專(zhuān)利名稱：：：一種耐熱結(jié)構(gòu)鋼、其制造方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：：本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，具體涉及黑色金屬材料制造加工技術(shù)，更具體地涉及耐熱結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
：：在高溫條件下，具有抗氧化性和足夠的高溫強(qiáng)度以及良好的耐熱性能的鋼稱作耐熱鋼。耐熱鋼包括抗氧化鋼(或稱高溫不起皮鋼)和熱強(qiáng)鋼兩類(lèi)?？寡趸撘话阋筝^好的化學(xué)穩(wěn)定性，但承受的載荷較低。熱強(qiáng)鋼則要求較高的高溫強(qiáng)度和相應(yīng)的抗氧化性。耐熱鋼是一種合金鋼，常用于制造鍋爐、汽輪機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、工業(yè)爐和航空、石油化工等工業(yè)部門(mén)中在高溫下長(zhǎng)期工作的零部件。這些部件除要求高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕外，根據(jù)用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的組織穩(wěn)定性。耐熱鋼按其組織可分為四類(lèi)(1)珠光體鋼合金元素以鉻、鉬為主，總量一般不超過(guò)5%。其組織除珠光體、鐵素體外，還有貝氏體。這類(lèi)鋼在50060(TC有較好的高溫強(qiáng)度及工藝性能，價(jià)格較低，廣泛用于制作60(TC以下的耐熱部件，如鍋爐鋼管、汽輪機(jī)葉輪、轉(zhuǎn)子、緊固件及高壓容器、管道等。典型鋼種有16Mo，15CrMo，12CrlMoV，12Cr2MoWVTiB，10Cr2Mo1，25Cr2MolV，20Cr3MoWV等。(2)馬氏體鋼含鉻量一般為713。/。,在65(TC以下有較高的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐水汽腐蝕的能力，但焊接性較差。含鉻12%左右的1Crl3、2Crl3，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的鋼號(hào)如1CrllMoV、1Crl2WMoV、2Crl2WMoNbVB等，通常用來(lái)制作汽輪機(jī)葉片、輪盤(pán)、軸、緊固件等。此外，作為制造內(nèi)燃機(jī)排氣閥用的4Cr9Si2、4CrlOSi2Mo等也屬于馬氏體耐熱鋼。(3)鐵素體鋼含有較多的鉻、鋁、硅等元素，形成單相鐵素體組織，有良好的抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕的能力，但高溫強(qiáng)度較低，室溫脆性較大，焊接性較差，如1Crl3SiAl、1Cr25Si2等。一般用于制作承受載荷較低而要求有高溫抗氧化性的部件。(4)奧氏體鋼含有較多的鎳、錳、氮等奧氏體形成元素，在600'C以上時(shí)，有較好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，焊接性能良好。通常用作在60(TC以上工作的熱強(qiáng)材料。典型鋼種有1Crl8Ni9Ti、1Cr23Nil3、1Cr25Ni20Si2、2Cr20Mn9Ni2Si2N、4Crl4Nil4W2Mo等。國(guó)內(nèi)外關(guān)于中碳耐熱結(jié)構(gòu)鋼的報(bào)道較少(專(zhuān)利檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)www.cnipr.com。檢索式(STRUCTURE()STEELANDHEAT()RESIST)/AB,TI。檢索日期2007年7月18日)。檢索情況簡(jiǎn)介共檢索出信息136條，發(fā)明106件、實(shí)用新型O件；從發(fā)明名稱來(lái)看，可能相關(guān)的信息有6件。檢索結(jié)果見(jiàn)表l。4表l耐熱結(jié)構(gòu)鋼專(zhuān)利文獻(xiàn)比較<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N02103951.8、EP1277848、CN00124164.8、CN01109492.3的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)均涉及耐熱合金結(jié)構(gòu)鋼，它們采用V、Nb、Ti、B中的一種或幾種元素進(jìn)行微合金化，碳含量均在0.010.35%之間，從化學(xué)成分來(lái)看很難達(dá)到較高強(qiáng)度要求。