一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备工艺转让专利
申请号 : CN201910581059.7
文献号 : CN110230003B
文献日 : 2021-05-21
发明人 : 马保斌 , 路琛 , 蔡天志
申请人 : 大通互惠集团有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,其原料按质量百分比(wt%)如下:碳(C):0.10‑0.12%,锰(Mn):0.50‑0.90%,硅(Si):0.45‑0.55%,铬(Cr):
1.0‑1.5%,钼(Mo):0.45‑0.55%,硼(B):0.002‑0.003%,稀土元素(RE):0.02‑0.06%,其余为铁以及不可避免的杂质元素;
其制备工艺包括如下步骤:
S1、熔炼:将配合的材料加入炉中熔解,出钢时为改善钢水清净度在脱氧作业上除加入强脱氧剂铝之外,还加入了硅钙合金和稀土元素,目的除了降低氧含量与夹渣率外,钙或稀土元素还可净化晶界,提高延韧性能;
S2、铸造:采用砂型铸造,铸件表面的铸砂采用特种砂以加快冷激效果,加快凝固速度,细化晶粒,得到良好的铸态组织;
S3、焊补:在热处理前,完成铸件的所有焊补,且铸钢材质的含碳量和碳当量较低,材质具有优异的焊接性能;
S4、采用特殊的热处理工艺,铸件经过扩散退火,麻淬火,以及高温回火热处理方式,获得回火托氏体+少量铁素体的铸钢组织,使得该种铸钢材质在 ‑42℃低温环境下的冲击功Akv≥100J,具有优良的韧性,且在500℃高温环境下的强度:σb≥450MPa,σ0.2≥320MPa,具有较高的高温强度,因此该铸钢材质组织良好,高温和低温性能优异,较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。
2.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,所述的杂质元素中的磷(P)≤0.025%,硫(S)≤0.015%。
3.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,所述铸钢材料的钢水清净度好,钢中氧含量和氧化夹杂物含量少,且氧化夹杂物的颗粒比较细小, 分布比较分散和均匀,铸钢材料中有害的残余元素含量较低,铸件的使用寿命、稳定性及可靠性优异。
4.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织,铸件组织较细且均匀。
5.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大,热应力较集中,但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织,并且还能释放集中的热应力,故铸件的所有焊补需要在热处理前完成。
6.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,在S4中的扩散退火具体为:铸钢材料经950‑980℃奥氏体化,保温2‑5小时,炉冷至常温。
7.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,在S4中的麻淬火具体为:铸钢材料经900‑940℃奥氏体化,保温2‑5小时,水冷至铸钢材料表面温度到350‑400℃之间,之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温。
8.根据权利要求1所述的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料,其特征在于,在S4中的高温回火,铸钢材料经670‑710℃,保温3‑5小时,空冷至常温。
说明书 :
一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料及其制备
工艺
技术领域
背景技术
备,火力发电高温蒸汽设备的使用,需要设备的铸钢材质保证较高的高温强度,同时还要具
备良好的低温冲击韧性。因高寒地区的设备在使用中,可能会因故障或者其他原因停机,在
这种极寒工况下,设备温度骤降到极低温环境温度时,常用的设备材料因低温韧性较差,导
致设备产生裂纹,可能会发生灾难性的事故。一般的高磅级,耐高温的铸件与管道连接大部
分采用焊接,故又需要材质具备良好的可焊接性。因此,设计开发一种铸钢材质使其在高温
具有优异的高温强度,在低温具有良好的低温冲击韧性,还要有优良的焊接性能,来满足高
