CN109266975B

CN109266975B - 一种高强度高低温冲击韧性合金及其制备和热处理工艺

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Publication number: CN109266975B
Application number: CN201811246779.XA
Authority: CN
Inventors: 马之良; 袁崇森
Original assignee: Qingdao Madison Intelligent Industrial Co ltd
Current assignee: Qingdao Madison Intelligent Industrial Co ltd
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: CN109266975A

Abstract

本发明涉及耐冲击合金领域，特别涉及一种高强度高低温冲击韧性合金及其制备和热处理工艺。解决了现有技术中对于钢材的低温冲击韧性提升较小的问题，其技术方案要点是一种高强度高低温冲击韧性合金，包括以下组分：Ni0.10‑0.30wt％；Cr0.10‑0.30wt％；Al0.02‑0.10wt％；C0.25‑0.35wt％；Mn1.3‑1.7wt％；Si0.17‑0.37wt％；Mo0.05‑0.24wt％；V0.05‑0.24wt％；Re0.05‑0.13wt％；其余为Fe。并通过S1：将除Al、C、Re外的其他组分按比例加入喂丝机内，在1400‑1600℃下进行熔炼，持续30‑60min，并持续通入氩气；S2：将Al、C、Re通过喂丝处理加入熔融的混合物中；S3：在1550‑1650℃进行连续铸造,制成连铸坯；S4：对连铸坯在950℃条件下轧制成圆钢；S5：圆钢在轧机上进行热处理,在冷却速度为2.5‑3℃/S的条件下冷却至600‑650℃；S6：将圆钢放入缓冷坑缓冷至室温。

Description

一种高强度高低温冲击韧性合金及其制备和热处理工艺

技术领域

本发明涉及耐冲击合金领域，特别涉及一种高强度高低温冲击韧性合金及其制备和热处理工艺。

背景技术

在现代建筑建设领域中，常常使用到Q235B钢材制成的预埋件，由普通钢材制成的预埋件，在常温下具有较好的结构强度，然而在冬季，尤其在我国的北方地区，室外温度常常低于-20℃甚至-30℃。在这样的低温下，普通钢材会发生冲击韧性转化为脆性而发生破坏，导致预埋件的冲击冲击韧性大大降低，给施工带来了极大的安全隐患。

在申请公布号为CN106834636A的中国发明专利中公开了一种提高耐腐蚀铸钢件强度和低温冲击冲击韧性的热处理工艺，虽然在一定程度上提高了钢材的低温冲击冲击韧性，但是仅从热处理工艺上进行改进，对于钢材的低温冲击冲击韧性提升较为有限，因而仍有很大的研究空间。

发明内容

本发明的的第一个目的是提供一种高强度高低温冲击韧性合金，其优势在于，具有高强度和高低温冲击冲击韧性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种高强度高低温冲击韧性合金，包括以下组分：

Ni 0.10-0.30wt％；

Cr 0.10-0.30wt％；

Al 0.02-0.10wt％；

C 0.25-0.35wt％；

Mn 1.3-1.7wt％；

Si 0.17-0.37wt％；

Mo 0.05-0.24wt％；

V 0.05-0.24wt％；

Re 0.05-0.13wt％；

其余为Fe。

通过采用上述技术方案，加入Ni后能在一定程度上强化铁素体并细化珠光体，总体提高合金的强度。相对于其他元素，Ni在提高合金强度的同时，对合金的冲击韧性、塑性损害较小，在相同强度下的合金中，含Ni可部分代替C，从而减小C含量的用量，变相的提高了合金的冲击韧性和塑性。Ni能够显著提高合金对疲劳的抗力和减小合金对缺口的敏感性，尤其在低温状态时，降低合金的低温脆性转变温度，因而在低温下，使合金保持较强的冲击冲击韧性。

加入C后，一方面能够提高合金的硬度和强度，另一方面，在熔炼时，可以与Al共同作用，将熔炼过程中产生的进行脱氧和脱硫，以提升合金的强度。而Al也可细化晶粒，同时，有效的抑制合金的时效现象，提高合金在低温下的冲击韧性。Al也可与部分Ni形成化合物，提高合金的冶炼性能。

加入Mn后，Mn可与Al及C在冶炼过程中进行脱氧和脱硫，消除钢的热脆性，便于后续的热处理。同时，Mn与Fe可形成固溶体，提高合金中铁素体和奥氏体的硬度和强度。同时，Mn与C结合，可进入渗碳体中取代一部分Fe原子，降低合金的临界转变温度，细化合金晶粒，提高合金强度。

