CN105018858B - 一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢及其结构件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：C为0.16‑0.20，Si为0.20‑0.50，Mn为1.40‑1.60，P≤0.025，S≤0.025，Cr为1.00‑1.20，Mo为0.40‑0.60，Ni为1.30‑1.50，V为0.05‑0.10，Nb为0.03‑0.06，Ti为0.02‑0.20，B≤0.006，其余为Fe，合计100％。本发明还公开了该种SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法。本发明的材料及钢结构件，通过对合金元素的调整以及合理的热处理工艺达到设计要求的机械性能，从而满足了此类钢结构件所处的工作环境要求，提高了钢结构件的强度、刚度、稳定性、冷热加工成型性、焊接性等性能指标，延长了钢结构件的使用寿命。

Description

一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢及其结构件制备方法

技术领域

本发明属于冶金行业技术领域，涉及一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢，本发明还涉及该种SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法。

背景技术

在冶金行业中，目前随着冶金技术的发展，以及矿产资源的匮乏和钢结构件由铆接技术向焊接技术的发展，逐步出现了一类可焊接的低碳工程结构用钢。这类钢种具有比普通碳素结构钢有较低的含碳量、较高的屈服点或屈服强度、较好的冷热加工成型性和良好的焊接性等优良机械性能。此类钢主要用于油气输送管线、深井油管、汽车钢板以及煤矿机械、工程机械等领域，同时由于这类钢结构件相比普通碳素结构钢的强度、刚度、稳定性三个主要控制指标具有较大的优势，尤其在大跨度或者重负荷结构中优点更为突出，一般可比碳素结构钢节约20％左右的用钢量，因此这类钢得到大量生产和广泛使用。

由于目前所存在的低碳工程结构钢的特殊使用环境，在强度、刚度、稳定性、冷热加工成型性、焊接性等性能指标无法满足更高的要求，对比现有的低碳工程结构钢的材质组分和机械性能指标，急需研制一种具有更高性能指标的SY15MnNiCrMoVNbTi低碳工程结构钢。

发明内容

本发明的目的是提供一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢，解决了现有技术中的低碳工程结构钢性能无法满足更高的性能要求的问题。

本发明的另一目的是提供该种SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：

C为0.16-0.20，Si为0.20-0.50，Mn为1.40-1.60，P≤0.025，S≤0.025，Cr为1.00-1.20，Mo为0.40-0.60，Ni为1.30-1.50，V为0.05-0.10，Nb为0.03-0.06，Ti为0.02-0.20，B≤0.006，其余为Fe，合计100％。

本发明所采用的另一技术方案是，一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1、初炼

1.1)炉料配料选用普通废钢占总组分的95％，配碳量为0.60％～0.70％；

1.2)炉料全熔后，充分搅拌取熔毕试样，分析C、P及必要元素，当熔毕试样中的C不足脱碳量要求时，需全扒渣增碳；

1.3)氧化期脱碳量必须≥0.4％，采用氧气和铁矿石进行脱碳，通过脱碳使钢液产生沸腾，同时熔毕试样中的P过高时，氧化前期应进一步去P操作；

1.4)氧化脱碳沸腾必须保持高温、薄渣、激烈而均匀，

氧化期按组分要求加入Mo、Ni，脱碳速度为：0.5％～0.7％/小时；

1.5)氧化后期当温度≥1580℃时，进行充分搅拌，取样分析，当终点C≤0.1％、P≤0.02％的情况下，进行扒渣还原；

1.6)在电弧炉进行钢水初还原，加入造渣材料，造还原渣，利用C粉、硅铁粉和硅铁进行脱氧还原，待还原渣变白、温度合适后加入Mn、Cr，充分搅拌钢液，合金熔清均匀后进行取样分析，进行测温，温度≥1620℃时，扒除部分还原渣，再出钢进入LF精炼；

步骤2、精炼

2.1)进精炼后根据渣的厚度情况补加石灰渣料，同时使用C粉、硅铁粉材料进行扩散脱氧，待炉渣变白、粘度合适，进行测温取样，根据分析结果，将温度升到1580℃±10℃；

