CN107988551A - 一种低温冲击微合金低碳铸钢材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低温冲击微合金低碳铸钢材料，其化学成分为：C：0.16～0.19wt%，Si：0.6～0.7wt%，Mn：1.2～1.3wt%，P：≤0.020wt%，S：≤0.020wt%，Ni：0.15～0.20wt%，Mo：0.10～0.15wt%，V：0.10～0.15wt%，其余为Fe。同时本发明还提供一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，包括：冶炼，用电弧炉按氧化‑还原法冶炼钢水；精炼，钢水出到钢包内采用吹氩‑喂丝法精炼；铸造，钢水镇静后浇注铸件；热处理，正火+回火热处理。该低温冲击微合金低碳铸钢材料通过化学成分优化与微合金化处理，在‑20℃低温条件下，冲击性能Akv≥27J，满足了北方寒冷地区建设桥梁对铸钢材料低温冲击性能的要求。

Description

一种低温冲击微合金低碳铸钢材料及制备方法
技术领域
本发明涉及铸钢材料制造领域，特别涉及一种低温冲击微合金低碳铸钢材料及制备方法。
背景技术
悬索桥因造型美观、跨越距离大、通过性强等优点，在现代桥梁中得以迅速发展，如今大跨度及特大跨度桥梁多采用悬索结构形式。索夹铸钢件作为悬索桥中主缆悬索与吊索连接的核心受力构件，除了要承受桥体本身钢箱梁、混凝土等的质量负荷外，还需要承受桥上通过载荷的交变应力作用，索夹铸钢件的材料性能对全桥安全是非常重要的。
我国地域辽阔，南北温度相差较大，尤其是在北方，冬季室外气温一般低于0℃以下，部分地区甚至达到-20℃，这就要求该地区的桥梁索夹铸钢件材料需要增加低温冲击性能检验，要求在-20℃，冲击功Akv≥27J。试验对比表明，在室温条件下，当冲击性能Akv≥80J时，其低温冲击性能可以达到在-20℃、Akv≥27J的要求。在我国桥梁索夹铸钢件一般选用JB/T6402-2006标准中的ZG20Mn材料，ZG20Mn材料的常温冲击性能在室温条件下Akv≥39J，远远不满足低温冲击性能要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低温冲击微合金低碳铸钢材料及制备方法，通过化学成分优化与微合金化处理，制备一种具有低温冲击性能的索夹铸钢件材料，同时保证材料强度指标。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种低温冲击微合金低碳铸钢材料，其化学成分为：C：0.16～0.19wt％，Si：0.6～0.7wt％，Mn：1.2～1.3wt％，P：≤0.020wt％，S：≤0.020wt％，Ni:0.15～0.20wt％，Mo:0.10～0.15wt％，V：0.10～0.15wt％，其余为Fe。
优选的方案中，其化学成分为：C：0.19wt％，Si：0.7wt％，Mn：1.24wt％，P：0.018wt％，S：0.011wt％，Ni：0.17wt％，Mo:0.13wt％，V：0.11wt％，其余为Fe。
本发明还提供一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：冶炼，用电弧炉按氧化-还原法冶炼钢水；
步骤二：精炼，钢水出到钢包内采用吹氩-喂丝法精炼；
步骤三：铸造，钢水镇静后浇注铸件；
步骤四：热处理，正火+回火热处理。
优选的方案中，步骤四中正火热处理方式为：将工件随炉升温至650±20℃，升温速度≦80℃/h，保温2小时后，升温至900±10℃，保温6小时，最后空冷。
进一步的方案中，步骤四中回火热处理方式为：空冷温度低于250℃后，随炉升温至600±10℃，升温速度≦80℃/h，保温4小时，最后炉冷。
优选的方案中，步骤一采用电弧炉设备用氧化-还原法冶炼钢水，钢水在熔化期加入石灰和氧化铁矿石脱磷，钢水在氧化期采用氧化铁矿石-吹氧结合脱碳，脱碳量按0.40～1.00％控制，钢水在还原期先加石灰造渣，再将锰铁与硅铁按4:1比例加入进行预脱氧，还原白渣形成并保持时间30～40分钟。
优选的方案中，步骤二中钢水出到钢包后采用吹氩-喂丝法精炼，吹氩气为0.5～0.7升/吨钢水，吹氩气时间为5～10分钟，喂铝丝为0.25～0.4千克/吨钢水，喂硅钙丝1.2～1.5千克/吨钢水。
采用本发明的制备方法制备的铸钢材料，具有以下优点：
1、具有优良的机械性能，不破坏ZG20Mn材料本身的机械性能，同时-20℃低温条件下，冲击性能Akv≥27J，满足了北方寒冷地区建设桥梁对铸钢材料低温冲击性能的要求。
2、P会增加钢的冷脆性，降低塑性，使冷弯性能变坏；S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，因此本发明采用在熔化期和氧化期的钢液低温阶段，控制炉渣高碱度(R:2.0～3.0)与渣量脱磷，使P含量≤0.020wt％；在还原期的钢液高温阶段，控制炉渣高碱度(R:2.5～3.0)与渣量脱硫，使S含量≤0.020wt％。
3、ZG20Mn的C含量在0.16～0.22wt％，本发明在配料时，先通过过量配C，再吹氧脱C，使熔池的钢液激烈沸腾，完成氧化期钢液的去气、除夹杂任务，使C含量降低到0.16～0.19wt％，并提高钢液的纯净度，改善材料塑性、韧性和焊接性能。
4、ZG20Mn的Si含量在0.60～0.80wt％，本发明在还原期采用两次添加硅铁的办法，使Si含量控制在0.6～0.7wt％，在满足该材料成分要求的前提下，可适当提高材料的塑性和韧性。
