CN103194687A - 一种低温用低合金高强铸钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低温用低合金高强铸钢，该铸钢的成分及其，质量百分比为：碳0.10％-0.15％、锰0.30％-0.60％、硅0.10％-0.50％、磷0-0.015％、硫0-0.025％、镍1.0％-1.4％、铬0.20％-0.35％、钼0.20％-0.35％、钒0.03％-0.06％、铜0-0.01％、铝0-0.08％、余量为铁。本发明的低合金高强铸钢是通过电炉+氩氧脱碳双联冶炼、浇注和正火+高温回火处理制备而成。本发明的铸钢抗拉强度达570-590Mpa，屈服强度达460-475MPa，延伸率达25-27％，断面收缩率达67-70％，碳当量≤0.45％，在-40。C时冲击功达到110J。该铸钢强度高、韧性好，尤其具有优良的低温韧性及焊接性能，并且合金元素添加少、热处理工艺简单、成本较低。特别适合制造对低温韧性、焊接性要求苛刻的高强铸钢件材料。

Description

一种低温用低合金高强铸钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料铸造技术领域，尤其涉及一种低温用低合金高强铸钢及其制备方法。

背景技术

铸钢具有优良力学和物理化学性能，广泛应用于运输、矿山、石油、冶金等力学制造业中，仅2011年，中国全年铸钢件产量达到了1100万t，涨幅达48％。可见，铸钢行业具有巨大的发展潜力和经济效益。恶劣的使用环境(低温、重载、冲击等)对铸钢的性能提出了更高要求：在保证较高强度的同时，还要求铸钢具备良好的低温冲击韧性和焊接性。传统的铸钢材料，其成分含较高的碳含量(w(C)为0.15％～0.60％)，高碳含量能提高钢的强度与硬度，但必然导致塑韧性差、焊接困难等问题，远不能满足铸钢的使用要求。

目前，国内外对低温用钢研究较多的是轧材，对低温用铸钢研究较少。但是，矿山、冶金、石油等工业部门的许多低温用零部件，由于形状复杂与壁厚的原因，采用轧制成形，不仅工艺复杂，且制作成本昂贵，需要采用铸造成形。镍铬奥氏体不锈钢作为国内外普遍采用的铸造低温钢，此类钢有良好的低温韧性，但屈服强度低，不能满足零部件的强度指标，大量贵金属的添加增加成本。因此，通过合理的成分设计、熔铸及热处理工艺，获得一种制备工艺简单、强韧性高、成本低、污染小，具有良好低温韧性、焊接性的低温用铸钢已成为一项技术问题。20世纪80年代，美国专利US4634476报道了此类铸钢在军舰上重要需求，其质量百分比成分为：C：0.07-0.12％；Si：0.20-0.60％；Mn：0.90-1.20％；P≤0.015％；S≤0.010％；Mo：0.30-0.50％；Ni≤0.30％；Cr≤0.30％；V：0.05-0.10％；Ti≤0.01％；Cu≤0.35％；Al≤0.07％；N：0.009-0.015％；其余为Fe。发明铸钢经正火+调质处理后，其抗拉强度≥620MPa，屈服强度≥450MPa，在-40℃时冲击功达到54-95J，且具备优良的焊接性能。中国发明专利CN200610017797.1公开了一种超高强度高韧性可焊接铸钢，铸钢的化学成分(按重量)为：C：0.12-0.17％；Si：0.10-0.50％；Mn：0.80-1.20％；P+S≤0.025％；Mo：0.40-0.50％；Ni：4.00-4.50％；Cr：0.70-1.20％；V：0.04-0.08％；Cu：0.2-0.40％；其余为Fe。发明铸钢的热处理工艺为扩散退火+正火+调质处理，铸钢经热处理后，屈服强度≥800MPa，延伸率≥15％，断面收缩率≥50％，-20℃的冲击功Akv≥55J，在100℃预热条件下，便能进行良好的焊接。

以上两种铸钢虽具有优异的性能，但其成分要求控制严格，尤其是美国专利中对杂质元素及氮元素含量的要求，给工业冶炼控制带来很大难度；发明铸钢的热处理工艺繁琐，显著增加制备工序及能耗，中国专利中加入大量贵重合金，制造成本高，不利于工业化应用。为简化制备工艺、降低成本，中国专利CN201110088434.8公开了一种能在高寒地区冬季使用的铸钢及制造方法，其化学成分配比(按重量)为：C：0.15-0.22％；Si：0.30-0.60％；Mn：0.50-1.00％；P≤0.025％；S≤0.025％；Mo：0.30-0.45％；Ni：1.50-1.90％；Cr：0.60-0.90％；V≤0.15％；Cu≤0.5％；Al≤0.08；其余为Fe。其特点是发明铸钢经调质处理后，既有高的强度，又兼有良好的韧性，在-45℃温度下，冲击功达到36J以上。调质处理导致了铸钢具有很高的屈强比(≥0.91)，不利于材料在低温条件下的安全使用，并且淬火会增大铸钢变形与开裂的倾向。

