CN101775555A - 一种锻件合金钢及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锻件合金钢及其制造工艺，该合金中含有下列成分：按重量计，碳的含量为0.25～0.35‰、锰的含量为0.3～1.5‰、硅的含量为0.8～1.2‰、铬的含量为2～5‰、镍的含量为1.0～3.5‰、钼的含量为0.4～0.6‰、铌的含量为0.02～0.10‰、钛的含量小于0.004‰、硫的含量小于0.002‰、磷的含量小于0.005‰。该制造工艺包括冶炼工艺、铸造工艺、锻造工艺和热处理工艺。通过改进合金钢中微量元素的成分及含量，以及改进锻件合金钢的制造工艺，以达到提高超高强度合金钢锻件的韧性，减少超高强度合金钢锻件疲劳强度/抗拉强度比值的下降程度，同时提高超高强度合金钢锻件的延迟断裂强度的目的。

Description

一种锻件合金钢及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种合金钢及其加工制造工艺，具体涉及一种用于锻件的合金钢及其加工工艺。

背景技术

众所周知，若提高零件的强度后，能够达到零部件乃至整机的结构轻量化，设备运行高效化，节能等一系列效果，而提高锻件的强度也能带来明显好处。由于锻件的尺寸一般较大，生产过程具有特殊性，在一定程度上效果更显著。

迄今为止，提高超高强度合金钢性能的难点是提高动、静疲劳性能。所谓动、静疲劳性能，分别指动态疲劳性能，即通常的疲劳性能和延迟断裂性能，即静态疲劳性能。如众所周知的抗拉强度超过一定值，通常为1200MPa，钢的疲劳强度饱和或下降，疲劳强度值趋于离散。例如将低温回火马氏体钢的抗拉强度由1000MPa提高至1500Mpa，其10⁷次的疲劳强度将由500MPa增加至700MPa，疲劳强度/抗拉强度的比值确由约0.5降低至约0.4。而对于超高强度大型锻件而言，由于目前没有办法提高合金钢轧材的所有工艺技术，尤其是难以实现加工中的热处理技术，在提高动、静疲劳性能的同时，仍需解决提高韧性的问题。该问题的解决有待本领域技术人员进一步的探讨、研究。

再有，目前锻件钢材若要提高其抗拉强度，就需要控制钢材中氢(H)的含量。因为在钢材中随着氢(H)含量的提高，其钢材的脆敏感性也将随之提高。例如常温、常压环境条件下，当钢材的抗拉强度由1000MPa提高至由1400MPa时，由氢(H)而引起的钢材进入脆性环境的临界强度，其氢(H)的含量，将由0.1ppm降至0.01ppm(百万分之一)。

由于积蓄在钢材内部氢(H)的扩散、或集中也会引起钢材脆性的变化，在上述情况下，当钢材承受静止断裂强度以下的拉应力负荷时，钢材也会突然发生断裂-即静疲劳-延迟断裂。如以某一静强度为界限，延迟断裂强度的急剧降低，也是影响钢材的高强度化中有待解决的又一个问题。例如4340钢的抗拉强度由1500MPa提高至1800MPa，其钢材在水中的100h延迟断裂强度将由1300MPa降低至700Mpa。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种用于锻造的合金钢，通过改进合金钢中微量元素的成分及含量，以及改进锻件合金钢的制造工艺，以达到提高超高强度合金钢锻件的韧性，减少超高强度合金钢锻件疲劳强度/抗拉强度比值的下降程度，同时提高超高强度合金钢锻件的延迟断裂强度的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案采用的是：一种锻件合金钢，其特征在于，所述合金中含有下列成分：按重量计，碳(C)的含量为0.25～0.35‰、锰(Mn)的含量为0.3～1.5‰、硅(Si)的含量为0.8～1.2‰、铬(Cr)的含量为2～5‰、镍(Ni)的含量为1.0～3.5‰、钼(Mo)的含量为0.4～0.6‰、铌(Nb)的含量为0.02～0.10‰、钛(Ti)的含量小于0.004‰、硫(S)的含量小于0.002‰、磷(P)的含量小于0.005‰。

其中，在所述合金钢中按重量计，将有害成分锡(Sn)+砷(As)+锑(Sb)的含量控制在小于0.02‰的范围，将氧(O)的含量控制在小于0.0015％的范围，将氢(H)的含量控制在小于0.8ppm的范围。

一种锻件合金钢的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、铸造工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，在所述冶炼工艺中采用电弧炉，并结合精炼及真空脱气工艺对所述合金钢进行冶炼；在所述铸造工艺中将上述冶炼后的合金钢采用氩(Ar)保护浇铸工艺铸造成棒料，同时将所述棒料直径与长度的定型比控制在小于1的范围内；所述锻造工艺是对上述铸造工艺中得到的铸件再进行锻造处理，在所述锻造工艺中选用双向施力锻压机与操作机相配合对所述铸件进行锻压处理；所述热处理工艺是将上述锻造后的工件经过三重淬火处理后，然再进行回火处理的加工工艺。

