专利名称：一种高压容器用合金钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及合金结构钢的成分设计和制造，尤其是指高压釜、储运罐等高压容器 用钢的合金钢及其制造方法。
背景技术：
高压容器用钢，属于合金结构钢。根据使用条件(工作环境)的不同，高压容器用 钢可分为中低等级的高压容器用钢、高等级的高压容器用钢。目前，我国高压容器用钢大多是低、中等级的高压容器用钢，其中低等级钢一 般采用CrMn、CrMnSi, CrNiMo系低、中碳低合金结构钢(合金含量不超过5 %，其强 度低(300-600MPa)、由于采用一般的钢包精炼工艺冶炼，制造成本也很低；中等级的 钢以30CrMnSiA为代表，采用电渣重熔工艺冶炼，制造成本稍有增加，强度有所提高 (900-1200MPa)但韧、塑性匹配性不够高。部分用途非常重要(如制造承受高压及超高压的压力容器、连接件、紧固件仓体 部件及其高性能结构部件等等)的高等级高压容器用钢(强度1500MPa以上)，通常采用 OONi 18Co9Mo5Ti,OONi 12Mn5Cr4Mo3Al等类型超低碳高合金结构钢(合金含量超过12% )， 例如典型的高等级的高压容器用钢00Nil8Co9Mo5Ti虽然强度高、韧塑性好、变形工艺性也 很好，但制造成本高，性价比不足，缺乏市场竞争力。对比同用途的低合金、高合金典型钢种主要技术参数，化学成分见表1 ；力学性能 见表2。表1化学成分 表2力学性能
发明内容
本发明的目的是设计一种高压容器用合金钢及其制造方法，该合金钢是一个低合 金结构钢(合金含量不超过5%，且无贵重金属)，性能达到高等级高压容器用钢要求(强 度1500MPa以上)。本发明的技术方案是在30CrMnSiA合金钢的基础上增加Mo、V元素及其Si含量，以解决原钢种沾透性 不足、晶粒粗大、回火易脆化的问题；冶炼工艺由“真空感应炉+真空自耗炉”取代原来的 “电炉或电炉+电渣重熔”，以解决原钢种纯净度不够所导致的韧性特别是断裂韧性低的问 题；加工工艺由“快锻+径锻，加工比大于10”取代原来的“快锻或汽锤，加工比大于5”，以 解决原钢种由于锻造不均勻所造成的晶粒度、组织不均勻的问题；调质处理由“淬火+低温 回火”取代“淬火+高温回火”，以马氏体组织解决原钢种索氏体组织导致强度不足的问题， 该调质工艺是配合本发明钢种达到预期质量效果不可缺少的要素。本发明制造的高压容器用合金钢，力学性能达到超高级综合性能水平(强度达到 1700MPa、屈服强度达到1400MPa、伸长率达到10 %、断面收缩率达到50 %、冲击韧性50J、断 裂韧性达到IOOMPa V m以上)，远高于常规使用的低合金结构钢，赶上甚至超过了超低碳 高合金钢00Nil8Co9Mo5Ti的质量水平(30CrMnSi2MoVA合金钢的原料成本仅为高合金钢的 1/10 1/20，性价比远远高于高合金钢)，是优质的高等级且具有很强市场竞争力的高压 容器用钢。具体地，本发明的高压容器用合金钢，其化学成分重量百分比为C0.27
0.33%, Mn 0. 60 1. 00%, Si 1. 40 1. 70%, S 彡 0. 003%, P 彡 0. 006%, Cr 0. 80
1.20%,Mo 0.30 0.50%、V 0. 10 0. 15%，余Fe及不可避免杂质，其中，杂质元素及气 体含量 S+P+H+0+N ^ IOOppm0本发明的高压容器用合金钢的制造方法，其包括如下步骤1)真空感应炉冶炼电极选择纯度大于99%的纯铁和纯度大于99. 9% Cr、Mn、Mo、Si、或V纯金属原材料， 熔炼的精炼期采用高真空度冶炼，真空度达到2. 7Pa以下，保持时间> 40min，使其纯度达 到 S+P+H+0+N ( 150ppm ；2)真空自耗炉重熔成锭平均熔速370 400Kg/h，真空度达到0. 2Pa以下，使其纯度达到 S+P+H+0+N 彡 IOOppm ；3)锻造
