CN101845592B - 低合金铸钢及其冶炼、热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低合金铸钢，低合金铸钢具有如下的化学成分：碳0.17-0.22％、硅0.20-0.60％、锰0.90-1.20％、镍0.30-0.50％，钒0.13-0.17％，铜小于等于0.30％，磷小于等于0.030％、硫小于等于0.030％，余量为铁和不可避免的杂质。该铸钢采用电弧炉氧化还原法或感应炉重熔法进行冶炼浇注，经正火+回火热处理后力学性能达到：抗拉强度大于等于600MPa，屈服强度大于等于400MPa，延伸率大于等于23％，断面收缩率不小于35％，布氏硬度为163-250HB。具有比普通碳素钢更好的综合机械性能。并且具有成分容易控制、合金增添少、生产成本低、冶炼工艺简单、可焊性好、铸造工艺性能优良，从而更有利于工业化应用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低合金铸钢，尤其是一种动车组车钩用铸钢，同时还涉及其冶炼、热处理方法，属于冶金材料技术领域。
背景技术
随着铁路快速发展，需要实现客运高速化、快速化、轻量化，货运重载化、快捷化。车钩作为铁路动车组连接系统的重要部件，其质量性能直接影响着动车组的各项性能指标，连接系统的优劣直接影响了动车组的安全性和舒适性。
申请号为200610017797.1的中国专利申请公开了一种超高强度高韧性可焊接铸钢，其化学成分为：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。
由于其中合金的添加量多且种类多，计算焊接碳当量较高，且容易出现较明显的缩松缩孔倾向，后续的热处理工艺也较为复杂繁琐，不能满足动车组车钩的要求。可以说，动车组用车钩铸钢材料一直是研究设计的重点和难点，据申请人了解，至今尚无合适的材料可以借用。
发明内容
本发明的目的是提供一种低合金铸钢，该钢种能够满足动车组用车钩性能的要求。同时也可以用于其他铁路部件和其他工程领域。
为达到上述目的，按照本发明的低合金铸钢化学成分质量百分比为：碳0.17-0.22％、硅0.20-0.60％、锰0.90-1.20％、镍0.30-0.50％、钒0.13-0.17％、铜小于等于0.30％、磷小于等于0.030％、硫小于等于0.030％，余量为铁和不可避免的杂质。
所述的低合金铸钢的冶炼方法，按以下的电弧炉氧化还原法步骤冶炼：
步骤一、加料——将废弃的碳素钢清洁、除锈后，与镍同时加入电弧炉内；
步骤二、氧化——待电弧炉内熔池温度达到1560℃时，加入铁矿石，通入氧气氧化，保持均匀沸腾、自动流渣、及时补加渣料；当碳量降至0.15-0.19％、熔池温度达到1600℃，扒除氧化渣，进入还原期；
步骤三、还原——加入碳粉进行还原，并按化学成分质量百分比控制加入铁-锰、铁-钒以及铁-硅合金；
步骤四、出钢——待化学成分达到要求后，在不低于1600℃时出钢。
所述的低合金铸钢的冶炼方法，在所述步骤一中，熔清碳应保证氧化期脱碳量≥0.30％(宜控制在0.30％-0.60％范围)，不足时配加碳粉。
所述低合金铸钢的冶炼方法，在所述步骤三中，加入碳粉的总量为3-4kg/吨钢。
所述低合金铸钢的冶炼方法，在所述步骤三，铁-锰、铁-钒以及铁-硅合金温度经烘烤(烘烤温度为300-500℃)后加入。
上述低合金铸钢的热处理方法包括，升温至900-960℃后保温3-5小时，然后自然冷却或吹风冷却至常温，然后再升温至600-650℃后保温3-4小时，再冷却。经正火+回火处理后，本发明的低合金铸钢力学性能至少可以达到：抗拉强度大于等于600MPa，屈服强度大于等于400MPa，延伸率大于等于23％，断面收缩率不小于35％，布氏硬度为163-250HB。
本发明仅增添了合金元素钒和镍，总体上合金的添加量较少，因此计算焊接碳当量很小，具有更出色的焊接性能；缩松缩孔的倾向也较小，具有更好的铸造工艺性；且热处理方法简便，只需进行简单的正火+回火即可，十分适合用于铸造诸如高速动车组用车钩等铁路部件。
200610017797.1不仅加入的合金元素种类比较多(Ni、Cr、Mo、V等)，同时合金元素添加量也较多，Ni达到了4.0-4.5％，Cr达到了0.7-1.2％，Mo达到了0.40-0.50％，从而使得其在冶炼过程中的成分控制非常困难、冶炼工艺复杂、生产成本高。而本发明由于添加合金的种类和含量都较少，只需添加两种合金元素钒和镍，因此，冶炼工艺和操作都很简便、生产成本低，而且可焊性好。
