CN103614610A - 一种耐候钢锭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐候钢锭的制备方法，是针对耐候钢的特殊技术要求，采用在真空感应熔炼炉内，在氩气保护下加热熔炼铁碳合金，然后添加耐候增强增韧物质进行精炼，经浇铸成锭、加热锻造、中温退火，制成圆棒形耐候钢锭，此制备方法工艺先进，数据翔实精确，耐候钢的化学物理性能、力学性能稳定，晶粒度为12.3μm，抗拉强度达836MPa，屈服强度达721MPa，冲击韧性达354J，在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率能降低73%，是十分理想的耐候钢锭的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐候钢锭的制备方法，属黑色金属熔炼制备及应用的技术领域。
背景技术
耐候钢是一种适宜气候变化的结构钢，由于气候的冷热变化，雨雪雾冰的浸渍、风砂的吹袭、海水的腐蚀拍打，都会使钢材发生力学性能、化学物理性能的变化，以致造成钢材硬度降低、脆性增大、耐磨性变差、抗拉强度减弱，使机件无法正常使用，甚至引发事故。
耐候钢一般用于制造火车车厢、集装箱及移动设备，这些设备大都要求具备高强度、高韧性、耐腐蚀性，既能承载有效载荷，又能保证不变形，还要适合各种气候条件，这就给耐候钢的制备提出了更高的要求。
在制备耐候钢的过程中，为了达到耐候的高要求，有的采用改变配料法、施压法、表面处理法、化学镀层法等，但这些方法都存在不同程度的弊端，以致达不到耐候钢的要求，阻碍了耐候钢技术的发展和应用。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的不足，采用在耐候钢熔炼过程中掺杂增强、增韧、耐腐蚀物质，经真空熔炼、氩气保护、浇注成型、冲击锻造、中温退火，制成耐候钢锭，以大幅度提高耐候钢的强度、韧性，使耐候钢更加适应在恶劣气候条件下应用。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：铁、硅、铜、镍、铈、锰、石墨、铬铁合金、磷铁合金、硫化亚铁、氩气，其组合准备用量如下：
以克、毫米、厘米3为计量单位
耐候钢锭的制备方法如下：
（1）精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
（2）熔炼浇铸耐候钢
耐候钢的熔炼、浇铸是在真空感应熔炼炉中进行的，是在加热熔炼、添加合金元素、精炼过程中，在外水循环冷却、氩气保护下完成的；
①清理、清洁熔炼用镁砂坩埚
用金属铲、金属刷清理熔炼炉内的镁砂坩埚内部，使坩埚内洁净；
②制备砂型铸锭模具
砂型模具呈矩形，砂形型腔为圆柱形腔体，尺寸为Φ40mm×300mm；砂型铸锭模具要经干燥处理，干燥温度200℃，干燥时间180min；
③置放砂型模具
将砂型模具置于真空感应熔炼炉内，熔炼坩埚出液口对准砂型模具浇口；
④熔炼铁碳合金
将铁3000g±10g、石墨粉3.4g±0.1g加入坩埚中；
⑤将硅粉16g±0.1g、铜粉7.7g±0.1g、镍粉4g±0.1g、铈粉30g±0.1g、锰粉11.5g±0.1g、铬铁合金块21.5g±0.1g、磷铁合金块8.9g±0.1g、硫化亚铁粉0.26g±0.01g放入熔炼炉的加料箱内；
⑥关闭真空感应熔炼炉，抽取炉内空气，使炉内压强达10Pa；然后向炉内输入氩气，氩气输入速度1000cm3/min，使炉内压强恒定在0.1MPa；
⑦开启真空感应熔炼炉加热器，加热熔炼炉，升温速度40℃/min，熔炼温度1600℃±5℃，熔炼时间50min，熔炼后成铁碳合金熔液；
⑧添加耐候材料，进行精炼
将硅粉、铜粉、镍粉、铈粉、锰粉、铬铁合金块、磷铁合金块、硫化亚铁粉由加料箱加入熔炼坩埚内，进行精炼，精炼温度1600℃±5℃，精炼时间10min，精炼后成耐候钢熔液；
⑨浇铸
调节精炼温度，使钢液温度降至1550℃±5℃，开启熔炼坩埚的出液电磁阀对准砂型模具浇口，进行浇铸，浇满为止；
⑩冷却
关闭熔炼炉加热器，停止加热，使砂型模具内的熔液随炉冷却至25℃；
（3）开炉、开模取出耐候钢锭
关闭氩气阀，停止输氩气；
开启真空感应熔炼炉，取出砂型模具；
开启砂型模具，取出铸锭，即耐候钢铸锭；
（4）锻造
将耐候钢铸锭置于电炉中加热，达到锻造温度1100℃±10℃后取出，置于锻锤下进行锻造，初锻温度1100℃±10℃，终锻温度900℃±10℃，锻造压力为30MPa，锻造时间25min，锻造后成Φ100mm×50mm的耐候钢锭；
（5）中温退火
将锻造后的耐候钢锭置于电阻炉内进行退火处理，温度为550℃，保温时间60min，取出后在空气中冷却；