钢锭加热温度1200°C 士 10°C，保温至少3小时，加工比(加工前钢锭的截面积 与成材后的钢材截面积之比)大于10，开锻首先进行一次墩粗，墩粗量为原来钢锭高度的 48% 52%，最后成材火次控制1160士 10°C，加工比大于2，整支完成以保持其均勻性；4)调质处理，淬火+低温回火油冷淬火，温度920士 10°C，保温时间大于1小时；低温回火，温度300士 10°C，保温 时间大于3小时，空冷。在本发明的成分设计中碳含量0. 28 0. 33%，不低于0. 28 %是保证对钢产生一定的强度贡献，不高于 0. 33%是为了防止碳对钢的可焊性和韧性产生不良影响；加入1. 4 1. 7%硅、0. 6 1. 0%猛、0. 80 1. 20%铬、0. 30 0. 50%钼、0. 10
0. 15%钒可以显著提高钢的沾透性，与碳综合作用形成具有高密度位错、高韧性的板条状 马氏体组织，有效提高钢的强度同时保证具有高的韧性配合；其中，大于1. 4%硅改变了回火脆性温度区间，使得该钢的回火脆性温度由传统钢 种的200°C提高至350°C，为300°C的低温回火提供了强有力的保障条件，从而有效防止回 火脆性的发生，限制不高于1. 7%主要是防止该钢塑性降低；钼和钒为强碳化物形成元素， 钒也是强氮化物形成元素，钼、钒的加入可以形成碳、氮化物第二相定扎晶界细化晶粒提高 韧性，极微小的碳、氮化物第二相还有定扎位错的功能，从而在不损失韧性的前提下进一步 提高强度，不低于0. 30%钼、0. 10%钒是这种功能的需要，不高于0. 50%钼、0. 15%钒是防 止它们与碳形成过多的碳化物而导致钢的强度不足；韧、塑性变差；硫、磷、氢、氧、氮等残 余元素对钢的塑性、韧性、尤其是断裂韧性有不良影响，故控制其含量尽量低，以至于要求 S+P+H+0+N ^ IOOppm的超低含量水平。与现有美国名牌钢种牌号18Ni马氏体时效钢00Nil8Co9Mo5Ti、前苏联名牌钢种 牌号30CrMnSiA相比，化学成分作了重大的调整本发明钢种比00Nil8Co9Mo5Ti钢含C量 提高，其它合金元素去除或降低，主要目的是在保持强度、韧性相当的同时，大幅度降低原 材料成本，提高实用性并提高市场竞争能力；与30CrMnSiA相比，提高了 Si元素的含量、增 加了适量Mo、V元素，其目的是在强度大幅度提高的同时，不降低钢材的冷加工塑性和韧 性，特别是断裂韧性。本发明的制造方法中，1、应钢材超高强度与超高韧性相互匹配的力学性能的苛刻要求，为确保本发明钢 冶炼成分的超高纯洁度，炼制专用母合金，同时挑选高纯度合金炉料。保证钢中杂质元素及 气体含量 S+P+H+0+N ^ IOOppm02、真空感应炉冶炼电极，首先要选择纯度大于99%的纯铁和纯度大于99. 8% Cr、 Mn、Mo、Si、V纯金属原材料，进行熔炼，为最大限度的去除有害气体和有害易挥发元素，采取 熔炼前期在较高真空度下进行，精炼期采用高真空(真空度应达到2. 7Pa以下)并保持40 分钟以上精炼时间进行冶炼。强调精炼期必须在高真空度下冶炼足够长的时间，以保证去 除气体及其有害杂质元素的有效性。3、真空电弧重熔(Vacuum Arc Remelting，VAR通常称真空自耗)重熔Φ600钢锭 严格控制平均熔速小于400Kg/h，保证钢锭具有优良的结晶状态和表面质量。控制自耗重熔速度、各个阶段所采用的电流强度、后部钢锭头部的补缩充填，冶炼过程保持极限真空度(0. 2Pa以下)进一步去除气体和易挥发有害杂质元素以获得高 纯度材质，同时可以满足钢锭优化结晶均质化的要求。保持低于0. 2Pa的极限真空度主 要是为了进一步去除气体和易挥发有害杂质元素，使其钢锭熔炼的纯度效果可以达到 S+P+H+0+N 彡 1OOppm。4、锻造过程中采用均勻化镦拔处理工艺，加工比大于10，以保证钢材内在组织结 构的精细和均勻以及不同方向性能的均衡性。锻造工艺重点在于加热，钢锭加热温度要1200士 10°C，保温3小时以确保透烧，使 得可塑性处于最佳状态，再烧温度控制下限，再烧保温时间控制在1小时，为使加工比(加 工前钢锭的截面积与成材后的钢材截面积之比)大于10，开锻首先进行一次墩粗，最后成 材火次控制1160士 10°C，加工比大于2，终锻温度大于850°C，整支完成以保持其均勻性。