2.2)精炼时间不能低于45分钟，白渣保持时间≥20分钟，出钢前加入Nb、V、Ti，加入后不用进行取样分析；待组分、温度合适后出钢；

2.3)精炼出钢温度1570℃～1575℃；

步骤3、浇注

浇注要求低温快注，浇注温度为1545℃±10℃；

步骤4、对SY15MnNiCrMoVNbTi钢锭加热锻造；

步骤5、对SY15MnNiCrMoVNbTi锻件进行锻后正回火处理，即成。

本发明的有益效果是，通过对合金元素的调整以及合理的热处理工艺达到设计要求的机械性能，从而满足了此类钢结构件所处的工作环境要求，达到或接近国外材质性能要求，提高了钢结构件的强度、刚度、稳定性、冷热加工成型性、焊接性等性能指标，减少了钢结构件的更换频率，延长了钢结构件的使用寿命，提高工作效率并满足安全生产需要。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

参照表1，是本发明SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的设计要求性能指标。

表1本发明SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件材料的设计要求性能指标

SY15MnNiCrMoVNbTi

Rm(Mpa)

Rp(Mpa)

A％

AKv(J)

设计要求值

≥950

≥650

≥12

＞47

分析和对比现有的低合金高强度钢结构材质的组分和性能，同时根据本发明钢结构件材料的设计要求性能指标，本发明的SY15MnNiCrMoVNbTi钢种，参照表2，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：

C为0.16-0.20，Si为0.20-0.50，Mn为1.40-1.60，P≤0.025，S≤0.025，Cr为1.00-1.20，Mo为0.40-0.60，Ni为1.30-1.50，V为0.05-0.10，Nb为0.03-0.06，Ti为0.02-0.20，B≤0.006，其余为Fe，合计100％。

表2，本发明SY15MnNiCrMoVNbTi组分设计要求指标(质量％)

C	Si	Mn	P	S	Cr
						0.16～0.20	0.20～0.50	1.40～1.60	≤0.025	≤0.025	1.00～1.20
Mo	Ni	V	Nb	Ti	B
						0.40～0.60	1.30～1.50	0.05～0.10	0.03～0.06	0.02～0.20	≤0.006

在低合金高强度钢发展的初期，要获得较高强度的钢种材质，主要手段仍然依赖于较高的含碳量，为了满足钢结构材质具有较低的含碳量和较高的强度，钢结构材质必须向复合合金化的方向发展，同时可以采取适当的热处理方式，在节约合金元素的情况下获得强度和韧性可以良好配合的钢结构件。复合合金化是指在钢种冶炼过程中增添一些合金元素，其总量一般不超过5％，加入合金元素后钢材强度可以明显提高，钢结构构件的强度、刚度、稳定性三个主要控制指标都能充分的发挥，尤其在重负荷钢结构件中优点更为突出。钢结构中C含量在0.10％～0.20％不仅在低合金钢中形成合金碳化物，使钢结构得到强化，同时可以满足钢结构较高的韧性和焊接性能。钢结构中较高的Mn/C比对提高钢结构件的屈服强度和冲击韧性有好处，Mn能降低γ-a转变温度，有利于针状铁素体的形核，在加热过程中可增加铁素体中碳化物的弥散析出量，此外由于高锰钢导致钢应力/应变特性的变化，可抵消鲍欣格效应的强度损失。Mo可以有效的提高钢结构的强度和韧性，同时Mo对刚在冷却过程中的珠光体转变有拟制作用，因此强度和韧性要求较高的钢结构件中一般含有一定量的Mo。Cr、Ni在钢中可以起到固溶强化和提高淬透性的作用，Cr同时在钢中有二次硬化的作用，提高钢的耐磨性、耐高温氧化性腐蚀和增加钢的热强性；Ni在钢中可以细化铁素体晶粒，改善钢的耐蚀性能，提高钢结构的热强性和耐蚀性。Nb、V、Ti在钢中有明显的晶粒细化和沉淀硬化的作用，Ti在钢中形成硫化物，可以改善冲击吸收功的各向异性和冷成形性。根据以上合金元素在钢中所起到的作用，同时对比现有的低合金高强度钢中的材质组分和机械性能指标，通过降低和增加某种合金元素，经过电弧炉和精炼炉熔炼，通过合理、合适的锻造工艺和锻后热处理工艺，得到本发明SY15MnNiCrMoVNbTi钢。

