CN103436807A

CN103436807A - 一种低碳当量高强韧性铸钢

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Publication number: CN103436807A
Application number: CN2013103811780A
Authority: CN
Inventors: 于建才; 邓学林; 喻尚钟; 谢国峰; 周悠; 王小虎
Original assignee: WUHAN WUCHANG SHIPBUILDING METAL MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: WUHAN WUCHANG SHIPBUILDING METAL MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: CN103436807B

Abstract

本发明涉及一种低碳当量高强韧性铸钢。低碳当量高强韧性铸钢化学成分重量百分比为：C0.12-0.18%，Si0.30-0.60%，Mn0.90-1.20%，Cr0.40-0.60%，Ni0.60-0.80%，Mo0.20-0.30%，P≤0.025%，S≤0.020%，V0.02-0.03%，Nb0.03-0.05%，Cu≤0.20%，余量为Fe。本发明有益效果为：将微合金化技术引入低碳铸钢生产，在保持焊接性能良好的情况下，大幅提高材料强度和低温韧性，完全满足矿山车关键零部件支撑轴的需求。

Description

一种低碳当量高强韧性铸钢

技术领域

本发明属于低合金钢材料铸造技术领域，具体涉及一种低碳当量高强韧性铸钢。

背景技术

由于矿山车使用环境恶劣，工作路况差，环境温度低，工作时间长，工作时受到较大冲击负荷，因而其关键零部件----支撑轴等铸件要求具有较高的屈服强度（不小于585Mpa）和抗拉强度（不小于725Mpa），良好的塑性（延伸率不低于20%）和韧性（-40℃冲击不小于27J），且具有良好的焊接性（碳当量Cev≤0.60％）。

美国标准ASTM A487《Standard Specification for Steel CastingsSuitable for Pressure Service》中4B其化学成分及机械性能如下表：

当ASTMA4874B材料满足强度指标时，Ce就大于0.60％，此时材料焊接性能不佳，塑性不够好，低温冲击也不够理想，不能满足矿山车用铸件使用要求；而当对该材料限制碳当量Ce≤0.60％，虽然焊接性能明显改善，但其强度指标又达不到要求，故也不能满足使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有铸钢材料焊接性能与强度指标不能兼顾的缺陷，提供一种焊接性能与强度指标均能满足矿山车使用的一种低碳当量高强韧性铸钢及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种低碳当量高强韧性铸钢，其化学成分重量百分比为：C0.14-0.18%，Si0.30-0.60%，Mn1.00-1.20%，Cr0.40-0.60%，Ni0.70-0.80%，Mo0.20-0.30%，P≤0.025%，S≤0.020%，V0.02-0.03%，Nb0.03-0.05%，Cu≤0.020%,余量为Fe。

为制备上述低碳当量高强度韧性铸钢，采用电弧炉和AOD炉二次冶炼后采用高温热处理，电弧炉冶炼包括：

熔化：将铬含量不大于0.30%、铜含量不大于0.20%、配碳量大于0.50%的废钢料加入电弧炉里熔化成钢液后，检测钢液样品中的镍、钼含量，并加入根据重量配比计算的镍、钼合金；

氧化：进行吹氧脱碳，脱碳过程需不断放出炉渣并造新渣，取样检测C、P，当氧化P含量小于0.010%，C含量0.25-0.30%，停止吹氧；

预还原：当钢液温度达到1580℃以上时，快速扒除炉内氧化渣，加入0.20-0.30%硅铁还原并造稀薄渣，当温度达到1650℃以上，扒除干净炉渣。

用摇包将钢液从电弧炉转入所述AOD炉冶炼，所述AOD炉冶炼包括：

脱碳：采用惰性气体吹炼脱碳，取样检测C，当C含量0.12-0.14%时停止脱碳；

还原：依次按重量配比计算量加入锰，硅、铬、铌、钒合金，搅拌均匀，在AOD炉钢水出炉前，根据钢液检测结果，调整钢液化学成分，测量钢液温度，当钢液温度在1600-1630℃出钢；然后钢水出炉，在底注钢包内再次静置，最后浇注形成铸件；

