CN107502818A - 一种高强低密度耐蚀特种锻件钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢及制备方法，其组成成分的重量百分比为：C 1.10～1.15%、Si 0.32～0.38%、Mn 21.0～23.0%、Al 6.5～7.2%、B 0.0035～0.0050%、Cu 0.28～0.35%、P≤0.015%、S≤0.006%、余量为Fe。在真空中频感应熔炼炉中放入优质精废钢、电解锰、纯铝、石墨、电解铜、FeSi75，熔炼炉内合金料槽中加入FeB17；通过真空熔炼、真空浇铸和热处理之后得到1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢。其密度约为7.0g/cm3，抗拉强度为1000MPa以上，并具备优于普通钢材的耐腐蚀性，在航空、核电、火电、水电等领域有广泛的应用潜力。

Description

一种高强低密度耐蚀特种锻件钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢及其制备方法，属于铸锻件用钢制造技术领域。
背景技术
近年来，国内外钢铁材料领域的研究院所、大专院校和先进企业等，一直不懈努力致力于研究开发高强韧性的先进钢铁材料（AHSS），特别是低密度高强韧性钢铁新材料更具有特别广阔的应用前景，这一类特种钢铁新材料的优异性能尤其是对轻量化、节能、安全、耐蚀和长寿命要求越来越高的汽车、舰船、高消耗工模具钢更具有特别显著的优势，在航空、核电、火电、水电等领域有广泛的应用潜力。目前国内外1000MPa以上超高强度钢的生产和应用量都比较少，国内外对高强度和超高强度的试验研究和应用范围在逐渐扩大，一些品种已经得到了推广应用，目前正是研究解决低密度高强韧性耐腐蚀钢生产应用技术的关键时期，及时开展这类先进钢铁新材料生产应用的研发及产业化，对提升先进钢铁新材料领域研发技术水平并在领域获得核心竞争优势具有十分重要的意义。针对上述背景，本发明提供了一种1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢及其制备方法，所产生的特种锻件钢具备密度为约7.0g/cm3，抗拉强度为1000MPa以上，并具备优于普通钢材的耐腐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢及其制备方法。
本发明所涉及的1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢的各组成成分的重量百分比为：C 1.10～1.15%、Si 0.32～0.38%、Mn 21.0～23.0%、Al 6.5～7.2%、B 0.0035～0.0050%、Cu 0.28～0.35%、P≤0.015%、S≤0.006%、余量为Fe及不可避免的不纯物；通过如下的步骤获得：
A、试验条件：采用真空中频感应熔炼炉熔炼，电源容量100kW，额定电源220v，频率1500～2500Hz，相数3相，冷态极限真空度6.67×10-3Pa，坩埚容量10kg（钢液），额定温度1600℃；熔炼炉具备真空浇铸位，熔炼完成后可在炉内真空状态下浇铸铸件。
B、真空熔炼：试验按生产8kg铸锭、实际钢水8.6kg计算。在10kg真空中频感应熔炼炉中放入以下材料：优质精废钢5.9～6.1kg、电解锰1.82～1.85kg、纯铝0.63～0.65kg、石墨0.093～0.096kg、电解铜0.026～0.027kg、FeSi75 0.013～0.015kg、FeB17 0.007～0.008kg。
将上述材料按下述顺序布料进10kg真空中频感应熔炼炉：底部优质精废钢→纯铝→硅铁→电解锰→石墨→废钢→电解铜，硼铁FeB17装入熔炼炉内合金料槽。
盖上熔炼炉盖，启动真空泵抽真空，真空度约4×10-3Pa时启动熔炼炉电源加热，加热升温曲线按下述要求控制：20℃-200℃→60min，升温速度3℃/min；200℃保温30min；200℃-600℃→30min，升温速度13.3℃/min；600℃保温30min；600-1550℃→60min，升温速度15.8℃/min；1550℃保温10min；1550℃保温10min后，加入硼铁FeB17合金，继续保温并电磁搅拌5min，电磁搅拌参数：电流140A、频率1500Hz。
C、真空浇铸：继续保温并电磁搅拌5min后，在15s～20s内缓慢将钢液浇铸于炉内模具内；浇铸完成后关闭熔炼炉电源，让熔炼炉在真空状态下自然冷却，待炉衬温度冷却至200℃以下时破熔炼炉内真空，并取出铸件钢；
D、热处理：将铸件表面铣刨除3mm，去除表面夹渣，惰性气体保护下加热至950℃，保温0.5h，用快锻机将铸件锻为所需检验样品并水淬至室温，将样品在惰性气体保护下以5℃/s的速度快速加热至900℃，保温0.5h后水冷却至室温退火处理，即获得1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢。惰性气体为氩气。
本发明具有下列优点和效果：