其中，所述电弧炉选用100吨的电弧炉，在所述电弧炉内依次添加铁水、废钢，或依次添加高炉生铁、废钢。

其中，在所述冶炼工艺中应控制氧的含量小于0.015％的范围，并使得合金钢中的铝(Al)、铌(Nb)脱氧。

其中，在所述锻造工艺中可选用6000吨～14000吨的锻压机进行锻压。

其中，所述锻造工艺应在终端温度以上较窄的范围内进行锻造，所述较窄的范围为大于870℃到小于950℃之间。

其中，所述三重淬火是将锻造后的工件分别加热到950℃、910℃、870℃后迅速冷却。

其中，将上述三重淬火后的所述锻件再进行亚临界淬火处理。

其中，所述回火处理的回火温度为280℃。

本发明的优点和有益效果在于：通过上述技术方案的实施完全可以达到达到提高超高强度合金钢锻件的韧性，减少超高强度合金钢锻件疲劳强度/抗拉强度比值的下降程度，同时提高超高强度合金钢锻件的延迟断裂强度的发明目的。

由于在上述的生产过程中减少非金属夹杂物，因此可获得较清净的基体和稳定的贝氏体+残余奥氏体组织。

以15～16吨的铸锭，生产直径D500mm的锻件为例，回火组织由外边至中心的有效晶粒尺寸可＜10um，通过上述锻造工艺可得到8％的薄膜状残余奥氏体夹持在贝氏体的条带之间，即可以得到理想的亚结构，残余奥氏体和位错贝氏体可以作为氢(H)的陷阱，用于抵消氢(H)原子的有害作用。由于在上述微量元素的配比及冶炼中有效地降低了磷(P)的含量，同时助长P晶界偏析的锰(Mn)也有所降低；再由于控制了锭型比(由于大锭凝固冷却缓慢，铌(Nb)的化合物晶粒会变得粗大，因为在锻件的大锭工艺中通常不使用铌(Nb)微合金化)，在合金钢中硫(S)、磷(P)的降低，有利于降低碳化铌(NbC)的晶体颗粒析出温度，实际上未产生大颗粒碳化铌(NbC)，碳化铌(NbC)的尺度为5～20nm；铝(Al)-铌(Nb)脱氧产物是以尺度50nm以下的细铌(Nb)氧化物为主。极细的铌碳化物和氧化物均可作为微细的第二相析出物，能起钉扎奥氏体晶界，阻止晶粒长大的作用。这些因素均有利于提高合金钢的韧性。

该合金钢棒料在由外向内二分之一半径处，其轴向的性能为：抗拉强度为1510～1550Mpa，室温下对V型缺口做冲击功试验75～130次，10⁷次旋转弯曲，其疲劳强度745～758MPa，疲劳强度/抗拉强度的比值0.6～0.5，在水中的100h延迟断裂强度1505～1545MPa。

以上试验数据达到了超高强韧、高疲劳强度合金钢锻件设计的目的。若将上述锻造工艺及热处理工艺反复进行多次，还可以进一步提高锻造合金钢的性能。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施的技术方案是：

本发明的实施方案之一是，设计一种用于锻件加工的合金钢，在该合金中含有下列成分：按重量计，将碳(C)的含量控制在0.25～0.35‰范围内、将锰(Mn)的含量控制在0.3～1.5‰范围内、将硅(Si)的含量控制在0.8～1.2‰范围内、将铬(Cr)的含量控制在2～5‰范围内、将镍(Ni)的含量控制在1.0～3.5‰范围内、将钼(Mo)的含量控制在0.4～0.6‰范围内、将铌(Nb)的含量控制在0.02～0.10‰范围内、控制钛(Ti)的含量应小于0.004‰范围内、控制硫(S)的含量应小于0.002‰范围内、控制磷(P)的含量应小于0.005‰范围内。

在上述实施方案之一的基础上，本发明较佳的技术方案还包括，在所述合金钢中按重量计，将有害成分锡(Sn)+砷(As)+锑(Sb)的含量控制在小于0.02‰的范围，将氧(O)的含量控制在小于0.0015％的范围，将氢(H)的含量控制在小于0.8ppm的范围。

本发明的实施方案之二是，设计一种锻件合金钢的制造工艺，在所述制造工艺中包括有冶炼工艺、铸造工艺、锻造工艺和热处理工艺，在所述冶炼工艺中一般是采用电弧炉冶炼，并且再结合精炼及真空脱气工艺对所述锻件合金钢进行冶炼；在所述铸造工艺中将上述冶炼后的合金钢采用氩(Ar)保护的方法，用浇铸工艺将合金钢熔液铸造成合金钢棒料，同时将所述棒料直径与长度的定型比控制在小于1的范围内；所述锻造工艺是对上述铸造工艺中得到的铸件再进行锻造处理，在所述锻造工艺中采用双向施力锻压机，同时与操作机相配合对所述铸件进行锻压处理；所述热处理工艺是将上述锻造后的工件经过三重淬火处理后，然再进行回火处理的加工工艺。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，所述电弧炉选用100吨的电弧炉，在所述电弧炉内依次添加铁水、废钢，或依次添加高炉生铁、废钢。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，在所述冶炼工艺中应控制氧的含量小于0.015％的范围，并使得合金钢中的铝(Al)、铌(Nb)脱氧。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，在所述锻造工艺中可选用6000吨～14000吨的锻压机进行锻压。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，所述锻造工艺应在终端温度以上较窄的范围内进行锻造，所述较窄的范围为大于870℃到小于950℃之间。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，所述三重淬火是将锻造后的工件分别加热到950℃后迅速冷却、再加热到910℃后迅速冷却、再加热到870℃后迅速冷却。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，将上述三重淬火后的所述锻件再进行亚临界淬火处理。

