CN104726782A - 一种超高强度低合金钢及其制造方法 - Google Patents

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周丽明
张六一
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Abstract

本发明涉及一种超高强度低合金钢及其制造方法，该合金钢包括以重量百分比计的以下成分：C：0.40～0.42；Si：0.20～0.30；Mn：0.65～0.75；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.75～0.85；Mo：0.25～0.28；Ni：1.85～1.95；余量为Fe和不可避免的杂质；制造方法为：将原料经过电炉熔炼、炉外精炼、真空脱气、电渣重熔、锻造及热处理后即可得到超高强度低合金钢。与现有技术相比，本发明制得的超高强度低合金钢具有良好的力学性能，其中抗拉强度Rm≥1800MPa，屈服强度Rp0.2≥1400Mpa，延伸率A5≥10％，且制造超高强度低合金钢的工艺简单易行。

Description

一种超高强度低合金钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢材及其制备方法，尤其是涉及一种超高强度低合金钢及其制造方法。
背景技术
众所周知，超高强度钢材是在合金结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造飞机起落架和主梁、固体火箭发动机壳体，高速离心机旋转简体和其他承受高应力的结构部件超高强度螺栓等。通常情况下，抗拉强度Rm≥1500MPa，屈服强度Rp0.2≥1380MPa的合金结构钢即称之为超高强度钢。一般为提高钢的强韧性，除了通过合金化的途径外，还要通过改进冶炼和锻轧工艺，以及改变热处理工艺等途径来提高钢的断裂韧度。现有一些工程需要的超高强螺栓，需要的抗拉强度Rm≥1600MPa，屈服强度Rp0.2≥1400MPa，延伸率A5≥10％。而目前的普通超高强度钢很难得到上面的要求。
中国专利CN102605272A公开了一种低合金超高强度耐磨钢及其生产方法，该方法包括：铸造工序：按以下成分和含量进行铸造得到低合金钢铸锭，0.20wt％～0.35wt％的C元素；0.30wt％～0.70wt％的Si元素；0.60wt％～1.00wt％的Mn元素；0.70wt％～1.10wt％的Cr元素；0.60wt％～1.00wt％的Ni元素；0.30wt％～0.70wt％的Mo元素；余量为Fe和不可避免的杂质；锻造工序：将上述低合金钢铸锭进行锻造，且开坯锻造加热温度为1160℃～1200℃，终锻温度为650℃～900℃，每火次变形量不小于30％；热处理工序：将上述锻造成型的锻件升温至900℃～940℃进行正火，经过正火处理后升温至880℃～920℃进行淬火，经过淬火处理后升温至150℃～220℃进行低温回火，得到低合金超高强度耐磨钢。该发明中，该低合金超高强度耐磨钢具有高强度、高韧性和高耐磨性，其抗拉强度能达到1600MPa以上，但是具有如此强度的合金材料还是不能满足一些工程需求。因此研究具有更高抗拉强度及屈服强度的合金钢材势在必行。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超高强度低合金钢及其制造方法，该超高强度低合金钢具有高抗拉强度及高屈服强度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超高强度低合金钢，包括以重量百分比计的以下成分：C：0.40～0.42；Si：0.20～0.30；Mn：0.65～0.75；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.75～0.85；Mo：0.25～0.28；Ni：1.85～1.95；余量为Fe和不可避免的杂质。
一种超高强度低合金钢的制造方法，该方法包括以下步骤：
(1)超纯净化冶炼：以微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板及废钢作为原材料，加入炼钢炉中进行电炉熔炼；
