CN103451554B

CN103451554B - 一种阀箱用金属材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103451554B
Application number: CN201310395608.4A
Authority: CN
Inventors: 李建国; 韦品荣
Original assignee: SHANGHAI QINGHE MACHINERY CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI QINGHE MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103451554A

Abstract

本发明提供了一种阀箱用金属材料及其制备方法。所述的阀箱用金属材料，其特征在于，由C0.26-0.35wt％、Mn0.45-0.65wt％、Si0.15-0.35wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Cr1.00-1.20wt％、Ni2.5-4.0wt％、Mo0.45-0.60wt％、V0.08-0.15wt％、Cu≤0.25wt％、Al≤0.035wt％、Sn≤0.010wt％、Sb≤0.008wt％、As≤0.010wt％、Co≤0.025wt％、Pb≤0.008wt％、H≤2ppm、O≤20ppm、H≤90ppm以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。本发明所得的金属材料同时具有高强度和高韧性，其机械性能为：抗拉强度为1000-1100MPa、屈服强度为900-1000MPa、延伸率为14-20％、断面收缩率为40-55％、低温-40℃冲击功平均为34-85J。

Description

一种阀箱用金属材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种阀箱用金属材料及其制备方法，属于优质合金钢改性技术领域。

背景技术

目前，高强度高韧性金属材料的发展具有高强度、高韧性、耐腐蚀和优良塑性等特性为一体，还具有优良的塑性和韧性、减小缺口敏感性、高的疲劳强度、高的抗蚀性、良好的工艺性能，符合资源情况等，是近年来研究和开发的热点。其主要广泛应用于制作高压力容器、耐压壳体、深潜救生器、高压结构件、宇航设备、装甲车辆等领域。因此，高强度高韧性金属材料不仅是钢铁材料研究的重要方向，而且具有广阔的应用和发展前景。

一般来讲，钢锻件的强度与韧塑性表现为相互牵制的关系，硬度高，强度大的钢锻件，其韧性和塑性偏低；反之，追求较高的韧塑性，就必须牺牲降低钢的强度，因此，高强度、高韧性、耐腐蚀的开发难度极大，为了得到一定量的残余奥氏体以保证韧性，设计特殊热处理工艺为：较低温度奥氏体化，可以得到细晶奥氏体组织，淬火到一定温度以获得适量的贝氏体。淬火温度或贝氏体铁素体量为决定钢最终强度的主要因素之一。在淬火温度也可能是贝氏体沉淀出碳化化物。为使更多残余奥氏体富碳并稳定到室温，常用较高温度停留进行碳分配，最后空冷到室温，其中，淬火温主度、分配温度和在分配温度下停留的时间决定贝氏体铁素体量及其碳含量，以及残余奥氏体量和含碳量，从而决定钢的强度、延伸率和韧性。目前，国内外对此已经进行了很多在有益的探索和开发，已经形成了多项科研成果和专利。经对比分析这类成果和专利所开发的高强度高韧性金属材料相关的制造方法可以发现，对钢材的强度、硬度、塑性和韧性都有极大的提高，但还是存在以下问题：

1、现有的高强度高韧性钢在利用细化马氏体组织强化时，能达到较高强度和硬度，但韧性和塑性都不是很好；

2、现有的高强度高韧性钢在利用细化马氏体组织强化时，一般为中低碳贝氏体钢，碳含量不高，主要合金元素Si、Mn、Cr、Mo含量少，贝氏体转变温度高，塑性和韧性良好，但抗拉强度一般不超过1100MPa；

3、现有的高强度高韧性钢，为了提高钢的韧性，通常采取在钢中形成铁素体／珠光体、铁素体／贝氏体等的复相组织，具有较高的韧性，但强度不足。

4、现有的高强度高韧性钢，为了提高钢的强度，通常采取在钢中形成铁素体／马氏体、残余奥氏体／贝氏体等的复相组织，具有较高的强度，但韧性不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述中的缺点与不足，提供一种高强度高韧性金属材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种阀箱用金属材料，其特征在于，由C0.26-0.35wt％、Mn0.45-0.65wt％、Si0.15-0.35wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Cr1.00-1.20wt％、Ni2.5-4.0wt％、Mo0.45-0.60wt％、V0.08-0.15wt％、Cu≤0.25wt％、Al≤0.035wt％、Sn≤0.010wt％、Sb≤0.008wt％、As≤0.010wt％、Co≤0.025wt％、Pb≤0.008wt％、H≤2ppm、O≤20ppm、N≤90ppm以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。

