CN108950390A - 一种高强高韧圆钢及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高强高韧圆钢及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高韧长寿命凿岩钎杆用圆钢，该圆钢采用C‑Mn‑Si‑Cr‑Mo‑V的合金设计，包括：0.10‑0.18wt％的C、0.8‑1.2wt％的Si、1.8‑2.3wt％的Mn、0.1‑0.3wt％的Mo、0.2‑0.9wt％的Cr、0.02‑0.15wt％的V和0‑0.04wt％的Ti，余量为Fe，该圆钢采用带有电磁搅拌的电弧炉精炼,钢包炉精炼和循环脱气精炼之后，经铸造、开坯、轧制成圆钢，采用该圆钢生产的凿岩钎杆经过热处理之后，抗拉强度可达到1280MPa以上，冲击韧性AKV达到90J，凿岩进尺寿命由现有技术的20～400米延长到500～1000米，使用寿命大幅度提高。

Description

一种高强高韧圆钢及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种高强高韧圆钢及其制备方法与应用。
背景技术
凿岩冲击钎杆的失效主要在螺纹部位和过渡槽区域，破坏形式是疲劳断裂，其中钎杆在螺纹和过渡槽断裂占2/3，杆体断裂占1/3左右，螺纹钎杆外疲劳断裂占多数，而内疲劳断裂占少数。螺纹钎杆的失效机理主要是微动磨损和冲击磨损而形成疲劳源，发展为疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展导致钎杆最后断裂。所以，螺纹钎杆应该具有以下性能：
(1)高耐磨性和高韧性；
(2)高疲劳强度、刚性和弹性；
(3)低缺口敏感性和低疲劳裂纹扩展速率；
目前，现有技术中凿岩钎杆用钢均难以满足上述条件，目前20～25CrNi3Mo钢和24～27SiMnNi2CrMo钢均较适合生产凿岩钎杆。20～25CrNi3Mo钢具有高的强度和高的韧性，低的缺口敏感性和低的疲劳扩展速率，经整体渗碳后控冷有足够的刚性和弹性，经渗碳淬火、低温回火有较高的耐磨性和疲劳强度，若再经有效的防腐处理，如SR处理或静电喷漆处理，便可获得较高的抗腐蚀疲劳能力，但该钢存在的问题是经渗碳处理后抗高温软化和高温硬度欠佳，且渗碳淬火后增加了钢的缺口敏感性。24～27SiMnNi2CrMo钢，若经上述的热处理和防腐处理也能获得略低于20～25CrNi3Mo钢的钎杆寿命，且24～27SiMnNi2CrMo钢经渗碳淬火后，可增加耐磨性，但缺口敏感性增加，韧性迅速下降，制成的螺纹钎杆脆性断裂大大增加，钎杆整体寿命大幅度下降。因此，研发一种高强高韧、长寿命的凿岩钎杆用圆钢显得尤为必要。
虽然已专利号201510319377.8，“一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢、钎杆及其制备方法”中公开了Mn-Si-Cr的合金成分，可用于制造凿岩钎杆，但钎杆性能仍难以满足耐用的需求，在抗拉强度、冲击性能等方面仍有待提升。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种高强高韧圆钢及其制备方法与应用。
采用下述技术方案：
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.10-0.18wt％的C、0.8-1.2wt％的Si、1.8-2.3wt％的Mn、0.1-0.3wt％的Mo、0.2-0.9wt％的Cr、0.02-0.15wt％的V和0-0.04wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3。
优先地，一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.16-0.18wt％的C、1.1-1.2wt％的Si、2.1-2.3wt％的Mn、0.2-0.3wt％的Mo、0.2-0.5wt％的Cr、0.10-0.15wt％的V和0-0.04wt％的Ti，余量为Fe。
优先地，一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.10-0.16wt％的C、0.8-1.1wt％的Si、1.8-2.1wt％的Mn、0.1-0.2wt％的Mo、0.5-0.9wt％的Cr、0.02-0.10wt％的V和0-0.04wt％的Ti，余量为Fe。
为了降低合金成本、降低微观合金元素偏析系数：
优先地，所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％。
为了提高圆钢的韧性和疲劳性能：