加入Si后，Si能够溶于铁素体和奥氏体提高刚的硬度和强度。同时，提高钢的弹性极限。

加入Mo后，Mo能够提高淬透性和热强性，防止回火脆性。方便热处理时的高温回火，从而更有效的消除残余应力，提高塑性。

加入V后，V能够与C形成稳定的碳化物，细化合金的组织和晶粒，提高合金的强度和冲击韧性。同时，提高合金的回火稳定性，产生二次硬化效应。

加入Re后，Re能够有效提升合金的塑性和冲击冲击韧性，具有良好的脱氧和脱硫效果，提升合金的冲击冲击韧性，改善合金的流动性，减少非金属夹杂，使合金组织致密纯净。同时，使得合金在高温下保持合金的晶粒细小，提高高温强度。

作为优选，还包括0.002-0.007wt％的B。

通过采用上述技术方案，B能够在一定程度上能够替代Ni、Mo，提高合金的淬透性，改善热处理的效果。同时，B与氮及氧具有很强的亲和性，有利于抑制合金的时效现象，提高了合金的低温冲击冲击韧性。

作为优选，还包括0.1-0.16wt％的Ta、Nb、Cb的混合物。

通过采用上述技术方案，Ta、Nb、Cb部分溶入固溶体，起到固溶强化的作用。溶入奥氏体时，能够有效的提升合金的淬透性，在与C结合后，能够细化晶粒，提高合金的冲击冲击韧性并降低脆性转变温度，同时增大合金的回火稳定性，有二次硬化的作用。

作为优选，所述Re为La-Ce合金。

作为优选，所述La-Ce合金中La所占的质量分数为33-37wt％。

通过采用上述技术方案，La-Ce金属价格相对其他稀土元素较为低廉，适用于工业化生产，具有较强的实用性。

本发明的的第二个目的是提供一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，具体包括以下步骤：

S1：将除Al、C、Re外的其他组分按比例通过喂丝机加入钢包内，在1400-1600℃下进行熔炼，持续30-60min，并持续通入氩气；

S2：将Al、C、Re通过喂丝处理加入熔融的混合物中；

S3：在1550-1600℃进行连续铸造,制成连铸坯；

S4：对连铸坯在950℃条件下轧制成圆钢；

S5：圆钢在轧机上进行热处理,冷却速度2.5-3℃/S的条件下冷却至600-650℃；

S6：将圆钢放入缓冷坑缓冷至室温。

通过采用上述技术方案，通过S1：将大多数组分通过喂丝机加入钢包内进行均匀混合，保证钢水的均一稳定；

通过S2：相对于其他方法，通过喂丝工艺将Al、Re加入到钢包的钢水中，提高了Al、Re在混合物内混合的均匀性，能够大大提高Al、Re的收得率，降低精炼成本，同时相对于冲入法，温降少，有利于保持钢水成分的稳定。

通过S3至S6，获得更加均匀的贝氏体组织,既保证了强度,也保证了韧性,相比没有热处理的产品强度提高20％,延伸率提高15-18％,冲击韧性提高36-45％。

作为优选，S2具体包括：

S2-1：将温度调至1400-1600℃，将Al丝和C丝装入喂丝导管，并进行喂丝，保温3-5min；S2-2：将温度进一步调至1550-1600℃，将Re丝装入喂丝导管进行喂丝，保温5-10min。

通过采用上述技术方案，先将Al和C加入到熔融的混合物内，对熔融的混合物进行初步脱硫与脱氧，以提升合金的低温冲击冲击韧性。再通过加入Re，进一步对混合物进行脱硫与脱氧。通过两步法脱硫，相对于直接将Al、Re，脱氧与脱硫效果更好。

作为优选，喂丝管垂直于熔融混合物的表面，喂丝速度为2.5-3.3m/min。

通过采用上述技术方案，喂丝管与熔融混合物的表面相垂直，因而能够准确的把握喂丝速度，同时，能够使金属丝均匀浸入熔融混合物液面以下，提高金属丝的融化效率和均匀混合程度。在此速度下，金属丝能够顺利进行熔化，且不会因为喂丝速度过快，导致金属丝在浮力作用下翻折露出液面。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

