CN112725697A - 一种高强度、高韧性合金钢及其制备方法 - Google Patents

一种高强度、高韧性合金钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度、高韧性合金钢及其制备方法，涉及一种合金钢及制备方法。目的是解决现有的合金钢无法兼具高强度和高韧性的问题。合金钢按由C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Nb和Fe组成。制备方法：准备原料，进行冶炼得到冶炼产物，浇注成钢锭后进行锻造得到锻件；正火处理：将锻件在870‑890℃下保温(0.9‑1.1)h/25mm，空冷至室温；回火处理：将正火后的锻件在590‑610℃下保温(0.9‑1.1)h/25mm，空冷。本发明制备的高强度、高韧性和高Ni含量的合金钢解决了汽轮机定中心梁等关键部件要求材料的高强度和高韧性的需求。本发明适用于制备合金钢。

Description

一种高强度、高韧性合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金钢及制备方法。
背景技术
汽轮机是现代火力发电厂的主要设备，广泛用于冶金工业、化学工业、舰船动力装置中，然而，在实际生产中，汽轮机定中心梁等部件要求材料具有极高的强度，同时还要求材料具有很高的韧性。对于合金钢而言，一般规律是强度越高，则塑韧性越低，很难使钢兼具高强度和高韧性。因此，国内外对高强度、高韧性合金钢均开展了广泛而深入的研究工作。
发明内容
本发明为了解决现有的合金钢无法兼具高强度和高韧性的问题，提出一种高强度、高韧性合金钢及其制备方法。
本发明高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.08-0.16wt％、Si：≤0.50wt％、Mn：≤1.00wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Ni：3.50-5.50wt％、Cr：0.50-2.00wt％、Mo：0.20-1.00wt％、V：0.05-0.20wt％、Nb：0.01-0.08wt％和余量的Fe组成。
本发明高强度、高韧性合金钢的制备方法按照以下步骤进行：
一、准备原料：按重量百分比为C：0.08-0.16wt％、Si：≤0.50wt％、Mn：≤1.00wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Ni：3.50-5.50wt％、Cr：0.50-2.00wt％、Mo：0.20-1.00wt％、V：0.05-0.20wt％、Nb：0.01-0.08wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料；
二、待熔炼原料进行冶炼，得到冶炼产物；
三、冶炼产物浇注成钢锭，然后进行锻造，得到锻件；
四、正火处理：将锻件在870-890℃下保温(0.9-1.1)h/25mm，空冷至室温；
五、回火处理：将正火后的锻件在590-610℃下保温(0.9-1.1)h/25mm，空冷至室温。
本发明原理及有益效果为：
本发明通过添加适量的Cr、Mo，少量的V、Nb，提高了Ni含量，优化了合金钢成分，实现同时提高强度和韧性；其中：
Ni是奥氏体形成元素，扩大铁碳相图中的奥氏体区域，能够显著提高钢的淬透性，大大提高钢的强度，随着Ni含量的提高，钢的屈服强度显著提高，当Ni含量为4％时，抗拉强度即可达到900MPa，当Ni含量为5.5％时，抗拉强度可达到1000MPa以上；Ni在显著提高钢的强度的同时，Ni几乎不降低钢锭的韧性。
Cr：Cr在高温时使钢表面形成稳定的氧化物，显著提高钢的抗氧化能力；Cr是强碳化物形成元素，通过形成M23C6型碳化物，显著提高钢的强度。
Mo：Mo的加入能够有效减少钢的回火脆性，并通过形成M23C6型碳化物对钢进行沉淀强化，提高钢的强度。
V、Nb：在淬火冷却过程及回火过程中以稳定的VC、Nb等MC型碳化物弥散析出，组织位错迁移，显著提高钢的强度；Nb、V等合金元素形成细小且弥散分布的碳化物会对晶界起到钉扎作用，加热时能组织奥氏体晶粒的长大，冷却后使钢获得细小的组织结构；特别地，NbC非常稳定，即使再高温奥氏体化处理时，也不会全部溶解，未溶解的NbC可以有效的阻止晶界迁移合并，细化晶粒的作用。
本发明通过优化热处理工艺，尤其是回火工艺，使钢获得细小均匀的马氏体组织，同时提高强度和韧性。
本发明将正火温度控制在870-890℃，在900℃以下正火，一是防止温度过高导致晶粒长大、进而降低强度和韧性；二是可以形成细小均匀的马氏体组织，晶粒不粗于8级，提高强度和韧性；本发明将回火温度控制在590-610℃，使得回火过程中M23C6、VC、Nb等碳化物在晶界、晶内等位置充分弥散析出，对位错起到钉扎作用，有效阻止位错迁移，提高强度和韧性。
本发明制备的高强度、高韧性和高Ni含量的合金钢解决了汽轮机定中心梁等关键部件要求材料的高强度和高韧性的需求，合金钢的力学性能：