热处理包括依次采用高温正火、淬火、回火工艺过程对铸件进行热处理，其中：

高温正火处理的过程是在940-960℃下保温5-6小时后在空气中冷却；

淬火处理的过程是在920-940℃下保温5-6小时后水冷；

回火处理的过程是在630-650℃下保温6-7小时后在空气中冷却。

本发明有益效果为将微合金化技术引入低碳铸钢生产，在保持焊接性能良好的情况下，大幅提高材料强度和低温韧性，完全满足矿山车关键零部件支撑轴的需求。

附图说明

图1为本发明实施例1热处理后的金相组织图；

图2为本发明实施例2热处理后的金相组织图；

图3为本发明实施例3热处理后的金相组织图。

具体实施方式

为达到低碳当量高强度韧性铸钢的机械性能要求和满足碳当量的要求，制备该钢种合金成分控制是关键，在冶炼中，需要做到如下：

1)为取得良好的焊接性，控制碳当量Cev以及取得良好的综合力学性能，要严格控制含碳量。钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳含量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏。用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%，而含碳量小于0.1%的低合金钢韧性较高但强度不高，故设计C为0.14-0.18%。

2)添加抑制渗碳体析出元素Si，改善钢的韧性并增强淬透性。同时Si也是能提高强度的元素，并对钢液脱氧有利，设计Si为0.3-0.6%。

3)通过复合添加合金元素Mn、Ni、Cr、Mo引起固溶强化，显著提高钢的淬透性，降低马氏体转变温度Ms，Mo有利于改善回火脆性和细化晶粒，扩大奥氏体区域元素Mn和Ni能显著增加残余奥氏体含量及稳定性，利于提高延韧性，Cr、Mo、Ni还能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，设计Mn1.0-1.2%，Ni为0.7-0.8%，Cr为0.4-0.6%，Mo为0.2-0.3%。

4）磷和硫是钢中有害杂质元素，磷引起冷脆，硫引起热脆。磷、硫含量应越低越好，P小于0.025%，S小于0.015%。

5）在V、Nb二者当中，设计低碳合金结构用钢时，Nb往往是首选的微合金化元素。但研究和生产实践证实，单纯的Nb钢应用有所局限。如Nb在奥氏体中溶解量有限，在开发较高强度级别的微合金化结构用钢时，往往复合地加入Nb-V。铌和钒复合添加时，既能提高钢的强度又能提高钢的韧性，这是因为钒的固溶温度低，可以起沉淀强化作用，而铌在较低的加热温度下大部分不溶解，可以起细化晶粒的作用。通过查阅文献资料，设计的钢中V的加入量控制在0.02-0.03%以下，Nb的加入量控制在0.03-0.05%。

下面结合三个具体实施例对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

一种低碳当量高强韧性铸钢，其制备方法包括以下冶炼、浇注和热处理，其具体工艺流程和工艺参数为：

（1）冶炼工艺

在7吨电弧炉中进行熔炼，选取干燥、无油少锈的Q235钢板（Cr0.28%，Cu0.06%）边角料6500Kg进行熔炼,当废钢熔化完毕，温度为1541℃时，取1号样，测得C0.55%、Ni0.25%，Mo0.08%，P0.037%。加入电解镍35Kg,FeMo60-A钼铁合金23Kg，然后吹氧脱碳，脱碳过程不断放出炉渣并造新渣，观察火焰及炉内气氛，取2号样（C0.31%、Ni0.79%、Mo0.27%、P0.009%）。测温为1595℃时，加入FeSi75Al0.5-A硅铁20Kg合金预还原，继续升温，当温度到1680℃时，扒除干净炉渣，转入摇包，摇包要求无残钢，残渣，烘烤1.5小时；

钢水转入7吨AOD炉，测温1531℃，加铝锭40Kg升温，O：Ar=3:1吹氧脱碳，吹炼完毕，取3号样，测得C0.12%，Si0.01%,Mn0.15%,P0.015%,S0.013%，Cr0.17%,Ni0.78%,Mo0.27%,Cu0.06%，V0.007%，Nb0.008%）。C含量在下限，炉体下倾流渣，加入FeMn78C0.2锰铁100Kg，FeSi75Al0.5-A硅铁38Kg、FeCr55C0.25铬铁20Kg、FeNb60-A铌铁3.5Kg和150Kg石灰，摇起炉体搅拌5分钟，倾炉测温1633℃，取4号样，测得C0.13%，Si0.40%，Mn1.15%，Cr0.43%，Ni0.76%，Mo0.27%，P0.017%，S0.012%，Nb0.037%，Cu0.06%，加入FeV50-A钒铁3.5Kg,摇起炉体搅拌1分钟，取5号样，测得C0.13%，Si0.40%，Mn1.15%，Cr0.43%，Ni0.76%，Mo0.27%，P0.017%，S0.012%，V0.028%，Nb0.037%，Cu0.06%，余量为Fe，然后出钢液至底注钢包，测温1585℃，至铸件浇注区，对准浇口，静置5分钟，浇注铸件。

