CN107312974A - 一种高性能低合金壳体用钢及其制造方法 - Google Patents

一种高性能低合金壳体用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能低合金壳体用钢及其制造方法，按重量百分比，其化学成分配比如下：C：0.28～0.35％、Si：0.90～1.20％、Mn：0.45～0.75％、Cr：2.80～3.20％、Ni：1.20～1.50％、Mo：0.85～1.05％、V：0.08～0.15％、Nb：0.08～0.15％、P：≤0.010％、S：≤0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。其制造方法包括EAF冶炼、LF精炼、VD真空处理、浇注、电渣重熔、锻造成材及热处理等步骤。

Description

一种高性能低合金壳体用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，主要涉及一种高性能低合金壳体用钢及其制造方法。
背景技术
目前，国内外壳体用超高强度钢大致分成两类。一类是以低合金超高强度钢为主，其强度级别在1400MPa以上，断裂韧性在以上，代表钢种为D6AC和30Si2MnCrMoVA等，该类壳体用钢由于合金元素含量低，热加工工艺简单，因此制造成本相对低廉，但韧性不高是制约此类钢被推广应用的关键因素。另一类是以高合金马氏体时效钢为主，其强度级别在1700MPa以上，断裂韧性在以上，代表钢种为C250和T250等，该类壳体用钢虽然具有非常优异的强韧性配合，但由于材料中Ni、Co等贵重合金元素含量高，因此制造成本很高是制约其广泛应用的主要因素。
表1：
上表1中列出了现有技术中三种钢的化学成分对比，以下为其具体情况说明：
上述表格中，公开号为CN101078088A的专利申请公开了一种低合金超高强度钢及其热处理工艺，该钢的抗拉强度Rm高达2000MPa以上，冲击韧性Aku最高达30J，但没有给出断裂韧性数据，该钢的不足之处是Al含量很高，钢水在浇注时水口容易结瘤，且容易将钢包水口耐火材料带入钢水；同时过高的Al会造成钢中氧化铝夹杂显著增多，极有可能使钢的韧性指标显著降低。
上述表格中，公开号为CN1390972A的专利申请公开了一种低合金超高强度钢，该发明钢具有合金元素少，合金含量低，生产工艺简单，成本低等优点，但其抗拉强度只有1000-1300MPa，屈服强度只有860-1200MPa。
上述表格中，公开号为CN101481779A的专利申请公开了一种高塑性高韧性超高强度钢及其制造方法，该发明钢主要是通过精确控制淬火马氏体的回火工艺，充分利用超细化回火板条马氏体/纳米级沉淀相复相组织来实现强化、塑化和韧化效果，但其抗拉强度只有970-1255MPa，屈服强度只有900-1200MPa。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高性能、低成本的低合金壳体用钢。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种高性能低合金壳体用钢，按重量百分比，其化学成分配比如下：
C：0.28～0.35％
Si：0.90～1.20％
Mn：0.45～0.75％
Cr：2.80～3.20％
Ni：1.20～1.50％
Mo：0.85～1.05％
V：0.08～0.15％
Nb：0.08～0.15％
P：≤0.010％
S：≤0.005％；
其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。
采用上述技术方案得到的高性能低合金壳体用钢具有以下特性：
其中的C可以保证钢室温强度和淬透性。而当碳含量低于0.25％时淬透性和强度不够，高于0.40％则韧性变坏。本钢材优选的C含量为0.28～0.35％，其能够保证钢材具有必要的强度和韧性。
其中的Si对渗碳体的析出和长大有强烈的抑制作用，能延缓马氏体的脱溶分解，显著提高钢的回火稳定性，并能使钢的低温回火脆性温度区上移。而当Si含量低于0.85％时作用不明显，高于1.30％时，使脱碳敏感性增加。
