一种低温碳钢阀门铸件材料及其制造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于铁素体低温钢的合金化复合碳钢材料及其制备方法，以及利用该材料制备低温阀门铸件的方法；所述复合碳钢材料由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得，所述合金添加材料包括至少一种选自铌锰铁合金、稀土铁合金的子合金材料。另外，本发明专利技术结合特定的热处理方法，解决了阀门铸件在中低温尤其是极端低温情况下低温冲击韧性值较低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种低温碳钢阀门铸件材料及其制造工艺
本专利技术涉及低温碳钢阀门铸件材料，具体地讲，涉及一种在中低温环境中应用的合金化碳钢阀门铸件材料及其制造方法。
技术介绍
近些年来，机械制造行业尤其是石化工业对于低温阀门的需求越来越多，越来越严格。目前，国内对于低温阀门的温度需求主要存在于低温(0至-60℃条件)和超低温(低于-100℃)两大范围。通常来说，用于超低温条件下使用的阀门材料大多采用不锈钢锻件，较为常用的采用高镍高铬的合金钢作为阀体铸件材料。尽管高镍铬的合金钢在耐低温性能方面效果显著，但是，由于高镍铬合金钢的成本很高，对于较低温(0至-30℃)和中低温(-30℃至-60℃)环境使用的大量阀门铸件来说难以普遍推广。目前，工业上对于中低温环境使用的阀门，通常采用碳钢材料，并对碳钢材料组分及性能做了一定程度的要求，产生了一系列可用于低温阀门铸件的碳钢材料。例如，LCB和LCC钢是常见的用于低温阀门的碳钢材料，属于铁素体类低温钢,按ASTMA352/A352M的规范要求，最低可适用于-46℃的环境中。例如，LCB钢是ASTMA352标准中的低温用钢，可使用在-38℃以下温度，材料成本低，韧性好，但C含量在0.3％以下，属于亚共析钢，组织中珠光体的比例较少，因此其力学强度较低，如果需要提高强度同时满足韧性要求，则需要针对特定的用途和使用温度进行添加合金元素进行改性。又例如，石化行业阀门选用标准规范SH/T3064—2003对阀门的选用、检验及验收做了规定，所用的材料必须具有能在规定介质温度和压力作用下所达到的力学性能。否则，由于铸造碳钢有冷脆现象，在低温下韧性急剧下降，脆性上升，会突然脆性断裂，出现安全事故。如上所述，由于碳钢在低温工况下冷脆现象突出，这种冷脆现象在低温下导致韧性急剧下降，脆性上升，甚至会突然脆性断裂。以该种材料制作的阀门铸件在低温工况中机械性能也会明显下降,因此，即使LCB或LCC钢能够在-46℃时勉强达到ASTM标准的要求,但性能冗余量不大，以其为材料制作的阀门铸件在极端低温工况尤其是-50℃左右或以下时，机械性能尤其是在耐低温冲击韧性方面往往难以达到实际使用要求，甚至会脆性断裂，出现安全事故。因此，对低温用阀门材料的要求是在低温下保持较好的塑性和韧性，实际应用时主要以低温冲击值(Ak)为验收依据。研究发现，低温冲击值除了受材料本身影响之外，还与铸件的热处理工艺密切相关。现有技术经过大量试验证明,奥氏体是钢组织中比容最小的相组织，其冲击韧性、耐磨性和塑性都极好。而热处理工艺可以改变铸件内部组织形态，优化机械性能。目前，对碳钢的热处理通常采用正火-回火或者淬火-回火方式，温度约在910±10℃。但是限于碳钢材料本身特性所限，热处理过的试样低温冲击韧性和强度只能勉强合格，在低于-46℃时环境下低温冲击韧性往往不符合实际使用要求。因此，针对特定的碳钢材料，选取合适的热处理工艺对于铸件的机械性能及低温韧性具有直接影响。现有的低温阀门材料技术中，CN106893945A提供了一种低温用奥氏体不锈钢及其铸件和铸件的制造方法，该奥氏体不锈钢含有C:0.08％以下，Mn：1.0-1.6％，Si：0.6-1.2％，Cr：17.0-20.0％，Ni：10.0-13.0％，Mo：2.0-3.0％，N：0.04-0.12％，其余为Fe和杂质；杂质中P≤0.04％，S≤0.02％，Sn≤0.015％，As≤0.01％，Pb≤0.01％，Sb≤0.01％，其中Sn+As+Pb+Sb≤0.035％。尽管该申请通过调整化学成分，以及热处理温度的控制等确保铸造组织具有良好的机械性能，但是该合金材料主要用于超低温环境，对于中低温环境使用的阀门来说并不适用。CN105385802A公开了一种低温高韧性球墨铸铁蝶阀体的铸造工艺，包括以下步骤：一)熔炼工序：1、备料；2、熔炼；二)球化及孕育工序；三)浇注、拔箱工序；四)热处理工序；该工艺通过原料的严格配比，添加入碳化硅，改变传统的熔融过程，利用坝式球化包结合夯实的孕育剂保护球化剂，使得力学性能表现突出；但是该专利主要在于熔炼工艺的改进，对于材料本身和热处理关键工艺没有进行详细研究。