CN102586677A

CN102586677A - 一种低碳低合金钢及其制备方法

Info

Publication number: CN102586677A
Application number: CN2012100811214A
Authority: CN
Inventors: 孙伟; 薛会锋; 温宇
Original assignee: Sany Heavy Equipment Co Ltd
Current assignee: Sany Heavy Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明提供了一种低碳低合金钢，包括：0.08wt％～0.30wt％的C，1.0wt％～3.0wt％的Mn，0.3wt％～1.5wt％的Si，0.3wt％～1.5wt％的Mo，0.03wt％～0.05wt％的RE，大于零，小于等于0.005wt％的B，0～0.007wt％的S，0～0.011wt％的P和余量的Fe。本发明还提供了上述低碳低合金钢的制备方法。本发明添加了Mn、Si、Mo和B等合金元素，并且通过对热处理工艺进行调整，使低碳低合金钢具有较高强度的同时提高了其冲击韧性，从而获得了强度和冲击韧性都较高的综合机械性能良好的低碳低合金钢材料。

Description

一种低碳低合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种低碳低合金钢及其制备方法。

背景技术

低碳低合金钢是重要的工程结构材料之一，相对于同类碳素钢，其具有强度高，塑性韧性好，焊接性能优异和耐腐蚀性好等优点，被广泛应用于压力容器、船舶、桥梁、建筑结构和汽车工业等领域。低碳低合金钢的性能取决于其化学成分和制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳低合金钢最重要的性能指标，低碳低合金钢的性能最终取决于钢的显微组织。

自20世纪20年代末，E.C.Bain首次发现贝氏体组织以来，国内外材料学工作者开始致力于贝氏体组织和贝氏体相变理论的研究。近年来，贝氏体相变理论的研究和实际应用取得了重大进展，研究者研发出一系列空冷贝氏体钢种。空冷贝氏体钢具有成分简单、可空冷自硬、变形开裂倾向小和成本低的优点。近年来，空冷贝氏体低碳低合金钢的制备工艺越来越受到人们的关注。

现有技术提供了多种空冷贝氏体低碳低合金钢的制备方法，例如公开号为101104906A的中国专利公开了一种低碳贝氏体钢及其制备方法。该专利公开的低碳贝氏体钢包括：0.12wt％～0.43wt％的C，1.0wt％～2.6wt％的Mn，1.0wt％～2.0wt％的Si，0～0.8wt％的Cr，0～0.05wt％的P，0～0.05wt％的S和余量的Fe；其热处理工艺为：(1)将上述成分的原料熔炼，熔炼温度为1500℃～1600℃，原料熔化后电磁搅拌，浇铸，浇铸温度为1500℃～1580℃；(2)利用工件浇铸时的余热进行淬火处理，淬火温度为880℃～940℃，淬火液为碱性水溶液，pH值为9～14，密度为1.00g/cm³～1.65g/cm³，淬火后得到低碳贝氏体钢。此专利的低碳贝氏体钢通过调节合金元素Cr、Mn和Si的含量，同时采用了利用工件浇铸时的余热进行热处理的方法，获得了下贝氏体和马氏体的混合组织，该钢种的抗拉强度虽然得到了提高，但是其冲击韧性仍然非常低。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种低碳低合金钢及其制备方法，由该方法制备的低碳低合金钢具有较高的强度和冲击韧性。

有鉴于此，本发明公开了一种低碳低合金钢，包括：

0.08wt％～0.30wt％的C；

1.0wt％～3.0wt％的Mn；

0.3wt％～1.5wt％的Si；

0.3wt％～1.5wt％的Mo；

0.03wt％～0.05wt％的RE；

大于零，小于等于0.005wt％的B；

0～0.007wt％的S；

0～0.011wt％的P；

余量的Fe。

优选的，所述C的含量为0.08wt％～0.15wt％。

优选的，所述Mn的含量为1.0wt％～1.2wt％。

优选的，所述Si的含量为0.3wt％～1.0wt％。

优选的，所述Mo的含量为0.3wt％～0.6wt％。

本发明还公开了一种低碳低合金钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到低碳低合金钢铸锭：

0.08wt％～0.30wt％的C，1.0wt％～3.0wt％的Mn，0.3wt％～1.5wt％的Si，0.3wt％～1.5wt％的Mo，0.03wt％～0.05wt％的RE，大于零，小于等于0.005wt％的B，0～0.007wt％的S，0～0.011wt％的P和余量的Fe；

