CN108998724B - 一种抗高温软化圆钢及其制备方法与应用 - Google Patents

一种抗高温软化圆钢及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种抗高温软化圆钢及其制备方法与应用；合金组分包括：0.15‑0.25wt％的C、0.3‑1.0wt％的Si、2.0‑2.2wt％的Mn、0.1‑0.5wt％的Cr、0.3‑0.6wt％的Mo、0.22‑0.35wt％的V和0‑0.1wt％的Ti，余量为Fe；采用该圆钢生产的凿岩钎杆，母材的显微组织中包含贝氏体和1‑5％的(V,Mo)C，在室温条件下抗拉强度可达到1200MPa以上，550℃时抗拉强度不低于1100MPa；渗碳层室温时硬度为550‑650HV，550℃时硬度不低于600HV，适用于高温的工况条件下，使用寿命大幅度提高。

Description

一种抗高温软化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，具体涉及一种抗高温软化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；
(4)要有一定的高温硬度和抗高温软化性。
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，因此，研发一种抗高温软化的凿岩钎杆用圆钢显得尤为必要。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种抗高温软化圆钢及其制备方法与应用。
采用下述技术方案：
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.15-0.25wt％的C、0.3-1.0wt％的Si、2.0-2.2wt％的Mn、0.1-0.5wt％的Cr、0.3-0.6wt％的Mo、0.22-0.35wt％的V和0-0.1wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3。
进一步地，一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.20wt％的C、0.5wt％的Si、2.1wt％的Mn、0.2wt％的Cr、0.5wt％的Mo、0.22wt％的V和0.08wt％的Ti，余量为Fe。
所述V为合金设计成分，部分转变成碳化钒。
所述Mo为合金设计成分，部分转变成碳化钼。
为了提高圆钢的韧性和疲劳性能：
优先地，所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm。
所述抗高温软化圆钢中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：
所述抗高温软化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，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。
所述的抗高温软化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：在900～950℃渗碳、在880～930℃奥氏体化、冷却至贝氏体、回火处理。
所述冷却是先采用液氮冷却至温度为600℃±10℃，然后再风冷至温度为500℃±10℃，最后将钎杆进入密封装置中水汽作用下进行冷却至温度为400℃±10℃，然后再置于风冷条件下降温至260℃。
本发明的有益效果如下：
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；并且，本发明的该圆钢采用V和Mo的碳化物，提高了圆钢在400-600℃的高温强度，抑制高温软化。
采用本发明公开的热处理方法，使得母材中包含贝氏体和1-5％的(V,Mo)C，渗碳层处包含10％以上的(V,Mo)C粒子，母材在室温条件下抗拉强度可达到1200MPa以上，550℃时抗拉强度不低于1100MPa；渗碳层室温时硬度为550-650HV，550℃时硬度不低于600HV，适用于高温条件。
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
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.15wt％的C、0.3wt％的Si、2.0wt％的Mn、0.1wt％的Cr、0.3wt％的Mo、0.22wt％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V为合金设计成分，其中碳化钒占总钒量45％；
所述Mo为合金设计成分，其中碳化钼占总钼量50％；
所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述抗高温软化圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例2
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.25wt％的C、1.0wt％的Si、2.2wt％的Mn、0.5wt％的Cr、0.6wt％的Mo、0.30wt％的V和0.1wt％的Ti，余量为Fe；
微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
所述V为合金设计成分，其中碳化钒占总钒量10％；
所述Mo为合金设计成分，其中碳化钼占总钼量10％；
所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述抗高温软化圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例3
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.20wt％的C、0.5wt％的Si、2.1wt％的Mn、0.2wt％的Cr、0.5wt％的Mo、0.25wt％的V和0.08wt％的Ti，余量为Fe；
微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
所述V为合金设计成分，其中碳化钒占总钒量20％；
所述Mo为合金设计成分，其中碳化钼占总钼量25％；
所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述抗高温软化圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例4
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.20wt％的C、0.5wt％的Si、2.1wt％的Mn、0.2wt％的Cr、0.5wt％的Mo、0.25wt％的V和0.08wt％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V为合金设计成分，其中碳化钒占总钒量20％；
所述Mo为合金设计成分，其中碳化钼占总钼量25％；
所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述抗高温软化圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例5
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.20wt％的C、0.5wt％的Si、2.1wt％的Mn、0.2wt％的Cr、0.5wt％的Mo、0.25wt％的V和0.08wt％的Ti，余量为Fe；
微观合金元素偏析系数Mn为1.3，Mo为1.3；
所述V为合金设计成分，其中碳化钒占总钒量25％；
所述Mo为合金设计成分，其中碳化钼占总钼量25％；
所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述抗高温软化圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例6
一种抗高温软化圆钢，其合金组分包括：0.20wt％的C、0.5wt％的Si、2.1wt％的Mn、0.2wt％的Cr、0.5wt％的Mo、0.25wt％的V和0.08wt％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V为合金设计成分，其中碳化钒占总钒量25％；
所述Mo为合金设计成分，其中碳化钼占总钼量20％；
所述抗高温软化圆钢，包括：P≤0.02wt％，S≤0.015wt％，As+Sn+Sb≤0.015wt％，Pb≤0.005wt％；
所述抗高温软化圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm；
所述抗高温软化圆钢中Ds类夹杂物等级≤1.0。
实施例7-12
实施例7-实施例12分别在实施例1-实施例6的基础上采用以下方法制备圆钢：
S1采用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；
S2钢包炉精炼；
S3循环脱气精炼：循环脱气时间为25min；
S4铸造：采用模铸，开坯次数为3次，轧制比为6；
S5开坯
S6轧制成圆钢。
实施例13-18
实施例13-18分别在实施例7-12的基础上提供制作凿岩钎杆的热处理方法：
S1在900～950℃渗碳；
S2在880～930℃奥氏体化；
S3冷却至贝氏体：先采用液氮冷却至温度为600℃±10℃，然后再风冷至温度为500℃±10℃，最后将钎杆进入密封装置中水汽作用下进行冷却至温度为400℃±10℃，然后再置于风冷条件下降温至260℃；
S4回火处理；
按照GB/T1301-2008标准对实施例13-18生产的凿岩钎杆进行性能检测，结果表1所示：
Figure BDA0001728743490000071
Figure BDA0001728743490000081
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
Figure BDA0001728743490000082
Figure BDA0001728743490000091
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：
S1在938℃渗碳；
S2在892℃奥氏体化；
S3冷却至贝氏体：先采用液氮冷却至温度为600℃±10℃，然后再风冷至温度为500℃±10℃，最后将钎杆进入密封装置中水汽作用下进行冷却至温度为400℃±10℃，然后再置于风冷条件下降温至260℃；
S4回火处理；
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：
Figure BDA0001728743490000092
Figure BDA0001728743490000101