（2）热处理工艺

热处理设备：SX-10-13型高温箱式电阻炉

高温正火处理的过程是在940-960℃下保温6小时后在空气中冷却；

淬火处理的过程是在920-940℃下保温6小时后水冷；

回火处理的过程是在630-650℃下保温7小时后在空气中冷却；

通过以上工艺，制备的低碳当量高强韧性铸钢为ZG15CrNiMnMoNb，其所含元素的重量百分比组成为：C0.13%，Si0.40%，Mn1.15%，Cr0.43%，Ni0.76%，Mo0.27%，P0.017%，S0.012%，V0.028%，Nb0.037%，Cu0.06%，余量为Fe。碳当量为Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+（Ni+Cu）/15=0.522。

本实施例的低碳当量高强韧性铸钢ZG15CrNiMnMoNb机械性能为：拉伸强度725Mpa，屈服强度615Mpa，延伸率23%，断面收缩率64%，冲击吸收功（-40℃）：80、51、72J。从上述数据指标和图1热处理后的金相组织图中可以看出，该合金铸钢达到支撑轴铸件的各项要求。

实施例2

（1）冶炼工艺

在7吨电弧炉中进行熔炼，选取干燥、无油少锈的Q235钢板（Cr0.28%，Cu0.07%）边角料6500Kg进行熔炼,当废钢熔化完毕，温度为1534℃时，取1号样，测得C0.56%、Ni0.14%，Mo0.04%，P0.033%。加入电解镍板46Kg,FeMo60-A钼铁合金24Kg，然后吹氧脱碳，脱碳过程不断放出炉渣并造新渣，观察火焰及炉内气氛，取2号样，测得C0.35%、Ni0.80%、Mo0.24%、P0.007%。测温为1600℃时，加入FeSi75Al0.5-A硅铁合金20Kg预还原，继续升温，当温度到1690℃时，扒除干净炉渣，转入摇包，摇包要求无残钢，残渣，烘烤2小时；

钢水转入7吨AOD炉，测温1556℃，加铝锭20Kg升温，O：Ar=3:1吹氧脱碳，吹炼完毕，取3号样，测得C0.14%，Si0.01%,Mn0.25%,P0.012%,S0.007%，Cr0.15%,Ni0.80%,Mo0.24%,Cu0.07%，V0.007%，Nb0.008%。炉体下倾流渣，加入FeMn78C0.2锰铁94Kg，FeSi75Al0.5-A硅铁43Kg、FeCr55C0.25铬铁33Kg、FeNb60-A铌铁、FeMo60-A钼铁合金5Kg提高钼铁含量和150Kg石灰，摇起炉体搅拌5分钟，倾炉测温1627℃，取4号样，测得C0.18%，Si0.50%，Mn0.95%，Cr0.53%，Ni0.79%，Mo0.27%，P0.016%，S0.009%，Nb0.045%，Cu0.07%，余量为Fe；由于合金成分锰没有达到要求范围，补加FeMn78C0.2锰铁13Kg，铝锭20Kg摇起升温并搅拌3分钟，倾炉测温1631℃，取5号样，测得C0.18%，Si0.50%，Mn1.07%，Cr0.57%，Ni0.79%，Mo0.27%，P0.016%，S0.009%，V0.03%，Nb0.045%，Cu0.07%，余量为Fe；化学成分合格。加入FeV50-A钒铁3.5Kg,摇起炉体搅拌1分钟，取6号样，测得C0.18%，Si0.50%，Mn1.06%，Cr0.59%，Ni0.79%，Mo0.27%，P0.016%，S0.009%，V0.03%，Nb0.045%，Cu0.07%，余量为Fe。然后出钢液至底注钢包，测温1573℃，至铸件浇注区，对准浇口，静置3分钟，浇注铸件。

（2）热处理工艺

热处理设备：SX-10-13型高温箱式电阻炉

淬火处理的过程是在920-940℃下保温6小时后水冷；

回火处理的过程是在630-650℃下保温7小时后在空气中冷却；

通过以上工艺，可制备低碳当量高强韧性铸钢ZG15CrNiMnMoNb，其所含元素的重量百分比组成为：C0.18%，Si0.50%，Mn1.06%，Cr0.59%，Ni0.79%，Mo0.27%，P0.016%，S0.009%，V0.03%，Nb0.045%，余量为Fe。碳当量为Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+（Ni+Cu）/15=0.577。