b)、将所述低碳低合金钢铸锭进行热处理，具体为：

b01)、加热至900℃～980℃进行预正火处理；

b02)、将步骤b01)得到的低碳低合金钢铸锭加热至900℃～950℃进行二次正火处理；

b03)、将步骤b02)得到的低碳低合金钢铸锭加热至200℃～240℃进行回火处理，得到低碳低合金钢。

优选的，步骤a)中所述铸造具体为：

将碳、钼铁和铁加入熔炼炉中，然后向所述熔炼炉中加入硅、锰、稀土和硼铁，得到熔融的金属；

将所述熔融的金属浇铸，得到铸锭。

优选的，步骤b01)中所述预正火处理的保温时间为100min～130min，冷却方式为空冷。

优选的，步骤b02)中所述二次正火处理的保温时间为30min～50min，冷却方式为空冷。

优选的，步骤b03)中所述回火处理的保温时间为100min～130min。

本发明提供了一种低碳低合金钢，其包括：0.08wt％～0.30wt％的C，1.0wt％～3.0wt％的Mn，0.3wt％～1.5wt％的Si，0.3wt％～1.5wt％的Mo，0.03wt％～0.05wt％的RE，大于零，小于等于0.005wt％的B，0～0.007wt％的S，0～0.011wt％的P和余量的Fe，本发明在低碳低合金钢中添加Mn元素能够使贝氏体相变温度降低，从而保证获得小尺寸的贝氏体，添加Si元素能够在贝氏体转变过程中抑制碳化物析出，添加Mo、Mn元素能够强压低Bs点，弱压低Ms点，从而在组织中得到更多数量的下贝氏体组织。在低碳低合金合金钢中添加Mn、Si、Mo等合金元素，能够使基体中得到更多的尺寸较小的贝氏体，同时能够细化晶粒，提高基体的强度和韧性。

本发明还提供了一种上述低碳低合金钢的制备方法，其经过铸造工序和热处理工序后得到了低碳低合金钢。在热处理过程中，将经过铸造的低碳低合金钢铸锭加热至900℃～980℃进行预正火处理，使铸锭组织初步奥氏体化；随后将预正火处理后的铸锭重新加热至900℃～950℃进行二次正火处理，此阶段用于细化晶粒，防止或消除残余铸态组织，使低碳低合金钢铸锭的综合性能提高；最后将二次正火处理后的铸锭加热至200℃～240℃进行回火处理，此阶段的回火处理用于消除正火过程中引入的残余应力，同时获得部分贝氏体组织，有效地提高了低碳低合金钢的冲击韧性和强度。

综上所述，本发明通过合理设计低碳低合金钢的配方和热处理工艺，使低碳低合金钢具有较高强度的同时提高了其冲击韧性，从而获得了强度和冲击韧性都较高的综合机械性能良好的低碳低合金钢材料。实验证明，本发明提供的低碳低合金钢的硬度超过231HB，冲击韧性超过135J/cm²，抗拉强度超过817MPa。

附图说明

图1为本发明的热处理工艺图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种低碳低合金钢，包括：

0.08wt％～0.30wt％的C；

1.0wt％～3.0wt％的Mn；

0.3wt％～1.5wt％的Si；

0.3wt％～1.5wt％的Mo；

0.03wt％～0.05wt％的RE；

大于零，小于等于0.005wt％的B；

0～0.007wt％的S；

0～0.011wt％的P；

余量的Fe。

本发明提供的低碳低合金钢中含有Mn，一定量的Mn使过冷奥氏体等温转变曲线存在明显的上下分离；适量的Mn在中温下的相界处富集时，会对相界迁移起拖拽作用，同时显著降低贝氏体的相变驱动力，贝氏体相变温度降低能够保证获得小尺寸的贝氏体。本发明提供的低碳低合金钢中Mn的含量为1.0wt％～3.0wt％，优选为1.0wt％～1.2wt％。

