CN112647021B - 超低温工程紧固件用高强度9%Ni钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢及其制备方法，涉及低温金属材料技术领域。本发明采用了真空感应+电渣重熔冶炼工艺，使本发明的超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢具有较高的纯净度与较低的气体含量；采用锻造和配套的高稳定组织状态的热处理工艺，即淬火和回火，使得超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢具备了极为优异的室/低温力学性能。实施例的数据表明：超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢室温的屈服强度大于800MPa，断后伸长率大于20％，断面收缩率大于65％，‑196℃AKv冲击吸收功大于85J。

Description

超低温工程紧固件用高强度9%Ni钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及低温金属材料技术领域，尤其涉及超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢及其制备方法。
背景技术
9％Ni钢是目前唯一可在-196℃低温条件下服役的马氏体型用钢，9％Ni 钢在具备较高的屈服强度和屈服强度的同时，还具有优良的低温韧性和焊接性能。现有技术为了提高9％Ni钢锻件的低温韧性，一般在热处理时采用QLT，即“完全淬火+亚温淬火+回火”的方法提升其韧性，采用该方法处理后的锻件-196℃的V型冲击功可达到80J以上，但由于采用了亚温淬火，其屈服强度一般在500～650MPa之间。
当9％Ni钢作为-196℃工况大型低温设备中的紧固件时，要求其屈服强度＞800MPa；同时，还要保证低温韧性指标(-196℃的V型冲击功＞80J)保持不变。但是，现有技术公开的制备方法并不能得到满足该性能要求的9％Ni 钢。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢及其制备方法。本发明提供的制备方法得到的超低温工程紧固件用高强度9％Ni 钢及在室温下屈服强度大于800MPa，断后伸长率大于20％，断面收缩率大于 65％，-196℃的V型冲击功大于85J。在保证低温韧性的前提下，通过合金成分的设计与匹配的热处理工艺制度，获得了极为优异的综合力学性能，特别是屈服强度显著提高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的制备方法，包括以下步骤：
原料按真空感应-电渣重熔工艺冶炼，将所得冶炼液浇铸，得到钢锭；以元素含量计，所述原料按照以下重量百分含量称取：C 0.02～0.06％，Si≤0.15％， Mn 0.30～0.80％，S≤0.005％，P≤0.008％，Cr≤0.10％，V 0.03～0.08％，Ni 9.50～10.0％，Mo0.12～0.16％，H≤1.0ppm，O≤0.01％，N≤0.01％，余量为高纯Fe；
将所述钢锭锻造，得到锻件；所述锻造的初始锻造温度不超过1200℃，所述锻造的终锻温度为850～900℃；
将所述锻件依次进行淬火和回火，得到所述超低温工程紧固件用高强度 9％Ni钢；
所述淬火的过程包括以下步骤：
将所述锻件经第一升温至T1进行第一保温，经第二升温至T2进行第二保温，经第三升温至T3进行第三保温；
所述T1为200～300℃，所述第一保温的时间为1～2h；所述T2为 520～580℃，所述第二保温的时间为1～2h；所述T3为800～860℃，所述第三保温的时间为1.5～2.0h/100mm锻件有效厚度；
所述回火包括以下步骤：
经第四升温至T4进行第四保温，经第五升温至T5进行第五保温；
所述T4为250～350℃，所述第四保温的时间2～3h；所述T5为520～580℃，所述第五保温的时间为2.0～4.0h/100mm锻件有效厚度。
优选地，所述真空感应-电渣重熔工艺的参数包括真空感应参数和电渣重熔参数；所述真空感应参数包括：化料功率为600～800kW，升功率速率为 200kW/h；精炼温度为1550～1580℃，真空度＜0.1Pa；精炼结束使用Ca进行前期脱氧，成分调整合格后用Ni-Mg合金进行终脱氧，最终出钢温度为1590℃±10℃；电渣重熔参数包括：所述电渣重熔用渣系为三元渣系；所述三元渣系包括以下组分：CaF 60％，Al2O3 25％，CaO 15％；熔速为10～12公斤/min；所述电渣重熔的气氛为干燥空气。
