CN114150234A - 一种耐温高强度阀体用钢材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料成分设计与制备领域，具体为一种耐温高强度阀体用钢材料及其制备方法。按重量百分比计，阀体用钢由以下组分和含量组成：C为0.08～0.20％；Si为0.20～0.40％；Mn为0.8～1.5％；Cr为0.10～0.20％；Mo为0.1～0.25％；V为0.1～0.20％；Ni为0.10～1.00％；Al≤0.05％；P≤0.020％；S≤0.005％，RE≤0.02％，N：0.010～0.020％，余量为Fe，合计100％。在制备方法中，经过准备原料，进行熔炼、精炼，浇铸成铸锭后，通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材，再经性能热处理形成上述阀体用钢。本发明通过合金成分优化设计、钢水纯净化处理以及锻造、热处理组织控制，最终使阀体用钢获得良好的综合性能。

Description

一种耐温高强度阀体用钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料成分设计与制备领域，具体为一种耐温高强度阀体用钢材料及其制备方法。

背景技术

高强度阀体用钢在海洋工程、高压运输、阀体锻件锻等领域应用广泛，部分综合性能优异的高强度阀体用钢还可用于海洋石油开采与输送。高强度阀体用钢的工作条件日益苛刻，为保障阀体的服役寿命，对阀体用钢的性能要求越来越高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐温高强度阀体用钢材料及其制备方法，最终使高强度阀体用钢获得较好的耐腐性、高温强度及高温稳定性，并且具有优异的综合性能，以满足高强度阀体用钢在恶劣工作环境中的服役要求。

本发明的技术方案是：

一种耐温高强度阀体用钢材料，按重量百分比计，阀体用钢由以下组分和含量组成：C为0.08～0.20％；Si为0.20～0.40％；Mn为0.8～1.5％；Cr为0.10～0.20％；Mo为0.1～0.25％；V为0.1～0.20％；Ni为0.10～1.00％；Al≤0.05％；P≤0.020％；S≤0.005％，RE≤0.02％，N：0.010～0.020％，余量为Fe，合计100％；碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.43％。

所述的耐温高强度阀体用钢材料，夹杂物要求：A类夹杂物≤1.0级，B类夹杂物≤1.0级，C类夹杂物≤0.5级，D类夹杂物≤1.0级，DS类夹杂物≤1.5级。

所述的耐温高强度阀体用钢材料，优选的，N：0.015～0.020％，RE为0.01～0.1％，最佳RE为0.018％，材料的屈服强度在150℃不小于500MPa。

所述的耐温高强度阀体用钢材料的制备方法，根据钢的化学成分准备原料，进行熔炼、精炼，通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材；锻造后，经性能热处理形成阀体用钢；其中，均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺，三段温度分别为：1200℃～1220℃、1220℃～1240℃和1250℃～1300℃，总保温时间≥1h/25mm，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同；超细化处理的工艺过程和工艺参数是：锻材在加热到940～1200℃期间进行快冷，在快冷过程中，锻材在200℃以上温度区间冷速控制在≥0.5℃/S，低于200℃时出炉空冷至室温。

所述的耐温高强度阀体用钢材料的制备方法，在熔炼、精炼时，在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理，并且稀土采用氧含量小于200ppm的纯稀土，稀土成分主要采用轻稀土；经稀土处理后阀体用钢材料氧含量控制在15ppm以下，球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85％以上。

所述的耐温高强度阀体用钢材料的制备方法，热处理过程如下：

(1)等温球化退火处理：两相区内保温时间按1h/25mm厚选定，两相区的温度是指AC1～AC3之间；然后炉冷至450℃～760℃继续进行保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温；

(2)等温球化退火处理后进行调质处理：采用AC3+130～170℃进行淬火温度设置，然后通过控制冷速形成马氏体+残余奥氏体组织；

(3)调质处理后进行回火处理：采用两次以上回火处理，最高回火温度与材料使用硬度相关，回火的温度范围为430～680℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后空冷至室温。