发明内容

为解决目前低温用铸钢存在的问题，本发明提供了一种制备工艺简单、强度高、成本低、污染小，具有良好低温韧性、焊接性的低温用低合金高强铸钢及其制备方法。

本发明的具体技术方案如下：

本发明所公开的一种低温用低合金高强铸钢的成分及其质量百分比含量为：碳0.05％-0.15％、锰0.1％-1％、硅0.1％-0.6％、磷0-0.05％、硫0-0.05％、镍0.5％-2％、铬0.1％-0.5％、钼0.1％-0.5％、钒0.01％-0.1％、铜0-0.05％、铝0-0.1％、铁余量。

各成分优选的质量百分比含量为：

碳0.10％-0.15％、锰0.30％-0.60％、硅0.10％-0.50％、磷0-0.015％、硫0-0.025％、镍1.0％-1.4％、铬0.20％-0.35％、钼0.20％-0.35％、钒0.03％-0.06％、铜0-0.01％、铝0-0.08％、铁余量。

本发明所公开的一种低温用低合金高强铸钢的方法包括以下步骤：

(1)冶炼：采用电炉+氩氧脱碳双联冶炼工艺，在钢液融化2/3时，放入铁锰、铁硅、铁钼合金及电解镍，混合均匀，待完全熔化，然后投入纯铝脱氧剂净化钢液，

(2)浇注：钢水出炉温度为1650-1700℃，待钢液在浇包中镇静2-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1590-1620℃，

(3)热处理：浇注成型后，铸件要进行正火和高温回火处理，正火温度为880℃，回火温度为580-600℃，然后保温1.5h后空冷，得到低合金高强铸钢。

为节约贵重合金元素，又使铸钢具有较高的室温综合力学性能、良好的低温冲击韧性和焊接性，铸造合金设计原则：较低的C、Si含量，保证足够的低温冲击韧性和焊接性；添加适量的合金元素，以弥补碳含量的缺失而导致强度硬度的降低；严格控制S、P等杂质元素的量，过量杂质元素会显著恶化钢的塑韧性。

元素C可显著提高钢的强硬度，降低塑韧性和焊接性，将C的质量分数控制为0.10～0.15％。Si含量(质量分数)控制在0.10～0.50％范围内，既起到提高淬透性和强度的作用，又不会恶化钢的韧性。Ni、Mn元素可以固溶到基体中，起到强化韧化作用，显著提高钢的淬透性和低温冲击韧性；钢中适当添加元素Cr具有强化基体、细化晶粒及提高淬透性的作用，但含量过高会导致钢韧性的降低；Mo的主要作用是提高淬透性、促进强碳化物的形成，少量Mo元素的加入可以强化基体、细化晶粒，改善韧性；添加少量V微合金化元素，能形成V(C，N)析出相，显著强化基体、细化晶粒。考虑到材料的性能和成本问题，控制Mn元素的加入量为0.30～0.60％，而Ni、Cr、Mo、V元素总量控制在1.45～2.50％范围。为减弱杂质元素对钢性能的恶化，S、P总量控制在0.04％以下。经过理论计算，发明铸钢的碳当量CE≤0.46％，裂纹敏感系数PCM≤0.23％。可见，该铸钢具有很低的CE和PCM值，在理论上具有优良的焊接性能。

碳(C)：提高钢的强度、硬度，降低塑韧性和焊接性；

硅(Si)：强化铁素体，提高淬透性和抗拉强度，降低塑性和韧性；

锰(Mn)：增强钢的淬透性，提高强度、硬度及低温冲击韧性，促进贝氏体组织形成；

镍(Ni)：强化铁素体组织，提高强度及低温冲击韧性，且不显著降低塑性；

铬(Cr)：固溶强化、细化晶粒，提高铸钢的空冷淬透性；

钼(Mo)：提高淬透性，强化基体、细化晶粒，改善韧性；

钒(V)：能形成V(C，N)析出相，强化基体、细化晶粒；

硫(S)：钢中有害杂质，恶化钢的塑性和韧性；

磷(P)：降低钢的可塑性和韧性，导致冷脆性的发生。

合金成分一定时，热处理工艺便成了铸钢性能控制的关键因素，本发明采用简单的正火+高温回火工艺原因是：正火工艺简化了热处理流程、减少污染，同时减小铸件成分偏析、显著细化铸态组织，提高铸件的力学性能，避免铸件因淬火发生变形或开裂的可能性；再结合高温回火消除空冷内应力、析出强化相，使铸件具备高的室温力学性能、优良的低温冲击韧性及焊接性能。

本发明的有益效果是：通过对合金成分的合理设计，将碳含量控制在0.11％左右，保证铸钢有足够的低温韧性与焊接性；再加入适量合金元素，以弥补碳含量缺失而导致强度的降低。选用电炉+氩氧脱碳双联冶炼工艺，提高铸钢的冶金质量。采用简单的正火+高温回火热处理工艺，调整铸钢的强度和韧性，以达到最佳匹配。所发明的铸钢抗拉强度达570-590MPa，屈服强度达460-475MPa，延伸率达25-27％，断面收缩率达67-70％，碳当量≤0.45％，在-40℃冲击功达到110J。该铸钢具有高的强度、韧性，尤其是优良低温韧性及焊接性能，并且合金元素添加少、热处理工艺简单、成本较低。特别适合制造对低温韧性、焊接性要求苛刻的高强铸钢件材料，保证铸钢在严寒、重载条件下的正常使用。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