CN109943782公开了一种00Cr17Ni14Mo2不锈钢阀块的加工方法，该不锈钢阀块适合在高压、腐蚀环境下使用，尤其可用于制作高渗透腐蚀气氛下使用的高压阀门。该专利采用不锈钢阀块为原料，制造适于高渗透腐蚀气氛下使用的高压阀门的阀体零件，没有对碳钢材料制作铸件进行研究。目前来看，基于碳钢研发低温阀门铸件新材料，针对使用的特定中低温温度环境(-30℃至-60℃尤其是-46℃至-60℃的极端区间)，设法寻找可以对碳钢进行改性的金属元素与非金属元素并组合使用，不仅研究难度较大，而且费时费力，因此研究较少。因此，根据低成本且具有较高强度的碳钢材料进行改性以制作阀门铸件，并进行相应的热处理以满足中低温(低于-30℃，不超过-60℃)下使用要求，尤其是在极端温度情况下例如-60℃左右仍具有优异的低温冲击性能指标，具有显著的经济效益以及社会效益。
技术实现思路
为克服上述现有技术缺陷，本专利技术提供一种特定的碳钢材料以铸造用于低温环境的阀门铸件，所述铸件在低温度下冲击均值较高。具体地，该阀门铸件在零下低温环境尤其是-46℃±20℃的中低温环境中具有良好的耐低温韧性值，在低温下不易脆裂。具体地，本专利技术的主要目的在于提供一种耐低温碳钢阀门铸件材料及其制备方法，该材料所得铸件具有高强度、耐低温冷脆的优点。为实现上述目的，本专利技术通过对基于铁素体低温钢的碳钢材料(例如LCB和/或LCC钢等)进行合金化改性从而得到用于制备低温阀门铸件的合金化碳钢材料,并通过特定的热处理方法,解决了基于LCB/LCC钢作为主材的阀门铸件在极端情况下低温冲击韧性较低和不稳定的问题,保证了低温条件下阀门铸件的质量。本专利技术第一个方面，提供一种用于低温阀门铸件的复合碳钢材料，由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得，所述合金添加材料包括至少一种选自铌锰铁合金、稀土铁合金的子合金材料；其中，所述合金添加材料的组分相对于低温钢基体材料的质量百分比为：子合金材料0.8-1.5％，以及：镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.2-0.4％、铝0.05-0.1％；其中，所述稀土铁合金选自稀土锰铁合金、稀土硅铁中的一种或两种。其中，所述铁素体低温钢优选为C-Mn型低碳钢，其中C≤0.3％，Si≤0.80％，且Mn含量不低于0.5％。其中，优选地，按重量百分比计，所述铌锰铁合金(Mn-Nb-Fe)中组分为：铌20-30％，锰5-10％，其余为铁及不可避免的杂质(优选杂质含量小于0.1％，P、S杂质之和不超过0.05％)。其中，优选地，按重量百分比计，稀土锰铁合金各组分为：稀土含量为20-40％，锰5-15％，其余为铁及不可避免的杂质(优选杂质含量小于0.1％)。其中，优选地，按重量百分比计，稀土硅铁合金各组分为：稀土本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低温阀门铸件的复合碳钢材料，其特征在于，所述碳钢材料由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得；其中，以相对于低温钢基体材料的质量百分比计，所述合金添加材料的组分及用量比例为：子合金材料0.8-1.5％，以及：镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.2-0.4％、铝0.05-0.1％；其中，所述合金添加材料包括至少一种选自铌锰铁合金、稀土铁合金的子合金材料；所述稀土铁合金选自稀土锰铁合金、稀土硅铁中的一种或两种。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于低温阀门铸件的复合碳钢材料，其特征在于，所述碳钢材料由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得；其中，以相对于低温钢基体材料的质量百分比计，所述合金添加材料的组分及用量比例为：子合金材料0.8-1.5％，以及：镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.2-0.4％、铝0.05-0.1％；其中，所述合金添加材料包括至少一种选自铌锰铁合金、稀土铁合金的子合金材料；所述稀土铁合金选自稀土锰铁合金、稀土硅铁中的一种或两种。