其中的Mn能增加奥氏体的稳定性，降低Ms点，提高淬透性。而当Mn含量低于0.40％时，作用不明显，高于0.80％以上，晶粒容易粗化且增加裂纹敏感性。
其中的Cr具有强烈提高淬透性的性能，能阻碍奥氏体的转变，推迟珠光体的形核和长大，促进低温组织贝氏体和马氏体的转变，提高钢的强度。而Cr含量低于2.80％时，淬透性不足，高于3.20％时，则容易形成大颗粒状碳化物，降低韧性。
而Ni的加入则可改变钢的位错滑移方式，使位错绕过障碍物，避免产生大的应力集中，因而不易产生解理断裂，同时可增强基体交叉滑移能力，降低冷脆转变温度，提高韧性。当Ni低于1.20％时，对韧性的改善不明显，Ni含量过高则成本明显增加。作为本发明的优选实施例，Ni的重量百分比优选1.30～1.45％。
当钢中同时存在Cr、Mn、Ni等合金元素时，会促进回火脆性的增加，本发明通过加入一定量的Mo来改善回火脆性，同时Mo也可以细化晶粒，提高强度和韧性，但大量Mo的添加会增加成本，并降低韧性。作为本发明的优选实施例，Mo的重量百分比优选0.90～1.0％。
其中的V在钢中主要起沉淀强化作用，适量的V细化晶粒组织，可提高钢的强度和塑性，V太高会显著降低钢的塑韧性。
其中的Nb主要能细化钢的晶粒，加入后可增大碳化物的稳定性，当加热到较高温度时，仍有细小的碳化物质点保留在钢中，具有较强的阻止奥氏体晶粒长大的作用，因而可细化马氏体组织，改善回火回火马氏体的韧性，提高钢的解理断裂应力。当加入量低于0.08％时，效果不明显，超过0.15％时，由于析出物粗化而使性能恶化。
另外，由于P、S在一般钢中均为有害元素，P、S过高对材料的韧性和塑性均有不利影响，因此本发明限定P≤0.010％，S≤0.005％。
本发明提供的高性能低合金壳体用钢克服了现有材料强韧性不高或是强韧性较高但成本很高的缺点，其采用低合金成分设计达到高性能特点，具有显著的成本优势。通过添加V、Nb等元素，依靠细晶强韧化和沉淀强化作用，极大地提高钢的强度和韧性。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种前述高性能低合金壳体用钢的制造方法。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种高性能低合金壳体用钢的制造方法，包括如下工艺流程：
(1)、EAF冶炼；
(2)、LF精炼；
(3)、VD真空处理；
(4)、浇注；
(5)、电渣重熔；
(6)、锻造成材；
(7)、热处理。
进一步，所述EAF冶炼过程包括如下工艺要求：
a、EAF氧化期扒渣去P，扒渣要干净，防止回P，出钢控制P≤0.005％；
b、出钢前进行合金化，确保全熔。
例如，所述EAF冶炼包括如下具体工艺条件：
a、出渣条件：温度T≥1650℃，P≤0.004％；
b、出渣完毕加脱氧剂0.5-1kg/t预脱氧，然后加石灰200-300kg、萤石适量，化渣均匀；
c、出钢温度T≥1640℃。
也进一步，所述LF精炼过程包括如下工艺要求：
a、还原期进行脱S和脱氧操作，确保炉渣流动性良好和渣色变白，白渣保持时间≥30分钟；
b、Ar气流量控制以钢水不翻出渣面为原则；
c、钢包进VD炉抽气前倒掉钢包中渣子的70-80％；
d、出钢控制S≤0.003％。
例如，所述LF精炼过程包括如下具体工艺条件：
a、通电加热，按规格要求进行合金化，分批补加石灰100-300kg/批，共加2-3批，渣面加SiFe粉和C粉进行脱氧操作；
b、Ar气流量控制为40-60NL/min；
c、钢包进后续VD炉抽气前倒掉钢包中渣子的70-80％。
还进一步，所述VD真空处理过程包括如下工艺要求：
a、控制VD炉内真空度≤66.7Pa，保持时间≥20分钟；
b、真空结束后底吹Ar弱搅拌时间≥10分钟；
c、吊包前严格控制供氩强度，不使钢液暴露在空气中；
d、通过真空处理尽可能降低钢中的气体含量。
例如，所述VD真空处理过程包括如下具体工艺条件：
a、控制VD炉内真空度时Ar流量≥70NL/min；
b、真空结束后底吹Ar流量控制40-60NL/min；
