[發明專利]一種高強度高韌性螺栓用合金鋼及其制備方法

無效

• 申請號: 201110049698.2
• 申請日: 2011-03-02
• 公開（公告）號: CN102094153A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 李培耀;于治水;李霞;錢俊;潘再兵;徐金星;施永濤;紀楗煜
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學;上海凱士比泵有限公司
• 主分類號: C22C38/44
• 分類號: C22C38/44;C22B9/18;C21D1/18
• 代理公司: 上海兆豐知識產權代理事務所(有限合伙) 31241
• 代理人: 李征旦

技術領域

本發明涉及一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，尤其涉及一種用于高壓鍋爐給水泵上的高強度高韌性螺栓的合金鋼。

背景技術

上海凱士比泵有限公司引進生產的德國KSB公司的CHT和HG系列高壓鍋爐給水泵是超臨界發電機組的關鍵設備(其工作壓力分別為420bar和280bar，工作溫度達230℃)，而CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓則是水泵密封與承壓的關鍵零件，其質量、性能和可靠性對機組的安全可靠運行起著至關重要的作用。CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓材料原設計為德國1.6772牌號鋼材，其力學性能要求列于表1(見下)。

表1德國1.6772牌號鋼材力學性能指標

此材料一直完全依賴德國進口，不僅成本高(一根HG穿杠螺栓成本為1萬元)，而且供貨進度時常不能保證，并且已有資料顯示有跡象表明德國供應商隨時可能停止該材料的供應。這不僅僅嚴重影響水泵生產和交貨進度，而且可能影響到我國的能源安全。

因此，迫切需要研究開發一種等同或等效替代德國1.6772牌號鋼材的國產化材料，打破國外的技術封鎖、技術壟斷，以使我國該型裝備生產跨上一大臺階，并顯著降低成本，為我國的能源安全提供保障條件。

發明內容

本發明的目的，就是針對上述問題而提供一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，該合金鋼中合金元素含量要求較低，特別是比較稀缺的重要的戰略物質Ni、Mo的含量亦都較低，但是該合金鋼完全能夠滿足CHTC主雙頭螺栓和HG穿杠螺栓力學性能要求。

本發明的另一個目的在于提供一種上述高強度高韌性螺栓用合金鋼的制備方法。

本發明為達目的所用的技術方案是：

本發明之一的一種高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質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≤0.03；S≤0.025；1.10～1.45Cr；3.30～3.90Ni；0.20～0.45Mo；Cu≤0.05；Al≤0.03，其余為Fe及雜質元素。

上述的高強度高韌性螺栓用合金鋼，按照質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≤0.025；S≤0.015；1.25～1.40Cr；3.50～3.85Ni；0.30～0.40Mo；Cu≤0.03；Al≤0.02，其余為Fe及雜質元素。

本發明之二的一種上述高強度高韌性螺栓用合金鋼的制備方法，包括以下步驟：

1)真空感應爐冶煉：按化學成分要求配料，爐料全部熔清后，在1540～1560℃精煉40min，保溫20min后取樣，分析成分后，調整成分，熔化5～10min，澆鑄電極棒，出鋼溫度為1560～1580℃；

2)電渣重熔：將步驟1中的電極棒重熔，澆鑄鋼錠；

3)鍛造：對步驟2中的鋼錠進行鍛造，開鍛溫度≥1050℃，終鍛溫度≥850℃，鍛造變形量≥30％，鍛造后緩慢冷卻到室溫再退火，退火溫度680℃，保溫時間2～3h；

4)熱處理：對步驟3中鍛造后的材料進行熱處理，淬火溫度800～890℃，回火溫度420～550℃，回火時間40～190min。

本發明高強度高韌性螺栓用合金鋼的化學成分設計依據及限定含量范圍的理由如下：

C是強烈提高材料淬透性的元素，同時提高材料的強度和硬度。但是，隨C含量的增加會大大降低材料韌塑性，使材料易發生脆性斷裂。當C含量較低時，可形成韌塑性較好的材料，但是其淬透性和強度不夠。材料強度上的不足可以通過合金元素的固溶強化和析出強化等來彌補，對于韌性的不足卻不容易提高。綜合考慮，材料的含C量應控制在低碳水平，增加低碳韌性材料的強度是本發明的主要技術路線。

Si與氧的親和力僅次于Al和Ti，而強于Mn、Cr和V。Si在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態存在于α(鐵素體)或γ(奧氏體)中。Si提高鋼中固溶體強度的作用極強，但同時也在一定程度上降低鋼的韌塑性。Si是封閉γ相區的元素之一，提高鋼的臨界轉變溫度A₁和A₃。Si對鋼的淬透性影響中等，但對提高鋼的回火穩定性和抗氧化性有很大的好處。Si含量較高的鋼，退火時表面也容易脫碳。