CN105568173B - 一种高强韧性低合金耐热钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧性低合金耐热钢，其包括按重量百分数计的如下组分：C0.40～0.50％；Si0.15～0.35％；Mn0.40～0.70％；Cr0.80～1.10％；Ni0.80～1.00％；Mo0.45～0.65％；W0.80～1.00％；V0.25～0.35％；Nb0.015～0.08％；N≤0.002％；O≤0.0015％；余量为Fe及杂质。该钢材的制备方法为：真空感应炉熔炼、浇注电极、真空自耗炉重熔、锻造成材和热处理。本发明钢克服了现有低合金耐热钢在中低温使用时强韧性不是很高的缺点，以满足低压轴及紧固件在中低温条件下的长寿命和高可靠性要求。
Description
技术领域
本发明属于合金钢领域，主要涉及一种高强韧性低合金耐热钢及其制造方法。
背景技术
航空发动机中的低压轴以及紧固件是整个发动机中的关键部件，其工作温度一般在400℃以下，主要传递扭矩以及保证低压转子同心的作用。因此，要求材料在中低温下具有高的强度(室温抗拉强度Rm≥1120MPa，380℃抗拉强度Rm≥950MPa)、高的韧性(室温冲击韧性KV2≥60J)等综合性能，以满足低压轴及紧固件的长寿命和高可靠性要求。
目前应用较广泛的CrMoV系耐热钢，含碳量一般在0.30％以下，虽然在500℃以上高温的蠕变断裂强度很好，但未必能满足在中低温使用的抗拉强度和韧性要求，在服役过程中有可能发生延性破坏和脆性破坏。为了改善中低温区的强韧性，本发明提出了一种高强韧性低合金耐热钢。通过成分设计，双真空熔炼工艺及锻造加工工艺技术研究，研制出满足在400℃以下使用的航空发动机用高强度高韧性低合金耐热钢。
中国专利CN1286317公开了一种具有优异焊接性能的高强度低合金耐热钢，该钢含有较高的Cr、W元素，又添加了V、Nb、Ti、B等元素来改善合金的强韧性及降低热开裂倾向。
中国专利CN1209464公开了一种在较低温区抗拉强度和韧性以及在高温区的蠕变断裂强度俱佳的高韧性耐热钢。该钢含有8-14％Cr，有较高的抗氧化性和耐蚀性。又添加较多的Mo、W等进一步强化，为了改善韧性还添加了1.5-5.0％Ni，为达到强韧性的最佳配合，又添加了V、Nb等元素，该钢的最高抗拉强度达1100MPa。
日本专利特开平3-87332公开了一种高强度低合金耐热钢。该钢焊接热影响区域的软化程度小，抗冲击性能良好，可以在最高约600℃的温度下使用，在 600℃，10000h的最高蠕变强度可达127MPa。
日本专利特开平4-268040公开了一种具有优异蠕变强度和韧性的低合金耐热钢。该钢含有相对较高的Cr、W元素，不含Mo元素，如有必要，还添加La、Ce、Y、Ca、Zr、Ta、Mg等元素，其室温抗拉强度最高仅为710MPa。
日本专利特开平5-345949公开了一种具有优异韧性和蠕变强度的低Cr铁素体耐热钢，该钢含有较多的Cr、Mo、W等元素，具有高的蠕变强度，为了改善焊接韧性，加入Ti等，为了改善抗氧化性和耐腐蚀性，加入了Cu，为了进一步提高强度，又加入了V、Nb等元素。
上述专利与本发明钢的最大区别是其碳含量均在0.30％以下，因此，为了获得一定的强度，只有增加钢中Cr、Mo、W等元素的含量。本发明通过适当提高钢中的碳含量，减少钢中Cr、Mo、W等元素的含量，并添加适量的Ni、V、Nb等元素，来达到强韧性的最佳配合。
发明内容
本发明的目的是设计一种高强度低合金耐热钢及其制造方法。通过采用双真空熔炼、大锻造比成形技术，使钢获得高纯度和优良的强韧性配合。该钢的研制成功，可满足在400℃以下使用的航空发动机用高强度高韧性耐热钢的要求。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高强韧性低合金耐热钢，其包括按重量百分数计的如下组分：
C：0.40～0.50％；
Si：0.15～0.35％；
Mn：0.40～0.70％；
Cr：0.80～1.10％；
Ni：0.80～1.00％；
Mo：0.45～0.65％；
W：0.80～1.00％；
V：0.25～0.35％；
Nb：0.015～0.08％；
N：≤0.002％；
O：≤0.0015％；
余量为Fe及不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。
本发明钢选择化学成分范围的原因如下：
C：碳对钢的室温和中低温机械性能、热强性以及松弛稳定性等都有良好影响。在400℃以下，钢的蠕变极限随碳含量增加而提高。故优选C含量在0.40-0.50％。
Si：Si作为脱氧剂而加入于钢中，并对提高抗氧化性有良好的效果。若钢中Si含量小于0.10％，其效果不明显；若Si含量增加至0.40％以上，其中的一部分会形成氧化物残留在钢中，使韧性降低。优选Si含量为0.15～0.35％。
Mn：锰能溶入固溶体起强化作用，提高基体的室温强度和硬度，此外，在一定温度范围内还可以增加钢的热强性。锰能强烈使晶格畸变和增加晶格原子键引力，在450℃以下时锰能提高钢的热强性。优选Mn含量0.40～0.70％。
Cr：在低合金耐热钢中加入铬主要目的是用来提高钢的抗氧化性能和耐腐蚀能力，另外铬在一定含量范围内还能提高钢的持久强度和蠕变极限，并对钢的热脆性、淬透性和工艺性能均有一定的影响。在0.5％Mo左右的钢中加入0.5～1.5％Cr后，不仅改善抗氧化能力，而且显著提高钢的热强性，同时可防止钢的石墨化倾向。当Cr量继续增加，钢的热强性反而降低。优选Cr含量在0.8～1.10％。
Ni：Ni的加入可提高钢的淬透性和韧性，还可抑制δ铁素体的析出，保证组织稳定性。但Ni的过量添加将导致热强性降低。优选Ni含量在0.80～1.00％。
Mo：Mo可提高钢的热强性，并能显著降低钢的热脆倾向。Mo提高热强性的主要原因是显著强化固溶体，钢中加入Mo后能增加固溶体晶格畸变和晶格原子键引力，并且能提高再结晶温度，使基体得到强化。另外，随Mo含量增加，等温转变C曲线右移，而鼻子处开始转变温度上移，从而抑制了珠光体转变，促进了贝氏体转变，这也有利于热强性的提高。当Mo含量在0.40％以下时，效果不明显，而过量添加使得长期使用后韧性降低。在钢中加入强烈碳化物形成 元素V、Nb、Ti时，则Mo强化因溶体的作用更加显著。这是因为强烈碳化物形成元素与碳结合成稳定的碳化物，促使Mo能更有效地溶入固溶体中，从而更有利于钢的热强性提高。优选Mo含量为0.45～0.65％。
W：W与Mo一样，也是通过强化固溶体和促进贝氏体转变来增加钢的热强性和蠕变抗力，但W与Mo的复合加入对提高钢热强性和蠕变抗力的作用比单独加入等量的W或Mo的作用更显著。为了达到上述效果，W的最低含量应在0.80％以上，然而其含量超过1.00％以上时，会使钢的韧性降低。优选W含量为0.80～1.00％。
V：V是强烈形成碳化物的元素，并在基体上呈均匀细小弥散分布。钢中加入钒可细化晶粒，显著地提高钢的屈服极限。另外，V将C固定后，促使Cr、Mo、W溶入固溶体，使这些元素有效地强化固溶体，有利于钢的热强性和松弛稳定性的提高。V含量少于0.20％，这种效果不明显，含量超过0.40％时，容易生成δ铁素体。优选V含量为0.25～0.35％。
