CN101074472A - 一种超高强度高韧性可焊接铸钢 - Google Patents

一种超高强度高韧性可焊接铸钢 Download PDF

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Abstract

一种船舶、海洋、石油化工、机械工程领域用超高强度、高韧性、可焊接铸钢，通过多元微合金化复合成分，铸钢的化学成分配制比例，按质量百分比(wt％)为：C：0.12～0.17；Si：0.10～0.50；Mn：0.8～1.2；S+P≤0.025；Ni：4.00～4.50；Cr：0.7～1.2；Mo：0.40～0.50；V：0.04～0.08；Cu：0.20～0.40；其余量为铁；选择电炉+氩氧脱碳(AOD)双联的冶炼工艺，并配以合理的浇注工艺和热处理工艺获得的本铸钢，屈服强度可达800MPa以上，－20℃夏比V型缺口冲击功可达55J以上，焊接性良好；在提高强度的同时，仍保持较高的韧性和良好的焊接性。

Description

一种超高强度高韧性可焊接铸钢
技术领域；
本发明涉及金属材料领域，特别是一种超高强度高韧性可焊接铸钢。
背景技术；
目前在钢铁材料领域，从组织上划分，铸钢可分为低强度级别的珠光体—铁素体钢与高强度及超高强度的淬火-回火马氏体钢(或贝氏体钢)两大类。由于铸钢是非变形材料，不可能象轧制钢板那样，利用控制轧制等先进的冶金工艺，同时提高其强度和韧性。目前传统的高强度和超高强度的淬火-回火马氏体钢(或贝氏体钢)，普遍存在着强度与韧性和焊接性这一对矛盾，为了提高强度，则需要提高钢中C及合金元素总量，从而提高钢的淬透性，而强度的升高将会导致钢的韧性和焊接性的降低。表1为中国专利介绍的几种强度较高的铸钢。
表1 几种强度较高的铸钢性能
专利申请号 名称   屈服强度MPa   抗拉强度MPa   延伸率％ 断面收缩率，％ 室温冲击
CN87106700.5   稀土钙高强韧铸钢 882 1078 12 30   ak：J/cm230
96119545   一种耐磨铸钢 1198 1356 9.85 21.6   Ak：J76.5
02101934.7   一种中碳多元低合金耐磨铸钢 1200 1650 - - ak：J/cm235
200410089537.6   强韧高硅铸钢及其制造方法 - 1800～2000 5～10 - Ak：J30～40
由表1可见，已有的高强度铸钢，强度可以达到很高，甚至超过1000MPa，但其塑性、韧性较差，延伸率10％左右，室温U型缺口冲击功30～40J；这些高强度铸钢焊接性更差，甚至难以焊接。
发明内容；
为了解决现有技术中铸钢在提高强度时存在的强度与韧性和焊接性的矛盾，本发明的目的在于推出一种超高强度高韧性可焊接铸钢，其屈服强度可达到800MPa以上，同时塑、韧性良好，延伸率A≥15％，断面收缩率Z≥50％，-20℃下V型缺口冲击功Akv≥55J。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
所述的超高强度高韧性可焊接铸钢，铸钢的化学成分配制比例，按质量百分比(wt％)为：C：0.12～0.17；Si：0.10～0.50；Mn：0.8～1.2；S+P≤0.025；Ni：4.00～4.50；Cr：0.7～1.2；Mo：0.40～0.50；V：0.04～0.08；Cu：0.20～0.40；其余量为铁。
所述的超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注的工艺方法：采用电炉+AOD氩氧联合脱碳精炼设备的双联工艺冶炼，其具体工艺步骤如下：
(1)采用废钢、铬铁、锰铁、硅铁、钒铁、电解镍、纯铜、钼铁、生铁等原料，用电炉熔化钢水，且控制C含量不低于0.35％(wt)，并保证钢水温度高于1750℃；
(2)将电炉熔化的钢水倒入AOD精炼炉，开始精炼，在整个精炼过程中，氩氧比例(Ar2∶O2)由1∶3-1∶1-3∶1逐渐过渡，精炼末期纯氩吹炼时间不少于5分钟；
(3)待钢液化学成分达到要求后出钢浇注，出钢温度1650℃，浇注温度不超过1550℃，采用底注法浇注，铸型的设计应保证成品率不超过60％。
(4)最后，采用预处理工艺和调质工艺对铸钢进行热处理为成品铸钢。