优选地，所述锻造的锻造比＞5。
优选地，所述锻造后还包括将所得锻件埋入沙内冷却至室温。
优选地，所述第一升温、第二升温和第三升温的速率独立地≤80℃/h。
优选地，所述淬火后还包括，将所得淬火锻件浸水冷却后空冷至室温。
优选地，所述回火结束后，将所得回火锻件空冷至室温。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢，室温下屈服强度大于800MPa，断后伸长率大于20％，断面收缩率大于65％，-196℃的V型冲击功大于85J。
本发明提供了超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的制备方法，本发明钢采用真空感应-电渣重熔工艺冶炼，使本发明的超低温工程紧固件用高强度 9％Ni钢具有较高的纯净度与较低的气体含量；采用锻造和配套的高稳定组织状态的热处理工艺，即淬火和回火，使得超低温工程紧固件用高强度9％Ni 钢具备了极为优异的室/低温力学性能。实施例的数据表明：超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢在室温下屈服强度大于800MPa，断后伸长率大于20％，断面收缩率大于65％，-196℃的V型冲击功大于85J。
具体实施方式
本发明提供了超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的制备方法，包括以下步骤：
原料按真空感应-电渣重熔工艺冶炼，将所得冶炼液浇铸，得到钢锭；以元素含量计，所述原料按照以下重量百分含量称取：C 0.02～0.06％，Si≤0.15％， Mn 0.30～0.80％，S≤0.005％，P≤0.008％，Cr≤0.10％，V 0.03～0.08％，Ni 9.50～10.0％，Mo0.12～0.16％，H≤1.0ppm，O≤0.01％，N≤0.01％，余量为高纯Fe；
将所述钢锭锻造，得到锻件；
将所述锻件依次进行淬火和回火，得到所述超低温工程紧固件用高强度 9％Ni钢。
本发明的原料按真空感应-电渣重熔工艺冶炼，将所得冶炼液浇铸，得到钢锭；以元素含量计，所述原料按照以下重量百分含量称取：C 0.02～0.06％， Si≤0.15％，Mn0.30～0.80％，S≤0.005％，P≤0.008％，Cr≤0.10％，V 0.03～0.08％， Ni 9.50～10.0％，Mo 0.12～0.16％，H≤1.0ppm，O≤0.01％，N≤0.01％，余量为高纯Fe。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量为0.02～0.06％的C，优选为0.029～0.043％。在本发明中，所述C是间隙固溶原子，可以通过固溶强化显著提高9％Ni％钢的强度，但同时也会降低韧性；此外，C也是奥氏体稳定化元素，可以提高奥氏体稳定性，不过在此发明专利中，提高奥氏体稳定性主要通过Ni元素完成，综合考虑，本发明C含量范围控制在0.02～0.06％。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量≤0.15％的Si，优选为0.038～0.12％。在本发明中，Si具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的塑韧性与增加回火脆性。综合考虑，本发明钢的Si含量控制在0.15％以内。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量为0.30～0.80％的Mn，优选为0.61～0.71％。在本发明中，所述Mn与C作用相同，也是奥氏体稳定化元素，同时可提高钢的淬透性，综合考虑，本发明钢的Mn含量控制在0.30～0.80％。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量≤0.10％的Cr，优选为0.015～0.020％。在本发明中，所述Cr虽能够提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，但同时Cr与N结合生成Cr2N，从而降低钢塑韧性，因而综合考虑控制在0.10％以内。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量0.03～0.08％的V，优选为0.037～0.044％。