Nb：Nb是强碳化物形成元素，铌的碳化物在高温极为稳定，并呈细小颗粒均匀分布在基体起沉淀强化作用。钢中固溶Nb显著增加晶格原子健引力和晶格畸变，提高再结晶温度，强化固溶体。Nb与C结合后促使W、Mo元素进入固溶体起间接强化作用。因此，在钢中加入少量Nb，对蠕变极限和持久强度均产生良好影响，特别是V与Nb复合加入时其效果更明显。但若Nb量小于0.01％时，其效果不明显；而若超过0.1％时，Nb以粗大颗粒析出，导致韧性降低。优选Nb含量为0.015～0.08％。
N、O：在钢中N、O含量越低，夹杂物越少，塑韧性越好。因此，本发明控制钢中N、O的含量在一个较低范围，使N≤0.002％、O≤0.0015％。
一种如本发明所述的高强韧性低合金耐热钢的制备方法，其包括如下步骤：
真空感应炉熔炼后浇注电极、真空自耗炉重熔、锻造成材和热处理。
作为优选方案，所述真空感应炉熔炼步骤包括如下操作：
先将碳装入坩埚中，再将纯铁、金属Ni、金属Mo、金属W、金属Cr、金属V、金属Nb、结晶Si装入坩埚，以额定功率30～40％的功率给电对坩埚进行预热使原料开始熔化，并将坩埚的真空度抽至≤2.7Pa后，将功率提升至额定功 率的40～65％使原料继续熔化，待原料全部熔化成钢液后，将功率提升至额定功率的90％以上，保持8～12min，提高所述钢液的温度至1570～1590℃后，降低功率至额定功率的30～40％进行保温精炼不低于60min，保温精炼结束后，向坩埚中充入惰性气体至6000Pa的压力后，加入金属Mn，提高功率至额定功率的90％以上将金属Mn熔化后，进行取样分析，成分合格后出钢并浇注成电极。
作为优选方案，所述真空自耗炉重熔步骤包括如下操作：
将电极带有缩孔的一端朝下进行重熔，控制熔速为2.5～3.0kg/min，保持极限真空度0.1Pa以下，得到钢锭。
作为优选方案，所述锻造成材步骤包括如下操作：
将钢锭加热至1170～1190℃，保温3～6h后，将钢锭镦粗至原长度的50～55％，然后回炉加热至1130～1150℃，保温60～80min后进行拔长，控制拔长的开锻温度温度≥1110℃，停锻温度≥850℃，最后一火次拔长变形量≥35％。
作为优选方案，所述热处理步骤的技术参数为：
正火930～950℃，保温1～3h，空冷；一次回火580～600℃保温5～7h，空冷；二次回火580～600℃保温3～5h，空冷。
作为优选方案，所述保温精炼过程中，取样分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调。
通过上述工艺控制可获得高纯度，组织细小均匀的锻造组织。经最终热处理后，即可达到高强度高韧性的良好配合，完全满足在中低温下使用的航空用高性能低合金耐热钢的要求。
本发明与现有技术相比较，具有突出的特点和显著优点：
本发明钢克服了现有低合金耐热钢在中低温使用时强韧性不是很高的缺点，通过优化成分使钢的强韧性得到提高，特别是通过采用双真空熔炼使钢中O、N的含量降到最低水平，钢中夹杂物明显减少，通过特殊的锻造工艺，保证获得细小均匀的组织，即达到高强度、高韧性的良好配合，以满足低压轴及紧固件在中低温条件下的长寿命和高可靠性要求，在航空航天等国防尖端领域存在着广泛而迫切的应用需求前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不仅局限于实施例。
本发明钢在1吨真空感应炉和真空自耗炉熔炼，经镦拔锻造，最后经热处理，即可达到航空发动机用高强韧性低合金耐热钢的设计要求。
实施例1：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.48％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先100kW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至180kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至280kW，保持8min，当温度升至1570℃后降功率至120kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率280kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.7kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680～730℃，保温12-16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1190℃加热保温3小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的50％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1150℃，保温60分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为35％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后 出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火940℃保温1.5h，空冷；一次回火590℃保温6h，空冷；二次回火590℃保温4h，空冷。
实施例2：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.50％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先90KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至150kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至275kW，保持12min，当温度升至1590℃后降功率至110kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率275kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.5kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680-730℃，保温12-16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1170℃加热保温4小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的55％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1140℃，保温70分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为40％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火930℃保温2h，空冷；一次回火580℃保温7h，空冷；二次回火580℃保温5h，空冷。
合金的具体成分如表2所示。