所述的超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注的工艺方法，其中，对铸钢进行热处理时采用的预处理工艺包括扩散退火步骤和正火步骤，所述的扩散退火步骤是将浇注后铸钢装炉加热至1050℃，保温时间每毫米2.5分钟，然后随炉冷到600℃后，出炉空冷；所述的正火步骤是将扩散退火后的铸钢装炉加热至920℃，保温时间每毫米2.5分钟，然后进行空冷，其中正火步骤的装炉温度应低于600℃。
所述的超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注的工艺方法，其中，所述的调质工艺包括淬火步骤和回火步骤，所述的淬火步骤是将预处理后的铸钢装炉加热至900℃，保温时间每毫米2.5分钟后，水冷处理，其中，淬火步骤的装炉温度应低于600℃；所述的回火步骤是将淬火步骤处理后的铸钢装炉加热至600～660℃，保温时间每毫米5～9分钟后，水冷处理，其中，回火步骤的装炉温度应低于600℃。
由于采用上述技术方案本发明取得如下显著的效果：
本发明通过多元微合金化复合成分设计，提高铸钢淬透性，利用固溶强化、相变强化及第二相强化等复合强化，以保证铸钢超高强度要求。选择AOD炉外精炼方法，并控制冶炼和浇注工艺，提高铸钢的冶金质量，以保证铸钢的韧性和焊接性。通过热处理，调整铸钢强度和韧性，以达到最佳匹配。所发明的铸钢屈服强度达到800MPa以上，延伸率15％以上，断面收缩率50％以上，-20℃V型缺口冲击功Akv 55J以上。根据铸钢的结构形式，模拟实际结构上铸钢件的焊接结构，采用奥氏体焊条焊接，选用刚性节点杯形管节抗裂性试验，在环境温度19℃，预热100℃的条件下，进行抗裂性试验，试验焊缝未产生裂纹，表明铸钢具有良好的焊接性。
具体实施方式；
为了解决现有技术中铸钢在提高强度时存在的强度与韧性和焊接性的矛盾，本发明推出了一种超高强度高韧性可焊接铸钢，其化学成分控制(按质量百分比，wt％)为：C：0.12/0.17、Si：0.10/0.50、Mn：0.8/1.2、S+P≤0.025、Ni：4.00/4.50、Cr：0.7/1.2、Mo：0.40/0.50、V：0.04/0.08、Cu：0.20/0.40、余量为铁。
本发明还推出了一种对超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注方法，其是采用电炉+AOD(氩氧联合脱碳)精炼设备的双联工艺冶炼，其具体步骤如下：
(1)采用废钢、铬铁、锰铁、硅铁、钒铁、电解镍、纯铜、钼铁、生铁等原料，用电炉熔化钢水，且控制C含量达到0.35％(wt)以上，并保证钢水温度在1750℃以上；
(2)将电炉熔化的钢水倒入AOD精炼炉，开始精炼，在整个精炼过程中，氩氧比例(Ar2∶O2)由1∶3-1∶1-3∶1逐渐过渡，精炼末期纯氩吹炼时间超过5分钟；
(3)待钢液化学成分达到要求后出钢浇注，出钢温度1650℃左右，浇注温度不超过1550℃，采用底注法浇注，铸型的设计应保证成品率不超过60％。
(4)最后对铸钢进行热处理：采用预处理+调质的工艺，见下面表2。
表2：铸钢热处理工艺
工艺   加热温度℃   保温时间min/mm 冷却方式   装炉温度℃
预处理   扩散退火 1050 2.5   炉冷到600℃后，出炉空冷 不限
  正火   920   2.5   空冷   ＜600
  调质   淬火   900   2.5   水冷   ＜600
  回火   600～660   5～9   水冷   ＜600
下面给出了几个具体实施例，以对本发明的技术方案进行详细的说明：
实施例一：铸钢的化学成分按重量百分比：wt％：C：0.17、Si：0.46、Mn：1.15、S：0.004、P：0.018、Ni：4.48、Cr：1.18、Mo：0.44、V：0.08、Cu：0.40、余铁。采用中频感应炉+AOD精炼的联合冶炼工艺，采用底注法浇注梅花棒试样、试板及典型铸件。按下表3工艺热处理。
表3：实施例一铸钢热处理工艺(630℃回火)
工艺   加热温度℃   保温时间min/mm 冷却方式   装炉温度，℃
扩散退火 1020 2.5   炉冷到600℃后，出炉空冷 室温
  正火   920   2.5   空冷   300
  淬火   900   2.5   水冷   350
  回火   630±5   7   水冷   350
铸钢性能见下表4：
表4：实施例一铸钢典型铸件的实际性能
  Rp，MPa   A，％   Z，％   -20℃ Akv，J   焊接性