Si在贝氏体转变过程中有强烈抑制碳化物析出的特点，使贝氏体转变过程中不易析出碳化物；Si还与Mn共同作用，一方面能够提高基体的强度和硬度，另一方面，还能使基体具有较高的韧性。但Si含量过高会促使自由铁素体析出，将对钢的韧性产生负面影响。因此，本发明提供的低碳低合金钢控制Si的含量为0.3wt％～1.5wt％，优选为0.3wt％～1.0wt％。

Mo强压低Bs点，弱压低Ms点，使铁素体-珠光体转变大大推迟，但对贝氏体转变的推迟作用并不明显。Mo在钢中可形成MoC和Mo₂C等新相，还可改善钢的组织形态，提高钢的淬透性，降低回火脆性。本发明提供的低碳低合金钢中Mo的含量为0.3wt％～1.5wt％，优选为0.3wt％～0.6wt％。

在中低碳贝氏体钢中多边形铁素体转变很快，连续冷却时不容易得到最大量的贝氏体，为此，本发明向钢中加入一定量的B用于抑制多边形铁素体的转变。本发明提供的低碳低合金钢中B的含量不超过0.005wt％，优选为0.003wt％～0.005wt％。

稀土元素RE可有效提高钢水的纯净度，促进微合金化。稀土元素不仅可以去除杂质元素磷和硫，减少夹杂物，净化钢液，改善铸态组织，但加入量过多，会使钢脆化。因此，本发明低碳低合金钢中RE的含量为0.03wt％～0.05wt％。上述稀土元素RE为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或几种。

本发明还提供了一种低碳低合金钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到低碳低合金钢铸锭：

b)、将所述低碳低合金钢铸锭进行热处理，具体为：

b01)、加热至900℃～980℃进行预正火处理；

步骤a)为铸造工序，为了使各种元素充分熔解，均匀分布，作为优选方案，上述铸造工艺具体包括：将C、Mo铁和铁加入熔炼炉中，然后向所述熔炼炉中加入Si、Mn、RE和B铁，得到熔融的金属；随后将上述熔融的金属浇铸，得到低碳低合金钢铸锭。由于C、Mo铁和铁不易烧损，且加入量较多，而Mn、Si、RE和B铁，易挥发且易烧损，因此本发明先将C、Mo铁和铁加入熔炼炉，后加入Mn、Si、RE和B铁，降低Mn、Si、RE和B铁的损耗量对产品最终成分的影响，同时使各种元素能够充分熔解，均匀分布。

步骤b)为热处理工序，在得到低碳低合金钢铸锭后，将上述得到的铸锭进行热处理。如图1所示，图1为本发明的热处理工艺图。

首先将上述铸锭加热至900℃～980℃进行预正火处理，加热至900℃～980℃能够保证铸锭组织奥氏体化，为了确保组织充分奥氏体化，上述预正火处理的保温时间优选为100min～130min，更优选为110min～130min。上述预正火处理的冷却方式优选为空冷。上述加热的温度优选为920℃～980℃。

随后将预正火处理后的低碳低合金钢铸锭重新加热至900℃～950℃进行二次正火处理，二次正火用于细化晶粒，防止或消除残余铸态组织，使铸锭的综合性能提高。上述二次正火处理的保温时间优选为30min～50min，更优选为40min～50min。上述二次正火处理的冷却方式优选为空冷。上述加热的温度优选为920℃～950℃。

最后将二次正火处理的低碳低合金钢铸锭加热至200℃～240℃进行回火处理，回火处理用于消除正火过程中引入的残余应力，同时获得部分贝氏体组织，提高低碳低合金钢的综合性能。上述回火处理的保温时间优选为100min～130min，更优选为110min～130min。上述加热的温度优选为210℃～240℃。上述回火处理的冷却环节，可以是将低碳低合金钢在退火炉中冷却到室温，或者在空气中冷却，对此本发明并无特别的限制。

本发明提供的上述低碳低合金钢，在低碳低合金钢中添加Mn元素能够使贝氏体相变温度降低，从而保证获得小尺寸的贝氏体，添加Si元素能够在贝氏体转变过程中抑制碳化物析出，添加Mo、Mn元素能够强压低Bs点，弱压低Ms点，从而在组织中得到更多数量的下贝氏体组织。在低碳低合金合金钢中添加以上合金元素能够使基体中得到更多的尺寸较小的贝氏体，同时能够细化晶粒，提高基体的强度和韧性。

