專利名稱：一種耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金鋼，特別是耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)30年代以來，國外發(fā)生過多次橋梁構(gòu)件脆斷的事故。分析表明，金屬或合金在低于某個臨界溫度的條件下，韌性急劇降低，性質(zhì)變脆。這個溫度(一般是一個溫度范圍)叫做脆性臨界轉(zhuǎn)變溫度。對于低溫鋼的技術(shù)要求一般是在低溫下具有足夠的強(qiáng)度和充分的韌性，具有良好的工藝性能、加工性能等。其中低溫韌性，即低溫下防止脆性破壞發(fā)生和擴(kuò)展的能力是最重要的因素。各國通常都規(guī)定出最低溫度下的一定的沖擊韌性值。低溫鋼一般分4個溫度級別-20 -40°C、_50 -80°C、_100 -110°C、_196 _269°C。常見的低溫鋼類型有1)中合金低碳馬氏體型低溫鋼合金元素總含量為5_10%，其組織為馬氏體組織。典型鋼種9Ni鋼有兩種常用熱處理制度，一種是900 V正火加790 V正火加570°C回火；另一種是800V水淬加570V回火。淬火后組織為低碳馬氏體，正火后組織為低碳馬氏體加鐵素體加少量高碳奧氏體。9M 鋼在-196°C低溫下具有優(yōu)良的韌性。由于磷元素會增加9Ni鋼回火脆性的敏感性，冶煉時應(yīng)嚴(yán)格控制。5Ni鋼主要通過化學(xué)成分的最佳化以及三級熱處理方法來控制組織，使之在_162°C乃至_196°C低溫下具有與9Ni鋼相近的強(qiáng)度和韌性。2)高合金奧氏體型低溫鋼合金元素總含量> 10%，為奧氏體不銹鋼，具有極為優(yōu)良的低溫韌性， 在-196 -296°C低溫下仍保持相當(dāng)高的韌性。含鉻鎳奧氏體型低溫鋼含Crl8^^nNi9%， 無鉻鎳奧氏體型低溫鋼含M(馬氏體)23- %，A(奧氏體)1_4%，兩者的低溫鋼韌性相近。 一般均在固溶處理后使用。3)低合金鋼合金元素含量一般彡5 %，一般在-100°C以內(nèi)的溫區(qū)內(nèi)使用，用于制造冷凍設(shè)備、 運(yùn)輸設(shè)備、乙烯地上貯藏室和石油化工設(shè)備等。根據(jù)不同的強(qiáng)度級別和使用環(huán)境不同，成分有較大差異。 CN1718832A涉及一種600MPa級的低溫高韌性耐大氣腐蝕鋼，其含碳量 0. 05-0. 09%、添加Ti、Nb、Ni、Cu、Cr來達(dá)到耐低溫、耐腐蝕、易焊接的技術(shù)目的，但是該專利未指明所適用的溫度范圍、強(qiáng)度級別偏低。CN1010M870A涉及一種低溫高強(qiáng)度、高韌性鋼及其制造方法，其成分是低碳Cr-Ni-Si-Mn-Mo-V合金鋼，可用于低至_60°C的環(huán)境。 CN1351189A涉及一種超低碳高韌性抗硫化氫用X65級輸氣管線鋼，。
現(xiàn)有低溫合金結(jié)構(gòu)鋼難以滿足強(qiáng)度級別要求較高的使用條件；現(xiàn)有低溫合金結(jié)構(gòu)鋼大多應(yīng)用于板材，而這些鋼種的成分設(shè)計應(yīng)用棒材上則不能滿足于強(qiáng)韌性的需求；現(xiàn)有低溫合金結(jié)構(gòu)鋼的使用溫區(qū)一般在_60°C左右，難以滿足_101°C的工況環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其按重量計的化學(xué)元素成份是碳0. 30-0. 42 %，硅0. 10-0. 35 %，猛0. 60-1. 10 %，鉻0. 70-1. 20 %, 鎳0. 20-0. 50 %，鉬0· 15-0. 25 %，銅彡 0. 25 %，硫彡 0. 015 %，磷彡 0. 010 %，鈮 0. 02-0. 05%，鈦0. 01-0. 05%，鋁0· 030-0. 060%，氮60_180ppm，猛 / 碳1· 8-3. 6，余為
Fe及不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼為珠光體+鐵素體組織的900Mpa級別。本發(fā)明的另一個目的在于提供上述耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼的制造方法。該方法包括在電弧爐中進(jìn)行鋼液初煉；鋼包精煉；模鑄澆注；生產(chǎn)出化學(xué)成分符合規(guī)定的一定尺寸的鋼錠。初煉爐(電弧爐)熔化廢鋼，鋼水達(dá)到[P]彡0. 035 %, [C] ^ 0. 05 %, T 彡 1620 0C ；出鋼后期加入適量的石灰或合成渣；鋼包精煉爐調(diào)整化學(xué)成分，鋼包精煉爐初脫氧加Al到0. 05-0. 10%，攪拌彡5分鐘；真空爐處理在< 66. 7Pa壓力下保持彡15分鐘；澆注鋼錠，模冷16-24小時后脫模進(jìn)入下道工序。本發(fā)明的耐低溫沖擊鋼在-lOrC低溫工作環(huán)境下具有良好的耐沖擊性能(沖擊功彡27J)，以滿足高寒地區(qū)或石化行業(yè)的低溫鋼的技術(shù)要求。