本发明高性能高强度阀体用钢的各个化学成分设计思想和协同作用是：通过C、Si、Cr、Mn、Mo、V、Ni、N、Re等元素含量调配，了解元素含量与材料淬透性、强度之间的关系；通过C、N、V、Re等元素含量调配，了解元素与材料韧性之间的关系；通过适量元素V的调配达到细化晶粒的作用，通过Si、Al含量的控制实现脱氧的控制。材料的关键在于具备高的屈服强度，主要采用N、Re合金化的作用，同时调整材料的Mn、Ni、Mo含量确保冲击性能，最终确保材料的高温时强度不降低。

本发明高强度阀体用钢的制备方法原理是：本发明利用高温扩散使材料均质化，利用钢中固态相变细化晶粒，并进一步利用析出相的溶解、形核、再析出，优化析出相分布，提高材料性能。另外，均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺，其作用机理如下：锻材变形后，增加空位数量，再加上高温处理，能够增加合金元素扩散速度，使成分更加均匀。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过对高强度阀体用钢成分优化并选取特殊热处理方法研究，开发出一种高性能阀体用钢材料，能够满足高端海洋阀体材料的使用要求，其性能够满足：硬度调至180～200HB时，V口冲击功≥70J，150℃抗拉强度超过600MPa。

2、本发明的钢种经高温扩散均质化处理、调质处理后性能稳定，可用于阀体、高端海洋工程用钢等。

3、本发明高强度阀体用钢材料的熔炼、锻造以及热处理方法可广泛应用于高强度阀体用钢的制备。

具体实施方式

在具体实施过程中，按重量百分比计，本发明高强度阀体用钢的合金成分及含量如下：C为0.08～0.20％；Si为0.20～0.40％；Mn为0.8～1.5％；Cr为0.10～0.20％；Mo为0.1～0.25％；V为0.1～0.20％；Ni为0.10～1.00％；Al≤0.05％；P≤0.020％；S≤0.005％，RE≤0.02％，N：0.010～0.020％，余量为Fe，合计100％。

与常规高强度阀体用钢的区别在于：碳含量范围高于常规高强度阀体用钢，关键在于采用N、Re合金化，N的含量趋于中上线，采用Re进行强化提高高温强度。

在制备方法中，经过准备原料，进行熔炼、精炼，浇铸成铸锭后，通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材，再经性能热处理形成上述高强度阀体用钢。在熔炼、精炼时，考虑高纯净钢及提高材料等向性的需要，在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理，并且稀土采用氧含量小于200ppm的高纯稀土，稀土成分主要采用轻稀土(如：镧、铈、镨和钕等)；经稀土处理后阀体用钢材料氧含量控制在15ppm以下，球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85％以上。

本发明中，保温时间按1h/25mm厚选定，其含义是：按高强度阀体用钢的最大壁厚，每25mm保温1小时计算。

下面，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，高强度阀体用钢材料的成分如下：

高强度阀体用钢材料的碳当量Ceq＝0.39％，其热处理采用如下步骤：

①材料钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理，保温时间按1h/25mm厚选定，在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下，出炉冷却至室温。其中，预变形是指锻材第一火次，不进行镦粗处理，只对钢锭进行形状规整处理；三段式高温成分均匀化处理温度分别为：1210℃、1230℃和1280℃，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同，这样的作用和效果是：锻材不会出现过热、过烧，又能促进合金元素在高温快速扩散。

②材料钢经锻造后进行等温球化退火处理，首先在880℃保温，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至740℃继续保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

③材料钢进行调质处理，淬火温度选择1050℃，保温时间按1h/25mm厚选定，油淬至室温，两次回火温度均选择615℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后进行空冷至室温。

经热处理后，材料性能如下：

硬度为195HRC，V口冲击功为90J，抗拉强度680MPa，屈服强度在150℃时为560MPa。

实施例2

本实施例中，高强度阀体用钢材料的成分如下：

高强度阀体用钢材料的碳当量Ceq＝0.42％，其热处理采用如下步骤：

①材料钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理，保温时间按1h/25mm厚选定，在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下，出炉冷却至室温。其中，预变形是指锻材第一火次，不进行镦粗处理，只对钢锭进行形状规整处理；三段式高温成分均匀化处理温度分别为：1200℃、1220℃和1250℃，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同，这样的作用和效果是锻材不会出现过热、过烧，又能促进合金元素在高温快速扩散。

②材料钢经锻造后进行等温球化退火处理，首先在890℃保温，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至730℃继续保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

