專利名稱：一種低溫高強度、高韌性鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用于低溫(低至-60℃)環境下的高強度、高韌性鋼及其制造方法，特別適用于石油機械、礦山機械、工程機械提升系統中的吊環、提環、吊鉤、銷軸用材料。
背景技術：
目前石油機械、礦山機械、工程機械中吊環、提環、吊鉤、銷軸等主要受力部件，要求重量輕，安全系數高，在2.0～3.0之間，并且能夠在低溫下服役。國際上最具權威的美國石油學會API Specification 8C規范2003年版要求提升系統所用材料其V型缺口沖擊功Akv(-20℃)≥42J，當設計服役溫度T低于-20℃時，附加要求Akv(T)≥27J。中國機械工程學會熱處理學會2001年5月編制的熱處理手冊(典型零件熱處理)顯示用于此類零件的材料是20SiMn2MoVA和40CrNiMoA，其機械性能如表1所示，同時把國家標準(GB/T3077-1999，合金鋼技術條件)所規定的機械性能也列于表1。
表1.40CrNiMoA和20SiMn2MoVA機械性能
表1中所列沖擊功Ak為U型缺口沖擊試樣，沒有V型缺口試樣沖擊功數據，以此標準制造的零件不符合美國石油學會API Specification 8C規范2003年版要求，要進入國際市場，提升系統材料需滿足美國石油學會APISpecification 8C規范2003年版要求，選用40CrNiMoA鋼，雖然沖擊功Akv能達到要求，但因強度偏低，在保證安全系數的前提下，零件尺寸大偏重，缺乏競爭力；選用合金元素符合我國資源優勢的20SiMn2MoVA鋼，但低溫沖擊功Akv(-40℃)和Akv(-60℃)分別為25J和21J，不能達到API Specification8C規范2003年版的Akv(T)≥27J要求。對美國BVM公司產品進行取樣分析，實物特征指標σb≥1382MPa，屈服強度σ0.2≥1159MPa，延伸率δ5≥12％，斷面收縮率ψ≥45％，V型缺口沖擊功Akv(-20℃)≥42J，Akv(-60℃)≥27J，但貴重金屬Cr、Ni含量高達4-5％，成本較高。
發明內容
本發明的目的在于提供一種在常規用鋼種20SiMn2MoVA的基礎上通過降低Mn含量和適度添加Ni、Cr含量，并使Ni、Cr含量按比例配制，在不降低強度的同時提高韌性，尤其是低溫韌性的適用于低溫環境的石油機械、礦山機械、工程機械的吊環、提環、吊鉤、銷軸類零件用低溫高強度、高韌性鋼及其制造方法。
本發明采用如下技術方案本發明低溫高強度、高韌性鋼采用低碳Cr-Ni-Si-Mn-Mo-V合金，其化學成份(質量分數)為C0.16～0.24％，Si1.0～1.4％，Mn1.10～1.50％，Cr0.80～1.20％，Ni1.00～1.40％，Mo0.20～0.40％，V0.05～0.20％，S≤0.035％，P≤0.035％，Cu≤0.050％及余量Fe。
本發明低溫高強度、高韌性鋼的制造方法包括以下工藝步驟(1)采用中頻爐或電弧爐按化學成份和常規工藝要求煉鋼；(2)鍛造工藝加熱溫度1280～1320℃，始鍛溫度1100～1250℃，終鍛溫度≥850℃，鍛后退火，其工藝加熱溫度700±30℃，出爐溫度≤300℃。
(3)熱處理工藝正火930～960℃空冷回火690～720℃空冷淬火880～930℃油冷或專用介質冷卻回火200～260℃空冷(4)鍛造和熱處理淬火工序后，對工件進行超聲波探傷和磁粉探傷。
本發明化學成分設計的理由闡述如下本發明的設計思路是發揮低碳馬氏體在機械性能和工藝性能上的優越性，利用我國富有元素Si、Mn進行合金化，并加入適量的Cr、Ni、Mo等貴重元素，以進一步提高強度和韌性。
C低碳馬氏體的強度和韌性都呈現較高的水平，為了追求低碳馬氏體的組織形態，鋼的含碳量應保持在低碳范圍，即不超過0.25％。碳是固溶強化和控制馬氏體強度的主要因素，含碳量增加，強度水平提高，但韌性下降，并且Mf點降低，從而增加淬裂傾向。因此在保證足夠強度水平的前提下，碳含量應盡可能低些。統計數據表明回火馬氏體σb在1500Mpa時，相應的含碳量約為0.2％，根據對鋼的碳含量上下限的探索性試驗，確定設計含量為0.16-0.24％。
SiSi的有益作用是固溶強化、增加淬透性、增加回火抗力和將不可逆回火脆性范圍移向較高溫度；有害的作用是增加鋼的脫碳敏感性并會形成非金屬夾雜物，一般認為Si含量超過1％顯示有益作用，超過2％顯示有害作用，為了發揮Si的有利作用，又盡可能減少不利影響，確定其含量為1.0～1.4％。