圖1是鋼棒試樣(5#實(shí)施例)在860°C保溫30分鐘后水冷，經(jīng)腐蝕后的晶粒度圖片，級別為10級左右。圖2是鋼棒試樣(5#實(shí)施例)在箱式熱處理爐中熱處理(淬火860°C X 30分鐘油冷，回火溫度600°C X 120分鐘，空冷)后加工成的IOmmX IOmm的沖擊試樣，開2mm深V型槽，于零下iorc保溫10分鐘，打斷后采用掃描電鏡觀察斷面為韌窩狀斷口。
具體實(shí)施例方式以下對本發(fā)明進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。本發(fā)明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的提供一種耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼的目的，不受限于任何理論， 本發(fā)明鋼的主要化學(xué)元素的選擇和控制理由如下碳一般認(rèn)為，碳元素使低溫韌性惡化。然而，碳元素是提高鋼強(qiáng)度的主要元素，保證一定的強(qiáng)度級別必須一定的碳含量。控制0. 30-0. 42%的碳含量可以達(dá)到900Mpa的強(qiáng)度級別，同時使鋼具有良好的低溫韌性。優(yōu)選地，碳含量為0. 30-0. 41%。硅硅元素對低溫性能也有不利影響，但硅能提高強(qiáng)度，在冶煉過程還是很好的還原劑和脫氧劑。本發(fā)明鋼中硅控制在0.10-0. 35%能與其他元素配合滿足強(qiáng)韌性要求。優(yōu)選地，硅含量為0. 16-0. 35%。錳猛是提高低溫沖擊性能元素，適量的可形成碳化物，起到彌散強(qiáng)化的作用。發(fā)明鋼中添加錳含量為0. 60-1. 10%，并控制Mn/C為1.8-3.6。優(yōu)選地，錳含量為0. 7-1. 0%o鎳每增加的鎳含量，脆性臨界轉(zhuǎn)變溫度約可降低20°C左右。但每增加的鎳會造成成本的大幅增加。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，在發(fā)明鋼中控制鎳0. 20-0. 50%是較為理想的添加量。優(yōu)選地，鎳含量為0.21-0. 49%。鉻鉻能顯著提高強(qiáng)度和韌性，鉻是良好的抗氧化和腐蝕的元素，本發(fā)明鋼中考慮和其他元素的復(fù)合作用，鉻控制0. 70-1. 20%。優(yōu)選地，鉻含量為0. 75-1. 15%。鉬鉬能細(xì)化晶粒，提高淬透性，能保證鋼材具有一定的強(qiáng)度級別，此外還可以降低回火脆性，避免鋼材在低溫使用過程中出現(xiàn)脆性斷裂。本發(fā)明鋼中，控制Mo 0. 15-0. 25%。優(yōu)選地，鉬含量為 0. 16-0. 24% 磷、硫、銅鋼中的雜質(zhì)元素，會顯著降低鋼的塑性和韌性。特別是磷危害最大，銅 ^ 0. 25% (優(yōu)選為 0.08-0. 20% )，硫彡 0.015%，磷彡 0. 010% (優(yōu)選為彡 0. 009% )。鈮、鈦鈮、鈦是重要的微合金化元素，能起到固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的作用，添加 0. 02-0. 05% (優(yōu)選為 0. 019-0. 049% )的鈮和 0. 01-0. 05% (優(yōu)選為 0. 011-0. 049% )的鈦能同時提高強(qiáng)度和韌性。鋁和氮鋁是鋼中重要的脫氧劑和合金元素，鋁可以細(xì)化晶粒。研究表明氮元素能與鉻元素形成氮化鉻，氮化鉻是一種微小的粒子，能部分替代鎳元素，改善低溫性能。此外，氮還能與鈦結(jié)合形成氮化鈦，起彌散強(qiáng)化作用。本發(fā)明中控制鋁含量為0. 030-0. 060% (優(yōu)選為 0. 029-0. 059% ),氮含量為 60-180ppm(優(yōu)選為 70_170ppm)。同時鉛、銻、鉍是鋼中的雜質(zhì)元素，在技術(shù)條件允許情況下應(yīng)盡可能降低其含量。上述耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼制備方法，采用二步法工藝流程第一步電弧爐初煉一鋼包爐真空精煉一澆注鋼錠；第二步軋鋼機(jī)熱加工軋制成材。第一步，電弧爐冶煉-鋼包精煉-模鑄澆注在20-250噸的電弧爐中進(jìn)行鋼液初煉；相應(yīng)噸位的鋼包精煉；模鑄澆注；生產(chǎn)出化學(xué)成分符合規(guī)定的一定尺寸的鋼錠。初煉爐(電弧爐)采用一定的電壓和電流熔化廢鋼，鋼水達(dá)到[P] ( 0. 035%, [C] ^0. 05%, T彡1620°C。出鋼后期加入適量的石灰或合成渣。鋼包精煉爐調(diào)整化學(xué)成分進(jìn)內(nèi)控，鋼包精煉爐初脫氧加Al到0. 05-0. 10%，攪拌彡5分鐘。真空爐處理在66. 7Pa 壓力下保持彡15分鐘。退泵后，加碳化稻殼保溫劑，鋼包底部吹入氮?dú)?