CN105908095B

CN105908095B - 一种高强塑铸钢及其制备方法

Info

Publication number: CN105908095B
Application number: CN201610386936.1A
Authority: CN
Inventors: 唐正连; 史秋月; 杨全涛; 何汉军
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Dongfeng Shiyan Linhong Auto Accessories Co ltd
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: CN105908095A

Abstract

本发明涉及一种不含Ni、Mo等贵金属元素的高强塑铸钢及其制备方法。该铸钢化学成分中各元素的重量百分比（wt%）为：0.30%‑0.35%C，0.5%‑1.3%Si，0.6%‑1.3%Mn，0.4%‑1.1%Cr，0.02%‑0.1%RE，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe。该成分的钢经熔炼、浇注后，进行高效而实用的直接淬火加碳的分配和回火热处理，即直接淬火‑分配‑回火处理，该钢展现出了较好的强塑性，并具有较高的韧性，显示出了很好的综合力学性能，能够满足当今汽车用铸钢对性能的要求。

Description

一种高强塑铸钢及其制备方法

技术领域

本发明属于铸钢材料技术领域，具体涉及一种不含Ni、Mo等贵金属元素的低碳低合金Mn-Si-Cr型高强度高塑性铸钢及其制备方法。

背景技术

当前，伴随着汽车轻量化的发展，对汽车用铸钢件的要求也越来越高：要求其在减重的同时又要具有高强度和较长的使用寿命，以达到安全、环保、节能和降低成本等要求。为此，期望汽车用铸钢材料的强度要提高，同时要保持足够的塑性，即需要有好的综合力学性能，再者又要考虑生产成本。而国内外在抗拉强度达到1000 MPa以上，且塑性在10%以上的铸钢钢种中，都需要加入Ni或Mo等贵金属元素，成本较高。此外，现有铸钢生产制造所采用的热处理工艺已不能满足性能要求。

经过传统的重新加热淬火与回火处理能改善钢板的强韧性，但生产能耗高、周期长。与传统的重新加热淬火与回火工艺相比，直接淬火工艺能够节约能源并缩短工艺流程，因为它不需要再重新加热进行淬火；同时，直接淬火还有利于改善钢的焊接性能，因为直接淬火可以获得较高的力学性能，自然而然可以通过减少合金元素的用量来降低碳当量；此外，钢的强韧配比在采用直接淬火处理后还能得以提高。

淬火-分配-回火是徐祖耀在2007年在“钢热处理的新工艺”（热处理, 2007, 22(1) : 1-11）这篇文章中提出的并申请了相应专利CN 101121955A。钢经过淬火-分配-回火处理后能够获得高强度和高韧性。

将直接淬火和淬火-分配-回火结合起来，采用直接淬火加分配-回火热处理即直接淬火-分配-回火，的处理方式，对铸钢进行处理，不仅可以提高生产效率，还可以改善铸钢的力学性能。

发明内容

针对汽车用铸钢的生产现状，本发明提供一种高强塑（高强度、高塑性）铸钢及其制备方法。

本发明提供的一种高强塑铸钢，化学成分中各元素的重量百分比（wt.%）为：0.30%-0.35%C，0.5%-1.3%Si，0.6%-1.3%Mn，0.4%-1.1%Cr，0.02%-0.1%RE，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe。

所述的高强塑铸钢，其化学成分中各元素的重量百分比优化为：0.32%-0.35%C，0.6%-1.0%Si，0.9%-1.3%Mn，0.5%-0.9%Cr，0.03%-0.09%RE，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe。