实施例1：

1.1低合金高强铸钢的质量百分比组成：

碳0.11％、锰0.39％、硅0.26％、磷0.015％、硫0.0087％、镍1.18％、铬0.26％、钼0.25％、钒0.07％、铜0.025％、铝0.01％、铁余量。

1.2制备方法：

(1)冶炼：采用电炉+氩氧脱碳双联冶炼工艺，在钢液融化2/3时，放入铁锰、铁硅、铁钼合金及电解镍，混合均匀，待完全熔化，然后投入纯铝脱氧剂净化钢液；

(2)浇注：钢水出炉温度为1650-1700℃，待钢液在浇包中镇静2-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1590-1620℃；

(3)热处理：浇注成型后，铸件要进行正火和高温回火处理，正火温度为880℃，回火温度为580℃，然后保温1.5h后空冷，得到低合金高强铸钢。

1.3低合金高强铸钢的性能：

表1：实施例1发明铸钢的性能

实施例2

2.1低合金高强铸钢的质量百分比组成：各元素组成和质量百分比含量同实施例1。

2.2制备方法：

(1)冶炼：采用电炉+氩氧脱碳双联冶炼工艺，在钢液融化2/3时，放入铁锰、铁硅、铁钼合金及电解镍，混合均匀，待完全熔化，然后投入纯铝脱氧剂净化钢液；

(2)浇注：钢水出炉温度为1650-1700℃，待钢液在浇包中镇静2-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1590-1620℃；

(3)热处理：浇注成型后，铸件要进行正火和高温回火处理，正火温度为880℃，回火温度为590℃，然后保温1.5h后空冷，得到低合金高强铸钢。

2.3低合金高强铸钢的性能

表2：实施例2发明铸钢的性能

实施例3

3.1低合金高强铸钢的质量百分比组成：组成同实施例1。

3.2制备方法

(1)冶炼：采用电炉+氩氧脱碳双联冶炼工艺，在钢液融化2/3时，放入铁锰、铁硅、铁钼合金及电解镍，混合均匀，待完全熔化，然后投入纯铝脱氧剂净化钢液；

(2)浇注：钢水出炉温度为1650-1700℃，待钢液在浇包中镇静2-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1590-1620℃；

(3)热处理：浇注成型后，铸件要进行正火和高温回火处理，正火温度为880℃，回火温度为600℃，然后保温1.5h后空冷，得到低合金高强铸钢。

3.3低合金高强铸钢的性能

表3：实施例3发明铸钢的性能

实施例4

4.1低合金高强铸钢的质量百分比组成：

碳0.05％、锰0.10％、硅0.10％、磷0.005％、硫0.005％、镍0.50％、铬0.10％、钼0.10％、钒0.01％、铜0.005％、铝0.002％、铁余量。

4.2制备方法：

制备方法同实施例1。

4.3低合金高强铸钢的性能：

表4：实施例4发明铸钢的性能

实施例5

5.1低合金高强铸钢的质量百分比组成：

碳0.15％、锰1％、硅0.6％、磷0.05％、硫0.05％、镍2％、铬0.5％、钼0.5％、钒0.1％、铜0.05％、铝0.1％、铁余量。

5.2制备方法

制备方法同实施例2.

5.3低合金高强铸钢的性能：

表5：实施例5发明铸钢的性能

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种低温用低合金高强铸钢，其特征在于：所述铸钢的成分及其质量百分比为：碳0.05％-0.15％、锰0.1％-1％、硅0.1％-0.6％、磷0-0.05％、硫0-0.05％、镍0.5％-2％、铬0.1％-0.5％、钼0.1％-0.5％、钒0.01％-0.1％、铜0-0.05％、铝0-0.1％、铁余量。

2.如权利要求1所述的低温用低合金高强铸钢，其特征在于：所述铸钢的成分及其质量百分比为：碳0.10％-0.15％、锰0.30％-0.60％、硅0.10％-0.50％、磷0-0.015％、硫0-0.025％、镍1.0％-1.4％、铬0.20％-0.35％、钼0.20％-0.35％、钒0.03％-0.06％、铜0-0.01％、铝0-0.08％、铁余量。

3.一种制备如权利要求1或2所述的低温用低合金高强铸钢的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)冶炼：采用电炉+氩氧脱碳双联冶炼工艺，在钢液融化2/3时，放入铁锰、铁硅、铁钼合金及电解镍，混合均匀，待完全熔化，然后投入纯铝脱氧剂净化钢液；

(2)浇注：钢水出炉温度为1650-1700℃，待钢液在浇包中镇静2-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1590-1620℃；

(3)热处理：浇注成型后，铸件要进行正火和高温回火处理，正火温度为880℃，回火温度为580-600℃，然后保温1.5h后空冷，得到低合金高强铸钢。