同时，200610017797.1对杂质元素硫(S)、磷(P)要求控制严格，硫(S)和磷(P)的总含量小于等于0.025％，这给工业冶炼控制带来很大难度，需要采用电炉+AOD精炼炉双联工艺冶炼，工业应用范围相对较窄，而本发明对杂质元素硫(S)、磷(P)要求控制比较宽松，P，S含量只需分别控制小于等于0.030％即可，普通电弧炉和中频感应电炉即可生产，适用面更广，从而有利于工业化实施和推广；此外，200610017797.1的热处理工艺复杂繁琐，推广面小，适用性差。
因此，本发明与现有技术相比，不仅可焊性好、铸造工艺性能优良，而且具有成分容易控制、合金增添少、生产成本低、冶炼及热处理工艺简单、便于工业化应用等优点。十分适合用作动车组车钩用铸钢。
附图说明
图1为正火温度对本发明抗拉、屈服强度及布氏硬度关系图。
图2为正火温度对本发明塑性的关系图。
图3为回火温度对本发明抗拉、屈服强度的关系图。
图4为回火温度对本发明塑性的关系图。
图5为本发明正火+回火后的金相组织放大100倍时的图片。
图6为本发明正火+回火后的金相组织放大500倍时的图片。
具体实施方式
本发明实施例1至9的低合金铸钢化学成分见表1，相应的热处理后机械性能见表2。
表1化学成分质量(％)，其余为Fe
| 序号 | C | Si | Mn | P | S | Ni | V | Cu |
| 1 | 0.18 | 0.28 | 1.06 | 0.014 | 0.014 | 0.42 | 0.14 | 0.10 |
| 2 | 0.17 | 0.34 | 0.93 | 0.020 | 0.017 | 0.40 | 0.13 | 0.05 |
| 3 | 0.17 | 0.38 | 1.01 | 0.020 | 0.020 | 0.37 | 0.15 | 0.15 |
| 4 | 0.19 | 0.45 | 1.04 | 0.017 | 0.015 | 0.34 | 0.15 | 0.20 |
| 5 | 0.19 | 0.45 | 1.04 | 0.022 | 0.026 | 0.35 | 0.17 | 0.10 |
| 6 | 0.19 | 0.42 | 1.00 | 0.026 | 0.023 | 0.35 | 0.16 | 0.13 |
| 7 | 0.21 | 0.48 | 1.15 | 0.015 | 0.007 | 0.45 | 0.13 | 0.22 |
| 8 | 0.21 | 0.58 | 1.00 | 0.016 | 0.008 | 0.46 | 0.15 | 0.08 |
| 9 | 0.22 | 0.34 | 1.00 | 0.015 | 0.008 | 0.35 | 0.13 | 0.12 |
以上实施例的低合金铸钢可采用常规方法冶炼后浇注。也可以以废钢为原料，按以下的电弧炉氧化还原法冶炼浇注：
(1)加料——将废弃的碳素钢清洁、除锈后，与镍同时加入电弧炉内，熔清碳应保证氧化期脱碳量≥0.30％，不足时配加碳粉(粒度控制在20目以下)，碳素钢块度宜控制在约200x200x200毫米、装料应密实；
(2)氧化——采用矿石氧化法或矿石、氧气氧化法，待电弧炉内熔池温度达到1560℃时，通入氧气氧化(应保持均匀沸腾、自动流渣、及时补加渣料)，当碳量降至0.15-0.19％、熔池温度达到1600℃时，扒除氧化渣，进入还原期；
(3)还原——加入碳粉(粒度宜控制在20目以下)进行还原，(碳粉总量通常为3-4kg/吨钢，造白渣)，并按化学成分质量百分比控制加入Fe-Mn，Fe-V以及Fe-Si合金；
(4)出钢——待化学成分达到要求后，在温度不低于1600℃时出钢；
(5)浇注——钢水温度控制在不低于1550℃进行浇注，较好的浇注温度范围为1550-1590℃。
Fe-Mn，Fe-V以及Fe-Si合金在加入钢水前宜进行烘烤，一般烘烤至300-500℃即可。主要目的是缓冲所加入的合金和高温钢水之间的温差，防止高温钢水温差波动太大及湿气的带入。显然，相对于200610017797.1冶炼工艺，本实施例采用的冶炼工艺简单，所用的设备也简单，只需普通电弧炉冶炼，无需采用AOD精炼炉精炼处理，因而更便于工业化应用。而且采用以上方法可以废钢利用，有利于进一步降本增效。
表2 机械性能
| 序号 | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率％ | 断面收缩率％ | 布氏硬度HB |
| 1 | 620 | 450 | 30.0 | 57.0 | 175 |
| 2 | 610 | 445 | 29.0 | 58.5 | 182 |
| 3 | 610 | 460 | 29.0 | 57.0 | 183 |
| 4 | 610 | 445 | 30.0 | 60.5 | 191 |
| 5 | 690 | 475 | 25.0 | 52.0 | 207 |
