专利名称：一种高强度高韧性螺栓用合金钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度高韧性螺栓用合金钢，尤其涉及一种用于高压锅炉给水泵 上的高强度高韧性螺栓的合金钢。
背景技术：
上海凯士比泵有限公司引进生产的德国KSB公司的CHT和HG系列高压锅炉给 水泵是超临界发电机组的关键设备(其工作压力分别为420bar和^Obar，工作温度达 2300C )，而CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓则是水泵密封与承压的关键零件，其质量、性能 和可靠性对机组的安全可靠运行起着至关重要的作用。CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓材 料原设计为德国1. 6772牌号钢材，其力学性能要求列于表1 (见下)。表1德国1. 6772牌号钢材力学性能指标
Rm/MPaRPo.2/MPaA/%Ζ/%Akv"1040 - 1240> 940> 14> 55>75(均值) >64(最小)不同温度下的RP。.2/MPaIOO0C145°C200°C300°C350°C400°C> 885> 865> 830> 785> 735> 685注表中夏比(V型缺口)冲击功均值按一组三个试样单值的算术平均值计算。此材料一直完全依赖德国进口，不仅成本高(一根HG穿杠螺栓成本为1万元)，而 且供货进度时常不能保证，并且已有资料显示有迹象表明德国供应商随时可能停止该材料 的供应。这不仅仅严重影响水泵生产和交货进度，而且可能影响到我国的能源安全。因此，迫切需要研究开发一种等同或等效替代德国1.6772牌号钢材的国产化材 料，打破国外的技术封锁、技术垄断，以使我国该型装备生产跨上一大台阶，并显著降低成 本，为我国的能源安全提供保障条件。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题而提供一种高强度高韧性螺栓用合金钢，该合 金钢中合金元素含量要求较低，特别是比较稀缺的重要的战略物质Ni、Mo的含量亦都较 低，但是该合金钢完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求。本发明的另一个目的在于提供一种上述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法。本发明为达目的所用的技术方案是本发明之一的一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素0. 15 0. 23C ；0. 10 0. 35 Si ；0. 20 0. 45Mn ；P 彡 0. 03 ；S 彡 0. 025 ；1. 10
1. 45Cr ；3. 30 3. 90Ν ；0. 20 0. 45Mo ；Cu ( 0. 05 ；Al ( 0. 03，其余为 Fe 及杂质元素。上述的高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素0. 19 0. 21C ；0. 20 0. 32 Si ；0. 32 0. 40 Mn ；P 彡 0. 025 ；S 彡 0. 015 ；1. 25 1. 40Cr ；3. 50 3. 85Ν ；0. 30 0. 40Mo ；Cu ( 0. 03 ；Al ( 0. 02，其余为 Fe 及杂质元素。本发明之二的一种上述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法，包括以下步骤1)真空感应炉冶炼按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540 1560°C精 炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5 lOmin，浇铸电极棒，出钢温 度为 1560 1580°C ；2)电渣重熔将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；3)锻造对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度彡1050°C，终锻温度彡850°C，锻 造变形量> 30%，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680°C，保温时间2 汕；4)热处理对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800 890°C，回火温 度420 550°C，回火时间40 190min。本发明高强度高韧性螺栓用合金钢的化学成分设计依据及限定含量范围的理由 如下C是强烈提高材料淬透性的元素，同时提高材料的强度和硬度。但是，随C含量的 增加会大大降低材料韧塑性，使材料易发生脆性断裂。当C含量较低时，可形成韧塑性较好 的材料，但是其淬透性和强度不够。材料强度上的不足可以通过合金元素的固溶强化和析 出强化等来弥补，对于韧性的不足却不容易提高。综合考虑，材料的含C量应控制在低碳水 平，增加低碳韧性材料的强度是本发明的主要技术路线。Si与氧的亲和力仅次于Al和Ti，而强于MruCr和V。Si在钢中不形成碳化物，而 是以固溶体的形态存在于α (铁素体)或、(奥氏体)中。Si提高钢中固溶体强度的作用 极强，但同时也在一定程度上降低钢的韧塑性。Si是封闭Y相区的元素之一，提高钢的临 界转变温度A1和^。Si对钢的淬透性影响中等，但对提高钢的回火稳定性和抗氧化性有很 大的好处。Si含量较高的钢，退火时表面也容易脱碳。Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能消除或减弱因S所引起的热脆性，从而改善钢的 热加工性能。Mn与!^e形成固溶体，提高钢中α和γ的硬度和强度。Mn又是碳化物形成 元素，进入渗碳体中取代一部分狗原子。Mn在提高合金强度的同时，对其延展性却几乎没 有任何影响。Mn扩大γ相区，使钢形成和稳定Y组织的能力仅次于Ni，Mn也强烈增加钢 的淬透性。Mn的不利一面是增大钢的过热敏感性，晶粒易粗大，且易增大回火脆性，冶炼浇 铸和锻轧后冷却不当容易使钢产生白点。S、P是钢中有害的残留元素，且国产原材料中S、P含量相对较高，所以从钢材的性 能与成本综合考虑，应适当限制S、p的含量。Cr能显著改善钢的抗氧化性能，增加钢的抗腐蚀能力。Cr与狗形成连续固溶体， 与C形成多种碳化物，Cr与C的亲和力在形成碳化物的诸元素中大于！^和Mn，而低于W、 Mo等。Cr可以取代一部分狗而形成复合渗碳体(Fe，Cr)3C。