本发明还提供了上述低碳低合金钢的制备方法，其经过铸造工序和热处理工序后得到了低碳低合金钢。在热处理过程中，将经过铸造的低碳低合金钢铸锭加热至900℃～980℃进行预正火处理，预正火处理使铸锭组织初步奥氏体化；随后将预正火处理后的铸锭重新加热至900℃～950℃进行二次正火处理，此阶段用于细化晶粒，防止或消除残余铸态组织，使铸锭的综合性能提高；最后将二次正火处理后的铸锭加热至200℃～240℃进行回火处理，此阶段的回火处理用于消除正火过程中引入的残余应力，同时获得部分贝氏体组织，有效地提高低碳低合金钢的冲击韧性。

综上所述，本发明通过合理设计低碳低合金钢的配方和热处理工艺，使低碳低合金钢具有较高强度的同时提高了其冲击韧性，从而获得了强度和冲击韧性都较高的综合机械性能良好的低碳低合金钢材料，将此材料用于制造采煤机导向滑靴，能有效提高导向滑靴的强度和韧性，延长其使用寿命。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的低碳低合金钢的制备方法进行详细介绍，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

(1)采用25Kg真空中频感应熔炼炉熔炼，将炉料C、Mo铁和铁依次加入熔炼炉中，Si、Mn、RE和B铁吊起。抽真空开始熔炼，当真空度达到20Pa时，调节功率至5KW，每隔5min功率递增5KW，直至功率提高到45KW，炉料化开，降低功率到14KW进行精炼，随后依次加入Mn、Si、RE和B铁。待三分钟后，停电冷凝，最后浇铸，得到基尔试样，基尔试样成分列于表1；

(2)将上述基尔试样加热至900℃保温100min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的基尔试样加热至900℃保温30min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的基尔试样加热至200℃保温100min回火，得到低碳低合金钢。

将按照上述方法制备的低碳低合金钢进行性能测试，结果参见表2。

实施例2

(1)采用25Kg真空中频感应熔炼炉熔炼，将炉料C、Mo铁和铁依次加入熔炼炉中，Si、Mn、RE和B铁吊起。抽真空开始熔炼，当真空度达到20Pa时，调节功率至5KW，每隔10min功率递增5KW，直至功率提高到45KW，炉料化开，降低功率到18KW进行精炼，随后依次加入Mn、Si、RE和B铁。待三分钟后，停电冷凝，最后浇铸，得到基尔试样，基尔试样成分列于表1；

(2)将上述基尔试样加热至930℃保温110min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的基尔试样加热至900℃保温40min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的基尔试样加热至220℃保温110min回火，得到低碳低合金钢。

实施例3

(1)采用25Kg真空中频感应熔炼炉熔炼，将炉料C、Mo铁和铁依次加入熔炼炉中，Si、Mn、RE和B铁吊起。抽真空开始熔炼，当真空度达到20Pa时，调节功率至5KW，每隔6min功率递增5KW，直至功率提高到45KW，炉料化开，降低功率到17KW进行精炼，随后依次加入Mn、Si、RE和B铁。待三分钟后，停电冷凝，最后浇铸，得到基尔试样，基尔试样成分列于表1；

(2)将上述基尔试样加热至940℃保温120min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的基尔试样加热至940℃保温40min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的基尔试样加热至210℃保温120min回火，得到低碳低合金钢。

实施例4

(1)采用25Kg真空中频感应熔炼炉熔炼，将炉料C、Mo铁和铁依次加入熔炼炉中，Si、Mn、RE和B铁吊起。抽真空开始熔炼，当真空度达到20Pa时，调节功率至5KW，每隔7min功率递增5KW，直至功率提高到45KW，炉料化开，降低功率到16KW进行精炼，随后依次加入Mn、Si、RE和B铁。待三分钟后，停电冷凝，最后浇铸，得到基尔试样，基尔试样成分列于表1；

(2)将上述基尔试样加热至980℃保温130min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的基尔试样加热至950℃保温50min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的基尔试样加热至240℃保温130min回火，得到低碳低合金钢。

