一种低合金耐热高强钢及其构件

摘要

本发明涉及一种低合金耐热高强钢，以重量百分比计，包含以下组分：C 0.09～0.11，Si 0.38～0.44，Mn 0.42～0.52，Cr 1.55～1.70，Mo 0.12～0.30，Ni 0.05～0.15，Nb 0.05～0.08，Pd 0.15～0.35，P≤0.015，S≤0.015，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的低合金耐热高强钢进一步提高了室温抗拉强度、屈服点，耐热性和耐蚀性都得到了提高，同时减少了合金的种类，是杂质成分更简单、易控制。

权利要求

1.一种低合金耐热高强钢，以重量百分比计，由下述组分组成：C 0.09～0.11，Si 0.38～0.44，Mn 0.42～0.52，Cr 1.55～1.70，Mo 0.12～0.30，Ni 0.05～0.15，Nb 0.05～0.08，Pd 0.15～0.35，P≤0.015，S≤0.015，余量为Fe和不可避免的杂质；

Si与Mn含量为1:1，且(Mo+Ni+Nb+Pd)总含量与Si含量为1:1。

2.权利要求1所述低合金耐热高强钢及其构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设计所述低合金耐热高强钢的成分；

(2)冶炼浇注，包括电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合化学成分要求后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂质的上浮去除；

(3)轧制，包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在1100～1150℃的加热炉中均热4～6小时，轧制的开轧温度为1000～1100℃、终轧温度为840～880℃，冷却速度为5～10℃/s、终冷温度为650～680℃；

(4)构件的加工，将轧制后的低合金耐热高强钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到构件；

(5)构件的热处理，将构件以竖直的状态放入渗碳处理炉后，加热到870～900℃，并以

80～100滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在0.8～0.9％，进行扩散渗碳处理2～2.5小时，随后将构件预冷到750～780℃同时降低炉内碳势至0.7～

0.75％并保温5～10分钟，然后将构件从渗碳炉中取出并在油温为120～140℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度为160～180℃，回火时间为1～1.5小时。

说明书

一种低合金耐热高强钢及其构件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钢铁材料及其构件，尤其是一种低合金耐热高强钢及其构件。

背景技术

[0002] 高温条件下(通常指材料熔点的0.3～0.5倍以上的温度)，具有抗氧化性和足够高温强度以及良好的耐热性能的钢称为耐热钢，而耐热钢中最具代表性的一类是低合金耐热高强钢，例如我国的15CrMo即是一种典型的低合金耐热高强钢，15CrMo因其良好的耐热性能、力学性能、耐腐蚀性能而被广泛使用于锅炉、石油化工、煤转化、汽机轮缸体、火电、核电等使用条件苛刻、腐蚀介质复杂的大型设备的管道、容器、零部件等。

[0003] 一般的15CrMo化学成分(质量分数)(％)为：C 0.12～0.18，Mn 0.40～0.70，Si 0.17～0.37，Cr 0.80～1.10，Mo 0.40～0.55，Ni≤0.30，S≤0.035，P≤0.035。15CRMO的力学性能：拉力强度为440～640MPA，屈服点约235MPa，伸长率21％左右。

[0004] 然而随着现代工业的飞速发展，15CrMo耐热高强钢已经越来越难以满足工业设备在强韧性、蠕变性、焊接性等方面更高的要求，优化合金成分、调整冶炼、轧制等生产工程中的工艺参数日益成为人们对于改善15CrMo钢所关注的焦点。同时，由于要获得需要的优异的耐磨性和耐疲劳性等，还需要对其进行渗碳淬火等热处理，而这往往使得产品产生一定的形变而影响产品的尺寸精度。

[0005] 专利201110392208.9中公开了一种低合金耐热高强钢构件的制备，以重量百分比计，包含以下组分：C 0.09～0.11，Si 0.06～0.2，Mn 0.06～0.35，Cr 1.3～1.5，Mo 0.35～0.45，P≤0.009，S≤0.006，Ni 0.2～0.4，Cu 0.01～0.08，V 0.3～0.4，Nb 0.1～0.2，W 0.2～0.5，Ti 0.005～0.02，余量为Fe和不可避免的杂质。该构件的室温抗拉强度为610MPa，在
600℃下、200MPa应力测试下其有效寿命约为15CrMo的两倍，热处理后的表面硬度约为
750HV，并且硬度超过500HV的硬化层厚度为0.5mm，变形量小，都超过了一般的15CrMo。但是其中金属含量较高，并不能适用于一些特殊的生产需求，且包含的金属种类多，生产成本较高，可能产生的杂质成分也较复杂。

发明内容

[0006] 针对上述问题，本发明的目的即在于优化设计15CrMo钢的成分，以及调整冶炼、轧制、热处理等的工艺参数，从而制备得到一种强韧性、耐蚀性、焊接性优异且热处理后变形小的新型低合金耐热高强钢及其构件产品。

[0007] 本发明所采用的技术方案如下：

[0008] 一种低合金耐热高强钢，以重量百分比计，包含以下组分：C 0.09～0.11，Si 0.38～0.44，Mn 0.42～0.52，Cr 1.55～1.70，Mo 0.12～0.30，Ni 0.05～0.15，Nb 0.05～0.08，Pd 0.15～0.35，P≤0.015，S≤0.015，余量为Fe和不可避免的杂质。

