CN103966515B

CN103966515B - 一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法

Info

Publication number: CN103966515B
Application number: CN201410241224.1A
Authority: CN
Inventors: 李平; 李锋军; 徐治新; 刘松涛; 苏莉; 彭保中; 欧阳维强; 周云平; 来旭强
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: CN103966515A

Abstract

本发明提供了一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法，是选用低硫磷炉料、利用酸性电弧炉冶炼钢液、炉外精炼，一次淬火+回火的制备低合金高强韧铸钢的方法，本方法工序少，效率高，利用本发明制备的低合金高强韧铸钢强度高，塑性韧性好，硬度较高，可用于农机、工程机械、坦克、矿山等领域的机械工件，在保持较好耐磨性的同时，有效防止铸件断裂问题。同时该铸钢合金元素加入量少，原材料成本低，有较好的推广应用前景。

Description

一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法

技术领域：

本发明属于金属材料领域，涉及一种低合金高强韧铸钢的制备方法，特别是一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法，用该方法制备的是一种低合金高强韧铸钢。

背景技术：

在农机、工程机械、坦克、矿山等领域中，很多承载零部件容易出现断裂和快速磨损等失效现象，降低设备的工作效率和使用可靠性。因此，要求这些零部件材料不仅要有一定的硬度、较好的耐磨性，更要有高强度和高韧性，即要求综合力学性能好。低合金铸钢具有合金含量低（合金元素总量≤5%）、来源广泛，综合力学性能好、制造工序简单，成本低等特点，是一种应用前景很好的工程材料。很多研究者采用不同合金化和优化热处理工艺，获得马氏体+残余奥氏体、马氏体+贝氏体、贝氏体+残余奥氏体、马氏体+残余奥氏体+碳化物等不同组织，制得了高强度耐磨铸钢，应用于一些磨损严重的工况条件。但是，在旋转或扭转作用强烈而磨损作用相对不强烈的条件下服役的一些工件，如应用上述高强度耐磨铸钢，经常会出现由于塑性或韧性不足而发生断裂失效现象。

炼钢方法一般有电弧炉、中频感应炉、转炉和电渣重熔等，其中电弧炉和中频感应炉为应用最广泛的两种方法。

中频炉炼钢对炉料品质的要求较高，即要吃精料，倘若炉料本身不能严格保证品质，那么出炉的钢液品质就可想而知，中频炉没有冶金反应，熔炼时不好调质，所以炼出的钢材质地不纯，每个炉次所出的钢水质量差别较大，重现性差。电弧炉可以大量使用废钢和回炉料，有很强的熔化、氧化和还原能力，冶金能力很强，能有效地除去气体和夹杂物，成分调整非常方便，每个炉次都能很好地控制，钢材质量能得到保证，适于优质合金钢的熔炼。

电弧炉依照炉渣和炉衬耐火材料的性质分为酸性和碱性两种。碱性炉的炉衬是用镁砂、白云石等碱性耐火材料修砌的。而酸性炉是用硅砖、石英砂、白泥等酸性材料修砌的。由于炉衬的性质不同，在炼钢过程中所采用的造渣材料也不一样。碱性炉要用石灰为主的碱性材料造碱性渣，而酸性炉则是用石英砂为主的材料造酸性渣。

酸性电弧炉和碱性电弧炉的优缺点：（1）碱性电弧炉由于使用碱性炉渣，能有效地去除钢中的有害元素磷、硫；而酸性渣无去除磷硫的能力，所以酸性炉炼钢要用含磷硫很低的原材料，对炉料质量要求高。（2）碱性电弧炉衬MgO的耐急冷急热性差，在间歇式熔炼条件下，炉衬寿命短，导致熔炼成本高；酸性电弧SiO₂炉衬耐急冷急热性好，炉衬寿命长，熔炼成本低。(3)酸性炉渣阻止气体透过的能力大于碱性渣，侵入气体少，FeO少，弱碱性，脱氧剂加入量少，杂质少，因此钢液的气体夹杂物少。（4）由于不脱磷硫，冶炼时间短，熔炼工艺简单，熔炼效率高，经济性好。（5）酸性炉钢液升温快，热效率高，造渣少，节能。

发明内容：

综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法，是选用低硫磷炉料、利用酸性电弧炉冶炼钢液、炉外精炼，一次淬火+回火的制备低合金高强韧铸钢的方法，本方法工序少，效率高，制备的低合金高强韧铸钢强度高、塑性和韧性好，有较高硬度和一定的耐磨性，可用于要求高强韧耐磨工况条件下使用的工件，且合金元素少，成本低，具有较好的推广应用前景。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：

C：0.28%～0.38%，Si：0.45%～0.80%，Mn：1.00%～1.50%，P≤0.025%，S≤0.025%，Cr：0.55%～0.90%，Mo：0～0.30%，余量为Fe。