本发明中碳含量为0.26-0.35wt％，为的是降低相变温度，使呈超细的贝氏体铁素体组织；加入Mn、Cr为了提高奥氏体的稳定性；加Mo是为了消除回火脆性(钢中不可避免地含有害的P)；含足够的Si以阻碍渗碳体的沉淀。

本发明还提供了一种阀箱用金属材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：将入炉铁水进行预处理，以降低铁水中的S和P含量；将铁水90～95重量份和废钢8～12重量份加入转炉，兑入生铁块8～12重量份及烧结矿147～160重量份进行熔炼，转炉熔炼时间为40-60分钟，出钢温度为1630-1650℃；将熔炼后的钢水进入LF炉进行炉外精炼处理，处理时间为50-70分钟，搬出温度为1630-1650℃，炉外精炼处理后钢水中的S≤0.005wt％、P≤0.010wt％；将钢水进行真空除气处理，处理后钢中的H≤2ppm、O≤20ppm、N≤90ppm；连铸，并将所得的连铸坯进行电渣重熔，得到钢锭；

第二步：去除钢锭坯头尾废料以排除有害的缩孔和过度偏析，使用加热炉对钢锭进行阶段加热保温，加热温度不超过1220℃，对钢锭进行锻造制得锻件，锻件的总锻比(K)≥5，锻造后将锻件在正火炉中加热到850～880℃，保温10～15h，出炉空冷或风冷待温度降到330～430℃再加热到670～690℃保温进行扩氢处理，保温时间不得少于65小时，随炉冷却到350℃以下，出炉自然冷却；将锻件在840-900℃进行奥氏体化5-10小时，最后在560～640℃回火12-16小时，然后出炉冷即到室温。

优选地，所述的第二步中的阶段加热保温的具体步骤为：将钢锭加热到840～860℃，保温6～8h，加热到1190～1210℃，保温8～10h。

优选地，所述的第二步中的锻造过程中要对温度进行监控，锻造温度若低于850℃必须回炉加热保温。

优选地，所述第一步中的炉外精炼其间加入石灰1.06～1.19重量份与萤石1.06～1.19重量份进行成分微调。

所述的石灰满足：CaO>92％、P<0.008％、S<0.005％、活性度>360毫升、粒度10～30毫米。所述的萤石满足：CaF275～95％、SiO25～20％、S≤0.10％。

所述第一步中所用的铁水中含有C0.15-0.2wt％、Mn0.45-0.65wt％、Si0.15-0.35wt％、Cr0.07-0.09wt％、Ni2.5-3.70wt％、Mo0.45-0.60wt％、V0.08-0.15wt％、Cu≤0.13wt％、Al≤0.035wt％。废钢中含有C0.11-0.15wt％、Ni≤0.30wt％、Cr≤0.30wt％、Cu≤0.12wt％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所得的金属材料同时具有高强度和高韧性，其机械性能为：抗拉强度为1000-1100MPa、屈服强度为900-1000MPa、延伸率为14-20％、断面收缩率为40-55％、低温-40℃冲击功平均为34-85J。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。

实施例1

一种阀箱用金属材料，由C0.28wt％、Mn0.50wt％、Si0.25wt％、S0.003wt％、P0.008wt％、Cr1.40wt％、Ni2.75wt％、Mo0.55wt％、V0.10wt％、Cu0.20wt％、Al0.030wt％、Sn0.007wt％、Sb0.006wt％、As0.005wt％、Co0.015wt％、Pb0.005wt％、H1.8ppm、018ppm、N80ppm以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。