[0009] 与现有技术相比，尤其与专利201110392208.9相比，本发明提高了Mn和Cr的含量，添加了现有技术中15CrMo钢从未添加过的Pd，降低了Mo、Ni、Nb的含量，同时省略了Ti、V、Wu、Cu等金属元素，本发明的低合金耐热高强钢进一步提高了室温抗拉强度、屈服点，耐热性和耐蚀性都得到了提高，同时减少了合金的种类，是杂质成分更简单、易控制。

[0010] 优选的，发明人在研究中发现当Si与Mn含量接近1:1，且(Mo+Ni+Nb+Pd)总含量与Si含量接近1:1时，制得的低合金耐热高强钢性能最优。

[0011] 因此，作为优选的，本发明提供了一种低合金耐热高强钢，以重量百分比计，包含以下组分：C 0.1，Si 0.42，Mn 0.42，Cr 1.6，Mo 0.12，Ni 0.05，Nb 0.05，Pd 0.20，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

[0012] 本发明还提供了所述低合金耐热高强钢及其构件的制备方法，其包括如下步骤：

[0013] (1)设计所述低合金耐热高强钢的成分；

[0014] (2)冶炼浇注，包括电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合化学成分要求后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂质的上浮去除；

[0015] (3)轧制，包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在约1100～1150℃的加热炉中均热约4～6小时，轧制的开轧温度约为1000～1100℃、终轧温度约为840～880℃，冷却速度约为5～10℃/s、终冷温度约为650～680℃；

[0016] (4)构件的加工，将轧制后的低合金耐热高强钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到构件；

[0017] (5)构件的热处理，将构件以竖直的状态放入渗碳处理炉后，加热到约870～900℃，并以约80～100滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在约0.8～0.9％，进行扩散渗碳处理约2～2.5小时，随后将构件预冷到约750～780℃同时降低炉内碳势至约0.7～0.75％并保温约5～10分钟，然后将构件从渗碳炉中取出并在油温为约
120～140℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度约为160～180℃，回火时间约为1～1.5小时。

具体实施方式

[0018] 下面结合实施例对本发明作进一步描述。

[0019] 实施例1

[0020] 一种低合金耐热高强钢及其构件，其是通过以下步骤制备得到的，

[0021] (1)设计所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.42，Mn 0.42，Cr 1.6，Mo 0.12，Ni 0.05，Nb 0.05，Pd 0.20，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质；

[0022] (2)冶炼浇注，包括电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合化学成分要求后浇注，其中钢包精炼时以5atm的压力进行吹氩5分钟，以有利于杂质的上浮去除；

[0023] (3)轧制，包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在1130℃的加热炉中均热至少5小时，轧制的开轧温度为1050℃、终轧温度为860℃，冷却速度为8℃/s、终冷温度为670℃；

[0024] (4)构件的加工，将轧制后的低合金耐热高强钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到构件；

[0025] (5)构件的热处理，将构件以竖直的状态放入渗碳处理炉后，这里的竖直状态是指以构件三维最长的一维尽量保持铅直为准，加热到890℃，并以90滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在0.85％，进行扩散渗碳处理2小时，随后将构件预冷到760℃同时降低炉内碳势至0.7％并保温10分钟，然后将构件从渗碳炉中取出并在油温为125℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度为170℃，回火时间为1.5小时。

[0026] 得到实施例1的构件。

[0027] 实施例2

[0028] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.44，Mn 0.44，Cr 1.6，Mo 0.12，Ni 0.06，Nb 0.06，Pd 0.20，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。得到实施例2的构件。

[0029] 实施例3

[0030] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.38，Mn 0.46，Cr 1.6，Mo 0.12，Ni 0.05，Nb 0.05，Pd 0.20，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。得到实施例3的构件。

[0031] 实施例4

[0032] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.42，Mn 0.42，Cr 1.6，Mo 0.2，Ni 0.15，Nb 0.05，Pd 0.25，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。得到实施例4的构件。

[0033] 实施例5

[0034] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.42，Mn 0.42，Cr 1.6，Mo 0.12，Ni 0.05，Nb 0.05，Pd 0.15，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。得到实施例5的构件。

[0035] 对比例1

[0036] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.1，Mn 0.2，Cr 1.2，Mo 0.4，P 0.009，S 0.006，Ni 0.3，Cu 0.05，V 0.35，Nb 0.15，W 0.3，Ti 0.01，余量为Fe和不可避免的杂质。得到对比例1的构件。

[0037] 对比例2

[0038] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.15，Si 0.37，Mn 0.5，Cr 1.0，Mo 0.4，P 0.009，S 0.006，余量为Fe和不可避免的杂质。得到对比例2的构件。

[0039] 对比例3

[0040] 按照实施例1所述方法，将实施例1中低合金耐热高强钢的成分替换为，所述低合金耐热高强钢的成分，以重量百分含量计(％)，包含：C 0.1，Si 0.42，Mn 0.42，Cr 1.6，Mo 0.12，Ni 0.05，Nb 0.05，Pd 0.20，P 0.005，S 0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。得到对比例3的构件。

[0041] 测试例

[0042] 对实施例1-5和对比例1-3制得的构件进行性能测试，测试标准及测试结果见表1。

[0043] 表1：实施例1-5和对比例1-3的构件性能测试表