一種高強韌性低合金耐熱鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，主要涉及一種高強韌性低合金耐熱鋼及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空發(fā)動機中的低壓軸以及緊固件是整個發(fā)動機中的關(guān)鍵部件，其工作溫度一般 在400°C以下，主要傳遞扭矩以及保證低壓轉(zhuǎn)子同心的作用。因此，要求材料在中低溫下具 有高的強度（室溫抗拉強度Rm彡1120MPa，380°C抗拉強度Rm彡950MPa)、高的韌性（室溫 沖擊韌性KV2 > 60J)等綜合性能，以滿足低壓軸及緊固件的長壽命和高可靠性要求。
[0003] 目前應(yīng)用較廣泛的CrMoV系耐熱鋼，含碳量一般在0. 30%以下，雖然在5001：以上 高溫的蠕變斷裂強度很好，但未必能滿足在中低溫使用的抗拉強度和韌性要求，在服役過 程中有可能發(fā)生延性破壞和脆性破壞。為了改善中低溫區(qū)的強韌性，本發(fā)明提出了一種新 型高強韌性低合金耐熱鋼。通過成分設(shè)計，雙真空熔煉工藝及鍛造加工工藝技術(shù)研究，研制 出滿足在400°C以下使用的航空發(fā)動機用高強度高韌性低合金耐熱鋼。
[0004] 中國專利CN1286317公開了一種具有優(yōu)異焊接性能的高強度低合金耐熱鋼，該鋼 含有較高的Cr、W元素，又添加了 V、Nb、Ti、B等元素來改善合金的強韌性及降低熱開裂傾 向。
[0005] 中國專利CN1209464公開了一種在較低溫區(qū)抗拉強度和韌性以及在高溫區(qū)的蠕 變斷裂強度俱佳的高韌性耐熱鋼。該鋼含有8-14% Cr，有較高的抗氧化性和耐蝕性。又添 加較多的Mo、W等進一步強化，為了改善韌性還添加了 1. 5-5. 0% Ni，為達到強韌性的最佳 配合，又添加了 V、Nb等元素，該鋼的最高抗拉強度達llOOMPa。
[0006] 日本專利特開平3-87332公開了一種高強度低合金耐熱鋼。該鋼焊接熱影響區(qū)域 的軟化程度小，抗沖擊性能良好，可以在最高約600°C的溫度下使用，在600°C，10000h的最 高蠕變強度可達127MPa。
[0007] 日本專利特開平4-268040公開了一種具有優(yōu)異蠕變強度和韌性的低合金耐熱 鋼。該鋼含有相對較高的Cr、W元素，不含Mo元素，如有必要，還添加 La、Ce、Y、Ca、Zr、Ta、 Mg等元素，其室溫抗拉強度最高僅為710MPa。
[0008] 日本專利特開平5-345949公開了一種具有優(yōu)異韌性和蠕變強度的低Cr鐵素體耐 熱鋼，該鋼含有較多的Cr、Mo、W等元素，具有高的蠕變強度，為了改善焊接韌性，加入Ti等， 為了改善抗氧化性和耐腐蝕性，加入了 Cu，為了進一步提高強度，又加入了 V、Nb等元素。
[0009] 上述專利與本發(fā)明鋼的最大區(qū)別是其碳含量均在0.30%以下，因此，為了獲得一 定的強度，只有增加鋼中Cr、Mo、W等元素的含量。本發(fā)明通過適當提高鋼中的碳含量，減少 鋼中Cr、Mo、W等元素的含量，并添加適量的Ni、V、Nb等元素，來達到強韌性的最佳配合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是設(shè)計一種高強度低合金耐熱鋼及其制造方法。通過采用雙真空熔 煉、大鍛造比成形技術(shù)，使鋼獲得高純度和優(yōu)良的強韌性配合。該鋼的研制成功，可滿足在 400°C以下使用的航空發(fā)動機用高強度高韌性耐熱鋼的要求。