上述阀箱用金属材料的制备方法，具体步骤为：

(1)第一步：转炉冶炼+LF+VD+连铸和电渣重熔处理：

1、铁水预处理：将入炉铁水进行预处理，使得铁水中的S含量降为0.013wt％，P含量降为0.015wt％；

2、转炉治炼：采用100吨转炉冶炼，将94吨铁水(含有C0.15wt％、Mn0.50wt％、Si0.25wt％、Cr0.75wt％、Ni2.60wt％、Mo0.55wt％、V0.10wt％、Cu0.10wt％、Al0.030wt％)和10吨废钢(含有C0.13wt％、Ni0.15wt％、Cr0.25wt％、Cu0.10wt％)合计104吨原材料加入转炉，兑入生铁块8吨及烧结矿147吨进行熔炼，转炉熔炼时间为50分钟，出钢温度为1640℃，钢水中的P、S含量分别为0.010wt％、0.005wt％。

3、炉外精炼：转炉治炼得到的钢水进入LF炉进行炉外精炼处理，处理时间为60分钟，其间加石灰(含有CaO93％、P0.007％、S0.005％、活性度370毫升、粒度16毫米)1.1吨与萤石(含有CaF285％、SiO28％、S0.09％)1.12吨进行成分微调，搬出温度为1645℃。经处理后钢水中的P控制在0.008wt％、S在0.003wt％。

4、炉外精炼：钢水进行真空除气处理，VD抽空时间为4分钟，有效保压时间为22分钟，搬出温度为1550℃。处理后钢中的H含量为1.8ppm、O含量为18ppm、N含量为80ppm。

5、连铸：选择CC-205B保护渣，理化指标为：CaO／SiO为0.82、软化点为920℃，熔化时间(1300℃)为4分钟、粘度(1300℃)为0.7Po、凝固温度为1030℃；采用中间罐浸入式长水口浇注，并吹Ar保护；电磁搅拌采用方式为交替、连续、两组反向，输出频率为5Hz，电流为500A；铸机拉坯起步速度为0.3m／mm、最高拉坯0.7m／mm，铸坯断面规格∮800，整罐钢的浇注时间为40分钟。

6、电渣重熔ESR：将连铸坯锯成要求的尺寸做为电极，通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺，提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。

(2)去除钢淀坯头尾废料以排除有害的缩孔和过度偏析，使用加热炉对钢锭进行阶段加热保温，将钢淀加热到840℃，保温6h，加热到1200℃，保温9h，对钢锭进行锻造制得锻件，加热温度不超过1220℃，选择合适的锻锤吨位设备，保证中心有良好压实效果，锻件的总锻比(K)为6，锻造过程中要对温度进行监控，锻造温度若低于850℃必须回炉加热到1200℃，保温6h，锻造后将锻件在正火炉中加热到860℃，保温10h，出炉空冷待温度降到400℃再加热到680℃保温进行扩氢处理，保温时间为66h，随炉冷却到320℃，出炉自然冷却；将锻件在850℃进行奥氏体化6小时，最后在630℃回火12小时，然后出炉冷即到室温。所得的阀箱用金属材料的机械性能为：抗拉强度可达1020MPa、屈服强度可达870MPa、延伸率可达16％、断面收缩率可达45％、低温-40℃冲击功平均可达35J，硬度可达325HB。

实施例2

一种阀箱用金属材料，由C0.31wt％、Mn0.55wt％、Si0.30wt％、S0.003wt％、P0.005wt％、Cr1.10wt％、Ni3.3wt％、Mo0.54wt％、V0.10wt％、Cu0.15wt％、Al0.025wt％、Sn0.005wt％、Sb0.006wt％、As0.005wt％、Co0.020wt％、Pb0.003wt％、H1.6ppm、O17ppm、N70ppm以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。