本发明SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1、初炼

优选5t碱性电弧炉，其操作要点是，炉体状况必须良好，检查好所有辅助设施正常后方可冶炼；

1.1)炉料配料选用普通废钢占总组分的95％，配碳量为0.60％～0.70％；炉前碳粉、硅铁粉、合金等原辅材料必须烘烤干燥；

1.2)炉料全熔后，充分搅拌取熔毕试样，分析C、P及必要元素，当熔毕试样中的C不足脱碳量要求时(C≥0.4％)，需全扒渣增碳，

充分搅拌后再取熔毕试样，熔毕试样含碳量必须达到氧化期所需的脱碳量要求，方可进入氧化期；

1.3)氧化期脱碳量必须≥0.4％，采用氧气和铁矿石进行脱碳，通过脱碳使钢液产生沸腾，以达到去除气体等杂质，同时熔毕试样中的P过高时，氧化前期应进一步去P操作；

1.4)氧化脱碳沸腾必须保持高温、薄渣、激烈而均匀，不允许加铁矿石过猛或氧压过大，以免造成沸腾过激烈，渣钢外溅甚至跑钢，

氧化期可按组分要求的0.45％加入烘烤良好的Mo铁(Mo铁中含Mo为61％、回收率为95％)，按组分要求的1.35％加入烘烤良好的Ni板(Ni板中含Ni为99.99％、回收率为99％)，脱碳速度为：0.5％～0.7％/小时；

1.5)氧化后期当温度≥1580℃时，进行充分搅拌，取样分析，当终点C≤0.1％、P≤0.02％的情况下，进行扒渣还原，扒渣操作要求要快速、干净及不能带出钢水，要为还原期打好基础。

1.6)在电弧炉进行钢水初还原，加入石灰和萤石等造渣材料，造还原渣，利用C粉、硅铁粉和硅铁进行脱氧还原，待还原渣变白、温度合适后按组分要求的1.45％加入烘烤良好的中碳Mn铁(中碳Mn铁中含Mn为75％、回收率为93％)，按组分要求的1.05％加入烘烤良好的低碳Cr铁(低碳Cr铁中含Cr为61％、回收率为0.95％)，充分搅拌钢液，合金熔清均匀后进行取样分析，进行测温，温度≥1620℃时，扒除部分还原渣，方可出钢进入LF精炼；

步骤2、精炼

采用LF精炼炉，其操作要点是，

2.1)进精炼后要根据渣子的厚度情况，补加石灰渣料，同时使用C粉、硅铁粉材料进行扩散脱氧，期间氩气不能太大，保证钢水不裸露，待炉渣变白、粘度合适，进行测温取样，根据分析结果，将温度升到1580℃±10℃；

2.2)精炼时间不能低于45分钟，要求白渣保持时间≥20分钟，出钢前按组分要求的0.05％加入烘烤良好的Nb铁(Nb铁中含Nb为60％、回收率为90％)，按组分要求的0.08％加入烘烤良好的V铁(V铁中含V为51％、回收率为95％)，按组分要求的0.11％加入烘烤良好的Ti铁(Ti铁中含Ti为29％、回收率为0.50％)，加入后不用进行取样分析；待组分、温度合适后出钢；

2.3)精炼出钢温度1570℃～1575℃，最终炉后组分见表3；

步骤3、浇注

浇注要求低温快注，浇注温度为1545℃±10℃。

步骤4、对SY15MnNiCrMoVNbTi钢锭加热锻造

钢锭在650℃±10℃入炉后保温1小时；然后将升温速度控制在100℃/h，升温到820℃±10℃保温2小时；再将升温速度控制在100℃/h，升温到1200℃±10℃保温4小时，之后将钢锭拉出热处理炉进行锻造。

步骤5、对SY15MnNiCrMoVNbTi锻件进行锻后正回火处理

将锻件在630℃±20℃热处理炉保温4小时；然后将升温速度控制在100℃/h，升温到900℃±20℃保温2小时；后将锻件拉出热处理炉进行空冷，待锻件温度冷却到350℃～450℃时保温3小时；再将升温速度控制在100℃/h，升温到600℃±10℃保温3小时；最后空气冷却，即成。

经过多次实验性生产，对其中四个炉次按标准进行组分和性能检测，经过检测，最终组分如表3-1至3-4、最终性能指标如表4，均符合表2、表1的设计要求；

表3-1本发明材质实施例1最终组分实际值(％)

C	Si	Mn	P	S	Cr
						0.18	0.50	1.40	0.014	0.002	1.00
Mo	Ni	V	Nb	Ti	B
						0.44	1.40	0.08	0.05	0.07	0.001

表3-2本发明材质实施例2最终组分实际值(％)

C	Si	Mn	P	S	Cr
						0.18	0.49	1.50	0.015	0.005	1.01
Mo	Ni	V	Nb	Ti	B
						0.45	1.38	0.09	0.04	0.08	0.001

表3-3本发明材质实施例3最终组分实际值(％)