2.根据权利要求1所述的复合碳钢材料，其特征在于，按重量比计，所述铌锰铁合金中组分含量为：铌20-30％，锰5-10％，其余为铁及不可避免的杂质；稀土锰铁合金组成为：稀土含量为20-40％，锰5-15％，其余为铁及不可避免的杂质；稀土硅铁合金组成为：稀土含量为20-40％，硅30-45％，锰5-15％、钙3-10％、钛1-5％，其余为铁及不可避免的杂质；
所述铁素体低温钢中碳硅含量分别为：C≤0.3％，Si≤0.80％；优选地，0.12％≤C≤0.25％，Si≤0.60％。


3.根据权利要求1所述的复合碳钢材料，其特征在于，所述子合金材料含有稀土铁合金、铌锰铁合金两种组分，所述稀土铁合金、铌锰铁合金质量比为1-3:1。


4.根据权利要求1所述的复合碳钢材料，其特征在于，所述铁素体低温钢基体材料选自低碳C-Mn钢；优选地，所述铁素体低温钢基体材料由LCB钢和LCC钢组成，其中，所述LCB钢成分为：C≤0.25％，Si≤0.60％，Mn≤1.0％，S≤0.04％，P≤0.03％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，V≤0.030％，其余为Fe，其中Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％；所述LCC钢成分为：C≤0.20％，Si≤0.60％，Mn≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，V≤0.030％，余量为Fe，其中Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％。


5.一种权利要求1-4任一项所述复合碳钢材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)原料准备：
S1-1:准备铁素体低温钢作为钢基体材料来源，进行表面清理去除杂质并打磨去除表面氧化层，获得干燥的钢基体材料；
S1-2:准备比例量的子合金材料以及高纯度镍、锰、钛、钼、铝作为合金添加材料，所述合金添加材料优选为粉末形态；
其中，基于铁素体低温钢质量计，所述合金添加材料各组分用量比例为：子合金材料0.8-1.5％，镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.1-0.2％、铝0.05-0.1％；
2)原料熔炼：将低温钢基体原料放入熔炼设备中熔炼为钢液，熔炼温度控制在1550-1600℃，并保持0.5-1h；
可选地，进行精制调质加工处理，包括：进行造渣处理，以及进行脱氧、脱硫处理，控制硫磷杂质含量；

【专利技术属性】
技术研发人员：余文龙，叶章明，叶建华，叶华，周范军，张秋华，陈维勇，陈景辉，
申请(专利权)人：南平市建阳区湛卢精密制造有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35