寒地区,耐高温设备的需求。为此,我们提出了一种适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸
钢材料及其制备工艺。
发明内容
1.0‑1.5%,钼(Mo):0.45‑0.55%,硼(B):0.002‑0.003%,稀土元素(RE):0.02‑0.06%,其余为
铁以及不可避免的杂质元素。
或稀土元素还可净化晶界,提高延韧性能;
且在高温环境(500℃)下具有较高的高温强度,因此该铸钢材质组织良好,高温和低温性能
优异,较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。
件的使用寿命、稳定性及可靠性优异。
故铸件的所有焊补需要在热处理前完成。
至常温。
严寒的冬季;
较低的碳含量及碳当量,具有良好的焊接性能,可以较好的满足要求;
附图说明
具体实施方式
0.45%,硼(B):0.002%,稀土元素(RE):0.02%,其余为铁以及不可避免的杂质元素;所述的杂
质元素中的磷(P)≤0.025%,硫(S)≤0.015%。
或稀土元素还可净化晶界,提高延韧性能;
且在高温环境(500℃)下具有较高的高温强度,因此该铸钢材质组织良好,高温和低温性能
优异,较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。
用寿命、稳定性及可靠性优异;所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织,铸件组织
较细且均匀;所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大,热应力较集
中,但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织,并且还能释放集中的热应力,故铸
件的所有焊补需要在热处理前完成。
到350‑400℃之间,之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温;在S4中的高温回
火,铸钢材料经670℃,保温3小时,空冷至常温。
0.50%,硼(B):0.0025%,稀土元素(RE):0.04%,其余为铁以及不可避免的杂质元素;所述的
杂质元素中的磷(P)≤0.025%,硫(S)≤0.015%。
或稀土元素还可净化晶界,提高延韧性能;
且在高温环境(500℃)下具有较高的高温强度,因此该铸钢材质组织良好,高温和低温性能
优异,较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。
用寿命、稳定性及可靠性优异;所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织,铸件组织
较细且均匀;所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大,热应力较集
中,但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织,并且还能释放集中的热应力,故铸
件的所有焊补需要在热处理前完成。
面温度到350‑400℃之间,之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温;在S4中的高
温回火,铸钢材料经685℃,保温4小时,空冷至常温。
0.55%,硼(B):0.003%,稀土元素(RE):0.06%,其余为铁以及不可避免的杂质元素;所述的杂
质元素中的磷(P)≤0.025%,硫(S)≤0.015%。
或稀土元素还可净化晶界,提高延韧性能;
且在高温环境(500℃)下具有较高的高温强度,因此该铸钢材质组织良好,高温和低温性能
优异,较好的适用于高寒地区的高强度低合金耐热铸钢材料。
用寿命、稳定性及可靠性优异;所述铸钢材料的铸态组织为片层状的珠光体组织,铸件组织
较细且均匀;所述铸钢材料焊补会造成铸件焊补部位热影响区组织晶粒粗大,热应力较集
中,但能够通过后续的热处理工艺来细化铸件焊补组织,并且还能释放集中的热应力,故铸
件的所有焊补需要在热处理前完成。
到350‑400℃之间,之后将铸钢材料从水中拉出且在空气中冷却至常温;在S4中的高温回
火,铸钢材料经710℃,保温5小时,空冷至常温。
剂加入炉中,待熔解后加入铬铁,硅铁,纯锰,完全熔落后,将电流关闭,使用石川除渣剂除
渣,待炉渣除去后,取样块进行分析,根据化学成分分析结果,进行调整,化性满足后,测温