Claims (5)

1.一种圆钢在制备渗碳后抗高温软化凿岩钎杆中的应用，其特征在于，所述圆钢，其合金组分包括：0.15-0.25wt％的C、0.3-1.0wt％的Si、2.0-2.2wt％的Mn、0.1-0.5wt％的Cr、0.3-0.6wt％的Mo、0.22-0.35wt％的V和0-0.1wt％的Ti，余量为Fe；微观合金元素偏析系数Mn≤1.2，Mo≤1.3；
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、轧制而成；
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；
所述圆钢用于生产凿岩钎杆，包括热处理工艺，具体为：在900～950℃渗碳、在880～930℃奥氏体化、冷却至贝氏体转变开始温度以下保温0.5～60小时促进碳配分、在500～600℃回火0.5-2小时促进纳米(V,Mo)C析出，使得母材中包含贝氏体和1-5％的(V,Mo)C，渗碳层处包含10％以上的(V,Mo)C粒子；
所述的微观合金元素偏析系数是每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。
2.根据权利要求1所述圆钢在制备渗碳后抗高温软化凿岩钎杆中的应用，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％。
3.根据权利要求1所述圆钢在制备渗碳后抗高温软化凿岩钎杆中的应用，其特征在于，所述圆钢中[O]≤10ppm，[H]≤1.0ppm。
4.根据权利要求1所述圆钢在制备渗碳后抗高温软化凿岩钎杆中的应用，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。
5.根据权利要求1所述圆钢在制备渗碳后抗高温软化凿岩钎杆中的应用，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。
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