亚临界淬火就是将亚共析钢加热到(α+γ)两相区内某一温度，保温一段时间，随后用淬火介质冷却的淬火工艺。又称亚温淬火、临界区淬火。在普通淬火与回火之间增加一次或多次亚临界淬火，可获得马氏体与一定数量细小均匀分布的铁素体的混合组织。由普通淬火一亚温淬火高温回火组成的3段热处理工艺，可以抑制高温回火脆性，降低脆性转化温度，提高钢的强韧性。亚临界淬火使钢的性能发生上述有益变化，其原因可能是：α相的弥散分布减小了引起回火脆性的磷、锑和锡等杂质元8素在晶界上的偏聚程度；钢的晶粒细化；碳化物的弥散程度增加。

低合金焊接结构钢(18MnMoNb钢)在第一次完全淬火之后再经第二次亚临界淬火，可以获得均匀分布的粒状铁素体与细小马氏体的混合组织，再经600℃高温回火提高其韧性和塑性。对16Mn、16MnV钢也取得类似结果。亚临界淬火显著地提高了钢在：350℃时的热强性和塑性，改善了焊缝附近过热区的韧性，降低了脆性转化温度。对25Cr2Ni3Mo转子钢采用亚临界淬火，不仅可提高回火后的冲击韧性，降低回火脆性倾向和脆性转化温度，而且可以消除回火脆性状态下的晶间断裂倾向。此外，对45、40Cr、60Si2Mn钢进行亚临界淬火一回火时，亚临界淬火加热温度在Ac3以下5～10℃时，冲击韧性出现极大值；低于或高于此温度淬火时，冲击韧性值均较低。

在上述实施方案之二的基础上，本发明较佳的技术方案还包括有，所述回火处理的回火温度为280℃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锻件合金钢，其特征在于，所述合金中含有下列成分：按重量计，碳(C)的含量为0.25～0.35‰、锰(Mn)的含量为0.3～1.5‰、硅(Si)的含量为0.8～1.2‰、铬(Cr)的含量为2～5‰、镍(Ni)的含量为1.0～3.5‰、钼(Mo)的含量为0.4～0.6‰、铌(Nb)的含量为0.02～0.10‰、钛(Ti)的含量小于0.004‰、硫(S)的含量小于0.002‰、磷(P)的含量小于0.005‰。

2.如权利要求1所述的锻件合金钢，其特征在于，在所述合金钢中按重量计，有害成分锡(Sn)+砷(As)+锑(Sb)的含量小于0.02‰，氧(O)的含量小于0.0015％，氢(H)的含量小于0.8ppm。

3.一种锻件合金钢的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、铸造工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，在所述冶炼工艺中采用电弧炉，并结合精炼及真空脱气工艺对所述合金钢进行冶炼；在所述铸造工艺中将上述冶炼后的合金钢采用氩(Ar)保护浇铸工艺铸造成棒料，同时将所述棒料直径与长度的定型比控制在小于1的范围内；所述锻造工艺是对上述铸造工艺中得到的铸件再进行锻造处理，在所述锻造工艺中选用双向施力锻压机与操作机相配合对所述铸件进行锻压处理；所述热处理工艺是将上述锻造后的工件经过三重淬火处理后，然再进行回火处理的加工工艺。

4.如权利要求3所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，所述电弧炉为100吨的电弧炉，在所述电弧炉内依次添加铁水、废钢，或依次添加高炉生铁、废钢。

5.如权利要求4所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，在所述冶炼工艺中应控制氧的含量小于0.015％，并使合金钢中的铝(Al)、铌(Nb)脱氧。

6.如权利要求3所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，在所述锻造工艺中选用6000吨～14000吨的锻压机进行锻压。

7.如权利要求6所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，所述锻造工艺中在终端温度以上较窄的范围内进行锻造，所述较窄的范围为大于870℃到小于950℃之间。

8.如权利要求3所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，所述三重淬火是将锻造后的工件分别加热到950℃、910℃、870℃后迅速冷却。

9.如权利要求8所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，将上述三重淬火后的所述锻件再进行亚临界淬火处理。

10.如权利要求3所述的锻件合金钢的制造工艺，其特征在于，所述回火处理的回火温度为280℃。