MnMn的有益作用是固溶強化、顯著增加淬透性、形成位錯馬氏體和促進在馬氏體板條間形成薄膜。但含量超過1.5％，有孿晶馬氏體出現，會顯著降低韌性，尤其是低溫沖擊值，根據試驗結果確定其含量為1.1～1.5％。
NiNi的有益作用是固溶強化、與Cr配合顯著增加淬透性、形成位錯馬氏體和有利于在馬氏體板條間形成薄膜。前兩項作用時增加強度，后兩項作用是增加韌性，尤其是低溫韌性。本發明主要是利用Ni增加鋼的低溫韌性，同時也為了控制成本，確定Ni含量為1.10～1.40％。
CrCr是中等碳化物形成元素，有固溶強化作用，與Ni配合強烈提高淬透性，根據Ni含量，確定Cr含量為0.80-1.20％MoMo是強烈碳化物形成元素，對抑制珠光體轉變和細化晶粒有顯著作用，同時對消除回火脆性和提高回火抗力具有有利作用，一般采用0.4-0.5％，但考慮到本發明鋼種在低溫回火狀態下使用，0.2-0.4％已經夠用。
VV在鋼中主要是細化晶粒和產生二次硬化作用。考慮到本發明鋼種在低溫回火狀態下使用，只需發揮細化晶粒的作用，因此0.07-0.11％含量即可。
本發明提供的制造方法，其中煉鋼工藝中，冶煉采用成本較低的普通設備堿性電弧爐或中頻感應爐，保證化學成分(質量分數)C0.16～0.24％，Si1.0～1.4％，Mn1.10～1.50％，Cr0.80～1.20％，Ni1.00～1.40％，Mo0.20～0.40％，V0.05～0.20％，S≤0.035％，P≤0.035％，Cu≤0.050％及余量Fe。
本發明提供的制造方法，其中鍛造工序工藝參數加熱溫度1280～1320℃，始鍛溫度1100～1250℃，終鍛溫度≥850℃，鍛后退火，其工藝加熱溫度700±30℃，出爐溫度≤300℃。
加熱溫度保證鍛件不產生過熱和過燒及氧化脫碳，又保證生產率高，節省能源，避免晶粒過份粗大，選定比始鍛溫度高出100-140℃。又因為此種鋼材導熱性差，裝爐溫度低于630℃。始鍛溫度低于該鋼材熔點200-250℃，又能保證在奧氏體區域內，根據鐵-碳狀態圖，應為1100～1250℃。終鍛溫度主要保證在結束鍛造之前金屬仍有足夠的塑性以及在鍛后獲得再結晶組織，而且使鍛件在冷卻過程中晶粒不過于長大，降低沖擊韌性，經過試驗，選定終鍛溫度850℃。為了消除鍛造冷卻應力，調整硬度在HB200左右，鍛后低溫退火，加熱溫度700±30℃，出爐溫度≤300℃。
本發明提供的制造方法，其中熱處理工序工藝參數正火940～960℃空冷回火690～720℃空冷淬火910～930℃油冷或專用介質冷卻回火200～260℃空冷本發明鋼種AC3(亞共析鋼加熱時所有鐵素體轉變為奧氏體的溫度)為879℃，淬火溫度AC3+30-50℃，正火溫度AC3+60-80℃，因為合金元素較多，正火和淬火皆選上限。溫度過低，碳化物和合金元素不能充分固溶，溫度高導致晶粒粗大。回火溫度控制在200～260℃，根據工件大小確定選取上下限，保證顯微組織為低碳馬氏體。以達到高強度和高的低溫韌性。熱處理時帶隨爐試棒，機械性能為σ0.2≥1180MPa，σb≥1380Mpa，延伸率δ5≥10％，斷面收縮率ψ≥45％，V型缺口沖擊功Akv(-20℃)≥42J，Akv(T)≥27J，T≥-60℃。
本發明提供的制造方法，包括鍛造和熱處理淬火工序后，對工件進行超聲波探傷和磁粉探傷。因為高強度鋼制造的都是較為重要的零件，任何缺陷都會降低功能和縮短壽命，因此必須對工件進行表面的磁粉探傷和內部的超聲波探傷。
本發明的有益效果在于1、強度高采用淬火+低溫回火工藝，保證σ0.2≥1180MPa，σb≥1380MPa。
2、低溫沖擊韌性高采用低碳Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V合金鋼，既保證淬透性和強度指標，又因含碳量低而保證韌性，尤其是低溫韌性，延伸率δ5≥10％，斷面收縮率ψ≥45％，V型缺口沖擊功Akv(-20℃)≥42J，Akv(T)≥27J，T≥-60℃。
3、因為合金鋼采用Si、Mn等低價元素，減少了Cr、Ni高值元素用量。所以成本較低。
4、適用于低溫環境下的石油機械、礦山機械、工程機械中的吊環、提環、吊鉤、銷軸類零件。這類零件安全性要求高，不但要求極高的強度指標，而且要求足夠的低溫沖擊韌性。
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步說明。