③材料钢进行调质处理，淬火温度选择1060℃，保温时间按1h/25mm厚选定，油淬至室温，两次回火温度均选择610℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后进行空冷至室温。

经热处理后，材料性能如下：

硬度为213RC，V口冲击功为80J，抗拉强度690MPa，屈服强度在150℃时为565MPa。

实施例3

本实施例中，高强度阀体用钢材料的成分如下：

高强度阀体用钢材料的碳当量Ceq＝0.42％，其热处理采用如下步骤：

①材料钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理，保温时间按1h/25mm厚选定，在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下，出炉冷却至室温。其中，预变形是指锻材第一火次，不进行镦粗处理，只对钢锭进行形状规整处理；三段式高温成分均匀化处理温度分别为：1220℃、1240℃和1300℃，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同，这样的作用和效果是锻材不会出现过热、过烧，又能促进合金元素在高温快速扩散。

②材料钢经锻造后进行等温球化退火处理，首先在870℃保温，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至720℃继续保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

③材料钢进行调质处理，淬火温度选择1040℃，保温时间按1h/25mm厚选定，油淬至室温，两次回火温度均选择615℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后进行空冷至室温。

经热处理后，材料性能如下：

硬度为208HRC，V口冲击功为80J，抗拉强度为670MPa，屈服强度在150℃时为555MPa。

实施例结果表明，本发明通过合金成分优化设计、钢水纯净化处理以及锻造、热处理组织控制，最终使阀体用钢获得良好的综合性能。本发明所涉及到的新型高强度阀体用钢经制备制备方法处理后，可以达到技术要求，能够满足高温阀体的使用要求。

Claims (6)

1.一种耐温高强度阀体用钢材料，其特征在于，按重量百分比计，阀体用钢由以下组分和含量组成：C为0.08～0.20％；Si为0.20～0.40％；Mn为0.8～1.5％；Cr为0.10～0.20％；Mo为0.1～0.25％；V为0.1～0.20％；Ni为0.10～1.00％；Al≤0.05％；P≤0.020％；S≤0.005％，RE≤0.02％，N：0.010～0.020％，余量为Fe，合计100％；碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.43％。

2.根据权利要求1所述的耐温高强度阀体用钢材料，其特征在于，夹杂物要求：A类夹杂物≤1.0级，B类夹杂物≤1.0级，C类夹杂物≤0.5级，D类夹杂物≤1.0级，DS类夹杂物≤1.5级。

3.根据权利要求1所述的耐温高强度阀体用钢材料，其特征在于，优选的，N：0.015～0.020％，RE为0.01～0.1％，材料的屈服强度在150℃不小于500MPa。

4.一种权利要求1至3之一所述的耐温高强度阀体用钢材料的制备方法，其特征在于，根据钢的化学成分准备原料，进行熔炼、精炼，通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材；锻造后，经性能热处理形成阀体用钢；其中，均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺，三段温度分别为：1200℃～1220℃、1220℃～1240℃和1250℃～1300℃，总保温时间≥1h/25mm，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同；超细化处理的工艺过程和工艺参数是：锻材在加热到940～1200℃期间进行快冷，在快冷过程中，锻材在200℃以上温度区间冷速控制在≥0.5℃/S，低于200℃时出炉空冷至室温。

5.根据权利要求4所述的耐温高强度阀体用钢材料的制备方法，其特征在于，在熔炼、精炼时，在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理，并且稀土采用氧含量小于200ppm的纯稀土，稀土成分主要采用轻稀土；经稀土处理后阀体用钢材料氧含量控制在15ppm以下，球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85％以上。

6.根据权利要求4所述的耐温高强度阀体用钢材料的制备方法，其特征在于，热处理过程如下：

(1)等温球化退火处理：两相区内保温时间按1h/25mm厚选定，两相区的温度是指AC1～AC3之间；然后炉冷至450℃～760℃继续进行保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温；

(2)等温球化退火处理后进行调质处理：采用AC3+130～170℃进行淬火温度设置，然后通过控制冷速形成马氏体+残余奥氏体组织；

(3)调质处理后进行回火处理：采用两次以上回火处理，最高回火温度与材料使用硬度相关，回火的温度范围为430～680℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后空冷至室温。