CN100445411C - 含稀土元素的铸钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含稀土元素的铸钢，其化学成分重量百分比为：C：0.24%～0.32%，Si：1.0%～1.6%，Mn：1.0%～1.6%，Cr：0.2%～0.5%，Re：0.02%～0.10%，Ni≤0.05%，Mo≤0.01%，P≤0.03%，S≤0.03%，B≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质。其生产方法为：按所述除稀土元素外的各化学成分配比配投料，在常规的电炉中熔炼，脱氧、除渣后，再加入稀土合金元素，升温搅拌，静置捞渣，浇铸，最后进行淬火-回火热处理。本发明含稀土元素铸钢在符合质量和力学性能标准的基础上，成本相对低廉稳定；生产方法适用性广，能提高最后铸钢成品的质量和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种含稀土元素的铸钢。
背景技术
现有合金铸钢，如中国JB/ZQ4297合金铸钢标准中钢号为20CrMo、35CrMo、42CrMo等的铸钢，德国DIN 17205标准中钢号为GS-42CrMo4的铸钢，美国ASTM标准A148/A148M-1998中的115-95、130-115、135-125、150-135等结构用高强度铸钢等，为达到一定的质量和力学性能，添加了铬、镍、钼等贵金属元素，其中，铬、镍、钼的含量分别为0.4～1.2wt％、0.4～0.7wt％及0.15～0.3wt％。近两年来，由于国际上合金价格飙升，使铸钢件成本大幅度提高，导致供货厂家利润下降，甚至亏本。因此，在保证达到铸钢质量和力学性能标准的前提下，如何减少贵金属元素的合金加入量或是寻找它们的替代元素合金，从而降低生产成本，已成为一项迫切的研究课题。
稀土元素具有净化、变质等作用，目前为止，含稀土元素的铸钢在国内的应用已有不少，据申请人所知，稀土合金都是以“冲入法”加入钢液的，即钢液经过熔炼后，在浇注时，将稀土合金加入浇包中，再冲入钢液，然后浇铸。此法稀土合金和钢液不能有效地混合均匀，且加入稀土合金后会产生炉渣，不能除去，从而影响了最后铸钢成品的质量和力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本相对低廉稳定、质量和力学性能符合标准的含稀土元素的铸钢。
本发明的技术方案为：该含稀土元素的铸钢，其化学成分重量百分比为：C 0.24％～0.32％，Si 1.0％～1.6％，Mn 1.0％～1.6％，Cr0.2％～0.5％，RE0.02％～0.10％，Ni≤0.05％，Mo≤0.01％，P≤0.03％，S≤0.03％，B≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明含稀土元素的铸钢，其化学成分重量百分比的优选为：C 0.25％～0.30％，Si1.1％～1.4％，Mn 1.1％～1.4％，Cr 0.3％～0.4％，RE 0.02％～0.05％，Ni≤0.05％，Mo≤0.01％，P≤0.03％，S≤0.03％，B≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明含稀土元素的铸钢，其化学成分按如下目的进行设计：
力学性能要求达到强度与塑性、韧性的良好匹配，碳的含量是首选，含碳量越高，钢的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差。本发明选择中碳的下限为宜，故而我们选用0.24～0.32wt％。
硅和锰可以提高钢的硬度和强度，从而提高钢的屈服强度和抗拉强度。在调质状态下，硅和锰在含量1～2wt％时，并不降低其塑性，甚至能使塑性和冲击韧性有所提高。另外，硅和锰在铸钢熔炼时又是一种良好的脱氧剂。锰还可以增加钢的淬透性，因而可以使截面较大的工件获得较均匀细化的组织，从而减少截面不同部分在力学性能上的差异。硅和锰的复合交互作用，更是起到改善组织，提高力学性能的目的。硅、锰的价格又相对较低，这就是我们选用硅锰为主要合金元素的原因。本发明铸钢中硅和锰的量为1.0～1.6wt％。