上述阀箱用金属材料的制备方法，具体步骤为：

(1)转炉冶炼+LF+VD+连铸和电渣重熔处理：

2、转炉治炼：采用100吨转炉冶炼，将94吨铁水(含有C0.20wt％、Mn0.55wt％、Si0.30wt％、Cr0.60wt％、Ni3.0wt％、Mo0.54wt％、V0.10wt％、Cu0.08wt％、Al0.025wt％)和10吨废钢(含有C0.11wt％、Ni0.30wt％、Cr≤0.50wt％、Cu≤0.07wt％)合计104吨原材料加入转炉，兑入适量生铁块10吨及烧结矿150吨进行熔炼，转炉熔炼时间为50分钟，出钢温度为1640℃，钢水中的P、S含量分别为0.010wt％、0.005wt％。

3、炉外精炼：转炉治炼得到的钢水进入LF炉进行炉外精炼处理，处理时间为60分钟，其间加入石灰(含有CaO95％、P0.006％、S0.004％、活性度380毫升、粒度20毫米)1.1吨与萤石(含有CaF285％、SiO210％、S0.07％)1.12吨进行成分微调，搬出温度为1645℃。经处理后钢水中的P控制在0.005wt％、S在0.003wt％。

4、炉外精炼：钢水进行真空除气处理，VD抽空时间为4分钟，有效保压时间为22分钟，搬出温度为1550℃。处理后钢中的H含量为1.6ppm、O含量为17ppm、N含量为70ppm。

(2)去除钢淀坯头尾废料以排除有害的缩孔和过度偏析，使用加热炉对钢锭进行阶段加热保温，将钢淀加热到850℃，保温7h，加热到1200℃，保温9h，对钢锭进行锻造制得锻件，加热温度不超过1200℃，选择合适的锻锤吨位设备，保证中心有良好压实效果，锻件的总锻比(K)为9，锻造过程中要对温度进行监控，锻造温度若低于850℃必须回炉加热到1200℃，保温8h，锻造后将锻件在正火炉中加热到870℃，保温12h，出炉空冷待温度降到400℃再加热到680℃保温进行扩氢处理，保温时间为68h，随炉冷却到300℃，出炉自然冷却；将锻件在860℃进行奥氏体化7小时，最后在620℃回火15小时，然后出炉冷即到室温。所得的阀箱用金属材料的机械性能为：抗拉强度可达1050MPa、屈服强度可达900MPa、延伸率可达17％、断面收缩率可达50％、低温-40℃冲击功平均可达65J，硬度可达336HB。

实施例3

一种阀箱用金属材料，由C0.35wt％、Mn0.62wt％、Si0.32wt％、S0.003wt％、P0.005wt％、Cr1.10wt％、Ni4wt％、Mo0.58wt％、V0.14wt％、Cu0.20wt％、Al0.020wt％、Sn0.005wt％、Sb0.004wt％、As0.005wt％、Co0.010wt％、Pb0.005wt％、H1.5ppm、O16ppm、N60ppm以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。

上述阀箱用金属材料的制备方法，具体步骤为：

(1)转炉冶炼+LF+VD+连铸和电渣重熔处理

1、铁水预处理：将入炉铁水进行预处理，使得铁水中的S含量降为0.012wt％，P含量降为0.013wt％；

2、转炉治炼：采用100吨转炉冶炼，将94吨铁水(含有C0.20wt％、Mn0.62wt％、Si0.32wt％、Cr1.0wt％、Ni3.85wt％、Mo0.58wt％、V0.14wt％、Cu0.10wt％、Al0.020wt％)和10吨废钢(含有C0.15wt％、Ni0.15wt％、Cr0.20wt％、Cu0.10wt％)合计104吨原材料加入转炉，兑入适量生铁块12吨及烧结矿160吨进行熔炼，转炉熔炼时间为50分钟，出钢温度为1640℃，钢水中的P、S含量分别为0.010wt％、0.005wt％。

3、炉外精炼：转炉治炼得到的钢水进入LF炉进行炉外精炼处理，处理时间为60分钟，其间加入石灰(含有CaO96％、P0.005％、S0.003％、活性度400毫升、粒度28毫米)1.1吨与萤石(含有CaF293％、SiO215％、S0.06％)1.12吨进行成分微调，搬出温度为1645℃。经处理后钢水中的P控制在0.005wt％、S在0.003wt％。