氮?dú)饬髁?0-50Nm3/h、壓力 0. 15-0. 35Mpa、時間10-45min)，鋼液成分符合目標(biāo)后吊包澆注。澆注2. 3-25噸鋼錠，模冷16-24小時后脫模進(jìn)入下道工序。第二步棒材軋制采用軋鋼機(jī)(初軋機(jī))熱加工軋制方法，先將合格鋼錠軋制開坯成方鋼坯，再將方鋼坯熱加工軋制至成品棒材，工藝要點(diǎn)初軋機(jī)熱加工軋制開坯，將鋼錠軋制成方鋼坯加熱爐加熱工藝鋼錠入爐溫度700-900°C保溫20_40分鐘；經(jīng)過120-200分鐘升溫至1220-U90°C ；保溫60-180分鐘；該均熱溫度較常規(guī)工藝高30_40°C，以保證微合金的充分溶解與析出。初軋機(jī)軋制工藝按常規(guī)軋制工藝，初軋機(jī)將合格鋼錠軋制開坯成方鋼坯；進(jìn)行鋼錠頭部管理，成坯率不大于86 %。鋼坯進(jìn)緩冷坑冷卻M-48小時(根據(jù)坯料的規(guī)格)，冷坯料進(jìn)行砂剝精整。常規(guī)合金結(jié)構(gòu)鋼軋后一般采用退火工藝，本發(fā)明規(guī)定鋼坯整樁堆冷后進(jìn)緩冷坑緩冷，主要目的是防止開裂和降低鋼中氫的含量。軋鋼機(jī)熱加工將鋼坯軋制至棒材軋鋼機(jī)加熱爐加熱工藝加熱溫度1050_1220°C，加熱時間80-120分鐘，方坯料陰陽面溫差彡40°C鋼坯出爐。常規(guī)工藝軋制，終軋溫度800-900 V。得到的本發(fā)明鋼合金元素< 3%，低成本，制造工藝簡約。本發(fā)明鋼經(jīng)軋制成棒材或線材后，可制成冷凍設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、乙烯地上貯藏室和石油化工設(shè)備，可在-100°C以內(nèi)的溫區(qū)內(nèi)使用。零件在熱處理條件下，抗拉強(qiáng)度Rm彡900MPa，沖擊功Akv彡27J (零下 lOrC )，具有良好的塑韌性配比。本發(fā)明鋼經(jīng)軋制成棒材或線材后，原始晶粒度8-11級。 本發(fā)明鋼純凈度高夾雜物級別低(根據(jù)GB/T 10561檢測可滿足:A < 2，B < 2，C < 1， D^l)；氣體含量(氧彡IOppm,氫彡1. Oppm)。實(shí)施例實(shí)施本發(fā)明，其制備方法在于采用二步法工藝流程第一步電弧爐初煉一鋼包爐真空精煉一澆注鋼錠；第二步軋鋼機(jī)熱加工軋制成材。第一步，在40噸的電弧爐中進(jìn)行鋼液初煉；相應(yīng)噸位的鋼包精煉；模鑄下注法澆注；生產(chǎn)出化學(xué)成分符合規(guī)定的3. 7噸鋼錠(鋼錠尺寸460X564X 1790)。第二步鋼錠進(jìn)加熱爐入爐溫度880°C保溫35分鐘；經(jīng)過160分鐘升溫至 1260-1280 0C ；保溫160分鐘；初軋機(jī)按常規(guī)軋制工藝，初軋機(jī)將合格鋼錠軋制開坯成 140mmX 140mm方鋼坯；控制成坯率84% ；鋼坯進(jìn)緩冷坑冷卻觀小時，冷坯料進(jìn)行砂剝精整； 140mmX 140mm方鋼坯進(jìn)軋鋼機(jī)加熱爐加熱溫度1140°C，加熱時間130分鐘，方坯料陰陽面溫差彡40°C鋼坯出爐；終軋溫度850°C。試驗例1 力學(xué)性能按照GB/T2^ (金屬材料室溫拉伸試驗方法)方法測定本發(fā)明鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率和按照GB/T229(金屬夏比缺口沖擊試驗方法)零下101°C下的沖擊功，其結(jié)果見表2。表1實(shí)施例鋼棒的化學(xué)成分，wt%
權(quán)利要求
1.一種耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其按重量計的化學(xué)元素成分是碳0. 30-0. 42%, 硅0. 10-0. 35 %，猛0. 60-1. 10 %，鉻0. 70-1. 20 %，鎳0. 20-0. 50 %，鉬0. 15-0. 25 %， 銅彡 0. 25 %，硫彡 0. 015 %，磷彡 0. 010 %，鈮0· 02-0. 05 %，鈦0. 01-0. 05 %，鋁 0. 030-0. 060%,M :60-180ppm，錳/碳1. 8-3. 6，余為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素。
2.如權(quán)利要求1所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，所述鋼為珠光體+鐵素體組織。
3.如權(quán)利要求1或2所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，所述鋼為900MPa 級別。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，碳 0. 30-0. 41%。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，硅 0. 16-0. 35%o