优先地，所述高强高韧圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm。
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
为了降低微观合金元素偏析系数，减少夹杂物水平：
所述高强高韧圆钢采用带有电磁搅拌的电弧炉精炼(EMS+EAF)、钢包炉精炼(LF)和循环脱气精炼(RH)之后，经铸造、开坯、轧制成圆钢。
进一步地，所述带有电磁搅拌的电弧炉精炼，电磁搅拌的频率为1-20HZ，电流为10-50kA。
进一步地，所述循环脱气精炼(RH)，循环脱气时间不少于20分钟。
进一步地，所述铸造采用连铸或模铸，开坯次数不少于2次，轧制比不小于5。
所述的高强高韧圆钢用于生产凿岩钎杆，为了增强凿岩钎杆的强度、韧性和疲劳性能，在生产凿岩钎杆过程中包括热处理工艺：
进一步的，所述热处理工艺，包含在900～950℃渗碳、在880～930℃奥氏体化、风冷至贝氏体转变开始温度以下进行0.5～60小时的碳配分、以及回火处理。
所述风冷速率为110-170℃/min。
所述回火处理，回火温度为170-185℃，时间为1.5-2h。
本发明通过合理的合金元素配比、结合带有电磁搅拌的电弧炉精炼、钢包炉精炼、循环脱气精炼冶炼工艺、热处理工艺，提高了圆钢的强度、韧性和疲劳性能，延长了钎杆的使用寿命。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所述的圆钢，与20～25CrNi3Mo钢和24～27SiMnNi2CrMo钢比较具有更低的合金成本，总成本降低30-50％；
2.本发明所述的圆钢制备的凿岩钎杆经过热处理之后，抗拉强度可达到1280MPa以上，冲击韧性AKV达到90J，凿岩进尺寿命由现有技术的20～400米延长到500～1000米，使用寿命大幅度提高。
3.本发明所述的圆钢制备的凿岩钎杆经过渗碳和热处理之后，渗碳层的缺口敏感性低于35SiMnMoV、32Si2Mn2MoV等钢。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.10wt％的C、0.8wt％的Si、1.8wt％的Mn、0.1wt％的Mo、0.2wt％的Cr、0.02wt％的V和0.01wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例2
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.18wt％的C、1.2wt％的Si、2.3wt％的Mn、0.3wt％的Mo、0.9wt％的Cr、0.15wt％的V和0.04wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例3
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.17wt％的C、1.1wt％的Si、2.2wt％的Mn、0.3wt％的Mo、0.3wt％的Cr、0.13wt％的V和0.02wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例4
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.13wt％的C、1.0wt％的Si、2.0wt％的Mn、0.2wt％的Mo、0.7wt％的Cr、0.06wt％的V和0.03wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例5
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.13wt％的C、1.0wt％的Si、2.0wt％的Mn、0.2wt％的Mo、0.7wt％的Cr、0.06wt％的V和0.03wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn为1.3，Mo为1.5；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例6
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.13wt％的C、1.0wt％的Si、2.0wt％的Mn、0.2wt％的Mo、0.7wt％的Cr、0.06wt％的V和0.03wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn为1.2，Mo为1.5；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例7