c、吊包温度为1540-1550℃。
也进一步，所述浇注过程包括如下工艺要求：
a、使用大氩气保护浇注电极棒，防止钢水被二次污染；
b、浇注温度控制在液相线温度以上50-60℃，以确保低的凝固偏析。
其中，所述浇注温度优选控制在1530-1540℃。
同样的，所述电渣重熔过程可以包括如下工艺要求：
a、将电极棒重熔成钢锭；
b、采用二元渣系CaF2∶Al2O3＝70％∶30％(重量百分比)，进一步脱S和去除夹杂物，并使铸态组织均匀致密。
更进一步，所述电渣重熔过程包括如下具体工艺条件：
a、冶炼电压为56-65V，冶炼电流为9000-12000A；
b、渣量控制在100-130kg。
类似的，所述锻造过程可以包括如下工艺要求：
a、锻造采用镦拔分段式操作工艺，根据钢锭尺寸和壳体坯料尺寸确定中间坯料的尺寸；
b、锻造前将钢锭加热至1190-1210℃，保证奥氏体均匀化；
c、锻造时先将钢锭拔长，然后下料段，随后将料段回炉加热，加热温度按1130-1150℃控制，保温时间根据中间坯料尺寸而定，将料段镦粗至原高度的1/4-1/2，然后再径向锻造至最终坯料规格，控制停锻温度≥820℃，通过控制变形量和停锻温度来获得细晶组织。
更进一步，所述锻造前的钢锭加热为先在600℃保温1-1.5h，然后以≤100℃/h升温至1190-1210℃，保温2-4h。
同样，所述热处理可以包括淬火和回火，其中淬火温度为910-930℃油淬，回火温度为240-260℃空冷。优选的，所述淬火保温0.5-1h，所述回火保温3-5h。
采用上述技术制造方法得到的高性能低合金壳体用钢具有较好的强韧性配合及更高的经济性，特别是通过真空精炼加电渣重熔工艺，提高钢的纯净度和组织均匀性，达到高纯度高均匀性的要求，实现了钢高韧化的前提和基础。再通过镦粗增大锻造比及低的终锻温度，保证获得细小均匀的组织，即达到高强度、高韧性的良好配合，能保证材料的性能得到明显改善，各项指标完全满足高性能壳体用钢的要求，在航空航天等国防尖端领域存在着广泛而迫切的应用需求前景。
本发明通过成分设计、真空精炼和电渣重熔等高纯度冶炼技术及特殊的锻造成形技术，使钢获得高纯度和优良的强韧性配合。该钢的研制成功，不仅满足在研和现有航空和航天领域对材料的要求，也为今后壳体用钢向高性能低成本发展奠定坚实的基础，对推动航空航天事业的发展具有重要意义。
具体实施方式
通过试验，在40吨EAF+LF+VD→4吨电渣重熔→2000吨快锻机生产线上生产了10炉合金，具体工艺过程如下：
1、EAF冶炼工艺：
EAF氧化期扒渣去P，扒渣要干净，出渣条件：温度T≥1650℃，P≤0.004％。出渣毕加脱氧剂0.5-1kg/t预脱氧，然后加石灰200-300kg，萤石适量，化渣均匀。出钢前加入合金料，确保全熔。出钢条件：温度T≥1640℃，P≤0.005％。
2、LF炉冶炼工艺
通电加热，按规格要求进行合金化，分批补加石灰100-300kg/批，共加2-3批，渣面加SiFe粉和C粉进行脱氧操作，确保炉渣流动性良好和渣色变白，白渣保持时间≥30分钟。Ar流量控制40-60NL/min，不得使钢水翻出渣面。钢包进VD炉抽气前倒掉钢包中渣子的70-80％。
3、VD炉冶炼工艺
控制VD炉内真空度≤66.7Pa，Ar流量≥70NL/min，保持时间≥20分钟。停真空泵后测温取样，根据分析结果调整成分至规格。底吹Ar弱搅拌时间≥10分钟，Ar流量控制40-60NL/min。吊包前严格控制供氩强度，不使钢水暴露在空气中，吊包温度1540-1550℃。
4、浇注工艺
浇注Φ490mm电极棒，使用大氩气保护浇注，浇注温度控制1530-1540℃。
5、电渣重熔工艺
将Φ490mm电极棒重熔成Φ600mm钢锭。冶炼电压56-65V，冶炼电流9000-12000A，采用二元渣系CaF2∶Al2O3＝70％∶30％，渣量控制在100-130Kg。
6、锻造工艺
(1)、钢锭加热制度：先在600℃保温1-1.5h，然后以≤100℃/h升温至1190-1210℃，保温2-4h；
(2)、出炉锻造：先将Φ600mm钢锭拔长至Φ400mm，下料段长度800mm；
(3)、回炉加热：回炉加热温度控制在1130-1150℃，保温1-1.5h；
