[发明专利]一种高强韧性低合金耐热钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于合金钢领域，主要涉及一种高强韧性低合金耐热钢及其制造方法。

背景技术

航空发动机中的低压轴以及紧固件是整个发动机中的关键部件，其工作温度一般在400℃以下，主要传递扭矩以及保证低压转子同心的作用。因此，要求材料在中低温下具有高的强度(室温抗拉强度Rm≥1120MPa，380℃抗拉强度Rm≥950MPa)、高的韧性(室温冲击韧性KV2≥60J)等综合性能，以满足低压轴及紧固件的长寿命和高可靠性要求。

目前应用较广泛的CrMoV系耐热钢，含碳量一般在0.30％以下，虽然在500℃以上高温的蠕变断裂强度很好，但未必能满足在中低温使用的抗拉强度和韧性要求，在服役过程中有可能发生延性破坏和脆性破坏。为了改善中低温区的强韧性，本发明提出了一种高强韧性低合金耐热钢。通过成分设计，双真空熔炼工艺及锻造加工工艺技术研究，研制出满足在400℃以下使用的航空发动机用高强度高韧性低合金耐热钢。

中国专利CN1286317公开了一种具有优异焊接性能的高强度低合金耐热钢，该钢含有较高的Cr、W元素，又添加了V、Nb、Ti、B等元素来改善合金的强韧性及降低热开裂倾向。

中国专利CN1209464公开了一种在较低温区抗拉强度和韧性以及在高温区的蠕变断裂强度俱佳的高韧性耐热钢。该钢含有8-14％Cr，有较高的抗氧化性和耐蚀性。又添加较多的Mo、W等进一步强化，为了改善韧性还添加了1.5-5.0％Ni，为达到强韧性的最佳配合，又添加了V、Nb等元素，该钢的最高抗拉强度达1100MPa。

日本专利特开平3-87332公开了一种高强度低合金耐热钢。该钢焊接热影响区域的软化程度小，抗冲击性能良好，可以在最高约600℃的温度下使用，在 600℃，10000h的最高蠕变强度可达127MPa。

日本专利特开平4-268040公开了一种具有优异蠕变强度和韧性的低合金耐热钢。该钢含有相对较高的Cr、W元素，不含Mo元素，如有必要，还添加La、Ce、Y、Ca、Zr、Ta、Mg等元素，其室温抗拉强度最高仅为710MPa。

日本专利特开平5-345949公开了一种具有优异韧性和蠕变强度的低Cr铁素体耐热钢，该钢含有较多的Cr、Mo、W等元素，具有高的蠕变强度，为了改善焊接韧性，加入Ti等，为了改善抗氧化性和耐腐蚀性，加入了Cu，为了进一步提高强度，又加入了V、Nb等元素。

上述专利与本发明钢的最大区别是其碳含量均在0.30％以下，因此，为了获得一定的强度，只有增加钢中Cr、Mo、W等元素的含量。本发明通过适当提高钢中的碳含量，减少钢中Cr、Mo、W等元素的含量，并添加适量的Ni、V、Nb等元素，来达到强韧性的最佳配合。

发明内容

本发明的目的是设计一种高强度低合金耐热钢及其制造方法。通过采用双真空熔炼、大锻造比成形技术，使钢获得高纯度和优良的强韧性配合。该钢的研制成功，可满足在400℃以下使用的航空发动机用高强度高韧性耐热钢的要求。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高强韧性低合金耐热钢，其包括按重量百分数计的如下组分：

C：0.40～0.50％；

Si：0.15～0.35％；

Mn：0.40～0.70％；

Cr：0.80～1.10％；

Ni：0.80～1.00％；

Mo：0.45～0.65％；

W：0.80～1.00％；

V：0.25～0.35％；

Nb：0.015～0.08％；

N：≤0.002％；

O：≤0.0015％；

余量为Fe及不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。

本发明钢选择化学成分范围的原因如下：

C：碳对钢的室温和中低温机械性能、热强性以及松弛稳定性等都有良好影响。在400℃以下，钢的蠕变极限随碳含量增加而提高。故优选C含量在0.40-0.50％。

Si：Si作为脱氧剂而加入于钢中，并对提高抗氧化性有良好的效果。若钢中Si含量小于0.10％，其效果不明显；若Si含量增加至0.40％以上，其中的一部分会形成氧化物残留在钢中，使韧性降低。优选Si含量为0.15～0.35％。