CN106991280A - 一种含硼钢理想临界直径的计算方法 - Google Patents

一种含硼钢理想临界直径的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含硼钢理想临界直径的计算方法，以碳及合金因子二个变量进行回归，就能实现一个钢种能用一个公式进行自动计算，非常便于计算机的自动计算。适用于化学成分按质量百分比计为C：0.1‑0.90%，Si：0‑2.00%，Mn：0‑1.95%，P：≤0.14%，S：≤0.12%，Cr：0‑2.50%，Ni：≤3.5%，Cu：≤0.55%，Mo：≤0.55%，V≤0.2%，Ti≤0.1%，Nb：≤0.6 %，Al：≤0.12%，B：0.0005‑0.0035%，W：≤0.8%，Zr：≤0.25 %；同时考虑加钛固氮和不加钛固氮的情况，提高含硼钢种淬透性的预报的准确率。

Description

一种含硼钢理想临界直径的计算方法
技术领域
本发明涉及含硼钢理想淬透直径计算方法。
背景技术
一百多来，对含硼钢淬透性研究的脚步一直没有停下，产生出各种对淬透性的预报的方法，如淬透性线性回归法、非线性回归法、数据库法、人工神经网络模型法、理想临界直径换算法等。但是GB/T5216、STM A255、SAEJ406把含硼钢理想临界直径换算法纳入标准的唯一方法。可见理想临界直径换算法对含硼钢淬透性的预报是多么的重要。
众所周知：碳含量决定钢的淬透性曲线起始点的高低（J1.5），而理想淬透直径决定淬透性曲线下降的快慢，含硼钢DiB值越大，淬透性曲线下降越慢，因此准确的计算含硼钢理想淬透直径对含硼钢淬透性的预报非常重要。
而GB/T5216-2014 《保证淬透性结构钢》对含硼钢附录A2 中，计算硼因子和碳含量及合金因子有关：
上述计算含硼钢硼因子不够准确和全面，实际上含硼钢硼因子不光与碳含量及合金因子有关，还与含硼钢的硼含量、钛含量、氮含量都有关系。众所周知硼含量0.001%与硼含量0.0025%对淬透性的影响不一样，为了保证有效硼的含量，通常含硼钢加铝脱氧，加钛固氮。当然也有的含硼钢为了防止产生氮化钛夹杂物，不加钛固氮的情况，但是硼对淬透性的贡献就会降低。
另外GB/T5216-2014《保证淬透性结构钢》对含硼钢附录表A2 中，不包括硼的合金因子选用5、7、9、11、13、15、18、22、26，在带入计算中，表2由于合金因子的不连续，对合金因子不是5、7、9、11、13、15、18、22、26等整数时，需采用插值计算，给计算带来很多麻烦，不利于计算机自动计算。
同样的，美标ASTM A255-10-2014 表14及美标SAEJ406-2009表18计算硼因子也是只考虑了与碳含量及合金因子有关。不包括硼的合金因子选用5、7、9、11、13、15、18、22、26，在带入计算中，表2给由于合金因子的不连续，对合金因子不是5、7、9、11、13、15、18、22、26等整数时，需采用插值计算，给计算带来很多麻烦，不利于计算机自动计算。
含硼钢又分为加钛固氮和不加钛固氮的情况，用GB/T5216-2014、ASTM A255-10-2014、SAEJ406-2009计算不加钛固氮的含硼钢的淬透性存在较大误差。
例如15CrMnB，硼含量0.0010/0.0030，不加钛固氮，用ASTM A255-10-2014计算淬透性，可信度较差：（样本数为416）
钢种 J5（±2HRC可信度） J10（±2HRC可信度） J25（±2HRC可信度）
15CrMnB 0.5% 0% 0%
因此，完善含硼钢理想淬透直径的计算方法，对含硼钢淬透性的预报非常重要。
发明内容
本发明目的在于完善含硼钢理想淬透直径的计算方法，GB/T5216-2014、ASTMA255-10-2014、SAEJ406-2009在计算硼因子时，不包括的合金因子选用5、7、9、11、13、15、18、22、26，在带入计算中，由于合金因子不连续，对合金因子不是5、7、9、11、13、15、18、22、26等整数时，需采用插值计算，给计算带来很多麻烦，不利于计算机自动计算。
实际上ASTM A255-10-2014表14的公式是该标准表10的多项式回归。以碳为变量，以合金因子为常量进行回归，回归简单，但是不利于计算机自动计算。
如果以含碳量为常量，以合金因子为变量，可以用多项式很方便的回归出硼因子。例如：
碳含量0.13%时：
FB1(硼因子) = -1.6955E-04合金因子^3 + 1.3565E-02合金因子^2 - 3.7422E-01合金因子+ 6.5789
碳含量0.14%时：
FB1(硼因子) = -1.4246E-04合金因子^3 + 1.1786E-02合金因子^2 - 3.3349E-01合金因子+ 6.1078
碳含量0.15%时：
FB1(硼因子) = -1.2964E-04合金因子^3 + 1.0697E-02合金因子^2 - 3.0357E-01合金因子+ 5.7103
碳含量0.16%时：
FB1(硼因子) = -1.1410E-04合金因子^3 + 9.5615E-03合金因子^2 - 2.7531E-01合金因子+ 5.3515
碳含量0.17%时：
FB1(硼因子) = -9.0805E-05合金因子^3 + 8.1127E-03合金因子^2 - 2.4380E-01合金因子 + 5.0025
上述这样回归虽然简单且准确，但是对于某一个含硼钢种，含碳量是有范围的，如果一个钢种用多个公式计算，很麻烦。
如果能对于某个含硼钢种能够采用一个公式进行自动计算硼因子，将有利于对淬透性的精确预报。
以碳及合金因子二个变量进行回归，就能实现一个钢种能用一个公式进行自动计算，非常便于计算机的自动计算。
当碳含量0.10-0.25%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=M*不含硼的合金因子^（-N）
M=1.0059*碳含量^(-1.0311)
N=0.1313*碳含量^(-0.4303)
为了防止同一个钢种计算机用二个公式计算，公式回归碳含量有意的设置重叠部分。