本发明公开的高强塑铸钢的制备方法，包含如下具体步骤：

（1）将炉料加入熔炼炉进行熔炼，温度控制在1580~1620℃之间，通过取钢液浇注试样测试其炉前成分并对其成分进行调整；

（2）待钢液温度下降到1540℃~1560℃时，将其浇入铸型铸成铸件；

（3）铸件冷却到900~930℃时，将铸件取出，根据生产实际选择进行热处理。

上述步骤（3）的热处理是下述1）、2）、3）中的任意一种。

1）工艺1：260℃盐浴保温10s~30s/mm→400℃盐浴保温20s~60s/mm→水淬至室温。

2）工艺2：水淬2s~10s/mm→电阻炉中400℃保温20s~60s/mm→水淬至室温。

3）工艺3：水淬2s~8s/mm→空冷2min~5min/mm→水淬至室温。

上述步骤（3）中铸件冷却到900~930℃是符合合金钢的奥氏体化温度可以为Ac3以上50～100℃的一般热处理规范，以使合金元素完全固溶于奥氏体中并在铸件各个部位分布均匀。

上述步骤（3）1）中的“260℃盐浴保温10s~30s/mm”、2）中的“水淬2s~10s/mm”、3）中的水淬2s~8s/mm是为了将所述的高强塑铸钢淬火到Ms-Mf之间，使其不全转变为马氏体而保留一定量的奥氏体。

上述步骤（3）2）中的“400℃盐浴保温20s~60s/mm”、2）中的“电阻炉中400℃保温20s~60s/mm”是为了让碳从马氏体扩散至奥氏体中，使奥氏体富碳而稳定一定量而不发生转变，在这期间还会析出细小弥散的碳化物，即完成碳的分配和回火；3）中“空冷2min~5min/mm”是通过铸钢的自回火完成碳的分配和回火。

上述步骤（3）中最后的水淬至室温是为了获得一定量的残余奥氏体和马氏体的混合组织。

本发明涉及到的铸钢采用廉价的Mn、Si、Cr等元素为主要合金元素，经过直接淬火-分配-回火处理能够获得体积百分数大于10%的残余奥氏体和马氏体的混合组织，该铸钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率与冲击吸收能KV2均分别不低于1100 MPa、900 MPa、13%和32J，其强塑积（即抗拉强度和伸长率的乘积）超过了15000 MPa%。

与之相对应，采用传统的重新加热淬火与回火热处理（其工艺：室温→920℃保温120 min，充分奥氏体化→水淬至室温→400℃盐浴保温120 min回火→水淬至室温），该铸钢中残余奥氏体的体积百分数小于3%，相应的抗拉强度、屈服强度分别能达到1300 MPa、1200 MPa，但其伸长率与冲击吸收能分别低于9%和28J，强塑积小于12000 MPa·%。

本发明的高强塑铸钢与使用Ni、Mo等贵金属元素的铸钢比较而言，具有明显的成本优势；该铸钢通过直接淬火-分配-回火处理后，与传统的重新加热淬火与回火处理相比，虽然强度相对略低，但伸长率与冲击吸收能明显要高，强塑积因此而高很多，综合力学性能更好。本发明的铸钢能够满足当今汽车用铸钢对性能的要求。

附图说明

图1是重新加热淬火与回火铸钢（热处理同传统的重新加热淬火与回火工艺，成分同实施例1，下同）和实施例1、2、3铸钢的XRD图谱。

图2 是各实施例铸钢典型显微组织的SEM照片，其中（a）为重新加热淬火与回火铸钢；（b）为实施例1铸钢；（c）为实施例2铸钢；（d）为实施例3铸钢次表面（离表面大约为平均厚度的1/4处）；（e）为实施例3铸钢内部中心区域。

图3是各实施例铸钢典型的拉伸与冲击断口形貌，其中（a1）－（a4）、（b1）－（b4）、（c1）-（c4）、（d1）-（d4）分别为重新加热淬火与回火铸钢和实施例1、2、3铸钢的拉伸宏观、微观与冲击宏观、微观断口。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施实例作进一步详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种高强塑铸钢，其化学成分中各元素的重量百分比为：0.344%C，0.851%Si，1.103%Mn，0.728%Cr，0.042%Ce，0.013%S，0.017%P，余量为Fe。