[0011] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0012] -種高強韌性低合金耐熱鋼，其包括按重量百分數(shù)計的如下組分：
[0013] C :0· 40 ~0· 50% ;
[0014] Si :0· 15 ~0· 35% ;
[0015] Μη :0· 40 ~0· 70% ;
[0016] Cr :0· 80 ~1. 10% ;
[0017] Ni :0· 80 ~1. 00% ;
[0018] Mo :0· 45 ~0· 65% ;
[0019] W :0· 80 ~1. 00% ;
[0020] V :0· 25 ~0· 35% ;
[0021] Nb :0· 015 ~0· 08% ;
[0022] N 0. 002% ；
[0023] 0 0. 0015% ；
[0024] 余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素的總量低于0. 05wt%。
[0025] 本發(fā)明鋼選擇化學成分范圍的原因如下：
[0026] C :碳對鋼的室溫和中低溫機械性能、熱強性以及松弛穩(wěn)定性等都有良好影響。在 400°C以下，鋼的蠕變極限隨碳含量增加而提高。故優(yōu)選C含量在0. 40-0. 50%。
[0027] Si :Si作為脫氧劑而加入于鋼中，并對提高抗氧化性有良好的效果。若鋼中Si含 量小于0. 10%，其效果不明顯；若Si含量增加至0. 40%以上，其中的一部分會形成氧化物 殘留在鋼中，使韌性降低。優(yōu)選Si含量為0. 15~0.35%。
[0028] Μη:錳能溶入固溶體起強化作用，提高基體的室溫強度和硬度，此外，在一定溫度 范圍內(nèi)還可以增加鋼的熱強性。錳能強烈使晶格畸變和增加晶格原子鍵引力，在450°C以下 時錳能提高鋼的熱強性。優(yōu)選Μη含量0. 40~0. 70 %。
[0029] Cr :在低合金耐熱鋼中加入鉻主要目的是用來提高鋼的抗氧化性能和耐腐蝕能 力，另外鉻在一定含量范圍內(nèi)還能提高鋼的持久強度和蠕變極限，并對鋼的熱脆性、淬透性 和工藝性能均有一定的影響。在0. 5% Mo左右的鋼中加入0. 5~1. 5% Cr后，不僅改善抗 氧化能力，而且顯著提高鋼的熱強性，同時可防止鋼的石墨化傾向。當Cr量繼續(xù)增加，鋼的 熱強性反而降低。優(yōu)選Cr含量在0.8~1.10%。
[0030] Ni :Ni的加入可提高鋼的淬透性和韌性，還可抑制δ鐵素體的析出，保證組織穩(wěn) 定性。但Ni的過量添加將導致熱強性降低。優(yōu)選Ni含量在0. 80~1. 00%。
[0031] Mo :Mo可提高鋼的熱強性，并能顯著降低鋼的熱脆傾向。Mo提高熱強性的主要原 因是顯著強化固溶體，鋼中加入Mo后能增加固溶體晶格畸變和晶格原子鍵引力，并且能提 高再結(jié)晶溫度，使基體得到強化。另外，隨Mo含量增加，等溫轉(zhuǎn)變C曲線右移，而鼻子處開始 轉(zhuǎn)變溫度上移，從而抑制了珠光體轉(zhuǎn)變，促進了貝氏體轉(zhuǎn)變，這也有利于熱強性的提高。當 Mo含量在0. 40%以下時，效果不明顯，而過量添加使得長期使用后韌性降低。在鋼中加入 強烈碳化物形成元素 V、Nb、Ti時，則Mo強化因溶體的作用更加顯著。這是因為強烈碳化物 形成元素與碳結(jié)合成穩(wěn)定的碳化物，促使Mo能更有效地溶入固溶體中，從而更有利于鋼的 熱強性提高。優(yōu)選Mo含量為0.45~0.65%。