一种高强高韧圆钢，采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.13wt％的C、1.0wt％的Si、2.0wt％的Mn、0.2wt％的Mo、0.7wt％的Cr、0.06wt％的V和0.03wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn为1.0，Mo为1.3；
所述高强高韧圆钢，总合金含量不高于5％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％；
所述高强高韧圆钢，还包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb＝0.03wt％，Pb≤0.005wt％；
所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例8-实施例14
实施例8-实施例14分别在实施例1-实施例7的基础上提供的制备方法：采用带有电磁搅拌的电弧炉精炼(EMS+EAF)、钢包炉精炼(LF)和循环脱气精炼(RH)之后，经铸造、开坯、轧制成圆钢；
所述带有电磁搅拌的电弧炉精炼，电磁搅拌的频率为10HZ，电流为30kA；
所述循环脱气精炼(RH)，循环脱气时间为25分钟；
所述铸造采用连铸或模铸，开坯次数为2次，轧制比为5；
并且，实施例8-14所述的高强高韧圆钢用于生产凿岩钎杆，在生产凿岩钎杆过程中包括热处理工艺：包含在925℃渗碳、在880～930℃奥氏体化、风冷至贝氏体转变开始温度以下进行0.5～60小时的碳配分、以及回火处理；
所述风冷速率为145℃/min；
所述回火处理，回火温度为175℃，时间为2h；
按照GB/T1301-2008标准对实施例8-14圆钢生产的凿岩钎杆进行性能检测，结果表1所示：
表1
试验例1
在实施例1的基础上按照表2的工艺研究圆钢生产工艺对凿岩钎杆的性能影响；
表2
试验例1-6圆钢用于凿岩钎杆的生产，在生产凿岩钎杆过程中包括热处理工艺：包含在925℃渗碳、在880～930℃奥氏体化、风冷至贝氏体转变开始温度以下进行0.5～60小时的碳配分、以及回火处理；
所述风冷速率为135℃/min；
所述回火处理，回火温度为177℃，时间为1.8h；
按照GB/T1301-2008标准对试验例1-6圆钢生产的凿岩钎杆进行性能检测，结果表3所示：
抗拉强度 冲击韧性 进尺寿命
实施例8 1280MPa 85J 500m
试验例1 1085MPa 42J 203m
试验例2 726MPa 33J 198m
试验例3 963MPa 51J 425m
试验例4 1029MPa 36J 385m
试验例5 1007MPa 45J 410m
试验例6 1173MPa 78J 456m

Claims (10)

1.一种高强高韧圆钢，其特征在于，所述的圆钢采用C-Mn-Si-Cr-Mo-V的合金设计，包括：0.10-0.18wt％的C、0.8-1.2wt％的Si、1.8-2.3wt％的Mn、0.1-0.3wt％的Mo、0.2-0.9wt％的Cr、0.02-0.15wt％的V和0-0.04wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3。
2.根据权利要求1所述的高强高韧圆钢，其特征在于，总合金含量不高于5wt％，Cr+Mo的含量不高于1.0wt％。
3.根据权利要求1所述的高强高韧圆钢，其特征在于，所述的微观合金元素偏析系数，每100微米×100微米范围内Mn和Mo的最高含量与最低含量的比值。
4.根据权利要求1所述的高强高韧圆钢，其特征在于，所述圆钢还包括P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％。
5.根据权利与1所述的高强高韧圆钢，其特征在于，所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm。
6.根据权利要求1所述的高强高韧圆钢的制备方法，其特征在于，所述圆钢采用带有电磁搅拌的电弧炉精炼、钢包炉精炼和循环脱气精炼之后，经铸造、开坯、轧制成。
7.根据权利要求6所述的高强高韧圆钢的制备方法，其特征在于，所述的带有电磁搅拌的电弧炉精炼，电磁搅拌的频率为1-20HZ，电流为10-50kA。
8.根据权利要求6所述的高强高韧圆钢的制备方法，其特征在于，所述的循环脱气精炼，循环脱气时间不少于20分钟。
9.根据权利要求6所述的高强高韧圆钢的制备方法，其特征在于，所述的铸造采用连铸或模铸，开坯次数不少于2次，轧制比不小于5。
10.根据权利要求1所述的高强高韧圆钢用于生产凿岩钎杆。
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