實施例1石油鉆修設備提升系統中承載零件150T單臂吊環用鋼及其制造方法技術要求屈服強度σ0.2≥1180MPa，抗拉強度σb≥1380Mpa，延伸率δ5≥10％，斷面收縮率ψ≥45％，V型缺口沖擊功Akv(-20℃)≥42J。超聲波探傷GB/T6402-91，II級合格；表面磁粉探傷JB/T4730.4-2005，II級合格。
化學成份
該零件按以下次序工藝步驟制造1、冶煉工藝采用1噸中頻感應熔化爐，澆鑄時陶瓷網過濾。
2、鍛造工藝燃油加熱爐加熱溫度1300±10℃5噸電液錘始鍛溫度1100℃，終鍛溫度870℃，鍛后退火700±10℃，保溫2h，出爐溫度280℃。
3、熱處理工藝正火930±10℃空冷回火700±10℃空冷淬火900±10℃油冷回火220±10℃空冷鍛造和熱處理后超聲波探傷GB/T6402-91，I級；磁粉探傷JB/T4730.4-2005，II級。
經驗證，本發明鋼種具有高強度、高的低溫韌性。σ0.2≥1200MPa，σb≥1410MPa，δ5≥15％，ψ≥47％，Akv(-20℃)≥52J，該產品得到國家技術監督局和API的認可，并取得了相應的資質、生產許可證和APISpecification 8C認證。
實施例2要求服役環境溫度-45℃的150T單臂吊環用鋼及其制造方法技術要求屈服強度σ0.2≥1180MPa，抗拉強度σb≥1380Mpa，延伸率δ5≥10％，斷面收縮率ψ≥45％，V型缺口沖擊功Akv(-20℃)≥42J，Akv(-45℃)≥27J，超聲波探傷GB/T6402-91，II級合格；表面磁粉探傷JB/T4730.4-2005，II級合格。
化學成份
該零件按以下次序工藝步驟制造1、冶煉工藝采用1噸中頻感應熔化爐，澆鑄時陶瓷網過濾。
2、鍛造工藝燃油加熱爐加熱溫度1290±10℃5噸電液錘始鍛溫度1150℃，終鍛溫度870℃，鍛后退火700±10℃，保溫2h，出爐溫度280℃。
3、熱處理工藝正火930±10℃空冷回火700±10℃空冷淬火900±10℃油冷回火250±10℃空冷鍛造和熱處理后超聲波探傷GB/T6402-91，I級；磁粉探傷JB/T4730.4-2005，I級。
經驗證，本發明鋼種具有高強度、高的低溫韌性。σ0.2≥1198MPa，σb≥1400MPa，δ5≥15％，ψ≥45％，Akv(-20℃)≥52J，Akv(-45℃)≥35J，Akv(-60℃)≥29J。該產品已出口到俄羅斯。
權利要求
1.一種低溫高強度、高韌性鋼，采用低碳Cr-Ni-Si-Mn-Mo-V合金，其特征在于化學成份(質量分數)為C0.16～0.24％，Si1.0～1.4％，Mn1.10～1.50％，Cr0.80～1.20％，Ni1.00～1.40％，M00.20～0.40％，V0.05～0.20％，S≤0.035％，P≤0.035％，Cu≤0.050％及余量Fe。
2.一種制造權利要求1的低溫高強度、高韌性鋼的方法，其特征在于包括以下工藝步驟(1)采用中頻爐或電弧爐按化學成份和常規工藝要求煉鋼；(2)鍛造工藝加熱溫度1280-1320℃，始鍛溫度1100-1250℃，終鍛溫度≥850℃，鍛后退火，其工藝加熱溫度700±30℃，出爐溫度≤300℃；(3)熱處理工藝正火930～950℃空冷回火690～720℃空冷淬火900～930℃油冷或專用介質冷卻回火200～260℃空冷(4)鍛造和熱處理工序后，對工件進行超聲波探傷和磁粉探傷。
全文摘要
本發明涉及一種低溫高強度、高韌性鋼及其制造方法，可用于低至－60℃的環境。采用低碳Cr－Ni－Si－Mn－Mo－V合金，其化學成份(質量分數％)為C0.16～0.24，Si1.0～1.4，Mn1.10～1.50，Cr0.80～1.20，Ni1.00～1.40，Mo0.20～0.40，V0.05～0.20，S≤0.035，P≤0.035，Cu≤0.050及余量Fe。制造方法(1)冶煉；(2)鍛造加熱1280－1320℃，始鍛溫度1100－1250℃，終鍛溫度≥850℃，鍛后退火，加熱溫度700±30℃，出爐溫度≤300℃；(3)熱處理正火930～950℃空冷；回火790～720℃空冷；淬火900～930℃油冷；回火200～260℃空冷。(4)超聲波探傷和磁粉探傷。特別適用于機械設備提升系統中的吊環、吊鉤、銷軸等用材料。
文檔編號C21D1/28GK101024870SQ200610007960
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月24日 優先權日2006年2月24日
發明者尹永晶, 趙旭平, 張勇, 劉洪澤, 王芬蘭, 周國星 申請人:南陽二機石油裝備(集團)有限公司