加入微量的铬，目的在于稍微提高钢的淬透性和回火稳定性，也起到合金元素之间的交互作用。目前铬的加入量多为0.20～0.50wt％，对成本提高不多。
硫是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性；磷能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性。因此，本发明控制硫和磷的含量均≤0.03wt％。
钼可提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和矫顽力；镍能提高钢的强度和韧性，提高淬透性.含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力。此两者均属贵金属，价格较高，本发明目的就在于降低铸钢成本，因此，不用或尽量减少对钼及镍的使用，而采用稀土元素对其进行替代。本发明控制镍的含量在0～0.05wt％之间，钼的含量0～0.01wt％之间，相对于现有标准中的镍、钼含量降低了一个数量级。
稀土合金以微量元素加入，但在熔炼过程中却起到很有益的作用，具体作用为：(1)净化作用，脱氧、去氮，降低铸钢中气体含量，减少非金属夹杂物；(2)变质作用；(3)控制夹杂形态；(4)微合金化作用。本发明铸钢中稀土的量控制在0.02～0.10wt％。
本发明的含稀土元素的铸钢，其所述化学成分中还可以含有B，重量百分比为0～0.003％。加硼的目的在于提高钢的淬透性。
本发明含稀土元素的铸钢其生产方法为：按所述除稀土元素外的各化学成分配比配投料，在常规的电炉中熔炼，脱氧、除渣后，再加入稀土合金元素，升温搅拌，静置捞渣，浇铸，最后进行热处理。
本发明含稀土元素的铸钢采取的生产方法，其具体步骤如下：
1)按照配方调整好除稀土元素以外的合金元素成分，按照常规的熔炼操作投料；
2)炉温升至1600℃～1650℃进行熔炼，对钢水进行充分脱氧和除渣；
3)加入稀土合金：在确认钢液表面无炉渣时，加入稀土合金元素，并立即用除渣剂覆盖钢液表面；
4)升温搅拌：中频炉继续加热2～5分钟，炉温升到1650～1680℃，将钢水搅拌，使之成分均匀分布；
5)静置捞渣：中频炉停止加热，静置2～3分钟，彻底清除新形成的炉渣；
6)浇铸；
7)热处理：880℃加热淬火后回火，回火温度450～650℃。
其中，步骤2)中所述的脱氧工艺可以采用铝脱氧或非铝脱氧，步骤3)中所述的除渣剂可以为铝，步骤6)中所述的浇铸温度此都属于现有常用技术，在此不再详述。
本发明在钢液熔炼炉中加入稀土合金，相对于已有的“冲入法”，经过充分“静置”和“捞渣”后再进行浇铸，能更好的改变夹杂物形态，提高力学性能。
本发明含稀土元素的铸钢的生产方法中，稀土合金元素优选以稀土硅铁合金形式加入，稀土硅铁合金的合金牌号为FeSiRE29，此合金稀土含量为27～30％，硅含量小于42％。其加入量按本发明的化学成分的配比进行计算。也可以采用其他现有的稀土合金，只要不会引入其他不必要的元素或杂质即可。
本发明热处理是在880℃加热淬火后采用不同的回火温度回火。同一配方的合金经过热处理后，可以得到一系列不同的力学性能，能分别达到不同牌号标准性能的铸钢，适用性很广。
相比于现有技术，本发明的含稀土元素的铸钢添加了稀土元素，减少贵金属钼和镍元素的合金加入量或是直接对其进行替代，从而降低了生产成本，使成本相对低廉稳定，同时，质量和力学性也都能符合标准。另外，本发明的含稀土元素的铸钢的生产方法适用性广，稀土合金和钢液能有效地混合均匀，且加入稀土合金后产生的炉渣能及时除去，可以充分发挥稀土元素的作用，提高最后铸钢成品的质量和力学性能。
具体实施方式
以下结合实施例对发明作进一步详细描述：
表1列出了本发明5个铸钢实施例成分配方。
表1本发明5个铸钢实施例成分配方(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | RE |
