CN100999800A - 含稀土元素的铸钢及其生产方法 - 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％，Si1.0％～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及其生产方法。
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DIN17205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。
本发明的另一目的在于提供适用性广、能提高最后铸钢成品的质量和力学性能的含稀土元素的铸钢的生产方法。
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：C0.24％～0.32％，Si1.0％～1.6％，Mn1.0％～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：C0.25％～0.30％，Si1.1％～1.4％，Mn1.1％～1.4％，Cr0.3％～0.4％，Re0.02％～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DIN17205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
| 实施例 | 回火温度 | 硬度HB | 抗拉强度/Mpa | 屈服强度/Mpa | 伸长率(％) | 收缩率(％) | 冲击值/J |
| 1 | 640℃ | 266 | 834 | 676 | 19.6 | 42.5 | 70 |
| 600℃ | 285 | 926 | 791 | 17.6 | 34 | 48 | |
| 580℃ | 302 | 960 | 838 | 14.2 | 25.8 | 30 | |
| 2 | 530℃ | 318 | 976 | 852 | 14 | 32 | 38 |
| 500℃ | 336 | 1044 | 924 | 13.4 | 29.6 | 46 | |
| 460℃ | 360 | 1159 | 1069 | 10.4 | 27 | 32 | |
| 3 | 640℃ | 259 | 880 | 746 | 16.8 | 36 | -- |
| 580℃ | 308 | 1014 | 932 | 13.2 | 27.7 | -- | |
| 4 | 640℃ | 257 | 864 | 755 | 17.4 | 34.6 | -- |
| 580℃ | 302 | 1009 | 933 | 12.2 | 25.7 | -- | |
| 530℃ | 308 | 1005 | 909 | 14.2 | 32.6 | -- | |
| 5 | 640℃ | 257 | 862 | 728 | 15.8 | 32 | -- |
| 580℃ | 314 | 982 | 864 | 12.4 | 26.9 | -- |
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
| 钢号Grade | 热处理类型 | 力学性能(不小于) | 硬度HBS | ||||
| 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率(％) | 断面收缩率(％) | 冲击值Akv/J | |||
| ZG35CrMo | 调质 | 740～880 | 510 | 12 | -- | 27 | -- |
| ZG42CrMo | 调质 | 690～830 | 490 | 11 | -- | 21 | 200～250 |
| ZG20CrMo | 调质 | 460 | 245 | 18 | 30 | 24 | -- |
表4德国DIN17205标准中钢号为GS-42CrMo4的铸钢的性能参数
| 钢号 | 产品厚度(mm) | 力学性能(不小于) | |||
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 伸长率(％) | 冲击值Akv/J | ||
| GS-42CrMo4 | ≤50 | 650 | 780～930 | 14 | 35 |
| ≤50 | 800 | 900～1100 | 10 | 27 | |
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
| 钢号Grade | 旧钢号 | 热处理类型 | 化学成份(质量分数)％ | 力学性能(不小于) | ||||
| P≤ | S≤ | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率(％) | 断面收缩率(％) | |||
| 795-655 | 115-95 | 调质 | 0.05 | 0.06 | 795 | 655 | 14 | 30 |
| 895-795 | 130-115 | 调质 | 0.05 | 0.06 | 895 | 795 | 11 | 25 |
| 930-860 | 135-125 | 调质 | 0.05 | 0.06 | 930 | 860 | 9 | 22 |
| 1305-930 | 150-135 | 淬火+回火 | 0.05 | 0.06 | 1035 | 930 | 7 | 18 |
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 (6)
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。
3、一种含稀土元素的铸钢的生产方法，其特征在于：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。
4、根据权利要求3所述的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；
7)热处理：880℃加热淬火后回火，回火温度450～650℃。
5、根据权利要求4所述的含稀土元素的铸钢的生产方法，其特征在于：所述稀土合金元素以稀土硅铁合金形式加入。
6、根据权利要求5所述的含稀土元素的铸钢的生产方法，其特征在于：所述稀土硅铁合金为合金牌号为FeSiRe29的合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Owner name: YINZHOU CULTURAL AND EDUCATIONAL PRECISION FOUNDR Free format text: FORMER OWNER: NINGBO WANGUAN INVESTMENT CASTING CO., LTD. Effective date: 20080704 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20080704 Address after: The postcode of Chao Ying Qiao, Yunlong Town, Ningbo, Zhejiang, Yinzhou District: 315135 Applicant after: Jinzhou culture and education precision casting Co., Ltd., Ningbo Address before: Postcode of Lotus Bridge, Yunlong Town, Ningbo, Zhejiang, Yinzhou District 315137, China Applicant before: Ningbo Wanguan Investment Casting Co.,Ltd. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NINGBO WANGUAN INVESTMENT CASTING CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: YINZHOU CULTURAL AND EDUCATIONAL PRECISION FOUNDRY WORKS, NINGBO CITY Effective date: 20090410 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20090410 Address after: Lotus Bridge, Yunlong Town, Ningbo, Zhejiang, Yinzhou District Patentee after: Ningbo Wanguan Investment Casting Co.,Ltd. Address before: Facing the bridge of Yunlong Town, Ningbo, Zhejiang, Yinzhou District Patentee before: Jinzhou culture and education precision casting Co., Ltd., Ningbo |
|
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081224 Termination date: 20131231 |