屈服强度：≥860MPa；
抗拉强度：≥1000MPa；
延伸率：≥15％；
断面收缩率：≥50％；
冲击功：≥80J。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.08-0.16wt％、Si：≤0.50wt％、Mn：≤1.00wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Ni：3.50-5.50wt％、Cr：0.50-2.00wt％、Mo：0.20-1.00wt％、V：0.05-0.20wt％、Nb：0.01-0.08wt％和余量的Fe组成。
本实施方式通过添加适量的Cr、Mo，少量的V、Nb，提高了Ni含量，优化了合金钢成分，实现同时提高强度和韧性；其中：
Ni是奥氏体形成元素，扩大铁碳相图中的奥氏体区域，能够显著提高钢的淬透性，大大提高钢的强度，随着Ni含量的提高，钢的屈服强度显著提高，当Ni含量为4％时，抗拉强度即可达到900MPa，当Ni含量为5.5％时，抗拉强度可达到1000MPa以上；Ni在显著提高钢的强度的同时，Ni几乎不降低钢锭的韧性。
Cr：Cr在高温时使钢表面形成稳定的氧化物，显著提高钢的抗氧化能力；Cr是强碳化物形成元素，通过形成M23C6型碳化物，显著提高钢的强度。
Mo：Mo的加入能够有效减少钢的回火脆性，并通过形成M23C6型碳化物对钢进行沉淀强化，提高钢的强度。
V、Nb：在淬火冷却过程及回火过程中以稳定的VC、Nb等MC型碳化物弥散析出，组织位错迁移，显著提高钢的强度；Nb、V等合金元素形成细小且弥散分布的碳化物会对晶界起到钉扎作用，加热时能组织奥氏体晶粒的长大，冷却后使钢获得细小的组织结构；特别地，NbC非常稳定，即使再高温奥氏体化处理时，也不会全部溶解，未溶解的NbC可以有效的阻止晶界迁移合并，细化晶粒的作用。
本实施方式制备的高强度、高韧性和高Ni含量的合金钢解决了汽轮机定中心梁等关键部件要求材料的高强度和高韧性的需求，合金钢的力学性能：
屈服强度：≥860MPa；
抗拉强度：≥1000MPa；
延伸率：≥15％；
断面收缩率：≥50％；
冲击功：≥80J。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.12wt％、Si：0.26wt％、Mn：0.72wt％、P：0.007wt％、S：0.003wt％、Ni：4.51wt％、Cr：1.36wt％、Mo：0.46wt％、V：0.12wt％、Nb：0.04wt％和余量的Fe组成。
具体实施方式三：实施方式与具体实施方式一或二不同的是：高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.11wt％、Si：0.25wt％、Mn：0.71wt％、P：0.006wt％、S：0.002wt％、Ni：4.52wt％、Cr：1.35wt％、Mo：0.45wt％、V：0.12wt％、Nb：0.03wt％和余量的Fe组成。
具体实施方式四：本实施方式高强度、高韧性合金钢的制备方法按照以下步骤进行：
一、准备原料：按重量百分比为C：0.08-0.16wt％、Si：≤0.50wt％、Mn：≤1.00wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Ni：3.50-5.50wt％、Cr：0.50-2.00wt％、Mo：0.20-1.00wt％、V：0.05-0.20wt％、Nb：0.01-0.08wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料；
二、待熔炼原料进行冶炼，得到冶炼产物；
三、冶炼产物浇注成钢锭，然后进行锻造，得到锻件；
四、正火处理：将锻件在870-890℃下保温(0.9-1.1)h/25mm，空冷至室温；
五、回火处理：将正火后的锻件在590-610℃下保温(0.9-1.1)h/25mm，空冷至室温。
本实施方式通过添加适量的Cr、Mo，少量的V、Nb，提高了Ni含量，优化了合金钢成分，实现同时提高强度和韧性；其中：
Ni是奥氏体形成元素，扩大铁碳相图中的奥氏体区域，能够显著提高钢的淬透性，大大提高钢的强度，随着Ni含量的提高，钢的屈服强度显著提高，当Ni含量为4％时，抗拉强度即可达到900MPa，当Ni含量为5.5％时，抗拉强度可达到1000MPa以上；Ni在显著提高钢的强度的同时，Ni几乎不降低钢锭的韧性。
Cr：Cr在高温时使钢表面形成稳定的氧化物，显著提高钢的抗氧化能力；Cr是强碳化物形成元素，通过形成M23C6型碳化物，显著提高钢的强度。
Mo：Mo的加入能够有效减少钢的回火脆性，并通过形成M23C6型碳化物对钢进行沉淀强化，提高钢的强度。
V、Nb：在淬火冷却过程及回火过程中以稳定的VC、Nb等MC型碳化物弥散析出，组织位错迁移，显著提高钢的强度；Nb、V等合金元素形成细小且弥散分布的碳化物会对晶界起到钉扎作用，加热时能组织奥氏体晶粒的长大，冷却后使钢获得细小的组织结构；特别地，NbC非常稳定，即使再高温奥氏体化处理时，也不会全部溶解，未溶解的NbC可以有效的阻止晶界迁移合并，细化晶粒的作用。