一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法，包括以下步骤：

第一步、利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：C：0.28%～0.38%，Si：0.45%～0.80%，Mn：1.00%～1.50%，P≤0.025%，S≤0.025%，Cr：0.55%～0.90%，Mo：0～0.30%，余量为Fe；

第二步、电弧炉熔炼及炉外精炼：将称量好的主要炉料、钼铁和电极粉（按第一步质量百分比的原料要求）加入电弧炉中熔炼钢液，所用主要炉料为40%～60%的42CrMo锻边废钢和60%～40%的冲压废钢料边；在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，加入少量锰铁和硅铁进行沉淀预脱氧，同时不断补充脱氧及造渣材料，并加入复合脱氧剂进行充分还原；钢液温度达到1680～1710℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1690～1720℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液出炉温度为1650～1680℃，熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入小包转包浇注，浇注温度控制为1550～1590℃；

第三步、热处理方法：浇注的铸件需进行调质热处理，热处理为淬火+高温回火，加热到890℃，保温2h出炉，在油中冷却；然后加热到560℃保温3h回火；

第四步、制备得到的低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，不加钼时，抗拉强度可达到760～1100MPa，屈服强度可达到600～900MPa，伸长率大于10%，断面收缩率20%～50%，标准U型夏比缺口冲击韧性值a_k大于40J/cm²,硬度可达到230～290HB；

第五步、加钼时，低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，抗拉强度可达到800～1100MPa，屈服强度650～1000MPa，伸长率大于10%，断面收缩率30%～60%，标准U型夏比缺口冲击韧性值a_k大于70J/cm²，硬度可达到240～300HB。

进一步、所述的电弧炉熔炼钢液是采用酸性电弧炉熔炼钢液。

进一步，第二步所述的加入复合脱氧剂为铝锭终脱氧进行充分还原，加入量为1kg/t钢液。

本发明中选用的化学成分作用如下：

碳（C）是对钢的性能影响最大的基本元素，是决定钢力学性能如强度、硬度、塑性和韧性的主要因素，提高钢的淬透性，淬火热处理后形成的马氏体硬度高，碳与铁形成的渗碳体（Fe₃C）硬度高，可提高钢的耐磨性；随着钢中碳含量的增加，屈服点和抗拉强度、硬度升高。

硅（Si）来源丰富，增大钢液的流动性，具有固溶强化和脱氧作用，能提高钢的硬度和强度。

锰（Mn）在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低硫在钢中的危害。锰溶入铁素体中起固溶强化作用，细化珠光体组织以改善其机械性能，为低合金钢的重要合金化元素之一，并为无镍及少镍奥氏体钢的主要奥氏体化元素。提高钢的淬透性的作用强。

磷（P）是钢中的有害元素，使钢的脆性转折温度急剧上升，提高钢的冷脆性，使冷弯性能变坏，磷在钢中存在较大的偏析，一般钢中要求其含量在0.080%以下，优质钢要求小于0.040%。

硫（S）是有害元素，引起钢在热加工时开裂，降低钢的延展性和韧性，硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

铬（Cr）是钢中的重要合金化元素，能提高钢的耐磨性、耐热性和耐蚀性。在耐磨钢中，铬提高钢的淬透性，与碳和铁形成(Fe,Cr)₃C化合物显著提高强度、硬度和耐磨性。

钼(Mo)对铁素体有固溶强化的作用，同时也提高碳化物的稳定性，还能强烈地提高钢中铁素体的蠕变抗力。钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢不加钼时的抗拉强度可达到760～1100MPa，屈服强度可达到600～900MPa，伸长率大于10%，断面收缩率20%～50%，冲击韧性值大于40J/cm²，硬度大于230～290HB；加钼时抗拉强度可达到800～1100MPa，屈服强度650～1000MPa，伸长率大于10%，断面收缩率30%～60%,冲击韧性值大于70J/cm²，硬度可达到240～300HB。

2、利用本发明制备的低合金高强韧铸钢强度高，塑性韧性好，硬度较高，可用于农机、工程机械、坦克、矿山等领域的机械工件，在保持较好耐磨性的同时，有效防止铸件断裂问题。同时该铸钢合金元素加入量少，原材料成本低，有较好的推广应用前景。

附图说明：

图1是本发明实施例2生产履带板的检测金相组织照片；

图2是本发明实施例2的拉伸断口扫描电镜照片。

具体实施方式：

以下结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1（本实施例熔炼钢液是采用酸性电弧炉）

第一步、利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：C：0.28%，Si：0.54%，Mn：1.08%，P≤0.024%，S≤0.020%，Cr：0.58%，余量为Fe；

第二步、电弧炉熔炼及炉外精炼：将称量好的主要炉料和按上述C含量成分要求的电极粉加入电弧炉中熔炼钢液，所用主要炉料为40%的42CrMo锻边废钢和60%的冲压废钢料边；在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，加入少量锰铁和硅铁进行沉淀预脱氧，同时不断补充脱氧及造渣材料，并加入复合脱氧剂进行充分还原；钢液温度达到1680～1710℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1690～1720℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液出炉温度为1650～1680℃，熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入小包转包浇注，浇注温度控制为1550～1590℃；

