CN109023024B - 一步铸造高强度低碳钢的工艺及高强度低碳钢 - Google Patents

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Abstract

本发明属于凝固技术领域，具体涉及一种一步铸造高强度低碳钢的工艺及高强度低碳钢。该方法包括：对低碳钢钢水进行冷却，控制凝固速率大于或等于500K/s，且小于或等于3000K/s，以使低碳钢钢水凝固得到钢铸，其中：冷却前，控制低碳钢钢水的含氧量为25～45ppm；冷却前，低碳钢钢水的温度为1500～1600℃。与现有技术相比，本发明的有益效果是其表面硬度比使用现有技术可达到的高25％。本发明还通过去除热处理(加淬火)或严重的塑性变形等工序来简化制造过程。通过直接从液态金属凝固冷却铸造材料，无需任何后序浇铸工艺。从而大大减少了能源以及人工的消耗，降低企业生产成本，绿色环保。

Description

一步铸造高强度低碳钢的工艺及高强度低碳钢
技术领域
本发明属于凝固技术领域，具体涉及一种一步铸造高强度低碳钢的工艺及高强度低碳钢。
背景技术
低碳钢由于其高韧性和延展性而被认为是有价值的，但它们的硬度和强度一般都很低，这限制了低碳钢的广泛应用。在传统的铸造技术中，铸造后可采用热处理或剧烈塑性变形来提高钢铸的硬度和强度，但可达到的硬度仅限于约4GPa，而额外的加工步骤自然会增加能量和人力方面的生产成本。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种一步铸造高强度低碳钢的工艺及高强度低碳钢。
本发明所提供的技术方案如下：
一种一步铸造高强度低碳钢的工艺，包括以下步骤：
对低碳钢钢水进行冷却，控制凝固速率大于或等于500K/s，且小于或等于3000K/s，以使低碳钢钢水凝固得到钢铸，其中：
冷却前，控制低碳钢钢水的含氧量为25～45ppm；
冷却前，低碳钢钢水的温度为1500～1600℃。
基于上述技术方案，本发明的发明人发现，通过控制低碳钢(碳含量0.03％～0.1％)钢水的含氧量和冷却速度，可以铸造高强度低碳钢。并且，可以进一步的调整复合钛氧化物夹杂物的密度，以及针状铁素体和马氏体的密度。
进一步的，控制凝固速率大于或等于500K/s，且小于或等于600K/s。
基于上述技术方案，可以显著提高尺寸介于0.5～0.7μm之间的复合钛氧化物夹杂物的密度。
进一步的，控制凝固速率大于或等于2200K/s，且小于或等于3000K/s。
本发明还提供了根据本发明所提供的工艺制备得到的高强度低碳钢，钢铸表面硬度大于等于4GPa，并且，小于等于4.2GPa。
上述技术方案所提供的高强度低碳钢，其表面硬度比现有技术的低碳钢高出25％，可用于电器、汽车和任何其他需要极高表面硬度的面板材料。。
本发明还提供了根据本发明所提供的工艺制备得到的高强度低碳钢，尺寸介于0.5～0.7μm之间的复合钛氧化物夹杂物的密度大于等于550/mm2，并且，小于等于600/mm2；钢铸表面硬度大于等于4GPa，并且，小于等于4.2GPa。
上述技术方案所提供的高强度低碳钢，具有高达600/mm2的复合钛氧化物夹杂物的密度，更容易促进针状铁素体的析出，提高材料的韧性。
本发明还提供了根据本发明所提供的工艺制备得到的高强度低碳钢，表层聚集了大量的针状铁素体和马氏体的混合组织；钢铸表面硬度大于等于4GPa，并且，小于等于4.2GPa。
上述技术方案所提供的高强度低碳钢，具有显著提高的针状铁素体以及马氏体聚集。
与现有技术相比，本发明的有益效果是其表面硬度比使用现有技术可达到的高25％。本发明还通过去除热处理(加淬火)或严重的塑性变形等工序来简化制造过程。通过直接从液态金属凝固冷却铸造材料，无需任何后序浇铸工艺。从而大大减少了能源以及人工的消耗，降低企业生产成本，绿色环保。
附图说明
图1是实施例中四个样品的每个区域中的维氏硬度。
图2是实施例中四个样品的表面、1/4和1/2各位置的典型微观组织图。其中：
如(a-c)所示，在S1中，PF晶粒在表面宽约70μm，在1/4位置为67μm，在1/2位置为69μm；
如(d-i)所示，在S2和S3中，在所有三个区域中Q-PF晶粒小于30μm；
如(j-1)所示，在S4中，超细针状铁素体和马氏体(0.5-1μm宽)在表面聚集。
图3是实施例中四个样品中的夹杂物密度和夹杂物密度变化图。其中：
如(a)所示，为表面、1/4深度和1/2深度的夹杂物密度(每单位面积的数量)；
如(b)所示，为初始游离含氧量和冷却速率对夹杂物分布的影响的耦合图。
图4是水冷铜模取样及夹杂物分布统计位置示意图。其中：
如(a)所示，为水冷铜模；