本实施方式通过优化热处理工艺，尤其是回火工艺，使钢获得细小均匀的马氏体组织，同时提高强度和韧性。
本实施方式将正火温度控制在870-890℃，在900℃以下正火，一是防止温度过高导致晶粒长大、进而降低强度和韧性；二是可以形成细小均匀的马氏体组织，晶粒不粗于8级，提高强度和韧性；本实施方式将回火温度控制在590-610℃，使得回火过程中M23C6、VC、Nb等碳化物在晶界、晶内等位置充分弥散析出，对位错起到钉扎作用，有效阻止位错迁移，提高强度和韧性。
本实施方式制备的高强度、高韧性和高Ni含量的合金钢解决了汽轮机定中心梁等关键部件要求材料的高强度和高韧性的需求，合金钢的力学性能：
屈服强度：≥860MPa；
抗拉强度：≥1000MPa；
延伸率：≥15％；
断面收缩率：≥50％；
冲击功：≥80J。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中按重量百分比为C：0.12wt％、Si：0.26wt％、Mn：0.72wt％、P：0.007wt％、S：0.003wt％、Ni：4.51wt％、Cr：1.36wt％、Mo：0.46wt％、V：0.12wt％、Nb：0.04wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一中按重量百分比为C：0.11wt％、Si：0.25wt％、Mn：0.71wt％、P：0.006wt％、S：0.002wt％、Ni：4.52wt％、Cr：1.35wt％、Mo：0.45wt％、V：0.12wt％、Nb：0.03wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤二中原料进行冶炼过程中熔化期和氧化期采用电弧炉冶炼，还原期采用钢包精炼；熔化期温度为1560℃，氧化期温度为1610℃；还原期温度为1610～1630℃。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中所述原料进行冶炼过程中熔化期和氧化期采用电弧炉冶炼，还原期采用钢包精炼；熔化期温度为1560℃，氧化期温度为1610℃；还原期温度为1620℃。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤三所述锻造的始锻温度为1160-1180℃，终锻温度为790-820℃。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤三所所述锻造的始锻温度为1170℃，终锻温度为800℃。
实施例1：
本实施例高强度、高韧性合金钢的制备方法按照以下步骤进行：
一、准备原料：按重量百分比为C：0.12wt％、Si：0.26wt％、Mn：0.72wt％、P：0.007wt％、S：0.003wt％、Ni：4.51wt％、Cr：1.36wt％、Mo：0.46wt％、V：0.12wt％、Nb：0.04wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料；
二、待熔炼原料进行冶炼，得到冶炼产物；
所述原料进行冶炼过程中熔化期和氧化期采用电弧炉冶炼，还原期采用钢包精炼；熔化期温度为1560℃，氧化期温度为1610℃；还原期温度为1620℃；
三、冶炼产物浇注成钢锭，然后进行锻造，得到锻件；
所述锻造的始锻温度为1170℃，终锻温度为800℃；
四、正火处理：将锻件在870℃下保温1h/25mm，空冷至室温；
五、回火处理：将正火后的锻件在610℃下保温1h/25mm，空冷至室温。
实施例2所制备的高强度、高韧性合金钢的力学性能：
屈服强度：935MPa；
抗拉强度：1070MPa；
延伸率：18.0％；
断面收缩率：63.5％；
冲击功：146J。
实施例2：
本实施例高强度、高韧性合金钢的制备方法按照以下步骤进行：
一、准备原料：按重量百分比为C：0.11wt％、Si：0.25wt％、Mn：0.71wt％、P：0.006wt％、S：0.002wt％、Ni：4.52wt％、Cr：1.35wt％、Mo：0.45wt％、V：0.12wt％、Nb：0.03wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料；
二、待熔炼原料进行冶炼，得到冶炼产物；
所述原料进行冶炼过程中熔化期和氧化期采用电弧炉冶炼，还原期采用钢包精炼；熔化期温度为1560℃，氧化期温度为1610℃；还原期温度为1620℃；
三、冶炼产物浇注成钢锭，然后进行锻造，得到锻件；
所述锻造的始锻温度为1170℃，终锻温度为800℃；
四、正火处理：将锻件在870℃下保温1h/25mm，空冷至室温；
五、回火处理：将正火后的锻件在610℃下保温1h/25mm，空冷至室温。