Cr的复杂碳化物(Cr，Fe)7C3、 (Cr, Fe) 23C6对于钢的性能有显著的影响。Cr能显著增加钢的淬透性，但亦增加钢的回火脆性倾向。当Cr与C形成复杂碳化物，并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用。但是Cr 在钢中起到强化作用的同时亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。因此需根据对强韧性的 要求，确定合适的Cr含量。Ni与C不形成碳化物，Ni是形成和稳定Y的主要合金元素。Ni与!^e以互溶的形 式存在于钢中的α相和Υ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能， 特别是韧性。Ni由于降低临界转变温度和钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的淬透性。 并且M在固溶强化钢材强度的同时，对钢材的韧塑性影响并不明显。由于M在世界范围 内都是一种比较稀缺的元素，也是一种重要的战略物质。因此作为钢的一种合金元素，必须 注意合理和节约的原则。Mo属于缩小Y相区的元素，其在钢中存在于固溶体相和碳化物中。在碳化物中， 当Mo含量较低时，与Fe及C形成复合的渗碳体；当含量较高时，则形成其自己的特殊碳化 物。Mo可显著提高钢的淬透性，同时还能提高钢的再结晶温度，增强回火稳定性，调质处理 后可获得细晶粒的索氏体，使钢的强韧性得到改善。当钢中形成Mo的碳化物时，可起到弥 散或沉淀强化的作用，Mo含量较少时(< 0. 3，主要以固溶强化、提高淬透性和回火稳定 性为主。随Mo含量的增加，钢的强韧性得到提高。Mo在钢中的作用可归纳为提高淬透性、 提高热强性、防止回火脆性、提高在某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向等。但Mo是一种 重要的战略物质，另有极重要的用途，因此在钢中使用，必须注意合理和尽可能的少用。Cu也是钢中的残留元素，尽管Cu对钢的力学性能有益无害，但对钢的热锻轧和热 处理等热加工性能不利，是引起热裂的最主要元素。况且国产原材料中Cu含量相对较高， 需要加以控制。Al是强烈缩小γ相区的元素，与0、Ν有很大的亲和力。Al在钢中的作用是，用作 炼钢时的脱氧定氮剂，并且细化晶粒，阻抑低碳钢的时效，可以减轻钢对缺口的敏感性，并 提高钢的冲击韧性，降低钢的脆性转变温度，但对钢的抗松弛和抗蠕变性能不利。而且钢中 脱氧时Al用量过多，将使钢产生反常组织，并促进钢的石墨化倾向。在铁素体及珠光体钢 中，当含Al量较高时，其强度和韧性较低，并给冶炼和浇铸等方面带来困难。虽然Al细化 钢的本质晶粒，提高钢晶粒粗化的温度，但当钢中的残余铝(固溶金属铝)含量超过一定值 时，钢的奥氏体晶粒反而更易长大粗化。因此需控制Al在钢中的残留量。本发明一种高强度高韧性螺栓用合金钢的合金元素含量要求较低，特别是比较 稀缺的重要的战略物质Ni、Mo的含量亦都较低，而各项力学性能指标都优于或等于德国 1. 6772牌号钢材的力学性能指标(请见表幻，达到了国际先进水平。表2本发明高强度高韧性螺栓用合金钢力学性能指标
权利要求
1.一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素0. 15 0. 23C ；0. 10 0. 35Si ；0. 20 0. 45Mn ；P 彡 0. 03 ；S 彡 0. 025 ； 1. 10 1. 45Cr ； 3. 30 3. 90Ν ；0. 20 0. 45Mo ；Cu ( 0. 05 ；Al ( 0. 03，其余为 Fe 及杂质元素。
2.如权利要求1所述的高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素0. 19 0. 21C ；0. 20 0. 32Si ；0. 32 0. 40Mn ；P 彡 0. 025 ；S 彡 0. 015 ；1. 25 1. 40Cr ； 3. 50 3. 85Ν ；0. 30 0. 40Mo ；Cu ( 0. 03 ；Al ( 0. 02，其余为 Fe 及杂质元素。
3.—种如权利要求1所述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法，包括以下步骤1)真空感应炉冶炼按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540 1560°C精炼 40min,保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5 lOmin，浇铸电极棒，出钢温度为 1560 1580 ；2)电渣重熔将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；3)锻造对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度彡1050°C，终锻温度彡850°C，锻造变 形量彡30%，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680°C，保温时间2 汕；4)热处理对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800 890°C，回火温度 420 550°C，回火时间40 190min。
全文摘要
本发明涉及一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素0.15～0.23C；0.10～0.35 Si；0.20～0.45 Mn；P≤0.03；S≤0.025；1.10～1.45 Cr；3.30～3.90 Ni；0.20～0.45 Mo；Cu≤0.05；Al≤0.03，其余为Fe及杂质元素。还提供了本发明的制备方法。本发明各项力学性能指标都优于或等于德国1.6772牌号钢材的力学性能指标，完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求，可以等同或等效替代德国1.6772牌号钢材用于生产CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓。
文档编号C22C38/44GK102094153SQ201110049698
公开日2011年6月15日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者于治水, 徐金星, 施永涛, 李培耀, 李霞, 潘再兵, 纪楗煜, 钱俊 申请人:上海凯士比泵有限公司, 上海工程技术大学