高强度高韧性螺栓用合金钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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，其余为Fe及杂质元素。还提供了本发明的制备方法。本发明各项力学性能指标都优于或等于德国1.6772牌号钢材的力学性能指标，完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求，可以等同或等效替代德国1.6772牌号钢材用于生产CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓。

Description

一种高强度高韧性螺栓用合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性螺栓用合金钢，尤其涉及一种用于高压锅炉给水泵上的高强度高韧性螺栓的合金钢。

背景技术

上海凯士比泵有限公司引进生产的德国KSB公司的CHT和HG系列高压锅炉给水泵是超临界发电机组的关键设备(其工作压力分别为420bar和280bar，工作温度达230℃)，而CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓则是水泵密封与承压的关键零件，其质量、性能和可靠性对机组的安全可靠运行起着至关重要的作用。CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓材料原设计为德国1.6772牌号钢材，其力学性能要求列于表1(见下)。

表1德国1.6772牌号钢材力学性能指标

此材料一直完全依赖德国进口，不仅成本高(一根HG穿杠螺栓成本为1万元)，而且供货进度时常不能保证，并且已有资料显示有迹象表明德国供应商随时可能停止该材料的供应。这不仅仅严重影响水泵生产和交货进度，而且可能影响到我国的能源安全。

因此，迫切需要研究开发一种等同或等效替代德国1.6772牌号钢材的国产化材料，打破国外的技术封锁、技术垄断，以使我国该型装备生产跨上一大台阶，并显著降低成本，为我国的能源安全提供保障条件。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题而提供一种高强度高韧性螺栓用合金钢，该合金钢中合金元素含量要求较低，特别是比较稀缺的重要的战略物质Ni、Mo的含量亦都较低，但是该合金钢完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求。

本发明的另一个目的在于提供一种上述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法。

本发明为达目的所用的技术方案是：

本发明之一的一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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≤0.03；S≤0.025；1.10～1.45Cr；3.30～3.90Ni；0.20～0.45Mo；Cu≤0.05；Al≤0.03，其余为Fe及杂质元素。

上述的高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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≤0.025；S≤0.015；1.25～1.40Cr；3.50～3.85Ni；0.30～0.40Mo；Cu≤0.03；Al≤0.02，其余为Fe及杂质元素。

本发明之二的一种上述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法，包括以下步骤：

1)真空感应炉冶炼：按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540～1560℃精炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5～10min，浇铸电极棒，出钢温度为1560～1580℃；

2)电渣重熔：将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；

3)锻造：对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，锻造变形量≥30％，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2～3h；

4)热处理：对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800～890℃，回火温度420～550℃，回火时间40～190min。

本发明高强度高韧性螺栓用合金钢的化学成分设计依据及限定含量范围的理由如下：

C是强烈提高材料淬透性的元素，同时提高材料的强度和硬度。但是，随C含量的增加会大大降低材料韧塑性，使材料易发生脆性断裂。当C含量较低时，可形成韧塑性较好的材料，但是其淬透性和强度不够。材料强度上的不足可以通过合金元素的固溶强化和析出强化等来弥补，对于韧性的不足却不容易提高。综合考虑，材料的含C量应控制在低碳水平，增加低碳韧性材料的强度是本发明的主要技术路线。

Si与氧的亲和力仅次于Al和Ti，而强于Mn、Cr和V。Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于α(铁素体)或γ(奥氏体)中。Si提高钢中固溶体强度的作用极强，但同时也在一定程度上降低钢的韧塑性。Si是封闭γ相区的元素之一，提高钢的临界转变温度A₁和A₃。Si对钢的淬透性影响中等，但对提高钢的回火稳定性和抗氧化性有很大的好处。Si含量较高的钢，退火时表面也容易脱碳。

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能消除或减弱因S所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn与Fe形成固溶体，提高钢中α和γ的硬度和强度。Mn又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分Fe原子。Mn在提高合金强度的同时，对其延展性却几乎没有任何影响。Mn扩大γ相区，使钢形成和稳定γ组织的能力仅次于Ni，Mn也强烈增加钢的淬透性。Mn的不利一面是增大钢的过热敏感性，晶粒易粗大，且易增大回火脆性，冶炼浇铸和锻轧后冷却不当容易使钢产生白点。