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，錳0.7-1. 0%o
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，鉻 0. 75-1. 15%。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，鎳 0. 21-0. 49%。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，銅 0. 08-0. 20%。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，鉬 0. 16-0. 24%o
11.如權(quán)利要求1-10任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，鈮 0. 019-0. 049%。
12.如權(quán)利要求1-11任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，鈦 0. 011-0. 049% O
13.如權(quán)利要求1-12任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，磷彡 0. 009%。
14.如權(quán)利要求1-13任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，氮 80-170ppm。
15.如權(quán)利要求1-14任一所述的耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼的制造方法，包括電弧爐中熔化廢鋼，鋼水達(dá)到[P] ( 0. 035%, [C] ^ 0. 05%, T ^ 16200C ；出鋼后期加入適量的石灰或合成渣；鋼包精煉爐調(diào)整化學(xué)成分，鋼包精煉爐初脫氧加 Al到0. 05-0. 10%，攪拌彡5分鐘；真空爐處理在彡66. 7Pa壓力下保持彡15分鐘；澆注鋼錠，模冷16-24小時后脫模進(jìn)入下道工序。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括鋼錠在700-900°C保溫20-40分鐘；經(jīng)過120-200分鐘升溫至1220-1290°C ；保溫 60-180 分鐘；初軋機(jī)軋制，成坯率不大于86% ；鋼坯進(jìn)緩冷坑冷卻M-48小時； 將鋼坯軋制至棒材。
17.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，將鋼坯軋制至棒材中，加熱溫度1050-1220°C，加熱時間80-120分鐘，方坯料陰陽面溫差彡40°C鋼坯出爐；終軋溫度 800-900 "C。
18.如權(quán)利要求15-17任一所述的方法，其特征在于，真空處理后，還包括退泵后，加碳化稻殼保溫劑，鋼包底部吹入氮?dú)猓撘撼煞址夏繕?biāo)后吊包澆注。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，氮?dú)饬髁繛?0-50Nm3/h、壓力 0. 15-0. !35MPa 和時間 10_45min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐低溫沖擊的合金結(jié)構(gòu)鋼，其按重量計的化學(xué)元素成分是碳0.30-0.42％，硅0.10-0.35％，錳0.60-1.10％，鉻0.70-1.20％，鎳0.20-0.50％，鉬0.15-0.25％，銅≤0.25％，硫≤0.015％，磷≤0.010％，鈮0.02-0.05％，鈦0.01-0.05％，鋁0.030-0.060％，氮60-180ppm，錳/碳1.8-3.6，余為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素。其制造方法，包括電弧爐中熔化廢鋼，鋼水達(dá)到[P]≤0.035％，[C]≥0.05％，T≥1620℃；出鋼后期加入適量的石灰或合成渣；鋼包精煉爐調(diào)整化學(xué)成分，鋼包精煉爐初脫氧加Al到0.05-0.10％，攪拌≥5分鐘；真空爐處理在≤66.7Pa壓力下保持≥15分鐘；澆注鋼錠，模冷16-24小時后脫模進(jìn)入下道工序。得到組織為珠光體+鐵素體組織的900MPa級別的鋼，其耐-101℃的低溫性能優(yōu)良。
文檔編號C21C7/06GK102424936SQ20111038554
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者劉湘江, 惠衛(wèi)軍, 李錚, 裘旭迪 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 鋼鐵研究總院