在本发明中，所述V可以在回火过程中，从马氏体基体沉淀析出弥散细小的VC粒子，具有显著的沉淀析出强化效果，但会牺牲部分塑韧性，且成本较高。综合考虑，本发明钢的V含量控制在0.03～0.08％。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量为9.50～10.0％的Ni，优选为9.61～9.97％。在本发明中，所述Ni是本发明最重要的合金元素之一，可以显著，提高奥氏体稳定性，有利于最终获得稳定奥氏体；此外，镍提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，综合考虑，本发明钢的Ni含量控制在9.50～10.0％。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括质量百分含量为0.12～0.16％的Mo，进一步优选为0.15％。在本发明中，所述Mo是使本发明屈服强度显著提高的最重要合金元素，一方面Mo能够显著提高钢的淬透性，减少回火脆性，显著提高钢的室温强度与耐延迟断裂性能；但随着钢中 Mo含量的提高，钢的塑韧性，特别是低温塑韧性会有所降低。综合考虑，本发明的Mo含量控制在0.12～0.16％。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料中包括P和S， P和S是钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，因而制备超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料P和S含量应分别控制在0.008％和0.005％以内。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括H、O和N；H、O和N是钢中气体元素，显著降低塑韧性，特别是低温塑韧性，因而制备超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢中气体含量应严格控制在H≤1.0ppm， O≤0.01％，N≤0.01％。
在本发明中，超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的原料包括余量的高纯铁。
本发明对所述原料中各组分的加入形式不做具体限定，只要能够满足上述元素的质量百分比含量即可。
在本发明中，所述真空感应-电渣重熔工艺的参数包括真空感应参数和电渣重熔参数；所述真空感应参数优选包括：化料功率为600～800kW，升功率速率为200kW/h；精炼温度为1550～1580℃，真空度＜0.1Pa；精炼结束使用 Ca进行前期脱氧，成分调整合格后用Ni-Mg合金进行终脱氧，最终出钢温度为1590℃±10℃；所述电渣重熔参数优选包括：所述电渣重熔用渣系为三元渣系；所述三元渣系包括以下组分：CaF 60％，Al2O3 25％，CaO15％；熔速为10～12公斤/min；所述电渣重熔的气氛为干燥空气。
在本发明中，所述采用“真空熔炼+电渣重熔”方法制备钢锭，能够保证钢锭纯净、成分均匀和较低的气体含量，进而有利于提高最终超低温工程紧固件用9％Ni钢的韧性。
得到钢锭后，本发明将所述钢锭锻造，得到锻件。
在本发明中，所述锻造的初始锻造温度不超过1200℃，优选1160～1200℃；所述锻造的终锻温度为850～900℃。在本发明中，所述锻造比优选＞5，进一步优选为6～7；在本发明中，所述锻造优选在压机上进行。锻造结束后，本发明优选包括将所得锻造件埋入沙内冷却至室温，得到锻件。
在本发明中，所述锻造工艺能够使9％Ni％钢组织分布均匀且奥氏体晶粒细化，为后续热处理后的9％Ni％钢综合力学性能的提升奠定基础。
得到锻件后，本发明将所述锻件依次进行淬火和回火，得到所述超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢。
在本发明中，所述淬火的过程包括以下步骤：将所述锻件经第一升温至 T1进行第一保温，经第二升温至T2进行第二保温，经第三升温至T3进行第三保温。
在本发明中，所述T1为200～300℃，优选为230～250℃；所述第一保温时间为1～2h；所述第一升温的升温速率优选≤80℃/h，进一步优选为80℃/h。
在本发明中，所述T2为520～580℃，优选为550～560℃；所述第二保温的时间为1～2h；所述第二升温的升温速率优选≤80℃/h，进一步优选为80℃/h。