S、P是钢中有害的残留元素，且国产原材料中S、P含量相对较高，所以从钢材的性能与成本综合考虑，应适当限制S、P的含量。

Cr能显著改善钢的抗氧化性能，增加钢的抗腐蚀能力。Cr与Fe形成连续固溶体，与C形成多种碳化物，Cr与C的亲和力在形成碳化物的诸元素中大于Fe和Mn，而低于W、Mo等。Cr可以取代一部分Fe而形成复合渗碳体(Fe，Cr)₃C。Cr的复杂碳化物(Cr，Fe)₇C₃、(Cr，Fe)₂₃C₆对于钢的性能有显著的影响。Cr能显著增加钢的淬透性，但亦增加钢的回火脆性倾向。当Cr与C形成复杂碳化物，并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用。但是Cr在钢中起到强化作用的同时亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。因此需根据对强韧性的要求，确定合适的Cr含量。

Ni与C不形成碳化物，Ni是形成和稳定γ的主要合金元素。Ni与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性。Ni由于降低临界转变温度和钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的淬透性。并且Ni在固溶强化钢材强度的同时，对钢材的韧塑性影响并不明显。由于Ni在世界范围内都是一种比较稀缺的元素，也是一种重要的战略物质。因此作为钢的一种合金元素，必须注意合理和节约的原则。

Mo属于缩小γ相区的元素，其在钢中存在于固溶体相和碳化物中。在碳化物中，当Mo含量较低时，与Fe及C形成复合的渗碳体；当含量较高时，则形成其自己的特殊碳化物。Mo可显著提高钢的淬透性，同时还能提高钢的再结晶温度，增强回火稳定性，调质处理后可获得细晶粒的索氏体，使钢的强韧性得到改善。当钢中形成Mo的碳化物时，可起到弥散或沉淀强化的作用，Mo含量较少时(＜0.3％)，主要以固溶强化、提高淬透性和回火稳定性为主。随Mo含量的增加，钢的强韧性得到提高。Mo在钢中的作用可归纳为提高淬透性、提高热强性、防止回火脆性、提高在某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向等。但Mo是一种重要的战略物质，另有极重要的用途，因此在钢中使用，必须注意合理和尽可能的少用。

Cu也是钢中的残留元素，尽管Cu对钢的力学性能有益无害，但对钢的热锻轧和热处理等热加工性能不利，是引起热裂的最主要元素。况且国产原材料中Cu含量相对较高，需要加以控制。

Al是强烈缩小γ相区的元素，与O、N有很大的亲和力。Al在钢中的作用是，用作炼钢时的脱氧定氮剂，并且细化晶粒，阻抑低碳钢的时效，可以减轻钢对缺口的敏感性，并提高钢的冲击韧性，降低钢的脆性转变温度，但对钢的抗松弛和抗蠕变性能不利。而且钢中脱氧时Al用量过多，将使钢产生反常组织，并促进钢的石墨化倾向。在铁素体及珠光体钢中，当含Al量较高时，其强度和韧性较低，并给冶炼和浇铸等方面带来困难。虽然Al细化钢的本质晶粒，提高钢晶粒粗化的温度，但当钢中的残余铝(固溶金属铝)含量超过一定值时，钢的奥氏体晶粒反而更易长大粗化。因此需控制Al在钢中的残留量。

本发明一种高强度高韧性螺栓用合金钢的合金元素含量要求较低，特别是比较稀缺的重要的战略物质Ni、Mo的含量亦都较低，而各项力学性能指标都优于或等于德国1.6772牌号钢材的力学性能指标(请见表2)，达到了国际先进水平。

表2本发明高强度高韧性螺栓用合金钢力学性能指标：

本发明一种高强度高韧性螺栓用合金钢完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求，可以等同或等效替代德国1.6772牌号钢材用于生产CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓，从而打破国外的技术封锁、技术垄断，使我国该型装备生产跨上一大台阶，并显著降低成本，为我国的能源安全提供保障条件。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr
							含量	0.19	0.24	0.39	0.006	0.0016	1.34
元素	Ni	Mo	Cu	Al
							含量	3.65	0.34	0.01	0.018

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按上表中化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1550℃精炼40min，保温20min后取样一个，分析成分后，调整成分，熔化8min，浇铸

电极棒，出钢温度为1570℃。

2)电渣重熔：将上述步骤中的

电极棒重熔，浇铸

钢锭。

3)锻造：对上述步骤中的钢锭进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度870℃，锻造变形量35％。锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2.5h。