(4)、二次锻造：将料段镦粗至高度为260mm，然后径向锻造至Φ680mm，停锻温度≥820℃。
7、热处理工艺：
在坯料上取试样进行热处理，试样淬火温度为910-930℃，保温0.5-1h，油淬，回火温度为240-260℃，保温3-5h，空冷。经该热处理工艺，可以获得良好的强韧性配合。
按上述工艺进行控制，所得10炉合金的具体成分如下表2所示，非金属夹杂物和组织检验结果如表3所示，力学性能检测结果如表4所示。从上述检测结果可见，本发明钢的夹杂物含量非常少，其纯净度非常高，组织均匀细小，钢的抗拉强度均在1730MPa以上，屈服强度在1390MPa以上，断裂韧性在以上，其力学性能指标完全满足壳体用钢高性能低成本的设计要求。
由此可知，通过上述工艺控制可获得高纯度，组织细小均匀的壳体坯料，其性能可达到高强度高韧性的良好配合，与现有技术相比较，具有突出的特点和显著特性，完全满足新一代高性能壳体用钢的要求。本发明的高性能低合金壳体用钢可广泛用于航空航天、舰船制造等领域，它的成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场应用前景将非常广阔。
表2 所获得的各炉钢的化学成分，wt％
序号 C Si Mn Cr Ni Mo V Nb
1 0.30 1.12 0.46 3.01 1.32 0.90 0.10 0.13
2 0.28 1.10 0.50 3.13 1.46 0.85 0.12 0.10
3 0.32 1.00 0.70 3.05 1.39 1.02 0.09 0.08
4 0.35 1.20 0.69 3.20 1.20 0.90 0.10 0.11
5 0.34 0.90 0.45 2.96 1.46 0.98 0.08 0.12
6 0.29 0.98 0.75 2.80 1.50 0.85 0.14 0.13
7 0.31 1.05 0.72 2.85 1.21 0.89 0.13 0.13
8 0.31 1.03 0.69 2.90 1.44 1.05 0.11 0.15
9 0.33 1.08 0.58 2.97 1.35 0.88 0.12 0.09
10 0.32 1.16 0.61 3.11 1.35 0.95 0.15 0.10
表3 所获得的各炉钢的组织及夹杂物检测结果
表4 所获得的各炉钢的力学性能

Claims (18)

1.一种高性能低合金壳体用钢，按重量百分比，其化学成分配比如下：
C：0.28～0.35％
Si：0.90～1.20％
Mn：0.45～0.75％
Cr：2.80～3.20％
Ni：1.20～1.50％
Mo：0.85～1.05％
V：0.08～0.15％
Nb：0.08～0.15％
P：≤0.010％
S：≤0.005％；
其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。
2.根据权利要求1所述的高性能低合金壳体用钢，其特征在于，所述Ni的重量百分比为：1.30～1.45％。
3.根据权利要求1所述的高性能低合金壳体用钢，其特征在于，所述Mo的重量百分比为：0.90～1.0％ 。
4.一种如权利要求1所述高性能低合金壳体用钢的制造方法，包括如下工艺流程：
(1)、EAF冶炼；
(2)、LF精炼；
(3)、VD真空处理；
(4)、浇注；
(5)、电渣重熔；
(6)、锻造成材；
(7)、热处理。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述EAF冶炼过程包括如下工艺要求：
a、EAF氧化期扒渣去P，扒渣要干净，防止回P，出钢控制P≤0.005％；
b、出钢前进行合金化，确保全熔。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述EAF冶炼包括如下具体工艺条件：
a、出渣条件：温度T≥1650℃，P≤0.004％；
b、出渣完毕加脱氧剂0.5-1kg/t预脱氧，然后加石灰200-300kg、萤石适量，化渣均匀；