835 17.5 54.0 89   采用A557焊条焊接，工艺良好，未不产生裂纹。
实施例二：铸钢成分、冶炼、浇注工艺同实施例一，按下表5工艺热处理(600℃回火)。
表5：实施例二铸钢热处理工艺(600℃回火)
工艺   加热温度℃   保温时间min/mm 冷却方式   装炉温度，℃
扩散退火 1020 2.5   炉冷到600℃后，出炉空冷 室温
  正火   920   2.5   空冷   240
  淬火   900   2.5   水冷   350
  回火   600±5   7   水冷   350
铸钢性能见下表6：
表6：实施例二铸钢典型铸件的实际性能
  Rp，MPa   A，％   Z，％   -20℃ Akv，J   焊接性
960 16.7 59.7 57   采用A557焊条焊接，工艺良好，不产生裂纹。
实施例三：铸钢成分、冶炼、浇注工艺同实施例一，按下表7工艺热处理(660℃回火)。
表7：实施例三铸钢热处理工艺(660℃回火)
工艺   加热温度℃   保温时间min/mm 冷却方式   装炉温度，℃
扩散退火 1020 2.5   炉冷到600℃后，出炉空冷 室温
  正火   920   2.5   空冷   300
  淬火   900   2.5   水冷   350
  回火   660±5   7   水冷   350
铸钢性能见下表8：
表8：实施例三铸钢典型铸件的实际性能
 Rp，MPa   A，％   Z，％   -20℃ Akv，J   焊接性
820 17.5 57.0 83   采用A557焊条焊接，工艺良好，未产生裂纹。
实施例四：铸钢的化学成分(下限)(按质量百分比，wt％)：C：0.12、Si：0.12、Mn：0.80、S：0.005、P：0.020、Ni：3.96、Cr：0.7、Mo：0.48、V：0.042、Cu：0.21、余铁。采用中频感应炉+AOD精炼的联合冶炼工艺，采用底注法浇注试板及典型铸件。按下表9的工艺热处理。
表9：实施例四铸钢热处理工艺
工艺   加热温度℃   保温时间min/mm 冷却方式   装炉温度，℃
扩散退火 1050 2.5   炉冷到600℃后，出炉空冷 室温
  正火   920   2.5   空冷   100
  淬火   900   2.5   水冷   250
  回火   630   7   水冷   250
铸钢性能见下表10：
表10：实施例四铸钢试板实际性能
 Rp，MPa   A，％   Z，％   -20℃ Akv，J   焊接性
845 18.0 63.0 82   采用A557焊条焊接，工艺良好，未产生裂纹。
实施例五：铸钢的化学成分(中限)(按质量百分比，wt％)：C：0.15、Si：0.34、Mn：0.95、S：0.002、P：0.012、Ni：4.25、Cr：0.91、Mo：0.43、V：0.062、Cu：0.34、余铁。采用中频感应炉+AOD精炼的联合冶炼工艺，采用底注法浇注试板及典型铸件。按下表11的工艺热处理。
表11：实施例五铸钢热处理工艺
工艺   加热温度℃   保温时间min/mm 冷却方式   装炉温度，℃
扩散退火 1050 2.5   炉冷到600℃后，出炉空冷 室温
  正火   920   2.5   空冷   100
  淬火   900   2.5   水冷   250
  回火   620   7   水冷   250
铸钢性能见下表12：
表12：实施例五铸钢试板实际性能
 Rp，MPa   A，％   Z，％   -20℃ Akv，J   焊接性
820 18.5 62.0 127   采用A557焊条焊接，工艺良好，未产生裂纹。
本发明如上所述的技术方案，通过多元微合金化复合成分设计，提高了铸钢淬透性，利用固溶强化、相变强化及第二相强化等复合强化，以保证铸钢超高强度要求。选择AOD炉外精炼方法，并控制冶炼和浇注工艺，提高铸钢的冶金质量，以保证铸钢的韧性和焊接性。通过热处理，调整铸钢强度和韧性，以达到最佳匹配。所发明的铸钢屈服强度达到800MPa以上，延伸率15％以上，断面收缩率50％以上，-20℃V型缺口冲击功Akv 55J以上。根据铸钢的结构形式，模拟实际结构上铸钢件的焊接结构，采用奥氏体焊条焊接，选用刚性节点杯形管节抗裂性试验，在环境温度19℃，预热100℃的条件下，进行抗裂性试验，试验焊缝未产生裂纹，表明铸钢具有良好的焊接性。