專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N88100065、CN90102644.1的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)均涉及耐熱不銹鋼，與本發(fā)明關(guān)系不大。綜上所述，現(xiàn)有耐熱結(jié)構(gòu)鋼各有特點(diǎn)，但尚存在不足之處(1)馬氏體型耐熱鋼含鉻量一般為713%，在650"以下有較高的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐水汽腐蝕的能力，但焊接性較差，價(jià)格昂貴；(2)鐵素體型耐熱鋼有良好的抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕的能力，但高溫強(qiáng)度較低且價(jià)格昂貴；(3)奧氏體型耐熱鋼在600。C以上時(shí)，有較好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，但價(jià)格昂貴；(4)現(xiàn)有珠光體型耐熱鋼碳含量普遍較低(一般含碳量0.10.30%之間)，很難達(dá)到較高的強(qiáng)度要求，含Mo量較低，耐高溫性能不理想。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕能力、高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性較好的耐熱結(jié)構(gòu)鋼鋼。本發(fā)明的目的還在于提供這種耐熱結(jié)構(gòu)鋼鋼的制造方法。本發(fā)明的目的還在于提供這種耐熱結(jié)構(gòu)鋼鋼在制造長(zhǎng)期高溫下工作的零部件上的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的耐熱結(jié)構(gòu)鋼由以下化學(xué)元素(重量％)組成碳0.300.45%，硅《0.25%，錳0.400.72%，鉬0.500.70%，鉻0.701.70%，釩0.200.40%，Al:0.0050.050%,鈮0.020.20%，Cu:《0.50%，鎳《0.20%，鈦《0.20%，硫《0.015%,磷《0.020%，氮，50150ppm，余量為鐵。本發(fā)明的耐熱結(jié)構(gòu)鋼具有珠光體組織。本發(fā)明的耐熱結(jié)構(gòu)鋼鋼，通過(guò)在鋼中加入釩、鈮等微量合金元素及相應(yīng)的成分設(shè)計(jì)，并通過(guò)控軋控冷組織控制技術(shù)獲得珠光體組織的耐熱結(jié)構(gòu)鋼。成分設(shè)計(jì)原理碳是提高鋼強(qiáng)度的主要元素，保證一定的強(qiáng)度必須一定的碳含量。碳還可擴(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體，從而提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度。控制0.300.45%的碳含量可以保證獲得足夠的強(qiáng)度，同時(shí)使鋼具有良好的耐熱性。鉻、鋁、硅這些鐵素體形成的元素，在高溫下能促使金屬表面生成致密的氧化膜，防止繼續(xù)氧化，是提高鋼的抗氧化性和抗高溫氣體腐蝕的主要元素。但鋁和硅含量過(guò)高會(huì)使室溫塑性和熱塑性嚴(yán)重惡化。鉻能顯著提高低合金鋼的再結(jié)晶溫度，本發(fā)明鋼鉻含量為0.701.70%時(shí)，強(qiáng)化效果較好。同時(shí)，控制A1:0.0050.050%以及硅《0.25%可獲得優(yōu)良的耐熱性和強(qiáng)韌性。鎳、錳可以形成和穩(wěn)定奧氏體。鎳能提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度和改善抗?jié)B碳性。錳雖然可以代鎳形成奧氏體，但損害了耐熱鋼的抗氧化性?？紤]到鎳元素的高價(jià)格，本發(fā)明鋼控制《0.20%的鎳和0.400.72%的錳。鈮在鋼中能形成細(xì)小的NbCN顆粒，鋼坯再加熱時(shí)未溶NbCN顆?？梢宰柚箠W氏體晶粒的長(zhǎng)大；Nb能顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度，使鋼在較高、較大的熱變形溫度范圍進(jìn)行未再結(jié)晶控軋，促進(jìn)晶粒的細(xì)化，提高鋼的強(qiáng)韌性。0.020.20%的鈮能較好地起到上述的作用。鉬相對(duì)于其它合金元素，鉬原子很大。它是非常有效的強(qiáng)化劑，可提高鋼的蠕變強(qiáng)度到能夠在60(TC左右使用的程度。鉬原子體積之大有效地阻止了砷原子向晶界的遷移，從而防止了回火脆性。