c、出钢温度T≥1640℃。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述LF精炼过程包括如下工艺要求：
a、还原期进行脱S和脱氧操作，确保炉渣流动性良好和渣色变白，白渣保持时间≥30分钟；
b、Ar气流量控制以钢水不翻出渣面为原则；
c、钢包进VD炉抽气前倒掉钢包中渣子的70-80％；
d、出钢控制S≤0.003％。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述LF精炼过程包括如下具体工艺条件：
a、通电加热，按规格要求进行合金化，分批补加石灰100-300kg/批，共加2-3批，渣面加SiFe粉和C粉进行脱氧操作；
b、Ar气流量控制为40-60NL/min；
c、钢包进后续VD炉抽气前倒掉钢包中渣子的70-80％。
9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述VD真空处理过程包括如下工艺要求：
a、控制VD炉内真空度≤66.7Pa，保持时间≥20分钟；
b、真空结束后底吹Ar弱搅拌时间≥10分钟；
c、吊包前严格控制供氩强度，不使钢液暴露在空气中；
d、通过真空处理尽可能降低钢中的气体含量。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述VD真空处理过程包括如下具体工艺条件：
a、控制VD炉内真空度时Ar流量≥70NL/min；
b、真空结束后底吹Ar流量控制40-60NL/min；
c、吊包温度为1540-1550℃。
11.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述浇注过程包括如下工艺要求：
a、使用大氩气保护浇注电极棒，防止钢水被二次污染；
b、浇注温度控制在液相线温度以上50-60℃，以确保低的凝固偏析。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述浇注过程包括如下具体工艺条件：
所述浇注温度控制在1530-1540℃。
13.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述电渣重熔过程包括如下工艺要求：
a、将电极棒重熔成钢锭；
b、采用二元渣系CaF2∶Al2O3＝70％∶30％，进一步脱S和去除夹杂物，并使铸态组织均匀致密。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述电渣重熔过程包括如下具体工艺条件：
a、冶炼电压为56-65V，冶炼电流为9000-12000A；
b、渣量控制在100-130kg。
15.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述锻造过程包括如下工艺要求：
a、锻造采用镦拔分段式操作工艺，根据钢锭尺寸和壳体坯料尺寸确定中间坯料的尺寸；
b、锻造前将钢锭加热至1190-1210℃，保证奥氏体均匀化；
c、锻造时先将钢锭拔长，然后下料段，随后将料段回炉加热，加热温度按1130-1150℃控制，保温时间根据中间坯料尺寸而定，将料段镦粗至原高度的1/4-1/2，然后再径向锻造至最终坯料规格，控制停锻温度≥820℃，通过控制变形量和停锻温度来获得细晶组织。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述锻造过程包括如下具体工艺条件：
所述锻造前的钢锭加热为先在600℃保温1-1.5h，然后以≤100℃/h升温至1190-1210℃，保温2-4h。
17.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述热处理包括淬火和回火，其中淬火温度为910-930℃油淬，回火温度为240-260℃空冷。
18.根据权利要求17所述的制造方法，其特征在于，所述淬火保温0.5-1h，所述回火保温3-5h。
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