钢中添加锰、铝、硼元素、扩大钢的晶格常数，轻质凭借铝元素较低的原子系数，降低钢的密度，采用轻质元素和铜元素提高钢的耐蚀性，碳、锰为典型的奥氏体形成元素，一方面利用其较高的含量，基于析出强化机理起到固溶强化提高材料力学性能，晶界析出碳化物降低晶粒尺寸，提高材料的屈服强度等，另一方面采用碳和锰强度元素补偿过度使用铝带来γ→α相变作用时形成K碳化物（即(Fe、Mn)3AlC相）量，阻碍K碳化物生成趋势，确保钢强度等性能不受过度使用铝造成钢材热处理导致性能突变的影响，使铸件的强度达到较高水平。
在950℃下采用快锻机锻造后，奥氏体晶界处碳化物析出限制奥氏体晶粒的长大，水翠快速冷却，确保晶粒细小均匀，奥氏体晶粒尺寸细小，具有较高的塑性延伸强度与抗拉强度。锻件900℃退火处理后，锻件主要为奥氏体基体+铁素体+少量K碳化物，奥氏体比例约占58%，碳化物比例约占10%，铁素体和碳化物的存在将阻碍奥氏体中位错滑移，增大位错运动阻力，提高锻件拉伸变形的初始加工硬化率和抗拉强度。本发明通过对钢水真空冶炼、真空浇铸、锻机锻造、锻件热处理等多项工艺集成创新，充分发挥不同合金元素的特殊功能机金属热处理工艺，试验制备出密度约7g/cm3，抗拉强度1000MPa级的高强低密度耐蚀锻件钢。
本发明制备的产品具备以下工艺力学性能：ReL1010～1052MPa，Rm 1283～1312MPa，A 27.3～28.3%，钢的密度6.98～7.12g/cm3。
本发明专利技术填补了我国1000MPa级高强低密度耐蚀铸锻件钢生产技术的空白，为我国1000MPa级高强低密度耐蚀铸锻件钢生产研发提供技术基础，有利于促进火电、核电、航空、水电等领域关键部位用高品质铸锻件的技术研发。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1
A、试验条件：采用真空中频感应熔炼炉熔炼，电源容量100kW，额定电源220v，频率1500～2500Hz，相数3相，冷态极限真空度6.67×10-3Pa，坩埚容量10kg（钢液），额定温度1600℃。熔炼炉具备真空浇铸位，熔炼完成后可在炉内真空状态下浇铸铸件。
B、真空熔炼和真空浇铸：试验按生产8kg铸锭、实际钢水8.6kg计算。将废钢6kg（化学成分C 0.11wt%、Si 0.35wt%、Mn 1.32wt%、Cu 0.016%、Al 0.013%、P 0.015wt%、S≤0.006wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、电解锰1.83kg（化学成分Mn 99.8wt%、P0.002wt%、S≤0.020wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、纯铝0.64kg（化学成分Al99.5wt%，其余为不可避免的不纯物）、石墨0.095kg（化学成分C 99.8wt%，其余为不可避免的不纯物）、电解铜0.026（化学成分Cu 99.9wt%，其余为不可避免的不纯物）、FeSi750.014kg（化学成分Si 75wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、FeB17 0.007kg（化学成分B16wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）。
将上述材料按下述顺序布料进10kg真空中频感应熔炼炉：底部废钢→纯铝→硅铁→电解锰→石墨→废钢→电解铜，硼铁FeB17装入熔炼炉内合金料槽。
盖上熔炼炉盖，启动真空泵抽真空，真空度约4×10-3Pa时启动熔炼炉电源加热，加热升温曲线按下述要求控制：20℃-200℃→60min，升温速度3℃/min；200℃保温30min；200℃-600℃→30min，升温速度13.3℃/min；600℃保温30min；600-1550℃→60min，升温速度15.8℃/min；1550℃保温10min；1550℃保温10min后，加入硼铁FeB17合金，继续保温并电磁搅拌5min，电磁搅拌参数：电流140A、频率1500Hz。
C、真空浇铸：继续保温并电磁搅拌5min后，在15s-20s内缓慢将钢液浇铸于炉内模具内。浇铸完成后关闭熔炼炉电源，让熔炼炉在真空状态下自然冷却，待炉衬温度冷却至200℃以下时破熔炼炉内真空，并取出铸件钢。
D、热处理：将铸件表面铣刨除3mm，去除表面夹渣，氩气保护下加热至951℃，保温0.5h，用快锻机将铸件锻为所需检验样品并水淬至室温，将样品在氩气保护下以5℃/s的速度快速加热至902℃，保温0.5h后水冷却至室温退火处理，获得化学成分如下铸钢：C1.12wt %、Si 0.33wt%、Mn 22.2wt%、Al 6.95wt%、B 0.0042wt%、Cu 0.31wt%、P ≤0.013wt%、S≤0.006wt%。
实施例1 的1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢组织性能见表1。
表1 1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢力学性能、物理性能及显微组织
