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