在本发明中，所述T3为800～860℃，优选为820～840℃；所述第三保温的时间为1.5～2.0h/100mm锻件有效厚度，即锻件的有效厚度为100mm时，第三保温的时间为1.5～2.0h；当锻件的有效厚度为200mm时，第三保温的时间为3.0～4.0h。在本发明中，由T2升温至T3的升温速率优选≤80℃/h，进一步优选为80℃/h。
淬火结束后，本发明优选将所得淬火锻件浸水冷却至室温；所述进水冷却的时间优选为1h。
在本发明中，所述回火包括以下步骤：经第四升温至T4进行第四保温，经第五升温至T5进行第五保温。
在本发明中，所述T4为250～350℃，优选为250～260℃；所述第四保温时间为2～3h；所述第四升温的升温速率优选≤80℃/h，进一步优选为80℃/h。
在本发明中，所述T5为520～580℃，优选为550～560℃；所述第五保温的时间2.5～4.0h/100mm锻件有效厚度，即锻件的有效厚度为100mm时，第五保温的时间为2.0～4.0h；当锻件的有效厚度为200mm时，第五保温的时间为4.0～8.0h。在本发明中，所述第五升温的升温速率≤80℃/h，进一步优选为 80℃/h。
回火结束后，本发明优选将所得回火锻件空冷至室温。
在本发明中，所述淬火和回火工艺能够使得9％Ni％钢的基体组织转变为板条宽度极细的回火马氏体与薄膜状为主的稳态残余奥氏体组织，这同时保证了9％Ni％钢的强度与低温韧性。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢，其室温下屈服强度大于800MPa，断后伸长率大于20％，断面收缩率大于65％，-196℃的V型冲击功大于85J。
下面结合实施例对本发明提供的超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照：C：0.029％，Si：0.038％，Mn：0.61％，Cr：0.020％，Ni：9.61％， V：0.037％，Mo：0.15％，S：0.004％，P：0.0068％，H：0.8ppm，O：0.0086％， N：0.0064％，余量为高纯Fe。
通过“真空熔炼+电渣重熔”工艺熔炼，将所得熔炼液浇铸，得到锻造所需钢锭；所述“真空熔炼+电渣重熔”工艺参数为：真空感应熔炼的参数包括：化料功率为700kW，升功率速率为200kw/h；精炼温度为1560℃，真空度＜ 0.1Pa；精炼结束使用Ca进行前期脱氧，成分调整合格后用Ni-Mg合金进行终脱氧，最终出钢温度控制在1580℃；电渣重熔工艺包括：所用渣系为三元渣系，所述三元渣系为：CaF 60％，Al2O3 25％，CaO 15％；熔速为11公斤/ 分钟；气氛为干燥空气。
将所述钢锭在初始锻造温度为1200℃，终锻温度为900℃的条件下锻造，锻造比7，将锻造完成所得锻造件埋入沙中冷却至室温，得到有效厚度为80mm 的锻件；
以80℃/h升温至230℃，保温2小时，然后以80℃/h升温至560℃，保温2小时；然后以80℃/h升温至840℃，保温1.5小时；保温结束后浸水冷却 1小时冷却至室温。
以80℃/h升温至260℃，保温2小时，然后以80℃/h升温至580℃，保温3小时；保温结束后，出炉空冷至室温，得到超低温工程紧固件用高强度 9％Ni钢。
实施例2
按照：C：0.043％，Si：0.12％，Mn：0.71％，Cr：0.015％，Ni：9.97％， V：0.044％，Mo：0.15％，S：0.003％，P：0.003％，H：0.5ppm，O：0.009％， N：0.0053％，余量为高纯Fe。
通过“真空熔炼+电渣重熔”工艺熔炼，将所得熔炼液浇铸得到锻造所需钢锭；所述“真空熔炼+电渣重熔”工艺参数为：
真空感应熔炼的参数包括：化料功率为750kW，升功率速率为200kw/h；精炼温度为1570℃，真空度＜0.1Pa；精炼结束使用Ca进行前期脱氧，成分调整合格后用Ni-Mg合金进行终脱氧，最终出钢温度控制在1590℃；电渣重熔工艺包括：所用渣系为三元渣系，所述三元渣系为：CaF 60％，Al2O3 25％， CaO 15％；熔速为12公斤/分钟；气氛为干燥空气，控制重熔过程中H元素的含量。
将所述钢锭在初始锻造温度为1160℃，终锻温度为850℃的条件下锻造，锻造比6，将锻造完成所得锻造件埋入沙中冷却至室温，得到有效厚度为 150mm的锻件；
以80℃/h升温至200℃，保温2小时，然后以80℃/h升温至560℃，保温2小时；然后以80℃/h升温至820℃，保温2.5小时；保温结束后浸水冷却 1小时冷却至室温。