实施例3：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.49％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先110KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至195kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至280kW，保持11min，当温度升至1580℃后降功率至110kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率290kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.6kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680～730℃，保温12～16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1180℃加热保温4小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的50％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1140℃，保温70分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为36％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火950℃保温1h，空冷；一次回火600℃保温5h，空冷；二次回火600℃保温5h，空冷。
实施例4：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.50％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先120KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至195kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至300kW，保持10min，当温度升至1580℃后降功率至120kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率300kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用3.0kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680-730℃，保温12～16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1180℃加热保温4小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的52％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1140℃，保温80分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为38％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15-20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火930℃保温3h，空冷；一次回火590℃保温6h，空冷；二次回火590℃保温4h，空冷。
根据本发明所设计的化学成分和生产方法生产了10炉合金，合金的具体成分如表2所示。按上述工艺进行控制，发明钢的低倍组织状态良好，夹杂物含量非常少，组织均匀细小，其纯净度非常高，其低倍组织、晶粒度及非金属夹杂物检验如表3所示。对10炉合金进行取样，经热处理后进行力学性能试验，其结果如表4所示。发明钢的室温抗拉强度可达1120MPa以上，380℃抗拉强度可达950MPa以上，室温冲击韧性可达60J以上，其力学性能完全达设计要求。
实施例5：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.48％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先110KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至150kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至290kW，保持12min，当温度升至1590℃后降功率至110kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率290kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.9kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680-730℃，保温12-16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1190℃加热保温6小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次， 镦粗至原高度的50％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1130℃，保温80分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为40％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火950℃保温1.5h，空冷；一次回火590℃保温5h，空冷；二次回火590℃保温3h，空冷。
实施例6：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.49％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先90KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至170kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至280kW，保持12min，当温度升至1590℃后降功率至120kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率290kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.6kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680-730℃，保温12～16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1180℃加热保温4小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的54％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1140℃，保温70 分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为40％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火930℃保温2h，空冷；一次回火590℃保温6h，空冷；二次回火590℃保温4h，空冷。