4、炉外精炼：钢水进行真空除气处理，VD抽空时间为4分钟，有效保压时间为22分钟，搬出温度为1550℃。处理后钢中的H含量为1.5ppm、0含量为16ppm、N含量为60ppm。

(2)去除钢淀坯头尾废料以排除有害的缩孔和过度偏析，使用加热炉对钢锭进行阶段加热保温，将钢淀加热到860℃，保温8h，加热到1200℃，保温10h，对钢锭进行锻造制得锻件，加热温度不超过1220℃，选择合适的锻锤吨位设备，保证中心有良好压实效果，锻件的总锻比(K)为11，锻造过程中要对温度进行监控，锻造温度若低于850℃必须回炉加热到1200℃，保温8h，锻造后将锻件在正火炉中加热到880℃，保温14h，出炉空冷待温度降到400℃再加热到680℃保温进行扩氢处理，保温时间为72h，随炉冷却到300℃，出炉自然冷却；将锻件在850℃进行奥氏体化10小时，最后在600℃回火16小时，然后出炉冷即到室温。所得的阀箱用金属材料的机械性能为：抗拉强度可达1100MPa、屈服强度可达1000MPa、延伸率可达18％、断面收缩率可达55％、低温-40℃冲击功平均可达85J，硬度可达352HB。

Claims

1.一种阀箱用金属材料的制备方法，所述的阀箱用金属材料，其特征在于，由C 0.26-0.35wt%、Mn 0.45-0.65wt%、Si 0.15-0.35wt%、S≤0.005wt%、P≤0.010wt%、Cr 1.00-1.20wt%、Ni 2.5-4.0wt%、Mo 0.45-0.60wt%、V 0.08-0.15wt%、Cu≤0.25wt%、Al ≤0.035wt%、Sn ≤0.010wt%、Sb ≤0.008wt%、As≤0.010wt%、Co≤0.025wt%、Pb≤0.008wt%、H≤2 ppm、O≤20 ppm、N≤90 ppm以及余量的Fe和不可避免的杂质组成，其特征在于，具体步骤为：

第一步：将入炉铁水进行预处理，以降低铁水中的S和P含量；将铁水90～95重量份和废钢8～12重量份加入转炉，兑入生铁块8～12重量份及烧结矿147～160重量份进行熔炼，转炉熔炼时间为40-60分钟，出钢温度为1630-1650℃；将熔炼后的钢水进入LF炉进行炉外精炼处理，处理时间为50-70分钟，搬出温度为1630-1650℃，炉外精炼处理后钢水中的S≤0.005wt%、P≤0.010wt%；将钢水进行真空除气处理，处理后钢中的H≤2 ppm、O≤20 ppm、N≤90 ppm；连铸，并将所得的连铸坯进行电渣重熔，得到钢锭；

第二步：去除钢锭坯头尾废料以排除有害的缩孔和过度偏析，使用加热炉对钢锭进行阶段加热保温，加热温度不超过1220℃，对钢锭进行锻造制得锻件，锻件的总锻比≥5，锻造后将锻件在正火炉中加热到850～880℃，保温10～15h，出炉空冷或风冷待温度降到330～430℃再加热到670～690℃保温进行扩氢处理，保温时间不得少于65小时，随炉冷却到350℃以下，出炉自然冷却；将锻件在840-900℃进行奥氏体化5-10小时，最后在560～640℃回火12-16小时，然后出炉冷即到室温。

2.如权利要求1所述的阀箱用金属材料的制备方法，其特征在于，所述的第二步中的阶段加热保温的具体步骤为：将钢锭加热到840～860℃，保温6～8h，加热到1190～1210℃，保温8～10h。

3.如权利要求1所述的阀箱用金属材料的制备方法，其特征在于，所述的第二步中的锻造过程中要对温度进行监控，锻造温度若低于850℃必须回炉加热保温。

4.如权利要求1所述的阀箱用金属材料的制备方法，其特征在于，所述第一步中的炉外精炼其间加入石灰1.06～1.19重量份和萤石1.06～1.19重量份进行成分微调。