(2)在熔炼过程中加入原材料重量1-2％的复合脱氧剂，高温熔炼形成钢水，复合脱氧剂与钢水中的非金属形成钢渣，清除钢渣，净化钢水；
(3)将步骤(2)得到的钢水进行炉外精炼，进一步脱硫脱磷，使S≤0.002％，P≤0.005％；
(4)将步骤(3)处理后的钢水投入真空脱气炉进行真空脱气，减少钢中气体含量，使钢水中的氧含量≤20ppm，氢含量≤1.6ppm；
(5)将步骤(4)处理后的钢水经过电渣重熔获得纯净钢锭，其化学成分的质量百分数分别为C：0.40～0.42，Si：0.20～0.30，Mn：0.65～0.75，S：≤0.002，P：≤0.005，Cr：0.75～0.85，Mo：0.25～0.28，Ni：1.85～1.95，余量为Fe和不可避免的杂质；
(6)对钢锭进行锻造处理，细化晶粒，使钢锭的晶粒度≥7级；
(7)对经步骤(6)处理的钢锭进行热处理，得到组织构成为回火马氏体组织的超高强度低合金钢。
所述的废钢为钢厂未进入市场的无锈蚀、无污染的产品料头或边角料。
在进行电炉熔炼之前，先炼2炉40CrNiMoA合金，清除电炉膛及钢包内的原炼合金钢或不锈钢的残余钢液，使电炉膛与钢包壁洁净。
所述的复合脱氧剂包括以重量百分比计的以下成分：C≤0.5％、Mn：18-22％、Si：8-12％、Al：4-5％、Ca：3-5％、其余为Fe。
步骤(6)中对钢锭进行锻造处理时的锻造比≥5。
步骤(7)所述的热处理包括850℃高温淬火及200℃低温回火的过程。
与现有技术相比，本发明制得的超高强度低合金钢具有良好的力学性能，其中抗拉强度Rm≥1800MPa，屈服强度Rp0.2≥1400Mpa，延伸率A5≥10％，且制造超高强度低合金钢的工艺简单易行。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
对比例
美国4340结构钢的组成如下：
成分 C Si Mn S P Cr Mo Ni
含量 0.38～0.43 0.15～0.35 0.60～0.80 ≤0.04 ≤0.035 0.70～0.90 0.20～0.30 1.65～2.00
美国4340结构钢的抗拉强度Rm≥980MPa，屈服强度Rp0.2≥835MPa，该强度还不能满足一些工程需要。因此要对合金钢的抗拉强度与屈服强度进一步提高。
实施例1
主要在美国4340结构钢的基础上，对合金化进行改进，又在冶炼和锻轧工艺，以及热处理工艺等途径进行改变来提高钢的断裂韧度。具体为：
一种超高强度低合金钢，包括以重量百分比计的以下成分：C：0.40；Si：0.20；Mn：0.65；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.75；Mo：0.25；Ni：1.85；余量为Fe和不可避免的杂质。
一种超高强度低合金钢的制造方法，该方法包括以下步骤：
在进行电炉熔炼之前，先炼2炉40CrNiMoA合金，清除电炉膛及钢包内的原炼合金钢或不锈钢的残余钢液，使电炉膛与钢包壁洁净。
(1)超纯净化冶炼：以微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板及废钢作为原材料，加入炼钢炉中进行电炉熔炼(EF工艺)，其中，微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板均选用优质高纯原材料，废钢为钢厂未进入市场的无锈蚀、无污染的产品料头或边角料；
(2)在熔炼过程中加入原材料重量1-2％的复合脱氧剂，高温熔炼形成钢水，复合脱氧剂与钢水中的非金属(如氧化物、硫化物)，经化合作用形成炉渣，通过氧化期，还原期和出钢前多次扒渣，清除钢渣，以减少非金属夹杂物，使得A、B、C、D类非金属夹杂物之和≤4.5级，提高钢水纯净度；
复合脱氧剂包括以重量百分比计的以下成分：C≤0.5％、Mn：18％、Si：8％、Al：4％、Ca：3％、其余为Fe。
(3)将步骤(2)得到的钢水进行炉外精炼(LF工艺)，进一步脱硫脱磷，使S≤0.002％，P≤0.005％；
(4)将步骤(3)处理后的钢水投入真空脱气炉进行真空脱气(VD工艺)，减少钢中气体含量，使钢水中的氧含量≤20ppm，氢含量≤1.6ppm；