| 6 | 635 | 425 | 25.5 | 53.5 | 196 |
| 7 | 660 | 495 | 26.0 | 54.0 | 209 |
| 8 | 630 | 465 | 28.0 | 56.5 | 195 |
| 9 | 690 | 500 | 26.5 | 54.5 | 211 |
对上述实施例在800-1100℃范围内进行正火热处理试验表明，正火温度对本低合金铸钢力学性能的影响见图1和图2。
由图1、图2可知，随正火温度的提高，上述实施例的强度略有提高，而塑性先升后降，在900-960℃范围内正火，上述实施例的力学性能均能满足车钩力学性能要求，即抗拉强度大于等于600MPa，屈服强度大于等于400MPa，延伸率大于等于23％，断面收缩率不小于35％，布氏硬度在163-250HB。因此，选择此温度范围作为正火温度控制范围。
上述实施例在不同的回火温度下测定对材料的力学性能的影响如下图3和图4所示，从图中可以看出随着回火温度的升高，其抗拉强度、屈服强度、先升后降，而强度在回火温度为600～650℃处于峰值，进一步的升高回火温度，强度不断降低。而延伸率和断面收缩率随着回火温度的升高而不断提高，在550～600℃回火时延伸率处于23％，处于该材料塑性下限。进一步提高回火温度塑性提高不明显，在温度到600～650℃时材料塑性达到一个较优化的状态。
上述实施例经正火+回火处理后的金相组织为铁素体+珠光体组织，具体形态见图5、图6。
采用上述实施例制造的动车组密接车钩，对其实物进行了实物拉伸和压缩试验，其结果如下所示：动车组用车钩实物承受最大拉力为1679KN，在凸起部位尾端发生断裂。符合300KM/h及以上动车组用密接式车钩的拉伸性能要求。动车组用车钩实物承受最大压力为3298KN，销子发生断裂，试样未断裂。符合300KM/h及以上动车组用密接式车钩的压缩性能要求。
上述实施例由于添加了合金元素钒及镍，使得晶粒细化，珠光体含量增加，强度等级大大提高，而塑性没有降低，具有优良的综合力学性能；由于上述实施例添加的合金元素种类、数量都较少，焊接碳当量较低，具有优良的可焊性和铸造工艺性能，便于该材料在铁路工业以及其他工程领域的应用；上述实施例仅添加了合金元素V和Ni，制造成本比较低，几乎与普通碳素钢相差无几，便于工业应用时降低生产成本，可以进一步扩大其应用领域。本采用正火+回火热处理之后具有更好的综合机械性能，特别适合用于铸造诸如高速动车组用车钩等铁路部件。
Claims (7)
1.一种低合金铸钢，其化学成分质量百分比为：碳0.17-0.19％、硅0.20-0.60％、锰0.93-1.20％、镍0.34-0.50％、钒0.13-0.17％、铜0.05-0.20％、磷小于等于0.030％、硫小于等于0.030％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述低合金铸钢的冶炼方法，其特征在于按以下的电弧炉氧化还原法步骤冶炼：
步骤一、加料——将废弃的碳素钢清洁、除锈后，与镍同时加入电弧炉内；
步骤二、氧化——待电弧炉内熔池温度达到1560℃时，加入铁矿石，通入氧气氧化，保持均匀沸腾、自动流渣、及时补加渣料；当碳量降至0.15-0.19％、熔池温度达到1600℃，扒除氧化渣，进入还原期；
步骤三、还原——加入碳粉进行还原，并按化学成分质量百分比控制加入铁-锰、铁-钒以及铁-硅合金；
步骤四、出钢——待化学成分达到要求后，在不低于1600℃时出钢。
3.根据权利要求2所述低合金铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤一中，熔清碳应保证氧化期脱碳量≥0.30％，不足时配加碳粉。
4.根据权利要求3所述低合金铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤三中，加入碳粉的总量为3-4千克/吨钢。
5.根据权利要求4所述低合金铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤三，铁-锰、铁-钒以及铁-硅合金经烘烤后加入。
6.根据权利要求5所述低合金铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述烘烤温度为300-500℃。
7.根据权利要求1所述低合金铸钢的热处理方法，其特征在于：将其升温至900-960℃后保温3-5小时，然后自然冷却或吹风冷却至常温，然后再升温至600-650℃后保温3-4小时，再冷却。
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