实施例2
A、试验条件：采用真空中频感应熔炼炉熔炼，电源容量100kW，额定电源220v，频率1500～2500HZ，相数3相，冷态极限真空度6.67×10-3Pa，坩埚容量10kg（钢液），额定温度1600℃。熔炼炉具备真空浇铸位，熔炼完成后可在炉内真空状态下浇铸铸件。
B、真空熔炼和真空浇铸：试验按生产8kg铸锭、实际钢水8.6kg计算。将废钢5.9kg（化学成分C 0.11wt%、Si 0.35wt%、Mn 1.32wt%、Cu 0.016%、Al 0.013%、P 0.015wt%、S≤0.006wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、电解锰1.82kg（化学成分Mn 99.8wt%、P0.002wt%、S≤0.040wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、纯铝0.63kg（化学成分Al99.5wt%）、石墨0.093kg（化学成分C 99.8wt%）、电解铜0.026（化学成分Cu 99.9wt%）、FeSi75 0.013kg（化学成分Si 75wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、FeB17 0.007kg（化学成分B 16wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）。
将上述材料按下述顺序布料进10kg真空中频感应熔炼炉：底部废钢→纯铝→硅铁→电解锰→石墨→废钢→电解铜，硼铁FeB17装入熔炼炉内合金料槽。
盖上熔炼炉盖，启动真空泵抽真空，真空度约4×10-3Pa时启动熔炼炉电源加热，加热升温曲线按下述要求控制：20℃-200℃→60min，升温速度3℃/min；200℃保温30min；200℃-600℃→30min，升温速度13.3℃/min；600℃保温30min；600-1550℃→60min，升温速度15.8℃/min；1550℃保温10min；1550℃保温10min后，加入硼铁FeB17合金，继续保温并电磁搅拌5min，电磁搅拌参数：电流140A、频率1500Hz。
C、真空浇铸：继续保温并电磁搅拌5min后，在15s-20s内缓慢将钢液浇铸于炉内模具内。浇铸完成后关闭熔炼炉电源，让熔炼炉在真空状态下自然冷却，待炉衬温度冷却至200℃以下时破熔炼炉内真空，并取出铸件钢。
D、热处理：将铸件表面铣刨除3mm，去除表面夹渣，氩气保护下加热至950℃，保温0.5h，用快锻机将铸件锻为所需检验样品并水淬至室温，将样品在氩气保护下以5℃/s的速度快速加热至900℃，保温0.5h后水冷却至室温退火处理，即获得化学成分如下的1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢：C 1.10wt %、Si 0.32wt%、Mn 21.0wt%、Al 6.5wt%、B0.0035wt%、Cu 0.28wt%、P ≤0.015wt%、S≤0.005wt%。
实施例2 的1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢组织性能见表2。
表2 1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢力学性能、物理性能及显微组织
实施例3
A、试验条件：采用真空中频感应熔炼炉熔炼，电源容量100kW，额定电源220v，频率1500～2500HZ，相数3相，冷态极限真空度6.67×10-3Pa，坩埚容量10kg（钢液），额定温度1600℃。熔炼炉具备真空浇铸位，熔炼完成后可在炉内真空状态下浇铸铸件。
B、真空熔炼和真空浇铸：试验按生产8kg铸锭、实际钢水8.6kg计算。将废钢6.1kg（化学成分C 0.11wt%、Si 0.35wt%、Mn 1.32wt%、Cu 0.016%、Al 0.013%、P 0.015wt%、S≤0.006wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、电解锰1.85kg（化学成分Mn 99.8wt%、P0.002wt%、S≤0.040wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、纯铝0.65kg（化学成分Al99.5wt%）、石墨0.096kg（化学成分C 99.8wt%）、电解铜0.027（化学成分Cu 99.9wt%）、FeSi75 0.015kg（化学成分Si 75wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）、FeB17 0.008kg（化学成分B 17wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物）。
将上述材料按下述顺序布料进10kg真空中频感应熔炼炉：底部废钢→纯铝→硅铁→电解锰→石墨→废钢→电解铜，硼铁FeB17装入熔炼炉内合金料槽。