实施例7：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.50％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先90KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至170kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至300kW，保持9min，当温度升至1580℃后降功率至90kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率300kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.8kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680～730℃，保温12～16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1180℃加热保温3小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的50％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1140℃，保温70分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为36％。 锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火930℃保温3h，空冷；一次回火590℃保温5h，空冷；二次回火590℃保温3h，空冷。
实施例8：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.49％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先100KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至180kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至280kW，保持8～12min，当温度升至1570～1590℃后降功率至120kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率280kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.9kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680～730℃，保温12～16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1190℃加热保温3小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的54％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1130℃，保温80分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为39％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15-20小时。然后炉冷至≤500℃后 出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火950℃保温1.5h，空冷；一次回火600℃保温6h，空冷；二次回火600℃保温4h，空冷。
实施例9：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.49％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先100KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至180kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至280kW，保持8～12min，当温度升至1570～1590℃后降功率至120kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率280kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用3.0kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680-730℃，保温12-16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1190℃加热保温3小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度的50％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1150℃，保温60分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为37％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15～20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火940℃保温3h，空冷；一次回火580℃保温7h，空冷；二次回火590℃保温4h，空冷。
实施例10：本实施例的合金的具体成分如表2所示。
1、1吨真空感应炉熔炼工艺：
精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P和Cu含量尽量低。所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Mn外，合金成分配入控制规格，特别注意S、P、Cu的带入，C按0.50％配入，金属Mn全部留出待N合格后加入。先100KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2.7Pa以下。待真空度达到≤2.7Pa时，将功率升至180kW开始慢速熔化。待全熔液面保持平静不再有气泡溢出即全熔后，将功率升至280kW，保持9min，当温度升至1590℃后降功率至120kW保温精炼，精炼时间要≥60min。取样全分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调，给较高功率280kW熔化。待全熔后进行搅拌取样分析，然后充Ar6000Pa加Mn，待成分温度合适即可带电出钢。浇注Ф290mm电极，电极脱模后红送退火。