| 1 | 0.287 | 1.36 | 1.36 | 0.014 | 0.013 | 0.37 | 0.01 | 0.05 | 0.033 |
| 2 | 0.288 | 1.17 | 1.36 | 0.012 | 0.012 | 0.35 | 0.00 | 0.04 | 0.035 |
| 3 | 0.276 | 1.39 | 1.20 | 0.019 | 0.018 | 0.31 | 0.01 | 0.03 | 0.053 |
| 4 | 0.280 | 1.33 | 1.20 | 0.023 | 0.024 | 0.36 | 0.00 | 0.03 | 0.020 |
| 5 | 0.283 | 1.22 | 1.16 | 0.020 | 0.021 | 0.37 | 0.00 | 0.03 | 0.034 |
本发明含稀土元素的铸钢的生产方法，其步骤如下：
1)按照配方调整好除稀土元素以外的合金元素成分，按照常规的熔炼操作投料；
2)炉温升至1600～1650℃进行熔炼，对钢水进行充分脱氧和除渣；
3)加入稀土合金：在确认钢液表面无炉渣时，加入稀土合金元素，并立即用除渣剂覆盖钢液表面；
4)升温搅拌：中频炉继续加热2～5分钟，炉温升到1650～1680℃，将钢水搅拌，使之成分均匀分布；
5)静置捞渣：中频炉停止加热，静置2～3分钟，彻底清除新形成的炉渣；
6)浇铸，制造厚度小于40毫米的铸钢件；
7)热处理：880℃加热淬火后回火，回火温度450～650℃。
其中，步骤2)中所述的脱氧工艺可以采用铝脱氧或非铝脱氧，步骤3)中所述的除渣剂可以为铝，步骤6)中所述的浇铸温度此都属于现有常用技术，在此不在详述。
所述稀土合金元素优选以稀土硅铁合金形式加入，稀土硅铁合金的合金牌号为FeSiRe29，此合金稀土含量为27～30％，硅含量小于42％。其加入量按本发明的化学成分的配比进行计算。
表2列出了此5个铸钢实施例成分配方在不同的热处理工艺下的性能参数。作为对比，我们也在表3、表4、表5中分别列出了中国JB/ZQ4297合金铸钢标准中钢号为20CrMo、35CrMo、42CrMo的铸钢、德国DIN 17205标准中钢号为GS-42CrMo4的铸钢、美国ASTM标准A148/A148M-1998中的115-95、130-115、135-125、150-135等结构用高强度铸钢的性能参数。
表2本发明5个铸钢实施例成分配方在不同的热处理工艺下的性能参数
表3中国JB/ZQ4297合金铸钢标准中部分钢号的铸钢的性能参数
表4德国DIN 17205标准中钢号为GS-42CrMo4的铸钢的性能参数
表5美国ASTM A148/A148M-1998标准中部分结构用高强度铸钢的性能参数
从以上数据看，按照本发明实施例的配方和生产方法生产出来的铸钢，其性能参数都能达到各标准规定的数值，说明本发明的含稀土元素的铸钢完全能替代这些标准中含有较高铬、镍、钼的合金铸钢。
本发明必要时再加入硼，加入量为0～0.003wt％，可提高钢的淬透性，可以制造更大厚度的铸钢件。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1、一种含稀土元素的铸钢，其化学成分重量百分比为：C 0.24％～0.32％，Si 1.0％～1.6％，Mn 1.0％～1.6％，Cr 0.2％～0.5％，RE 0.02％～0.10％，Ni≤0.05％，Mo≤0.01％，P≤0.03％，S≤0.03％，B≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的含稀土元素的铸钢，其化学成分重量百分比为：C 0.25％～0.30％，Si 1.1％～1.4％，Mn 1.1％～1.4％，Cr 0.3％～0.4％，RE 0.02％～0.05％，Ni≤0.05％，Mo≤0.01％，P≤0.03％，S≤0.03％，B≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
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