C	Si	Mn	P	S	Cr
						0.18	0.45	1.42	0.016	0.006	1.10
Mo	Ni	V	Nb	Ti	B
						0.43	1.42	0.06	0.06	0.09	0.001

表3-4本发明材质实施例4最终组分实际值(％)

C	Si	Mn	P	S	Cr
						0.18	0.40	1.52	0.009	0.004	1.06
Mo	Ni	V	Nb	Ti	B
						0.48	1.50	0.05	0.05	0.10	0.001

表4本发明SY15MnNiCrMoVNbTi最终性能实测指标

SY15MnNiCrMoVNbTi	Rm(Mpa)	Rp(Mpa)	A％	AKv(J)
					实施例1	1125	930	12	150/158/157

实施例2	1150	920	13	152/160/156
					实施例3	1175	910	14	153/158/154
实施例4	1100	935	12	152/153/155

本发明钢结构件用于某公司生产的法浮防城港连退机组主要装配零件，经检测各种机械性能指标都达到了该零件的性能要求。

综上所述，本发明的新型材质SY15MnNiCrMoVNbTi材料及其锻件符合设计要求，具有优良的机械性能，有着良好的应用前景。

Claims (2)

1.一种SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法，按照质量百分比，该种SY15MnNiCrMoVNbTi钢由以下组分及含量组成：C为0.16-0.20，Si为0.20-0.50，Mn为1.40-1.60，P≤0.025，S≤0.025，Cr为1.00-1.20，Mo为0.40-0.60，Ni为1.30-1.50，V为0.05-0.10，Nb为0.03-0.06，Ti为0.02-0.20，B≤0.006，其余为Fe，合计100％，

其特征在于，本方法按照以下步骤具体实施：

步骤1、初炼

1.1)炉料配料选用普通废钢占总组分的95％，配碳量为0.60％～0.70％；

1.2)炉料全熔后，充分搅拌取熔毕试样，当熔毕试样中的C不足脱碳量要求时，需全扒渣增碳；

1.3)氧化期脱碳量必须≥0.4％，采用氧气和铁矿石进行脱碳，通过脱碳使钢液产生沸腾，同时熔毕试样中的P过高时，氧化前期应进一步去P操作；

1.4)氧化脱碳沸腾必须保持高温、薄渣、激烈而均匀，

氧化期按组分要求加入Mo、Ni，脱碳速度为：0.5％～0.7％/小时；

1.5)氧化后期当温度≥1580℃时，进行充分搅拌，取样分析，当终点C≤0.1％、P≤0.02％的情况下，进行扒渣还原；

1.6)在电弧炉进行钢水初还原，加入造渣材料，造还原渣，利用C粉、硅铁粉和硅铁进行脱氧还原，待还原渣变白、温度合适后加入Mn、Cr，充分搅拌钢液，合金熔清均匀后进行取样分析，进行测温，温度≥1620℃时，扒除部分还原渣，再出钢进入LF精炼；

步骤2、精炼

2.1)进精炼后根据渣的厚度情况补加石灰渣料，同时使用C粉、硅铁粉材料进行扩散脱氧，待炉渣变白、粘度合适，进行测温取样，根据分析结果，将温度升到1580℃±10℃；

2.2)精炼时间不能低于45分钟，白渣保持时间≥20分钟，出钢前加入Nb、V、Ti，待组分、温度合适后出钢；

2.3)精炼出钢温度1570℃～1575℃；

步骤3、浇注

浇注要求低温快注，浇注温度为1545℃±10℃；

步骤4、对SY15MnNiCrMoVNbTi钢锭加热锻造；

步骤5、对SY15MnNiCrMoVNbTi锻件进行锻后正回火处理，具体过程是，

将锻件在630℃±20℃热处理炉保温4小时；然后将升温速度控制在100℃/h，升温到900℃±20℃保温2小时；后将锻件拉出热处理炉进行空冷，待锻件温度冷却到350℃～450℃时保温3小时；再将升温速度控制在100℃/h，升温到600℃±10℃保温3小时；最后空气冷却，即成。

2.根据权利要求1所述的SY15MnNiCrMoVNbTi钢结构件的制备方法，其特征在于：所述的步骤4中，具体过程是，

钢锭在650℃±10℃入炉后保温1小时；然后将升温速度控制在100℃/h，升温到820℃±10℃保温2小时；再将升温速度控制在100℃/h，升温到1200℃±10℃保温4小时，之后将钢锭拉出热处理炉进行锻造。