盖上熔炼炉盖，启动真空泵抽真空，真空度约4×10-3Pa时启动熔炼炉电源加热，加热升温曲线按下述要求控制：20℃-200℃→60min，升温速度3℃/min；200℃保温30min；200℃-600℃→30min，升温速度13.3℃/min；600℃保温30min；600-1550℃→60min，升温速度15.8℃/min；1550℃保温10min；1550℃保温10min后，加入硼铁FeB17合金，继续保温并电磁搅拌5min，电磁搅拌参数：电流140A、频率1500Hz。
C、真空浇铸：继续保温并电磁搅拌5min后，在15s-20s内缓慢将钢液浇铸于炉内模具内。浇铸完成后关闭熔炼炉电源，让熔炼炉在真空状态下自然冷却，待炉衬温度冷却至200℃以下时破熔炼炉内真空，并取出铸件钢。
D、热处理：将铸件表面铣刨除3mm，去除表面夹渣，氩气保护下加热至950℃，保温0.5h，用快锻机将铸件锻为所需检验样品并水淬至室温，将样品在氩气保护下以5℃/s的速度快速加热至900℃，保温0.5h后水冷却至室温退火处理，即获得化学成分如下的1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢：C 1.15wt %、Si 0.38wt%、Mn 23.0wt%、Al 7.2wt%、B0.0050wt%、Cu 0.35wt%、P ≤0.013wt%、S≤0.006wt%。
实施例3 的1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢组织性能见表3。
表3 1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢力学性能、物理性能及显微组织
。

Claims (6)

1.一种1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢，其特征是，化学成分的重量百分比为：C1.10～1.15%、Si 0.32～0.38%、Mn 21.0～23.0%、Al 6.5～7.2%、B 0.0035～0.0050%、Cu0.28～0.35%、P≤0.015%、S≤0.006%、余量为Fe及不可避免的不纯物。
2.一种1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢的制备方法，其特征是通过如下的步骤获得：
A、试验条件：采用真空中频感应熔炼炉熔炼，电源容量100kW，额定电源220v，频率1500～2500Hz，相数3相，冷态极限真空度6.67×10-3Pa，坩埚容量10kg（钢液），额定温度1600℃；熔炼炉具备真空浇铸位；
B、真空熔炼：在10kg真空中频感应熔炼炉中放入以下材料：优质精废钢5.9～6.1kg、电解锰1.82～1.85kg、纯铝0.63～0.65kg、石墨0.093～0.096kg、电解铜0.026～0.027kg、FeSi75 0.013～0.015kg；FeB17 0.007～0.008kg装入熔炼炉内合金料槽；
盖上熔炼炉盖，启动真空泵抽真空，真空度约4×10-3Pa时启动熔炼炉电源加热至1550℃，1550℃保温10min后，加入硼铁FeB17合金，继续保温并电磁搅拌5min；
C、真空浇铸：继续保温并电磁搅拌5min后，在15s～20s内缓慢将钢液浇铸于炉内模具内；浇铸完成后关闭熔炼炉电源，让熔炼炉在真空状态下自然冷却，待炉衬温度冷却至200℃以下时破熔炼炉内真空，并取出铸件钢；
D、热处理：将铸件表面铣刨除3mm，去除表面夹渣，惰性气体保护下加热至950℃，保温0.5h，用快锻机将铸件锻为所需检验样品并水淬至室温，将样品在惰性气体保护下以5℃/s的速度快速加热至900℃，保温0.5h后水冷却至室温退火处理，即获得1000MPa级高强低密度耐蚀特种锻件钢。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤B中，10kg真空中频感应熔炼炉中的材料的布料顺序为：底部优质精废钢→纯铝→FeSi75→电解锰→石墨→废钢→电解铜。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤B中，熔炼炉电源加热至1550℃过程中，加热升温曲线按下述要求控制：20℃-200℃→60min，升温速度3℃/min；200℃保温30min；200℃-600℃→30min，升温速度13.3℃/min；600℃保温30min；600-1550℃→60min，升温速度15.8℃/min；1550℃保温10min。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤B中，电磁搅拌参数为电流140A、频率1500Hz。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤D中所述的惰性气体为氩气。
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