[发明专利]一种高强度高韧性螺栓用合金钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性螺栓用合金钢，尤其涉及一种用于高压锅炉给水泵上的高强度高韧性螺栓的合金钢。

背景技术

上海凯士比泵有限公司引进生产的德国KSB公司的CHT和HG系列高压锅炉给水泵是超临界发电机组的关键设备(其工作压力分别为420bar和280bar，工作温度达230℃)，而CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓则是水泵密封与承压的关键零件，其质量、性能和可靠性对机组的安全可靠运行起着至关重要的作用。CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓材料原设计为德国1.6772牌号钢材，其力学性能要求列于表1(见下)。

表1德国1.6772牌号钢材力学性能指标

此材料一直完全依赖德国进口，不仅成本高(一根HG穿杠螺栓成本为1万元)，而且供货进度时常不能保证，并且已有资料显示有迹象表明德国供应商随时可能停止该材料的供应。这不仅仅严重影响水泵生产和交货进度，而且可能影响到我国的能源安全。

因此，迫切需要研究开发一种等同或等效替代德国1.6772牌号钢材的国产化材料，打破国外的技术封锁、技术垄断，以使我国该型装备生产跨上一大台阶，并显著降低成本，为我国的能源安全提供保障条件。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题而提供一种高强度高韧性螺栓用合金钢，该合金钢中合金元素含量要求较低，特别是比较稀缺的重要的战略物质Ni、Mo的含量亦都较低，但是该合金钢完全能够满足CHTC主双头螺栓和HG穿杠螺栓力学性能要求。

本发明的另一个目的在于提供一种上述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法。

本发明为达目的所用的技术方案是：

本发明之一的一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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，其余为Fe及杂质元素。

上述的高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质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，其余为Fe及杂质元素。

本发明之二的一种上述高强度高韧性螺栓用合金钢的制备方法，包括以下步骤：

1)真空感应炉冶炼：按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540～1560℃精炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5～10min，浇铸电极棒，出钢温度为1560～1580℃；

2)电渣重熔：将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；

3)锻造：对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，锻造变形量≥30％，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2～3h；

4)热处理：对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800～890℃，回火温度420～550℃，回火时间40～190min。

本发明高强度高韧性螺栓用合金钢的化学成分设计依据及限定含量范围的理由如下：

C是强烈提高材料淬透性的元素，同时提高材料的强度和硬度。但是，随C含量的增加会大大降低材料韧塑性，使材料易发生脆性断裂。当C含量较低时，可形成韧塑性较好的材料，但是其淬透性和强度不够。材料强度上的不足可以通过合金元素的固溶强化和析出强化等来弥补，对于韧性的不足却不容易提高。综合考虑，材料的含C量应控制在低碳水平，增加低碳韧性材料的强度是本发明的主要技术路线。

Si与氧的亲和力仅次于Al和Ti，而强于Mn、Cr和V。Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于α(铁素体)或γ(奥氏体)中。Si提高钢中固溶体强度的作用极强，但同时也在一定程度上降低钢的韧塑性。Si是封闭γ相区的元素之一，提高钢的临界转变温度A₁和A₃。Si对钢的淬透性影响中等，但对提高钢的回火稳定性和抗氧化性有很大的好处。Si含量较高的钢，退火时表面也容易脱碳。