实施例2所制备的高强度、高韧性合金钢的力学性能：
屈服强度：930MPa；
抗拉强度：1060MPa；
延伸率：18.5％；
断面收缩率：64.0％；
冲击功：150J。

Claims (10)

1.一种高强度、高韧性合金钢，其特征在于：高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.08-0.16wt％、Si：≤0.50wt％、Mn：≤1.00wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Ni：3.50-5.50wt％、Cr：0.50-2.00wt％、Mo：0.20-1.00wt％、V：0.05-0.20wt％、Nb：0.01-0.08wt％和余量的Fe组成。
2.根据权利要求1所述的高强度、高韧性合金钢，其特征在于：高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.12wt％、Si：0.26wt％、Mn：0.72wt％、P：0.007wt％、S：0.003wt％、Ni：4.51wt％、Cr：1.36wt％、Mo：0.46wt％、V：0.12wt％、Nb：0.04wt％和余量的Fe组成。
3.根据权利要求1所述的高强度、高韧性合金钢，其特征在于：高强度、高韧性合金钢按重量百分比由C：0.11wt％、Si：0.25wt％、Mn：0.71wt％、P：0.006wt％、S：0.002wt％、Ni：4.52wt％、Cr：1.35wt％、Mo：0.45wt％、V：0.12wt％、Nb：0.03wt％和余量的Fe组成。
4.如权利要求1所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、准备原料：按重量百分比为C：0.08-0.16wt％、Si：≤0.50wt％、Mn：≤1.00wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Ni：3.50-5.50wt％、Cr：0.50-2.00wt％、Mo：0.20-1.00wt％、V：0.05-0.20wt％、Nb：0.01-0.08wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料；
二、待熔炼原料进行冶炼，得到冶炼产物；
三、冶炼产物浇注成钢锭，然后进行锻造，得到锻件；
四、正火处理：将锻件在870-890℃下保温(0.9-1.1)h/25mm，空冷至室温；
五、回火处理：将正火后的锻件在590-610℃下保温(0.9-1.1)h/25mm，空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：步骤一中按重量百分比为C：0.12wt％、Si：0.26wt％、Mn：0.72wt％、P：0.007wt％、S：0.003wt％、Ni：4.51wt％、Cr：1.36wt％、Mo：0.46wt％、V：0.12wt％、Nb：0.04wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料。
6.根据权利要求4所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：步骤一中按重量百分比为C：0.11wt％、Si：0.25wt％、Mn：0.71wt％、P：0.006wt％、S：0.002wt％、Ni：4.52wt％、Cr：1.35wt％、Mo：0.45wt％、V：0.12wt％、Nb：0.03wt％和Fe为余量准备原料，得到待熔炼原料。
7.根据权利要求4所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：步骤二中原料进行冶炼过程中熔化期和氧化期采用电弧炉冶炼，还原期采用钢包精炼；熔化期温度为1560℃，氧化期温度为1610℃；还原期温度为1610～1630℃。
8.根据权利要求7所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：步骤二中所述原料进行冶炼过程中熔化期和氧化期采用电弧炉冶炼，还原期采用钢包精炼；熔化期温度为1560℃，氧化期温度为1610℃；还原期温度为1620℃。
9.根据权利要求4所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：步骤三所述锻造的始锻温度为1160-1180℃，终锻温度为790-820℃。
10.根据权利要求9所述的高强度、高韧性合金钢的制备方法，其特征在于：步骤三所所述锻造的始锻温度为1170℃，终锻温度为800℃。
CN202011534584.2A 2020-12-22 2020-12-22 一种高强度、高韧性合金钢及其制备方法 Pending CN112725697A (zh)

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