第三步、热处理方法：浇注的铸件需进行调质热处理，调质热处理为淬火+高温回火，加热到890℃，保温2h出炉，在油中冷却；然后加热到560℃保温3h回火；

第四步、制备得到的低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，不加钼时，抗拉强度可达到760～1100MPa，屈服强度可达到600～900MPa，伸长率大于10%，断面收缩率20%～50%，冲击韧性值大于40J/cm²,硬度可达到230～290HB。

实施例2（本实施例熔炼钢液是采用酸性电弧炉）

第一步、利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：其中，C：0.31%，Si：0.70%，Mn：1.21%，P≤0.023%，S≤0.022%，Cr：0.67%，Mo：0.20%，其余为Fe；

第二步、电弧炉熔炼及炉外精炼：将称量好的主要炉料、钼铁和电极粉（按上述质量百分比的原料要求）加入电弧炉中熔炼钢液，所用主要炉料为50%的42CrMo锻边废钢和50%的冲压废钢料边；在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，加入少量锰铁和硅铁进行沉淀预脱氧，同时不断补充脱氧及造渣材料，并加入复合脱氧剂进行充分还原；钢液温度达到1680～1710℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1690～1720℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液出炉温度为1650～1680℃，熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入小包转包浇注，浇注温度控制为1550～1590℃；

第三步、热处理方法：浇注的铸件需进行调质热处理，调质热处理为淬火+高温回火，加热到890℃，保温2h出炉，在油中冷却；然后加热到560℃保温3h回火。

第四步、加钼时，制备得到的低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，抗拉强度可达到800～1100MPa，屈服强度650～1000MPa，伸长率大于10%，断面收缩率30%～60%，冲击韧性值大于70J/cm²,硬度可达到240～300HB；参见图1的生产履带板检测金相组织，为回火索氏体组织；拉伸断口扫描电镜照片见图2，表现为韧性断裂，韧窝多且深。

实施例3（本实施例熔炼钢液是采用酸性电弧炉）

第一步、利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：其中，C：0.36%，Si：0.75%，Mn：1.48%，P≤0.020%，S≤0.016%，Cr：0.89%，Mo：0.30%，其余为Fe；

第二步、电弧炉熔炼及炉外精炼：将称量好的主要炉料、钼铁和电极粉（按上述质量百分比的原料要求）加入电弧炉中熔炼钢液，所用主要炉料为60%的42CrMo锻边废钢和40%的冲压废钢料边；在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，加入少量锰铁和硅铁进行沉淀预脱氧，同时不断补充脱氧及造渣材料，并加入复合脱氧剂进行充分还原；钢液温度达到1680～1710℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1690～1720℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液出炉温度为1650～1680℃，熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入小包转包浇注，浇注温度控制为1550～1590℃；

第四步、加钼时，制备得到的低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，抗拉强度可达到800～1100MPa，屈服强度650～1000MPa，伸长率大于10%，断面收缩率30%～60%,，冲击韧性值大于70J/cm²，硬度可达到240～300HB。

Claims

1.一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、利用电弧炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：

C：0.28%～0.38%，Si：0.45%～0.80%，Mn：1.00%～1.50%，P≤0.030%，S≤0.025%，Cr：0.55%～0.90%，Mo：0～0.30%，余量为Fe；

第二步、电弧炉熔炼及炉外精炼：将称量好的主要炉料、钼铁和电极粉加入电弧炉中熔炼钢液，所用主要炉料为40%～60%的42CrMo锻边废钢和60%～40%的冲压废钢料边；在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，加入少量锰铁和硅铁进行沉淀预脱氧，同时不断补充脱氧及造渣材料，并加入复合脱氧剂进行充分还原；钢液温度达到1680～1710℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1690～1720℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液出炉温度为1650～1680℃，熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入小包转包浇注，浇注温度控制为1550～1590℃；

第三步、热处理方法：浇注的铸件需进行调质热处理，热处理为淬火+高温回火，加热到890℃，保温2h出炉，在油中冷却；热后加热到560℃保温3h回火；

制备得到的低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，不加钼时，抗拉强度可达到760～1100MPa，屈服强度可达到600～900MPa，伸长率大于10%，断面收缩率20%～50%，标准U型夏比缺口冲击韧性值a_k大于40J/cm²,硬度可达到230～290HB；

加钼时，低合金高强韧铸钢组织为回火索氏体，有时有少量屈氏体或/和少量马氏体，抗拉强度可达到800～1100MPa，屈服强度650～1000MPa，伸长率大于10%，断面收缩率30%～60%，标准U型夏比缺口冲击韧性值a_k大于70J/cm²，硬度可达到240～300HB。

2.根据权利要求1所述的一种利用电弧炉制备低合金高强韧铸钢的方法，其特征在于：所述的电弧炉熔炼钢液是采用酸性电弧炉熔炼钢液。