如(b)所示，为铸态低碳钢薄带；
如(c)所示，截面统计位置。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
制备低碳钢钢水
1、将一定质量的TG30钢放入真空感应炉中将近2小时，使用赫利氏定氧探头测温定氧。
2、温度控制在1545～1560℃(计算TG30钢的液相线温度为1530℃)，通过添加氧化皮控制全氧含量在190ppm左右。
3、根据目标初始自由含氧量，计算消耗[O]需要的钛以及钢铸中平衡钛的质量和，并加入事先通过电弧炉熔炼的35％Ti-Fe合金，测温定氧。
4、继续添加硅锰以调整钢液成分将钢水成分调节成目标低碳钢要求成分，根据锰、硅元素目标成分的下限和中间值计算，分别加入80％Mn-Fe合金、75％Si-Fe合金，待钢液成分均匀，。
5、重复以上步骤，每次调整含氧量的不同，得到不同含氧量的Q235钢的钢水样品：
样品S1，含氧量68ppm；
样品S2，含氧量28ppm；
样品S3，含氧量11ppm；
样品S4，含氧量35ppm。
在真空条件下利用不同厚度的铜模取样器快速吸取钢液，并选择空冷或水冷，以控制至不同的凝固速率进冷却，对四个样品进行冷却：
样品S1，含氧量68ppm，凝固速率1200K/s；
样品S2，含氧量28ppm，凝固速率550K/s；
样品S3，含氧量11ppm，凝固速率150K/s；
样品S4，含氧量35ppm，凝固速率2500K/s。
结果分析
通过前期实验得到四个不同初始自由含氧量和凝固冷速的样品。分析其各个位置的夹杂物数密度，组织以及维氏硬度值。
图1为四个样品的维氏硬度值，由图可以看出，S4样品表面的硬度高达4.2GPa，具有显著的提高，几乎是其他各个区域的两倍。
图2是四个样品的典型微观组织图，由图可以看出，S4样品表面聚集着大量细小的针状铁素体和马氏体组织，而其他条件下样品不存在这种组织。这种类型的组织存在，使该部位的硬度性能特别突出。。
图3是四个不同初始自由含氧量和凝固时冷速条件下的样品，S4样品凝固过程中的凝固速率高达2500K/s，初始自由含氧量约为40ppm。
此条件下，如图3中3a所示，尺寸介于0.5～0.7μm的氧化物夹杂物的数量达到600/mm2，且氧化物夹杂物在各个位置数密度分布最均匀。
如图3中3b所示，为凝固前的初始自由含氧量和在凝固过程中的凝固速率对夹杂物分布的耦合作用，从图中可以看出，当初始自由含氧量处于25～45ppm，凝固冷速大于550K/s时，钢铸内部各个位置的夹杂物数量分布均匀。
通过分析，发现在初始含氧量(25～45ppm)和高凝固速率(≥550K/s)的条件下，尺寸介于在0.5～0.7μm之间的复合钛氧化物密度高达600/mm2，且各个区域分布最均匀。通过高密度的亚微米级氧化物夹杂物和凝固过程中的高凝固速率(≥2500K/s)的双重耦合作用，钢铸表层聚集了大量的针状铁素体和马氏体的混合组织，硬度高达4.2GPa。
从结果可以进一步看出，最佳工艺条件为：初始氧含量(25～45ppm)，铜模厚度9mm，并采取水冷方式，可以达到2500k/S的凝固速率，得到的钢铸中尺寸介于在0.5～0.7μm之间的复合钛氧化物密度高达600/mm2，钢铸表层聚集大量的针状铁素体和马氏体的混合组织。
上述实施例以Q235钢为例，但并不限于该种规格的钢。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种一步铸造高强度低碳钢的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
对低碳钢Q235钢水进行冷却，控制凝固速率大于或等于2500 K/ s，且小于或等于3000K/ s，以使低碳钢钢水凝固得到钢铸，其中：
冷却前，控制低碳钢Q235钢水的含氧量为25～45ppm；
冷却前，低碳钢Q235钢水的温度为1500～1600℃；
所述低碳钢钢水的碳含量为0.03%～0.1%；
所述钢铸的尺寸介于0.5～0.7μm之间的复合钛氧化物夹杂物的密度大于等于550/mm2，并且，小于等于600/mm2；
所述钢铸表面具有针状铁素体和马氏体的混合组织；钢铸表面硬度大于等于4GPa，并且，小于等于4.2GPa。
2.一种根据权利要求1所述的一步铸造高强度低碳钢的工艺制备得到的高强度低碳钢，其特征在于：尺寸介于0.5～0.7μm之间的复合钛氧化物夹杂物的密度大于等于550/mm2，并且，小于等于600/mm2；钢铸表面具有针状铁素体和马氏体的混合组织；钢铸表面硬度大于等于4GPa，并且，小于等于4.2GPa。
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