合金本身具有较强的低温冲击韧性，同时，利用特殊的制备和热处理工艺，进一步提升了合金的低温冲击韧性。

附图说明

图1为高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一、材料及设备：

本专利中采用的Ni、Al、C、Mn、Si、V、B、Ta、Nb、Cb、Re，均为市售化工材料。

其中，Re采用赣州市科明锐有色金属材料有限公司生产的La-Ce合金块，且La占La-Ce合金块质量分数的35wt％，Ce占La-Ce合金块质量分数的65wt％，并利用La-Ce合金块制丝(参照授权公告号CN1073479C的中国发明专利)；Al采用东莞长安钢悦金属材料有限公司生产的纯Al丝；C采用上海怀赢新材料科技有限公司生产的C丝。

二、高强度高低温冲击韧性合金的组分：

Ni 0.10-0.30wt％；

Cr 0.10-0.30wt％；

Al 0.02-0.10wt％；

C 0.25-0.35wt％；

Mn 1.3-1.7wt％；

Si 0.17-0.37wt％；

Mo 0.05-0.24wt％；

V 0.05-0.24wt％；

Re 0.05-0.13wt％；；

B 0.002-0.007wt％；

还包括0.1-0.16％的Ta、Nb、Cb中一种或几种的混合物；

其余为Fe。

三、高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺：

S2：将Al、C、Re通过喂丝处理加入熔融的混合物中；

S3：在1550-1600℃进行连续铸造,制成连铸坯；

S4：对连铸坯在950℃条件下轧制成圆钢；

S6：将圆钢放入缓冷坑缓冷至室温。

其中，喂丝管垂直于熔融混合物的表面，喂丝速度为2.5-3.3m/min。

四、高强度高低温冲击韧性合金的性能检验：

1、根据HB 5278-1984《金属低温冲击韧性试验方法》对以下各实施例及对比例进行试验，测定-20℃时的冲击韧性值和-40℃的冲击韧性值；

2、根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验》对以下各实施例及对比例的抗拉强度进行检测；

3、根据GB/T 7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》对以下各实施例及对比例的屈服强度进行检测；

表1高强度高低温冲击韧性合金的组分：

实施例1至实施例3均本申请中的组分及制备和热处理工艺方法进行试验；

对比例1与实施例3仅区别于组分中不含B；

对比例2与实施例3仅区别于组分中不含Re；

对比例3与实施例3仅区别于组分中不含Ta、Nb、Ce；

对比例4与实施例3仅区别于制备和热处理工艺中，在进行将Al、C、Re直接加入熔融混合物，其他步骤均按照本申请中进行；

表2高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺及试验结果；

普通Q690D在-20℃下的冲击韧性值为35J，抗拉强度为≧690MPa，屈服强度为≧410MPa.从上表的试验结果可知，利用本申请中的组分及制备和热处理工艺制成的合金低温冲击韧性值、抗拉强度、屈服强度均远高于Q690D钢材的对应性能。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：将除Al、C、RE外的其他组分按比例加入喂丝机内，在1400-1600℃下进行熔炼，持续30-60min，并持续通入氩气；S2：将Al、C、RE通过喂丝处理加入熔融的混合物中；S3：在1550-1650℃进行连续铸造，制成连铸坯；S4：对连铸坯在950℃条件下轧制成圆钢；S5：圆钢在轧机上进行热处理,在冷却速度为2.5-3℃/S 的条件下冷却至600-650℃；S6：将圆钢放入缓冷坑缓冷至室温，其中合金的各组分含量如下：Ni 0.10-0.30wt%；Cr 0.10-0.30wt%；Al 0.02-0.10wt%；C 0.25-0.35wt%；Mn 1.3-1.7wt%；Si 0.17-0.37wt%；Mo 0.05-0.24wt%；V 0.05-0.24wt%；RE 0.05-0.13wt%；其余为 Fe。

2.根据权利要求1 所述的一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，其特征在于，合金还包括0.002-0.007wt%的B。

3.根据权利要求1 所述的一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，其特征在于，所述RE为La-Ce合金。

4.根据权利要求3 所述的一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，其特征在于，所述La-Ce合金中La 所占的质量分数为33-37 wt%。

5.根据权利要求1所述的一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，其特征在于，S2 具体包括：S2-1：在1550-1600℃，将Al 丝和C 丝装入喂丝导管，并进行喂丝，保温3-5min；S2-2：将温度进一步降至1530-1580℃，将RE丝装入喂丝导管进行喂丝，保温5-10min。

6.根据权利要求5所述的一种高强度高低温冲击韧性合金的制备和热处理工艺，其特征在于，喂丝管垂直于熔融混合物的表面，喂丝速度为2.5-3.3m/min。