鉬還能降低鋼中氫的活度，大大降低鋼的吸氫傾向；并可強(qiáng)烈地阻礙碳化物的形核和長(zhǎng)大，減少鋼中的儲(chǔ)氫陷阱；同時(shí)也可阻止氫擴(kuò)散并使氫致開(kāi)裂的程度減低到極小。本發(fā)明鋼加入0.500.70%的鉬是最經(jīng)濟(jì)有效的含量。鈦?zhàn)饔门c鈮相似，但它是更強(qiáng)的碳氮化物形成元素，細(xì)小的TiCN顆粒有效阻止鋼坯再加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用更顯著。《0.20%的鈦與釩、鈮配合能起到相應(yīng)的作用。釩能產(chǎn)生強(qiáng)烈的彌散析出強(qiáng)化作用，提高鋼的強(qiáng)度，并具有與Ti、Nb相類(lèi)似的阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大、提高鋼的再結(jié)晶溫度的作用?？紤]到其他元素的匹配，0.200.40%的釩為理想的含量。氮可擴(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體，從而提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度。鋼中含鉻、錳較多時(shí)，可顯著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替價(jià)格較貴的鎳。本發(fā)明鋼中50150ppm的氮含量能起到相應(yīng)的作用。鋁屬于細(xì)化晶粒元素。鋁元素與上述元素配合可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，增加淬透性，并提高強(qiáng)韌性。鋁明顯降低碳在鐵素體中的溶解度，使氫擴(kuò)散變慢，使碳化物分布更均勻。但過(guò)多的鋁易增加鋼中夾雜物產(chǎn)生的機(jī)會(huì)，因此0.0050.050%鋁的是本發(fā)明鋼適宜的含量。硫、磷硫、磷是鋼中的雜質(zhì)元素，會(huì)顯著降低鋼的塑性和韌性，必須控制在一定含量之下。本發(fā)明鋼中，硫控制在0.015%，磷應(yīng)控制在0.020%以下。鉛、銻、鉍也是鋼中的雜質(zhì)元素，在技術(shù)條件允許情況下應(yīng)盡可能降低其含量。本發(fā)明耐熱鋼中的碳、錳、鉻、鉬為主元素，并配以鈮、釩、鋁、鈦中的一種或幾種作為微量合金元素，提高再結(jié)晶溫度獲得細(xì)小彌散的析出物?？梢杂行岣咪摰娜渥儚?qiáng)度，使其能夠在65(TC左右的溫度范圍內(nèi)使用。本發(fā)明耐熱鋼的制備方法包括冶煉澆注和熱軋工藝，其特征在于所述熱軋工藝中鋼坯加熱溫度11201290°C;精軋溫度850°C990°C;并采用控制冷卻技術(shù)。上述冶煉澆注工藝具體包括電弧爐冶煉、鋼包精煉和連鑄澆注步驟在60250噸的電弧爐中進(jìn)行鋼液初煉；相應(yīng)噸位的鋼包精煉；連鑄澆注；生產(chǎn)出化學(xué)成分符合規(guī)定的90X90mm2460X460mm2斷面尺寸的合格連鑄坯。上述熱軋工藝包括將合格的連鑄坯表面清理后，加熱至1120129(TC均熱后出爐；除鱗；在10501200。C溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)入初軋機(jī)組；890990°C之間進(jìn)入多道次的精軋機(jī)組；85078(TC溫度區(qū)間內(nèi)出精軋機(jī)組；在輸送線上冷卻至《750r后進(jìn)入緩冷區(qū)緩慢冷卻，冷卻速度408(TC/h。本發(fā)明的有效效果1、本發(fā)明鋼經(jīng)實(shí)施控制軋制與冷卻后進(jìn)行緩冷，獲得珠光體+鐵素體的組織，熱軋線材的硬度在90服B左右，具有良好的塑韌性。2、本發(fā)明鋼純潔度高夾雜物級(jí)別低(根據(jù)GB/T1056檢測(cè)可滿足A《2，B《2，C《1，D《l);氣體含量(氧《15ppm，氫《1.5ppm)。3、本發(fā)明鋼具有良好的抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕的能力，較好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，抗回火能力強(qiáng)，綜合使用壽命優(yōu)良。同時(shí)，耐熱性能優(yōu)良，能承受65(TC左右的使用溫度，成本低廉、易操作等特點(diǎn)。實(shí)施例下面用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而非對(duì)本發(fā)明有任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本說(shuō)明書(shū)的啟示下對(duì)本發(fā)明實(shí)施中所作的任何變動(dòng)都將落在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。