Claims (4)

1、一种超高强度高韧性可焊接铸钢，其特征在于：铸钢的化学成分配制比例，按质量百分比(wt％)为：  C：0.12～0.17；Si：0.10～0.50；Mn：0.8～1.2；S+P≤0.025；Ni：4.00～4.50；Cr：0.7～1.2；Mo：0.40～0.50；V：0.04～0.08；Cu：0.20～0.40；其余量为铁。
2、一种超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注的工艺方法，其特征在于：其是采用电炉+AOD氩氧联合脱碳精炼设备的双联工艺冶炼，其具体工艺步骤如下：
1)采用废钢、铬铁、锰铁、硅铁、钒铁、电解镍、纯铜、钼铁、生铁等原料，用电炉熔化钢水，且控制C含量不低于0.35％(wt)，并保证钢水温度高于1750℃；
2)将电炉熔化的钢水倒入AOD精炼炉，开始精炼，在整个精炼过程中，氩氧比例(Ar2∶O2)由1∶3-1∶1-3∶1逐渐过渡，精炼末期纯氩吹炼时间不少于5分钟；
3)待钢液化学成分达到要求后出钢浇注，出钢温度1650℃，浇注温度不超过1550℃，采用底注法浇注，铸型的设计应保证成品率不超过60％；
4)最后，采用预处理工艺和调质的工艺对铸钢进行热处理为成品铸钢。
3、如权利要求2所述的超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注的工艺方法，其特征在于：对铸钢进行所述的热处理时所采用的预处理工艺包括扩散退火步骤和正火步骤，所述的扩散退火步骤是将浇注后铸钢装炉加热至1050℃，保温时间每毫米2.5分钟，然后随炉冷到600℃后，出炉空冷；所述的正火步骤是将扩散退火后的铸钢装炉加热至920℃，保温时间每毫米2.5分钟，然后进行空冷，其中正火步骤的装炉温度应低于600℃。
4、如权利要求2所述的超高强度高韧性可焊接铸钢的冶炼及浇注的工艺方法，其特征在于：所述的调质工艺包括淬火步骤和回火步骤，所述的淬火步骤是将预处理后的铸钢装炉加热至900℃，保温时间每毫米2.5分钟后，水冷处理，其中，淬火步骤的装炉温度应低于600℃；所述的回火步骤是将淬火步骤处理后的铸钢装炉加热至600～660℃，保温时间每毫米5～9分钟后，水冷处理，其中，回火步骤的装炉温度应低于600℃。
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