熔炼时，所用设备为100kg中频感应炉，熔炼炉温控制在1580~1620℃之间。熔炼过程中，通过取钢液浇注试样测试其炉前成分并对其成分进行调整。待钢液温度下降到1550℃左右时，将其浇入陶瓷型壳铸成基尔试块；

基尔试块在浇注后的30分钟左右从型壳里面清理出来并立即切割下试样，在空气中冷却大约50分钟后，试样的温度冷却到900～930℃，此时立刻将试样放入260℃的盐浴炉里面进行2min的淬火，使其初淬到Ms-Mf之间；然后，将试样放入400℃的盐浴炉里面保温5min进行碳分配-回火处理；最后水淬至室温。

实施例1铸钢的力学性能与残余奥氏体含量见上表1，其XRD图谱、微观组织和断口形貌分别见图1、图2与图3。

实施例2

一种高强塑铸钢，其化学成分中各元素的重量百分比、熔炼、浇注以及试样取出和切割同实施例1，试样在空气中冷却大约50分钟后其温度降到900～930℃，进行如下热处理：水淬35s（初淬到Ms-Mf之间）→电阻炉中400℃保温5 min（分配-回火）→水淬至室温。

实施例2铸钢的力学性能与残余奥氏体含量见上表2，其XRD图谱、微观组织和断口形貌分别见图1、图2与图3。

实施例3

一种高强塑铸钢，其化学成分中各元素的重量百分比、熔炼、浇注以及试样取出和切割同实施例1，试样在空气中冷却大约50分钟后其温度降到900～930℃，进行如下热处理：水淬30s（初淬到Ms-Mf之间）→空冷30 min（通过铸钢的自回火进行分配-回火）→水淬至室温。

实施例3铸钢的力学性能与残余奥氏体含量见上表3，其XRD图谱、微观组织和断口形貌分别见图1、图2与图3。

实施例4

一种高强塑铸钢，其化学成分中各元素的重量百分比为：0.335%C，0.756%Si，1.029%Mn，0.812%Cr，0.068%Ce，0.018%S，0.015%P，余量为Fe。

熔炼、浇注以及试样取出和切割同实施例1，试样热处理同实施例2。

实施例4铸钢的力学性能与残余奥氏体含量见上表4。

实施例5

一种高强塑铸钢，其化学成分中各元素的重量百分比为：0.327%C，0.924%Si，1.236%Mn，0.692%Cr，0.051%Ce，0.002%S，0.019%P，余量为Fe。

熔炼、浇注以及试样取出和切割同实施例1，试样热处理同实施例3。

实施例5铸钢的力学性能与残余奥氏体含量见上表5。

本发明中，化学元素的中文名称如下：

C：碳；Si：硅；Mn：锰；Cr：铬；RE：稀土元素；S：硫；P：磷；Fe：铁。

Claims

1.一种高强塑铸钢的制备方法，涉及的一种高强塑铸钢化学成分中各元素的重量百分比为：0.30%-0.35%C，0.5%-1.3%Si，0.6%-1.3%Mn，0.4%-1.1%Cr，0.02%-0.1%RE，S≤0.03%，P≤0.03%，余量为Fe；包含如下具体步骤：

（2）待钢液温度下降到1540~1560℃时，将其浇入铸型铸成铸件；

（3）铸件冷却到900~930℃时，将铸件取出，根据生产实际选择进行热处理；

所述步骤（3）的热处理是下述1）、2）、3）中的任意一种；

1）工艺1：260℃盐浴保温10s~30s/mm→400℃盐浴保温20s~60s/mm→水淬至室温；

2）工艺2：水淬2s~10s/mm→电阻炉中400℃保温20s~60s/mm→水淬至室温；

3）工艺3：水淬2s~8s/mm→空冷2min~5min/mm→水淬至室温。