[0032] W :W與Mo -樣，也是通過強化固溶體和促進貝氏體轉(zhuǎn)變來增加鋼的熱強性和蠕變 抗力，但W與Mo的復(fù)合加入對提高鋼熱強性和蠕變抗力的作用比單獨加入等量的W或Mo 的作用更顯著。為了達到上述效果，W的最低含量應(yīng)在0.80%以上，然而其含量超過1.00% 以上時，會使鋼的韌性降低。優(yōu)選W含量為0. 80~1. 00%。
[0033] V :V是強烈形成碳化物的元素，并在基體上呈均勻細小彌散分布。鋼中加入釩可 細化晶粒，顯著地提高鋼的屈服極限。另外，V將C固定后，促使Cr、Mo、W溶入固溶體，使這 些元素有效地強化固溶體，有利于鋼的熱強性和松弛穩(wěn)定性的提高。V含量少于0. 20%，這 種效果不明顯，含量超過0.40%時，容易生成δ鐵素體。優(yōu)選V含量為0.25~0.35%。
[0034] Nb :Nb是強碳化物形成元素，鈮的碳化物在高溫極為穩(wěn)定，并呈細小顆粒均勻分 布在基體起沉淀強化作用。鋼中固溶Nb顯著增加晶格原子健引力和晶格畸變，提高再結(jié)晶 溫度，強化固溶體。Nb與C結(jié)合后促使W、Mo元素進入固溶體起間接強化作用。因此，在鋼 中加入少量Nb，對蠕變極限和持久強度均產(chǎn)生良好影響，特別是V與Nb復(fù)合加入時其效果 更明顯。但若Nb量小于0.01 %時，其效果不明顯；而若超過0. 1 %時，Nb以粗大顆粒析出， 導致韌性降低。優(yōu)選Nb含量為0. 015~0. 08%。
[0035] N、0:在鋼中N、0含量越低，夾雜物越少，塑韌性越好。因此，本發(fā)明控制鋼中N、0 的含量在一個較低范圍，使0.002%、0彡0.0015%。
[0036] -種如本發(fā)明所述的高強韌性低合金耐熱鋼的制備方法，其包括如下步驟：
[0037] 真空感應(yīng)爐熔煉后澆注電極、真空自耗爐重熔、鍛造成材和熱處理。
[0038] 作為優(yōu)選方案，所述真空感應(yīng)爐熔煉步驟包括如下操作：
[0039] 先將碳裝入i甘禍中，再將純鐵、金屬Ni、金屬Mo、金屬W、金屬Cr、金屬V、金屬Nb、 結(jié)晶Si裝入坩堝，以額定功率30~40%的功率給電對坩堝進行預(yù)熱使原料開始熔化，并將 坩堝的真空度抽至< 2. 7Pa后，將功率提升至額定功率的40~65%使原料繼續(xù)熔化，待原 料全部熔化成鋼液后，將功率提升至額定功率的90%以上，保持8~12min，提高所述鋼液 的溫度至1570~1590°C后，降低功率至額定功率的30~40%進行保溫精煉不低于60min， 保溫精煉結(jié)束后，向坩堝中充入惰性氣體至6000Pa的壓力后，加入金屬Mn，提高功率至額 定功率的90%以上將金屬Μη熔化后，進行取樣分析，成分合格后出鋼并澆注成電極。
[0040] 作為優(yōu)選方案，所述真空自耗爐重熔步驟包括如下操作：
[0041] 將電極帶有縮孔的一端朝下進行重熔，控制熔速為2. 5~3. Okg/min，保持極限真 空度0.1 Pa以下，得到鋼錠。
[0042] 作為優(yōu)選方案，所述鍛造成材步驟包括如下操作：
[0043] 將鋼錠加熱至1170~1190°C，保溫3~6h后，將鋼錠鐓粗至原長度的50~55%， 然后回爐加熱至1130~1150°C，保溫60~80min后進行拔長，控制拔長的開鍛溫度溫度 彡11KT