实施例5

(1)采用25Kg真空中频感应熔炼炉熔炼，将炉料C、Mo铁和铁依次加入熔炼炉中，Si、Mn、RE和B铁吊起。抽真空开始熔炼，当真空度达到20Pa时，调节功率至5KW，每隔8min功率递增5KW，直至功率提高到45KW，炉料化开，降低功率到17KW进行精炼，随后依次加入Mn、Si、RE和B铁。待三分钟后，停电冷凝，最后浇铸，得到基尔试样，基尔试样成分列于表1；

(2)将上述基尔试样加热至960℃保温120min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的基尔试样加热至950℃保温45min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的基尔试样加热至220℃保温130min回火，得到低碳低合金钢。

实施例6

(1)采用25Kg真空中频感应熔炼炉熔炼，将炉料C、Mo铁和铁依次加入熔炼炉中，Si、Mn、RE和B铁吊起。抽真空开始熔炼，当真空度达到20Pa时，调节功率至5KW，每隔9min功率递增5KW，直至功率提高到45KW，炉料化开，降低功率到17KW进行精炼，随后依次加入Mn、Si、RE和B铁。待三分钟后，停电冷凝，最后浇铸，得到基尔试样，基尔试样成分列于表1；

(2)将上述基尔试样加热至980℃保温130min后空冷至室温；

(3)将步骤(2)得到的基尔试样加热至910℃保温40min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的基尔试样加热至230℃保温130min回火，得到低碳低合金钢。

对比例1

(1)按照表1的成分配料，将配好的原料熔炼，熔炼温度为1500℃，原料熔化后，再进行20min的电磁搅拌，搅拌之后浇铸，浇铸温度为1580℃；

(2)将步骤(1)得到的低碳贝氏体钢铸锭的温度冷却至940℃时，直接置于pH值为12，密度为1.15g/cm³的碱性水溶液中淬火，得到低碳贝氏体钢。

将按照上述方法制备的低碳贝氏体钢进行性能测试，结果参见表2。

对比例2

(1)按照表1的成分配料，将配好的原料熔炼，熔炼温度为1550℃，原料熔化后，再进行15min的电磁搅拌，搅拌之后浇铸，浇铸温度为1500℃；

(2)将步骤(1)得到的低碳贝氏体钢铸锭的温度冷却至880℃时，直接置于pH值为14，密度为1.65g/cm³的碱性水溶液中淬火，得到低碳贝氏体钢。

表1实施例低碳低合金钢及对比例低碳见氏体钢的成分(wt％)

表2实施例制备的低碳低合金钢及对比例制备的低碳贝氏体钢的性能测试结果

由表2可知，与对比例提供的低碳贝氏体钢相比，本发明提供的低碳低合金钢具有较高的硬度和冲击韧性，综合机械性能良好。本发明提供的低碳低合金钢的硬度超过231HB，冲击韧性超过135J/cm²，抗拉强度超过817MPa，适合作为采煤机滑靴材料。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种低碳低合金钢，其特征在于，包括：

0.08wt％～0.30wt％的C；

1.0wt％～3.0wt％的Mn；

0.3wt％～1.5wt％的Si；

0.3wt％～1.5wt％的Mo；

0.03wt％～0.05wt％的RE；

大于零，小于等于0.005wt％的B；

0～0.007wt％的S；

0～0.011wt％的P；

余量的Fe。

2.根据权利要求1所述的低碳低合金钢，其特征在于，所述C的含量为0.08wt％～0.15wt％。

3.根据权利要求1所述的低碳低合金钢，其特征在于，所述Mn的含量为1.0wt％～1.2wt％。

4.根据权利要求1所述的低碳低合金钢，其特征在于，所述Si的含量为0.3wt％～1.0wt％。

5.根据权利要求1所述的低碳低合金钢，其特征在于，所述Mo的含量为0.3wt％～0.6wt％。

6.一种低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到低碳低合金钢铸锭：

b)、将所述低碳低合金钢铸锭进行热处理，具体为：

b01)、加热至900℃～980℃进行预正火处理；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述铸造具体为：

将所述熔融的金属浇铸，得到低碳低合金钢铸锭。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b01)中所述预正火处理的保温时间为100min～130min，冷却方式为空冷。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b02)中所述二次正火处理的保温时间为30min～50min，冷却方式为空冷。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b03)中所述回火处理的保温时间为100min～130min。