（6）检测，分析，表征
对制备的耐候钢锭的形貌、色泽、力学性能进行检测、分析、表征；
用金相显微镜进行晶粒度分析；
用X射线衍射仪进行腐蚀产物分析；
用场发射扫描电子显微镜进行腐蚀产物形貌观察；
结论：耐候钢锭为黑色圆棒形，晶粒度为12.3μm，抗拉强度达836MPa，屈服强度达721MPa，冲击韧性达354J，在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率降低73%。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对耐候钢的特殊技术要求，采用在真空感应熔炼炉内，在氩气保护下加热熔炼铁碳合金，然后添加耐候增强增韧物质进行精炼，经浇铸成锭、加热加压锻造、中温退火，制成圆棒形耐候钢锭，此制备方法工艺先进，数据翔实精确，耐候钢锭的化学物理性能、力学性能稳定，晶粒度为12.3μm，抗拉强度达836MPa，屈服强度达721MPa，冲击韧性达354J，在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率降低73%，是十分理想的耐候钢的制备方法。
附图说明
图1、熔炼，精炼，浇铸耐候钢状态图
图2、耐候钢锭横切面形貌图
图3、模拟海洋气候条件下耐候钢衍射图谱
图4、模拟海洋气候条件下耐候钢表面腐蚀形貌图
图中所示，附图标记清单如下：
1、真空感应熔炼炉；2、炉座；3、炉盖；4、镁砂熔炼坩埚；5、感应线圈；6、出液管；7、电磁阀；8、砂型模具；9、模具浇口；10、加料箱；11、磁力搅拌器；12、坩埚吊杆；13、出气管；14、观察窗；15、外水循环冷却管；16、真空泵；17、真空管；18、氩气瓶；19、氩气阀；20、氩气管；21、氩气；22、精炼熔夜；23、铸锭；24、显示屏；25、指示灯；26、电源开关；27、熔炼温度控制器；28、电磁阀控制器；29、真空泵控制器；30、第一固定架；31、第二固定架；32、炉腔；33、加料管；34、磁力搅拌控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为熔炼、精炼、浇铸耐候钢状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。
制备、熔炼、精炼使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫米、厘米3为计量单位。
耐候钢的熔炼、精炼、浇铸是在真空感应熔炼炉内进行的，是在加热熔炼、精炼、添加耐候材料的过程中，在外水循环冷却、氩气保护下完成的；
真空感应熔炼炉为立式，在真空感应熔炼炉1的下部为炉座2、上部为炉盖3；在真空感应熔炼炉1的炉腔32内的左上部设有镁砂熔炼坩埚4，并由坩埚吊杆12吊装在炉盖3上，熔炼坩埚4内为精炼熔液22，镁砂熔炼坩埚4的右下部设有出液管6、电磁阀7；在炉腔32内的右下部设有砂型模具8，砂型模具8上部设有模具浇口9，砂型模具8内为铸锭23；炉腔32内由氩气21充填；在真空感应熔炼炉1的外部由外水循环冷却管15环绕；在真空感应熔炼炉1的左下部设有真空泵16，并通过真空管17与炉腔32联通；在真空感应熔炼炉1的右上部设有出气管13；在炉盖3上左部设有加料箱10，并通过加料管33深入镁砂熔炼坩埚4内，加料管33由第一固定架30固定；在炉盖3的中部设有磁力搅拌器11，并伸入镁砂熔炼坩埚4内，并由第二固定架31固定；在炉盖3的右部设有观察窗14；在真空感应熔炼炉1的左外部设有氩气瓶18、氩气阀19、氩气管20，并伸入炉腔32内；在炉座2上设有显示屏24、指示灯25、电源开关26、熔炼温度控制器27、电磁阀门控制器28、真空泵控制器29、磁力搅拌控制器34。
图2所示，为耐候钢锭横切面形貌图，图内可见金相组织晶粒细小，致密性好。
图3所示，为模拟海洋气候条件下耐候钢衍射图谱，图中可见腐蚀产物中有Fe/Cr、γ-FeOOH、γ-Fe2O3、Fe3O4和FeOOH物质。
图4所示，为模拟海洋气候条件下耐候钢表面腐蚀形貌，图中可见：表面腐蚀物有层状凸起、团装聚集、聚集颗粒形状和雪花针状，Fe3O4存在于基体/锈层的界面处，以层状生长，有积聚成颗粒的倾向，这些颗粒由一个核积聚许多晶体而成；γ-Fe2O3是以团装物出现；γ-FeOOH以类似雪花的折断面的聚形出现；α-FeOOH由于具有多孔结构，故以针状或长方形片状生长。
Claims (2)
1.一种耐候钢锭的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铁、硅、铜、镍、铈、锰、石墨、铬铁合金、磷铁合金、硫化亚铁、氩气，其组合准备用量如下：