以80℃/h升温至250℃，保温2小时，然后以80℃/h升温至550℃，保温5小时；保温结束后，出炉空冷至室温，得到超低温工程紧固件用高强度 9％Ni钢。
对比例1
参照《低温压力容器用9％Ni钢板(GB/T 24510)》的国家标准，选取标准中，强度等级最高、韧性最好的9％Ni590B钢进行综合对比，其性能对比结果如表1所示。
表1实施例1～2与对比例1室、低温综合力学性能对比
Figure BDA0002826612640000081
从表1可以看出：经过淬火和回火热处理后超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢可以得到非常优异的强韧性匹配，与国家标准(对比例1)相比，其室温屈服强度显著提高，到达了800MPa以上，同时断后伸长率达到20％以上，断面收缩率达到65％以上，-196℃的V型冲击功达到85J以上。因此通过以上实施例可以看出：本发明提供的制备方法可靠，可满足超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的强度与塑韧性要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
原料按真空感应-电渣重熔工艺冶炼，将所得冶炼液浇铸，得到钢锭；以元素含量计，所述原料按照以下重量百分含量称取：C 0.02～0.06％，Si 0.038～0.12％，Mn 0.30～0.80％，S≤0.005％，P≤0.008％，Cr≤0.10％，V 0.03～0.08％，Ni 9.50～10.0％，Mo0.12～0.16％，H≤1.0ppm，O≤0.01％，N≤0.01％，余量为高纯Fe；
将所述钢锭锻造，得到锻件；所述锻造的初始锻造温度不超过1200℃，所述锻造的终锻温度为850～900℃；
将所述锻件依次进行淬火和回火，得到所述超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢；
所述淬火的过程包括以下步骤：
将所述锻件经第一升温至T1进行第一保温，经第二升温至T2进行第二保温，经第三升温至T3进行第三保温；
所述T1为200～300℃，所述第一保温的时间为1～2h；所述T2为520～580℃，所述第二保温的时间为1～2h；所述T3为800～860℃，所述第三保温的时间为1.5～2.0h/100mm锻件有效厚度；
所述回火包括以下步骤：
经第四升温至T4进行第四保温，经第五升温至T5进行第五保温；
所述T4为250～350℃，所述第四保温的时间2～3h；所述T5为520～580℃，所述第五保温的时间为2.0～4.0h/100mm锻件有效厚度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空感应-电渣重熔工艺的参数包括真空感应参数和电渣重熔参数；所述真空感应参数包括：化料功率为600～800kW，升功率速率为200kW/h；精炼温度为1550～1580℃，真空度＜0.1Pa；精炼结束使用Ca进行前期脱氧，成分调整合格后用Ni-Mg合金进行终脱氧，最终出钢温度为1590℃±10℃；所述电渣重熔参数包括：所述电渣重熔用渣系为三元渣系；所述三元渣系包括以下组分：CaF 60％，Al2O325％，CaO 15％；熔速为10～12公斤/min；所述电渣重熔的气氛为干燥空气。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锻造的锻造比＞5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锻造后还包括将所得锻件埋入沙内冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一升温、第二升温和第三升温的速率独立地≤80℃/h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述淬火后还包括，将所得淬火锻件浸水冷却后空冷至室温。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述回火结束后，将所得回火锻件空冷至室温。
8.权利要求1～7任一项所述的制备方法得到的超低温工程紧固件用高强度9％Ni钢，其特征在于，室温下屈服强度大于800MPa，断后伸长率大于20％，断面收缩率大于65％，-196℃的V型冲击功大于85J。
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