(5)将步骤(4)处理后的钢水经过电渣重熔(ESR工艺)获得纯净钢锭，其化学成分的质量百分数分别为C：0.40；Si：0.20；Mn：0.65；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.75；Mo.0.25；Ni；1.85；余量为Fe和不可避免的杂质；
(6)对钢锭进行锻造处理，高温加热，保温均匀，加大锻造比至≥5，快速锻造锻透，细化晶粒，使钢锭的晶粒度≥7级，提高强韧度；
(7)对经步骤(6)处理的钢锭进行热处理，包括850℃高温淬火及200℃低温回火的过程，在淬火时可加入冰块快速冷却，得到组织构成为回火马氏体组织的超高强度低合金钢。
本实施例制得的超高强度低合金钢的抗拉强度Rm为1960MPa；屈服强度Rp0.2为1480MPa；延伸率A5为11％。
实施例2
一种超高强度低合金钢，包括以重量百分比计的以下成分：C：0.41；Si：0.25；Mn：0.70；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.80；Mo：0.27；Ni：1.90；余量为Fe和不可避免的杂质。
一种超高强度低合金钢的制造方法，该方法包括以下步骤：
在进行电炉熔炼之前，先炼2炉40CrNiMoA合金，清除电炉膛及钢包内的原炼合金钢或不锈钢的残余钢液，使电炉膛与钢包壁洁净。
(1)超纯净化冶炼：以微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板及废钢作为原材料，加入炼钢炉中进行电炉熔炼(EF工艺)，其中，微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板均选用优质高纯原材料，废钢为钢厂未进入市场的无锈蚀、无污染的产品料头或边角料；
(2)在熔炼过程中加入原材料重量1-2％的复合脱氧剂，高温熔炼形成钢水，复合脱氧剂与钢水中的非金属(如氧化物、硫化物)，经化合作用形成炉渣，通过氧化期，还原期和出钢前多次扒渣，清除钢渣，以减少非金属夹杂物，使得A、B、C、D类非金属夹杂物之和≤4.5级，提高钢水纯净度；
复合脱氧剂包括以重量百分比计的以下成分：C≤0.5％、Mn：20％、Si：10％、Al：4.5％、Ca：4％、其余为Fe。
(3)将步骤(2)得到的钢水进行炉外精炼(LF工艺)，进一步脱硫脱磷，使S≤0.002％，P≤0.005％；
(4)将步骤(3)处理后的钢水投入真空脱气炉进行真空脱气(VD工艺)，减少钢中气体含量，使钢水中的氧含量≤20ppm，氢含量≤1.6ppm；
(5)将步骤(4)处理后的钢水经过电渣重熔(ESR工艺)获得纯净钢锭，其化学成分的质量百分数分别为C：0.41；Si：0.25；Mn：0.70；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.80；Mo：0.27；Ni：1.90；余量为Fe和不可避免的杂质；
(6)对钢锭进行锻造处理，高温加热，保温均匀，加大锻造比至≥5，快速锻造锻透，细化晶粒，使钢锭的晶粒度≥7级，提高强韧度；
(7)对经步骤(6)处理的钢锭进行热处理，包括850℃高温淬火及200℃低温回火的过程，在淬火时可加入冰块快速冷却，得到组织构成为回火马氏体组织的超高强度低合金钢。
本实施例制得的超高强度低合金钢的抗拉强度Rm≥1800MPa，屈服强度Rp0.2≥1400Mpa，延伸率A5≥10％。
实施例3
一种超高强度低合金钢，包括以重量百分比计的以下成分：C：0.42；Si：0.30；Mn：0.75；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.85；Mo：0.28；Ni：1.95；余量为Fe和不可避免的杂质。
一种超高强度低合金钢的制造方法，该方法包括以下步骤：
在进行电炉熔炼之前，先炼2炉40CrNiMoA合金，清除电炉膛及钢包内的原炼合金钢或不锈钢的残余钢液，使电炉膛与钢包壁洁净。
(1)超纯净化冶炼：以微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板及废钢作为原材料，加入炼钢炉中进行电炉熔炼(EF工艺)，其中，微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板均选用优质高纯原材料，废钢为钢厂未进入市场的无锈蚀、无污染的产品料头或边角料；