以克、毫米、厘米3为计量单位
耐候钢锭的制备方法如下：
（1）精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
（2）熔炼浇铸耐候钢
耐候钢的熔炼、浇铸是在真空感应熔炼炉中进行的，是在加热熔炼、添加合金元素、精炼过程中，在外水循环冷却、氩气保护下完成的；
①清理、清洁熔炼用镁砂坩埚
用金属铲、金属刷清理熔炼炉内的镁砂坩埚内部，使坩埚内洁净；
②制备砂型铸锭模具
砂型模具呈矩形，砂形型腔为圆柱形腔体，尺寸为Φ40mm×300mm；砂型铸锭模具要经干燥处理，干燥温度200℃，干燥时间180min；
③置放砂型模具
将砂型模具置于真空感应熔炼炉内，熔炼坩埚出液口对准砂型模具浇口；
④熔炼铁碳合金
将铁3000g±10g、石墨粉3.4g±0.1g加入坩埚中；
⑤将硅粉16g±0.1g、铜粉7.7g±0.1g、镍粉4g±0.1g、铈粉30g±0.1g、锰粉11.5g±0.1g、铬铁合金块21.5g±0.1g、磷铁合金块8.9g±0.1g、硫化亚铁粉0.26g±0.01g放入熔炼炉的加料箱内；
⑥关闭真空感应熔炼炉，抽取炉内空气，使炉内压强达10Pa；然后向炉内输入氩气，氩气输入速度1000cm3/min，使炉内压强恒定在0.1MPa；
⑦开启真空感应熔炼炉加热器，加热熔炼炉，升温速度40℃/min，熔炼温度1600℃±5℃，熔炼时间50min，熔炼后成铁碳合金熔液；
⑧添加耐候材料，进行精炼
将硅粉、铜粉、镍粉、铈粉、锰粉、铬铁合金块、磷铁合金块、硫化亚铁粉由加料箱加入熔炼坩埚内，进行精炼，精炼温度1600℃±5℃，精炼时间10min，精炼后成耐候钢熔液；
⑨浇铸
调节精炼温度，使钢液温度降至1550℃±5℃，开启熔炼坩埚的出液电磁阀对准砂型模具浇口，进行浇铸，浇满为止；
⑩冷却
关闭熔炼炉加热器，停止加热，使砂型模具内的熔液随炉冷却至25℃；
（3）开炉、开模取出耐候钢锭
关闭氩气阀，停止输氩气；
开启真空感应熔炼炉，取出砂型模具；
开启砂型模具，取出铸锭，即耐候钢铸锭；
（4）锻造
将耐候钢铸锭置于电炉中加热，达到锻造温度1100℃±10℃后取出，置于锻锤下进行锻造，初锻温度1100℃±10℃，终锻温度900℃±10℃，锻造压力为30MPa，锻造时间25min，锻造后成Φ100mm×50mm的耐候钢锭；
（5）中温退火
将锻造后的耐候钢锭置于电阻炉内进行退火处理，温度为550℃，保温时间60min，取出后在空气中冷却；
（6）检测，分析，表征
对制备的耐候钢锭的形貌、色泽、力学性能进行检测、分析、表征；
用金相显微镜进行晶粒度分析；
用X射线衍射仪进行腐蚀产物分析；
用场发射扫描电子显微镜进行腐蚀产物形貌观察；
结论：耐候钢锭为黑色圆棒形，晶粒度为12.3μm，抗拉强度达836MPa，屈服强度达721MPa，冲击韧性达354J，在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率降低73%。
2.根据权利要求1所述的一种耐候钢锭的制备方法，其特征在于：
耐候钢的熔炼、精炼、浇铸是在真空感应熔炼炉内进行的，是在加热熔炼、精炼、添加耐候材料的过程中，在外水循环冷却、氩气保护下完成的；
真空感应熔炼炉为立式，在真空感应熔炼炉（1）的下部为炉座（2），上部为炉盖（3）；在真空感应熔炼炉（1）的炉腔（32）内的左上部设有镁砂熔炼坩埚（4），并由坩埚吊杆（12）吊装在炉盖（3）上，熔炼坩埚（4）内为精炼熔液（22），镁砂熔炼坩埚（4）的右下部设有出液管（6）、电磁阀（7）；在炉腔（32）内的右下部设有砂型模具（8），砂型模具（8）上部设有模具浇口（9），砂型模具（8）内为铸锭（23）；炉腔（32）内由氩气（21）充填；在真空感应熔炼炉（1）的外部由外水循环冷却管（15）环绕；在真空感应熔炼炉（1）的左下部设有真空泵（16），并通过真空管（17）与炉腔（32）联通；在真空感应熔炼炉（1）的右上部设有出气管砂型模具（13）；在炉盖（3）上左部设有加料箱（10），并通过加料管（33）深入镁砂熔炼坩埚（4）内，加料管（33）由第一固定架（30）固定；在炉盖（3）的中部设有磁力搅拌器（11），并伸入镁砂熔炼坩埚内，并由第二固定架（31）固定；在炉盖（3）的右部设有观察窗（14）；在真空感应熔炼炉（1）左部设有氩气瓶（18）、氩气阀（19）、氩气管（20），并伸入炉腔（32）内；在炉座（2）上设有显示屏（24）、指示灯（25）、电源开关（26）、熔炼温度控制器（27）、电磁阀门控制器（28）、真空泵控制器（29）、磁力搅拌控制器（34）。
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