4)热处理：对锻造后的材料进行热处理，淬火温度860℃，采用油淬处理，回火温度450℃，回火时间120min，采用空冷处理至室温。

本实施例的力学性能如下表所示：

本实施例化学成分由上海宝钢工业检测公司宝山分公司品质检验部依据GB/T20123-2006和GB/T20125-2006检测得到，其力学性能由国家钢铁材料测试中心依据GB/T 228-2002检测得到。

实施例2

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr
							含量	0.21	0.21	0.37	0.0072	0.003	1.36
元素	Ni	Mo	Cu	Al
							含量	3.78	0.33	0.001	0.014

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按上表中化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1550℃精炼40min，保温20min后取样一个，分析成分后，调整成分，熔化8min，浇铸

电极棒，出钢温度为1570℃。

2)电渣重熔：将上述步骤中的电极棒重熔，浇铸

钢锭。

3)锻造：对上述步骤中的钢锭进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度870℃，锻造变形量31％。锻造后材料缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2.5h。

4)热处理：对锻造后的材料进行热处理，淬火温度850℃，采用油淬处理，回火温度480℃，回火时间70min，采用空冷处理至室温。

本实施例的力学性能如下表所示：

实施例3

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr
							含量	0.18	0.22	0.35	0.012	0.0045	1.40
元素	Ni	Mo	Cu	Al
							含量	3.68	0.35	0.007	0.012

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按上表中化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1550℃精炼40min，保温20min后取样一个，分析成分后，调整成分，熔化8min，浇铸

电极棒，出钢温度为1570℃。

2)电渣重熔：将上述步骤中的

电极棒重熔，浇铸

钢锭。

3)锻造：对上述步骤中的钢锭进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度870℃，锻造变形量32％。锻造后材料缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2.5h。

4)热处理：对锻造后的材料进行热处理，淬火温度880℃，采用油淬处理，回火温度500℃，回火时间45min，采用空冷处理至室温。

本实施例的力学性能如下表所示：

实施例4

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr
							含量	0.17	0.29	0.30	0.01	0.007	1.15
元素	Ni	Mo	Cu	Al
							含量	3.36	0.22	0.035	0.003

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按上表中化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1550℃精炼40min，保温20min后取样一个，分析成分后，调整成分，熔化8min，浇铸

电极棒，出钢温度为1570℃。

2)电渣重熔：将上述步骤中的电极棒重熔，浇铸

钢锭。

3)锻造：对上述步骤中的钢锭进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度870℃，锻造变形量30％。锻造后材料缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2.5h。

4)热处理：对锻造后的材料进行热处理，淬火温度820℃，采用油淬处理，回火温度470℃，回火时间100min，采用空冷处理至室温。

本实施例的力学性能如下表所示：

实施例5

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr
							含量	0.20	0.21	0.38	0.008	0.0062	1.29
元素	Ni	Mo	Cu	Al
							含量	3.81	0.24	0.04	0.006

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按上表中化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1550℃精炼40min，保温20min后取样一个，分析成分后，调整成分，熔化8min，浇铸

电极棒，出钢温度为1570℃。

2)电渣重熔：将上述步骤中的

电极棒重熔，浇铸

钢锭。

3)锻造：对上述步骤中的钢锭进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度870℃，锻造变形量34％。锻造后材料缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2.5h。

4)热处理：对锻造后的材料进行热处理，淬火温度840℃，采用油淬处理，回火温度460℃，回火时间90min，采用空冷处理至室温。

本实施例的力学性能如下表所示：

由此可见，本发明各项力学性能指标都优于或等于德国1.6772牌号钢材的力学性能指标，完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求，可以等同或等效替代德国1.6772牌号钢材用于生产CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (3)

1.一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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≤0.03；S≤0.025；1.10～1.45Cr；3.30～3.90Ni；0.20～0.45Mo；Cu≤0.05；Al≤0.03，其余为Fe及杂质元素。

2.如权利要求1所述的高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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≤0.025；S≤0.015；1.25～1.40Cr；3.50～3.85Ni；0.30～0.40Mo；Cu≤0.03；Al≤0.02，其余为Fe及杂质元素。

3.一种如权利要求1所述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法，包括以下步骤：

1)真空感应炉冶炼：按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540～1560℃精炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5～10min，浇铸电极棒，出钢温度为1560～1580℃；

2)电渣重熔：将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；

3)锻造：对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，锻造变形量≥30％，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2～3h；

4)热处理：对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800～890℃，回火温度420～550℃，回火时间40～190min。