脱氧出钢,出钢温度1620‑1660℃,加入铝条,稀土合金,硅钙合金,进行脱氧,脱氧完成后加
入硼铁,改善钢水的流动性。浇注温度控制在1570‑1610℃。 熔炼浇注了2炉铸件,每一个炉
次各浇注了一个ASTM A703规范规定的试样坯,各炉成分如下:
验。冲击试块在双制冷自动低温冲击试验机中做常温的冲击试验,硬度采用数显布氏硬度
计检测,检测值如下:力学性能如下:
性能严重不利。钢中较多的非金属夹杂物,淬火时会引起应力集中而形成裂纹。
材质的高温强度和低温韧性,使材质更加适用于高寒地区的承压设备。
素体。如图3‑5,采用麻淬火工艺,使得铸件内部对表面进行一次回火处理,使得其内部具备
良好的韧塑性,本发明的高寒地区低合金耐热铸钢生产工艺简单,生产成本低廉,高温强度
和低温韧性较高,淬透性好,具备优良的高寒地区适用性,非常适合作为于高寒地区的耐高
温承压设备的材料使用。
先共析铁素体及回火托氏体。根据有关研究,C含量在0.1‑0.2%范围内,钢具有良好的抗高
温蠕变强度。同时碳含量以及碳当量较高时,会恶化钢材质的焊接性能。该钢材质中碳含量
增加,屈服强度和抗拉强度会升高,但塑性和韧性会降低,对材质的低温韧性不利。电炉炉
料熔落时,钢水中的含碳量称为熔化碳,根据有关实验得到,高熔化碳的强度和韧性较低熔
化碳的高,通过检测,高熔化碳的铸件内部拉应力明显低于低熔化碳的内部拉应力,且低熔
化碳的组织中夹杂物的种类和数量较多,夹杂物较大。本发明在钢水熔落前,加入适量的增
碳剂来增大熔化碳,最终的含碳量控制在0.10‑0.12%。
的淬透性,能增加中低碳珠光体钢的强度。合金中添加少量的Mn元素,可导致合金能容忍较
多的会引起脆性的不纯物的存在而不产生脆性。早期有关实验分析得Mn含量在0.7‑0.85%
之间,可使得材质具有较好的高温强度和良好的韧性。当锰含量较高时,会有使组织晶粒粗
化、降低蠕变强度及增加回火脆性的不利倾向。最终的Mn 含量控制在0.50‑0.90%,优选
0.70‑0.85%。
下限为0.45%,但硅含量太高时,会增加回火脆性的敏感性,且会产生过量的夹杂物,恶化焊
接性能,故将上限定为0.55%。最终硅含量控制在0.45‑0.55%。
故设定铬含量下限为1.0%;铬含量过高时,会在晶界形成碳化物,降低钢材的韧性,且会造
成生产成本的上升,故铬含量上限为1.5%;优选1.2‑1.3%。
钢的热强性和蠕变强度,且可以普遍提高钢的抗蚀性能。当钼含量增加至0.75%以上时,脆
性转变温度会上升,恶化韧性,同时钼的成本较高,故设定钼元素含量范围为0.45‑0.55%。
以降低钢水的表面张力,增加钢水的流动性。但是硼容易与O、N结合生成非金属夹杂物,故
在熔炼时,使用稀土合金、硅钙合金、铝脱氧去氮后,才加入硼铁。合金钢中硼含量过高时,
反而会恶化淬透性,故设定硼元素含量范围为0.002‑0.003%。
状夹杂物的存在,对高强度钢材的韧性有很大的益处。稀土元素的化学性质特别活跃,同钢
中的N、O有很强的亲和力,并形成比重轻(易上浮)的难熔化合物,故具备脱氧、去氮、减少非
金属夹杂物的净化作用。同时作为表面活性元素,可以吸附在正在长大的固态晶核表面,形
成薄膜,阻碍了晶体长大,从而细化晶粒和减少偏析,改善钢的化学成分的均匀性。稀土元
素可以细化晶粒,还可以降低氧化物和硫化物杂质在钢液中溶解度,有益于夹杂物的上浮,
提高钢液的清净度,提高铸钢件的品质,增加铸钢件的韧性。且稀土元素在晶界与低熔点的
As、Sn、Pb、P等有害元素相互作用,抑制有害元素向晶界偏聚,净化和强化晶界。过量的稀土
元素会导致夹杂物含量增多,将降低钢的塑性和韧性。故设定稀土元素含量范围为0.02‑
0.06%。
钢材的韧性,且降低铸钢件的使用寿命。
0.01%,可使脆性转变温度升高7℃;故磷含量限制在0.025%以下,优选0.02%以下,硫限制在
0.015%以下,优选0.01%以下。
铝含量低于0.015%时,残余铝含量已经起不到防止氧化的效果了,因此考虑到铝的加入钢
液中,会先消耗部分含量,故将铝含量的下限定为0.03%,使得残余的铝含量大于0.015%,保
证在钢水进入模穴,残余的铝含量还可以起到防止钢水的二次氧化的作用;铝含量超过
0.07%时,因为铝和氮结合成氮化铝,存在于晶界中,促使断裂在晶界处发生,造成沿晶破
裂。故最终铝含量应控制在0.03‑0.07%,优选0.04‑0.06%。
杂物含量较少。
艺,得到了优良的高寒地区用高强度低合金耐热铸钢。
发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。