本发明的有益效果本发明通过成分的改进设计，采用VIM+VAR重熔冶炼工艺结合锻造加工及调质工 艺，获得高品质的钢材，抗拉强度Rm彡1700 (Mpa)，屈服强度RpO. 2彡1400 (Mpa)、延伸率 A ^ 10(% )、面缩率Z ^ 50(% )、冲击韧性Aku彡55 (J)、断裂韧性KIC彡90 (MPa V m)。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明做进一步说明本发明化学成分实施例见表3，主要冶炼工艺指标见表4，锻、轧工艺参数见表5 ； 热处理工艺参数见表6 ； 表3本发明实施例的化学成分(wt % )
表4本发明实施例的真空感应、电渣重熔冶炼工艺参数 表5本发明实施例的锻造、轧制加热工艺参数 表6本发明实施例的热处理工艺参数 钢材的检验结果见表7、表8，采用特殊热处理规范油冷淬火+低温空冷回火。表7本发明实施例的力学性能 表8本发明实施例的宏观、微观质量检验统计 从上表可以看出，本发明制造的高压容器用合金钢，力学性能达到超高级综合性 能水平(抗拉强度达到1700MPa、屈服强度达到1400MPa、伸长率达到10%、断面收缩率达到 50%、冲击韧性55J、断裂韧性达到90MPa V m以上)，远高于常规使用的低合金结构钢，赶 上甚至超过了超低碳高合金钢00Nil8Co9Mo5Ti的质量水平(30CrMnSi2MoVA合金钢的原料 成本仅为高合金钢的1/10 1/20，性价比远远高于高合金钢)，是优质的高等级且具有很 强市场竞争力的高压容器用钢。
权利要求
高压容器用合金钢，其化学成分重量百分比为C 0.27～0.33％、Mn0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，余Fe及不可避免杂质，其中，杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。
2.如权利要求1所述的高压容器用合金钢的制造方法，其包括如下步骤1)真空感应炉冶炼电极选择纯度大于99%的纯铁和纯度大于99. 9% Cr、Mn、Mo、Si、或V纯金属原材料，熔 炼的精炼期采用高真空度冶炼，真空度达到2. 7Pa以下，保持时间> 40min，使其纯度达到 S+P+H+0+N 彡 150ppm ；2)真空自耗炉重熔成锭平均熔速370 400Kg/h，真空度达到0. 2Pa以下，使其纯度达到 S+P+H+0+N 彡 IOOppm ；3)锻造钢锭加热温度1200°C 士 10°C，保温至少3小时，加工比大于10，开锻首先进行一次墩 粗，墩粗量为原来钢锭高度的48% 52%，最后成材火次控制1160 士 10°C，加工比大于2， 整支完成以保持其均勻性；4)调质处理，淬火+低温回火油冷淬火，温度920士 10°C，保温时间大于1小时；低温回火，温度300士 10°C，保温时间 大于3小时，空冷。
全文摘要
高压容器用合金钢，其成分重量百分比为C 0.27～0.33％、Mn 0.60～1.00％、Si 1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr 0.80～1.20％、Mo 0.30～0.50％、V 0.10～0.15％，余Fe及不可避免杂质，杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。本发明冶炼工艺由“真空感应炉+真空自耗炉”取代“电炉或电炉+电渣重熔”，解决原钢种纯净度不够所导致的韧性特别是断裂韧性低的问题；加工工艺由“快锻+径锻，加工比大于10”取代“快锻或汽锤，加工比大于5”，解决原钢种由于锻造不均匀所造成的晶粒度、组织不均匀的问题；调质处理由“淬火+低温回火”取代“淬火+高温回火”，以马氏体组织取代原钢种索氏体组织解决强度不足的问题。
文档编号C21D1/25GK101899622SQ20091005220
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者余忠民, 刘忠国, 周琼艳, 姚长贵, 廖洪军, 张杉, 杨桦, 陈杰 申请人:宝山钢铁股份有限公司