(2)在熔炼过程中加入原材料重量1-2％的复合脱氧剂，高温熔炼形成钢水，复合脱氧剂与钢水中的非金属(如氧化物、硫化物)，经化合作用形成炉渣，通过氧化期，还原期和出钢前多次扒渣，清除钢渣，以减少非金属夹杂物，使得A、B、C、D类非金属夹杂物之和≤4.5级，提高钢水纯净度；
复合脱氧剂包括以重量百分比计的以下成分：C≤0.5％、Mn：22％、Si：12％、Al：5％、Ca：5％、其余为Fe。
(3)将步骤(2)得到的钢水进行炉外精炼(LF工艺)，进一步脱硫脱磷，使S≤0.002％，P≤0.005％；
(4)将步骤(3)处理后的钢水投入真空脱气炉进行真空脱气(VD工艺)，减少钢中气体含量，使钢水中的氧含量≤20ppm，氢含量≤1.6ppm；
(5)将步骤(4)处理后的钢水经过电渣重熔(ESR工艺)获得纯净钢锭，其化学成分的质量百分数分别为C：0.42；Si：0.30；Mn：0.75；s：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.85；Mo：0.28；Ni：1.95；余量为Fe和不可避免的杂质；
(6)对钢锭进行锻造处理，高温加热，保温均匀，加大锻造比至≥5，快速锻造锻透，细化晶粒，使钢锭的晶粒度≥7级，提高强韧度；
(7)对经步骤(6)处理的钢锭进行热处理，包括850℃高温淬火及200℃低温回火的过程，在淬火时可加入冰块快速冷却，得到组织构成为回火马氏体组织的超高强度低合金钢。
本实施例制得的超高强度低合金钢的抗拉强度Rm≥1800MPa，屈服强度Rp0.2≥1400Mpa，延伸率A5≥10％。

Claims (7)

1.一种超高强度低合金钢，其特征在于，包括以重量百分比计的以下成分：C：0.40～0.42；Si：0.20～0.30Mn：0.65～0.75；S：≤0.002；P：≤0.005；Cr：0.75～0.85Mo：0.25～0.28；Ni：1.85～1.95；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的超高强度低合金钢的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)超纯净化冶炼：以微碳铬铁、金属锰铁、钼丝、0号镍板及废钢作为原材料，加入炼钢炉中进行电炉熔炼；
(2)在熔炼过程中加入原材料重量1-2％的复合脱氧剂，高温熔炼形成钢水，复合脱氧剂与钢水中的非金属形成钢渣，清除钢渣，净化钢水；
(3)将步骤(2)得到的钢水进行炉外精炼，进一步脱硫脱磷，使S≤0.002％，P≤0.005％；
(4)将步骤(3)处理后的钢水投入真空脱气炉进行真空脱气，减少钢中气体含量，使钢水中的氧含量≤20ppm，氢含量≤1.6ppm；
(5)将步骤(4)处理后的钢水经过电渣重熔获得纯净钢锭，其化学成分的质量百分数分别为C：0.40～0.42，Si：0.20～0.30，Mn：0.65～0.75，S：≤0.002，P：≤0.005，Cr：0.75～0.85，Mo：0.25～0.28，Ni：1.85～1.95，余量为Fe和不可避免的杂质；
(6)对钢锭进行锻造处理，细化晶粒，使钢锭的晶粒度≥7级；
(7)对经步骤(6)处理的钢锭进行热处理，得到组织构成为回火马氏体组织的超高强度低合金钢。
3.根据权利要求2所述的一种超高强度低合金钢的制造方法，其特征在于，所述的废钢为钢厂未进入市场的无锈蚀、无污染的产品料头或边角料。
4.根据权利要求2所述的一种超高强度低合金钢的制造方法，其特征在于，在进行电炉熔炼之前，先炼2炉40CrNiMoA合金，清除电炉膛及钢包内的原炼合金钢或不锈钢的残余钢液，使电炉膛与钢包壁洁净。
5.根据权利要求2所述的一种超高强度低合金钢的制造方法，其特征在于，所述的复合脱氧剂包括以重量百分比计的以下成分：C≤0.5％、Mn：18-22％、Si：8-12％、Al：4-5％、Ca：3-5％、其余为Fe。
6.根据权利要求2所述的一种超高强度低合金钢的制造方法，其特征在于，步骤(6)中对钢锭进行锻造处理时的锻造比≥5。
7.根据权利要求2所述的一种超高强度低合金钢的制造方法，其特征在于，步骤(7)所述的热处理包括850℃高温淬火及200℃低温回火的过程。
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