2、1吨真空自耗炉冶炼工艺：
将电极切割平头，电极必须彻底清理干净，不得有锈、油和脏物。带有缩孔的一端朝下进行自耗重熔，选择Ф360mm结晶器。采用2.5kg/min低熔速熔炼，控制电流4000～5000A、电压21～25V，保持极限真空度≤0.1Pa。熔炼完毕60min后脱锭红送退火。退火温度为680-730℃，保温12-16小时，然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
3、锻造工艺：
钢锭在1190℃加热保温3小时后出炉锻造，在锻造过程中，钢锭镦粗一次，镦粗至原高度55％，以增大锻造比。钢锭回炉再加热温度1150℃，保温60分钟，开锻温度≥1110℃，停锻温度≥850℃。控制最后一火次变形量为35％。锻后红送退火，退火温度670±10℃，保温15-20小时。然后炉冷至≤500℃后出炉空冷。
4、热处理工艺
该钢经正火940℃保温1h，空冷；一次回火590℃保温5h，空冷；二次回火590℃保温3h，空冷。
按上述工艺进行控制，发明钢的低倍组织状态良好，夹杂物含量非常少，组织均匀细小，其纯净度非常高，其低倍组织、晶粒度及非金属夹杂物检验如表3所示。对10炉合金进行取样，经热处理后进行力学性能试验，其结果如表4所示。发明钢的室温抗拉强度可达1120MPa以上，380℃抗拉强度可达950MPa以上，室温冲击韧性可达60J以上，其力学性能完全达设计要求。
表1 原有专利钢和本发明钢的化学成分对比
表2 本发明钢的化学成分，wt％
| 序号 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | W | V | Nb | O | N |
| 1 | 0.42 | 0.25 | 0.54 | 0.86 | 0.83 | 0.48 | 0.91 | 0.30 | 0.02 | 0.0010 | 0.0016 |
| 2 | 0.45 | 0.31 | 0.48 | 0.91 | 0.92 | 0.46 | 0.85 | 0.25 | 0.017 | 0.0011 | 0.0017 |
| 3 | 0.44 | 0.16 | 0.58 | 0.85 | 0.99 | 0.52 | 0.94 | 0.33 | 0.052 | 0.0009 | 0.0018 |
| 4 | 0.48 | 0.32 | 0.68 | 1.06 | 0.91 | 0.55 | 0.82 | 0.32 | 0.07 | 0.0012 | 0.0018 |
| 5 | 0.46 | 0.22 | 0.61 | 0.88 | 0.85 | 0.63 | 0.96 | 0.30 | 0.08 | 0.0012 | 0.0014 |
| 6 | 0.49 | 0.20 | 0.65 | 0.82 | 0.88 | 0.60 | 0.98 | 0.29 | 0.062 | 0.0012 | 0.0015 |
| 7 | 0.44 | 0.29 | 0.45 | 0.87 | 0.88 | 0.61 | 0.85 | 0.30 | 0.025 | 0.0014 | 0.0016 |
| 8 | 0.46 | 0.28 | 0.60 | 0.85 | 0.95 | 0.58 | 0.92 | 0.31 | 0.028 | 0.0012 | 0.0013 |
| 9 | 0.45 | 0.25 | 0.42 | 0.92 | 0.93 | 0.60 | 0.87 | 0.28 | 0.032 | 0.0009 | 0.0018 |
| 10 | 0.45 | 0.28 | 0.52 | 0.97 | 0.81 | 0.55 | 0.86 | 0.26 | 0.043 | 0.0011 | 0.0016 |
表3 本发明钢的组织及夹杂物检测结果
表4 本发明钢的力学性能
本发明的高强度低合金耐热钢可广泛用于航空航天、汽车制造、锅炉等设备，它的成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场前景将非常巨大。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (7)
1.一种高强韧性低合金耐热钢，其特征在于，包括按重量百分数计的如下组分：
C：0.40～0.50％；
Si：0.15～0.35％；
Mn：0.40～0.70％；
Cr：0.80～1.10％；
Ni：0.80～1.00％；
Mo：0.45～0.65％；
W：0.80～1.00％；
V：0.25～0.35％；
Nb：0.015～0.08％；
N：≤0.002％；
O：≤0.0015％；
余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的高强韧性低合金耐热钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
真空感应炉熔炼后浇注电极、真空自耗炉重熔、锻造成材和热处理。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空感应炉熔炼步骤包括如下操作：
先将碳装入坩埚中，再将纯铁、金属Ni、金属Mo、金属W、金属Cr、金属V、金属Nb、结晶Si装入坩埚，以额定功率30～40％的功率给电对坩埚进行预热使原料开始熔化，并将坩埚的真空度抽至≤2.7Pa后，将功率提升至额定功率的40～65％使原料继续熔化，待原料全部熔化成钢液后，将功率提升至额定功率的90％以上，保持8～12min，提高所述钢液的温度至1570～1590℃后，降低功率至额定功率的30～40％进行保温精炼不低于60min，保温精炼结束后，向坩埚中充入惰性气体至6000Pa的压力后，加入金属Mn，提高功率至额定功率的90％以上将金属Mn熔化后，进行取样分析，成分合格后出钢并浇注成电极。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空自耗炉重熔步骤包括如下操作：
将电极带有缩孔的一端朝下进行重熔，控制熔速为2.5～3.0kg/min，保持极限真空度0.1Pa以下，得到钢锭。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述锻造成材步骤包括如下操作：
将所述钢锭加热至1170～1190℃，保温3～6h后，将钢锭镦粗至原长度的50～55％，然后回炉加热至1130～1150℃，保温60～80min后进行拔长，控制拔长的开锻温度温度≥1110℃，停锻温度≥850℃，最后一火次拔长变形量≥35％。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热处理步骤的技术参数为：
正火930～950℃，保温1～3h，空冷；一次回火580～600℃保温5～7h，空冷；二次回火580～600℃保温3～5h，空冷。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述保温精炼过程中，取样分析待N≤30ppm后，加入合金料进行成分微调。
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