5、ZG20Mn的Mn含量在1.00～1.30wt％，本发明在还原期采用两次添加锰铁的办法，使Mn含量控制在1.20～1.30wt％，达到提高材料强度、淬透性和改善材料低温韧性的目的。
6、Mo是强化铁素体元素，具有提高钢的强度与淬透性，减少回火脆性特性。同时Mo易出现在铁素体δ相或其它脆性相中而使韧性降低，需要控制加入量。通过在ZG20Mn材料中的研究，Mo含量控制在0.10～0.15wt％，可满足该材料对低温冲击韧性的要求，相对而言，材料Mo含量提高到0.15～0.25％，材料韧性会有所降低，材料成本会适当增加。
7、V元素含量在0.05～0.1％，能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性，而V元素含量在0.2％以上，会提高钢的热强性。通过在ZG20Mn材料中的研究，V含量控制在0.10～0.15wt％(不添加V合金情况达到)，可满足该材料性能要求。
8、Ni元素在钢中具有提高强度、淬透性，改善低温韧性特性。通过在ZG20Mn材料中的研究，在ZG20Mn材料中Ni含量在0.15～0.20％时，可满足该材料性能要求。
ZG20Mn铸钢材料各成分含量：
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明正火+回火的热处理工艺曲线图。
具体实施方式
钢水冶炼：采用电弧炉设备用氧化-还原法冶炼钢水。钢水在熔化期加入20～40mm尺寸的块状氧化铁矿石和30～80mm尺寸的块状石灰脱磷；钢水在氧化期采用氧化铁矿石-吹氧结合脱碳，脱碳量按0.40～1.00％控制；钢水在还原期先加30～80mm尺寸的块状石灰造渣，再将锰铁与硅铁按4:1比例加入进行预脱氧，还原白渣形成并保持时间30～40分钟。
钢水精炼：钢水出到钢包后采用吹氩-喂丝法精炼，吹氩气0.5～0.7升/吨钢水，吹氩气时间5～10分钟，喂铝丝0.25～0.4千克/吨钢水，喂硅钙丝1.2～1.5千克/吨钢水。
常规砂型铸型制作。
钢水浇注：钢水在钢包内镇静3～8分钟后浇注。
铸件落砂清理。
铸件热处理：铸件采用正火和回火处理，如图1，将工件随炉升温至650±20℃，升温速度≦80℃/h，保温2小时后，升温至900±10℃，保温6小时，最后空冷；空冷温度低于250℃后，随炉升温至600±10℃，保温4小时，最后炉冷。
试样送检：从铸件上分离连体试样，送检化学成分与机械性能。
在本实施例中选用十个试样，十个试样的化学成分见下表：
对十个试样的连体试样进行机械性能检测，各试样机械性能见下表：
常规的ZG20Mn的机械性能如下：
从测试结果可以看出，本发明的低温冲击微合金低碳铸钢材料机械性能优于ZG20Mn材料的机械性能，同时本发明的低温冲击微合金低碳铸钢材料在-20℃的低温条件下，冲击性能Akv≥27J，满足桥梁索夹铸钢件材料的低温冲击性能要求。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低温冲击微合金低碳铸钢材料，其特征在于：所述材料的化学成分为：C：0.16～0.19wt%，Si：0.6～0.7wt%，Mn：1.2～1.3wt%，P：≤0.020wt%，S：≤0.020wt%，Ni：0.15～0.20wt%，Mo：0.10～0.15wt%，V：0.10～0.15wt%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种低温冲击微合金低碳铸钢材料，其特征在于：所述材料的化学成分为：C：0.19wt%，Si：0.7wt%，Mn：1.24wt%，P：0.018wt%，S：0.011wt%，Ni：0.17wt%，Mo：0.13wt%，V：0.11wt%，其余为Fe。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：冶炼，用电弧炉按氧化-还原法冶炼钢水；
步骤二：精炼，钢水出到钢包内采用吹氩-喂丝法精炼；
步骤三：铸造，钢水镇静后浇注铸件；
步骤四：热处理，正火+回火热处理。
4.根据权利要求3所述的一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，其特征在于：步骤四中正火热处理方式为：将工件随炉升温至650±20℃，升温速度≦80℃/h，保温2小时后，升温至900±10℃，保温6小时，最后空冷。
5.根据权利要求4所述的一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，其特征在于：步骤四中回火热处理方式为：空冷温度低于250℃后，随炉升温至600±10℃，升温速度≦80℃/h，保温4小时，最后炉冷。
6.根据权利要求3所述的一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，其特征在于：步骤一采用电弧炉设备用氧化-还原法冶炼钢水，钢水在熔化期加入石灰和氧化铁矿石脱磷，钢水在氧化期采用氧化铁矿石-吹氧结合脱碳，脱碳量按0.40～1.00％控制，钢水在还原期先加石灰造渣，再将锰铁与硅铁按4:1比例加入进行预脱氧，还原白渣形成并保持时间30～40分钟。
7.根据权利要求3所述的一种低温冲击微合金低碳铸钢材料的制备方法，其特征在于：步骤二中钢水出到钢包后采用吹氩-喂丝法精炼，吹氩气为0.5～0.7升/吨钢水，吹氩气时间为5～10分钟，喂铝丝为0.25～0.4千克/吨钢水，喂硅钙丝1.2～1.5千克/吨钢水。
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