實(shí)施例1某鋼鐵公司實(shí)施本發(fā)明，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連鑄；第二步軋鋼機(jī)熱加工軋制成線材。冶煉工藝中控制各種化學(xué)成分的含量如表2所示。表2本發(fā)明耐熱結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分，wt呢<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注其他為Fe+不可避免的雜質(zhì)。軋鋼機(jī)熱加工軋制工藝首先將鋼坯加熱至1120129(TC。鋼坯均熱后出爐，經(jīng)除鱗后，在10501100"C溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)入初軋機(jī)組，初軋過(guò)程中，一方面使鋼坯均勻變形，一方面控制鋼坯的降溫速度，使鋼坯出初軋機(jī)組溫度控制在10001030°C?？刂其撆鬟M(jìn)精軋機(jī)組前的冷卻速度，在該過(guò)程中使鋼中的形變奧氏體完成再結(jié)晶。鋼坯在89099(TC之間進(jìn)入多道次的精軋機(jī)組，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，軋制過(guò)程中控制線材的冷卻速度，使其在850780'C溫度區(qū)間內(nèi)出精軋機(jī)組，在輸送線上冷卻至《75(TC后進(jìn)入緩冷區(qū)緩慢冷卻。得到的產(chǎn)品為耐熱鋼線材，直徑為05.538mm，熱軋硬度為90HRB，晶粒度79級(jí)，組織為珠光體+鐵素體。產(chǎn)品的力學(xué)性能如表3所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1.一種耐熱結(jié)構(gòu)鋼，由以下化學(xué)元素(重量％)組成碳0.30～0.45％，硅≤0.25％，錳0.40～0.72％，鉬0.50～0.70％，鉻0.70～1.70％，釩0.20～0.40％，Al0.005～0.050％，鈮0.02～0.20％，Cu≤0.50％，鎳≤0.20％，鈦≤0.20％，硫≤0.015％，磷≤0.020％，氮，50～150ppm，余量為鐵。2.如權(quán)利要求l所述的耐熱結(jié)構(gòu)鋼，所述耐熱結(jié)構(gòu)鋼是通過(guò)微量合金元素設(shè)計(jì)和控軋控冷技術(shù)獲得的具有珠光體+鐵素體組織的耐熱結(jié)構(gòu)鋼。3.權(quán)利要求l所述耐熱結(jié)構(gòu)鋼的制造方法，包括冶煉澆注和熱軋工藝，其特征在于所述熱軋工藝中鋼坯加熱溫度U20129(TC;精軋溫度850°C990°C;并采用控制冷卻技術(shù)。4.如權(quán)利要求3所述的制造方法，其中所述冶煉澆注工藝包括電弧爐冶煉、鋼包精煉和連鑄澆注步驟。5.如權(quán)利要求3所述的制造方法，其中所述熱軋工藝中，出精軋機(jī)組的溫度為85078(TC之間。6.如權(quán)利要求3所述的制造方法，其中所述控制冷卻技術(shù)是在輸送線上冷卻至《750'C后進(jìn)入緩冷區(qū)緩慢冷卻，冷卻速度4080°C/h。7.權(quán)利要求1所述耐熱結(jié)構(gòu)鋼在制造長(zhǎng)期高溫下工作的零部件上的應(yīng)用。全文摘要一種耐熱結(jié)構(gòu)鋼，由以下化學(xué)元素(重量％)組成碳0.30～0.45％，硅≤0.25％，錳0.40～0.72％，鉬0.50～0.70％，鉻0.70～1.70％，釩0.20～0.40％，Al0.005～0.050％，鈮0.02～0.20％，Cu≤0.50％，鎳≤0.20％，鈦≤0.20％，硫≤0.015％，磷≤0.020％，氮，50～150ppm，余量為鐵。本發(fā)明鋼經(jīng)控制軋制與控制冷卻獲得珠光體+鐵素體的組織，硬度和塑韌性良好，純潔度高，具有抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕的能力，具有較好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，可用于制造長(zhǎng)期高溫下工作的零部件。文檔編號(hào)B21B37/74GK101676426SQ20081020010公開(kāi)日2010年3月24日申請(qǐng)日期2008年9月19日優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日發(fā)明者劉湘江,江運(yùn)宏,范文杰,黃澤民申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司