当碳含量0.23-0.36%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=N-M*LN(不含硼的合金因子)
M=0.177-0.2725*LN(碳含量)
N =0.7062-2.1738*LN(碳含量)
当碳含量0.33-0.50%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=1.923*合金因子^3 *10^(-5)+7.2947*合金因子^2*10^(-4)
-0.077834*合金因子+3.72-3*碳含量
当碳含量0.48-0.62%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)= 1.4587*合金因子^2*10^(-3)-0.08014*合金因子+3.4645-2.5*碳含量
因为高碳钢一般不加硼提高淬透性，其它含碳量的公式不再一一回归。
再来，硼因子不光与碳含量及合金因子有关，还与硼含量、钛含量、氮含量都有关系。
硼含量对硼因子的影响为
FB2=5.2659E+12B5 - 4.1254E+10B4 + 7.5456E+07B3 + 3.8872E+04B2 + 1.4571E+00B + 6.7349E-01
式中B为硼含量。
当采用加钛固氮时，FB硼系数= FB1* FB2
DiB=Di* FB硼系数
含硼钢加铝脱氧，加钛固氮时，通常控制Ti/N≥48/14,即Ti/N≥3.4，实际生产中考虑钛的回收率一般控制Ti/N=4-4.5，这样钛就可以有效固氮，充分发挥硼含量的作用。生产时要根据不同的炼钢工艺，根据氮含量，计算钛含量，加入钛过多也不好，增加夹杂物量。
当采用加钛固氮时，FB硼系数= FB1* FB2
DiB=Di* FB硼系数
当不加钛固氮且氮含量较高时，硼对淬透性的影响较小。可以不考虑硼含量计算理想临界直径：
Di=25.4*f C* f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
淬透性系数公式化学成分按质量百分比计为C：0.1-0.90%，Si：0-2.00%，Mn：0-1.95%， P：≤0.14%，S：≤0.12%， Cr：0-2.50%，Ni：≤3.5%，Cu：≤0.55%， Mo：≤0.55%，V≤0.2%， Ti≤0.1%，Nb：≤0.6 %，Al：≤0.12%， B：0.0005-0.0035%，W：≤0.8%，Zr：≤0.,25 %，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
根据碳和合金元素因子计算理想临界直径Di值。
Di=25.4*f C* f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr
含硼钢的合金因子：
Fa= f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr
当含硼钢加钛固氮时，FB硼系数= FB1* FB2
当碳含量0.10-0.25%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=M*不含硼的合金因子^（-N）
M=1.0059*碳含量^(-1.0311)
N=0.1313*碳含量^(-0.4303)
为了防止同一个钢种计算机用二个公式计算，公式回归碳含量有意的有重叠部分。
当碳含量0.23-0.36%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=N-M*LN(不含硼的合金因子)
M=0.177-0.2725*LN(碳含量)
N =0.7062-2.1738*LN(碳含量)
当碳含量0.33-0.50%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=1.923*合金因子^3 *10^(-5)+7.2947*合金因子^2*10^(-4)
-0.077834*合金因子+3.72-3*碳含量
当碳含量0.48-0.62%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)= 1.4587*合金因子^2*10^(-3)-0.08014*合金因子+3.4645-2.5*碳含量
FB2=5.2659E+12B5 - 4.1254E+10B4 + 7.5456E+07B3 + 3.8872E+04B2 + 1.4571E+00B + 6.7349E-01
式中B为硼含量。
当不加钛固氮且氮含量较高时，硼对淬透性的影响较小。可以不考虑硼含量计算理想临界直径：
Di=25.4*f C* f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr
GB/T5216-2014 、 ASTM A255-10-2014、SAEJ406-2009都认为J1.5与碳含量有关，与Di无关，通过回归认为：J1.5主要与碳含量有关，理想淬透直径Di对J1.5的影响较小：
J1.5回归公式：（碳含量0.15-0.55%）
J1.5= -19,487.18 C 5 + 34,335.66 C 4 - 23,189.98 C 3 + 7,399.01 C 2 - 1,041.30 C + 94.09
该式由于没有考虑理想临界直径Di值对J1.5的影响，会有±1HRC 的误差。
用本专利计算的理想淬透直径Di公式，可以提高含硼钢种淬透性的预报的准确率，例如：
用美标ASTM A255-10-2014法及本专利计算的理想淬透直径计算方法进行15CrMnB（不加钛固氮）淬透性回归：（样本数：416）
用美标ASTM A255-10-2014法及本专利计算的理想淬透直径计算方法进行38MnB（加钛固氮）淬透性回归：（样本数：4234）
Di计算方法 钢种 J3±2HRC可信度 J9±2HRC可信度 J15±2HRC可信度
G ASTM A255-10-2014 38MnB 49% 57% 4%
本专利方法 38MnB 88% 61% 77%