本实施例的低碳当量高强韧性铸钢为ZG15CrNiMnMoNb，其机械性能为：拉伸强度790Mpa，屈服强度680Mpa，延伸率20%，断面收缩率57%，冲击吸收功（-40℃）：52、57、49J。从上述数据指标和图2热处理后的金相组织图中可以看出，该合金铸钢达到支撑轴铸件的各项要求。

实施例3

（1）冶炼工艺

在7吨电弧炉中进行熔炼，选取干燥、无油少锈的Q235钢板（Cr0.28%，Cu0.06%）边角料6500Kg进行熔炼,当废钢熔化完毕，温度为1545℃时，取1号样，测得C0.56%、Ni0.13%，Mo0.06%，P0.029%。加入电解镍42Kg,FeMo60-A钼铁合金23Kg，然后吹氧脱碳，脱碳过程不断放出炉渣并造新渣，观察火焰及炉内气氛，取2号样（C0.29%、Ni0.79%、Mo0.26%、P0.005%）。测温为1603℃时，加入FeSi75Al0.5-A硅铁20Kg合金预还原，继续升温，当温度到1695℃时，扒除干净炉渣，转入摇包，摇包要求无残钢，残渣，烘烤1.5小时；

钢水转入7吨AOD炉，测温1538℃，加铝锭40Kg升温，O：Ar=3:1吹氧脱碳，吹炼完毕，取3号样，测得C0.12%，Si0.01%,Mn0.19%,P0.014%,S0.013%，Cr0.20%,Ni0.78%,Mo0.25%,Cu0.06%，V0.007%，Nb0.008%）。C含量在下限，炉体下倾流渣，加入FeMn78C0.2锰铁100Kg，FeSi75Al0.5-A硅铁38Kg、FeCr55C0.25铬铁24Kg、FeNb60-A铌铁3.5Kg和170Kg石灰，摇起炉体搅拌5分钟，倾炉测温1637℃，取4号样，测得C0.14%，Si0.42%，Mn1.17%，Cr0.49%，Ni0.76%，Mo0.24%，P0.015%，S0.010%，Nb0.040%，Cu0.06%，加入FeV50-A钒铁3.5Kg,摇起炉体搅拌1分钟，取5号样，测得C0.14%，Si0.38%，Mn1.15%，Cr0.50%，Ni0.76%，Mo0.24%，P0.015%，S0.010%，V0.025%，Nb0.040%，Cu0.06%，余量为Fe，然后出钢液至底注钢包，测温1580℃，至铸件浇注区，对准浇口，静置4分钟，浇注铸件。

（2）热处理工艺

热处理设备：SX-10-13型高温箱式电阻炉

淬火处理的过程是在920-940℃下保温6小时后水冷；

回火处理的过程是在630-650℃下保温7小时后在空气中冷却；

通过以上工艺，制备的低碳当量高强韧性铸钢为ZG15CrNiMnMoNb，其所含元素的重量百分比组成为：C0.14%，Si0.38%，Mn1.15%，Cr0.50%，Ni0.76%，Mo0.24%，P0.015%，S0.010%，V0.025%，Nb0.040%，Cu0.06%，余量为Fe。碳当量为Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+（Ni+Cu）/15=0.543。

本实施例的低碳当量高强韧性铸钢ZG15CrNiMnMoNb机械性能为：拉伸强度735Mpa，屈服强度620Mpa，延伸率23%，断面收缩率63%，冲击吸收功（-40℃）：80、51、72J。从上述数据指标和图3热处理后的金相组织图中可以看出，该合金铸钢达到支撑轴铸件的各项要求。

上述三个实施例采用的试验设备为SX-10-13型高温箱式电阻炉；万能材料试验机，型号：WE-30型。

上述三个实施例采用的机械性能试验拉棒及冲击试块尺寸为：按照ASTME8规范，拉伸试棒直径选用12.5mm，标距4d选用50mm;夹头为Ф28mm，试棒总长度为143mm。冲击试样尺寸10×10×55mm。

上述三个实施例均将微合金化技术引入低碳铸钢生产，在保持焊接性能良好的情况下，大幅提高材料强度和低温韧性，完全满足矿山车关键零部件支撑轴的需求。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种低碳当量高强韧性铸钢，其特征在于，所述低碳当量高强韧性铸钢的化学成分重量百分比为：C0.14-0.18%，Si0.30-0.60%，Mn1.00-1.20%，Cr0.40-0.60%，Ni0.70-0.80%，Mo0.20-0.30%，P≤0.025%，S≤0.020%，V0.02-0.03%，Nb0.03-0.05%，Cu≤0.020%,余量为Fe。