Claims (2)

1.一种含硼钢理想临界直径的计算方法，其特征在于：适用于化学成分按质量百分比计为C：0.1-0.90%，Si：0-2.00%，Mn：0-1.95%， P：≤0.14%，S：≤0.12%， Cr：0-2.50%，Ni：≤3.5%，Cu：≤0.55%， Mo：≤0.55%，V≤0.2%， Ti≤0.1%，Nb：≤0.6 %，Al：≤0.12%， B：0.0005-0.0035%，W：≤0.8%，Zr：≤0.25 %；
根据碳和合金元素因子计算理想临界直径Di值
Di=25.4*f C* f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr
含硼钢的合金因子：
Fa= f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr；
（一）对于加钛固氮的情况，FB硼系数= FB1* FB2
DiB=Di* FB硼系数；
当碳含量为0.10-0.25%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=M*不含硼的合金因子^（-N）
M=1.0059*碳含量^(-1.0311)
N=0.1313*碳含量^(-0.4303)；
为了防止同一个钢种计算机用二个公式计算，公式回归碳含量设置有重叠部分，
当碳含量为0.23-0.36%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=N-M*LN(不含硼的合金因子)
M=0.177-0.2725*LN(碳含量)
N =0.7062-2.1738*LN(碳含量)；
当碳含量0.33-0.50%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)=1.923*不含硼的合金因子^3 *10^(-5)+7.2947*不含硼的合金因子^2*10^(-4) -0.077834*不含硼的合金因子+3.72-3*碳含量
当碳含量0.48-0.62%，不含硼的合金因子5-26时，硼因子可以回归为：
FB1(硼因子)= 1.4587*不含硼的合金因子^2*10^(-3)-0.08014*不含硼的合金因子+3.4645-2.5*碳含量
因为高碳钢一般不加硼提高淬透性，其它含碳量的公式不再一一回归；
考虑硼因子不光与碳含量及合金因子有关，还与硼含量、钛含量、氮含量都有关系，
硼含量对硼因子的影响为
FB2=5.2659E+12B5 - 4.1254E+10B4 + 7.5456E+07B3 + 3.8872E+04B2 + 1.4571E+00B+ 6.7349E-01，式中B为硼含量；
（二）对于不加钛固氮且氮含量较高的情况，硼对淬透性的影响较小，可以不考虑硼含量计算理想临界直径：
Di=25.4*f C* f Si*f Mn* f Cr*f Ni*f Cu*f Mo*f V *f Zr。
2.一种基于权利要求1所述含硼钢理想临界直径的计算方法的J1.5计算方法，其特征在于：J1.5回归公式：碳含量0.15-0.55%，
J1.5= -19,487.18 C 5 + 34,335.66 C 4 - 23,189.98 C 3 + 7,399.01 C 2 - 1,041.30 C + 94.09。
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