CN110468329A - ZG-SY09MnCrNiMo RE钢及铸件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ZG‑SY09MnCrNiMo RE钢，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：C为0.06％‑0.10％，Si为0.25％‑0.4％，Mn为1.3％‑1.6％，Ni为0.4％‑0.6％，Ti为0.01％‑0.02％，Nb为0.03％‑0.06％，Cr为0.4％‑0.6％，Mo为0.35％‑0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为Fe，合计100％。本发明还公开了该种钢铸件的制备方法，步骤包括：1)利用电炉进行熔化、氧化以及初还原；2)利用LF精炼炉进行精炼；3)进行浇注；4)对钢铸件进行正火及回火处理。本发明的钢及其铸件具有优良的机械性能和良好的应用前景。

Description

ZG-SY09MnCrNiMo RE钢及铸件制备方法
技术领域
本发明属于冶金材料及处理技术领域，涉及一种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢，本发明还涉及该种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法。
背景技术
目前在冶金行业中，随着冶金技术的发展，出现了一类可焊接的工程用低碳合金结构用钢。此类钢相比普通碳素结构钢，具有较低的含碳量、较高的屈服点或屈服强度、较好的冷热加工成型性和良好的焊接性。此类钢主要用于汽车底板、风电设备以及煤矿机械、冶金装备、军工产品等领域(以下本发明所述钢种用于制备风电设备)，同时由于此类钢结构件相比普通碳素结构钢的强度、刚度、冲击韧性三个主要控制指标具有较大的优势，尤其在大跨度或者重负荷结构中优点更为突出，一般可比碳素结构钢节约20％左右的用钢量，因此这类钢正在得到大量生产和广泛使用。
鉴于此类低碳工程结构钢应用的广泛程度，为进一步提高其屈服强度、可焊接性和加工成型性等机械性能，急需研制一种新的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢。
发明内容
本发明的目的是提供一种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢，解决了现有技术中存在的C元素偏低，使得其强度、刚度偏低，难以满足低碳工程结构钢性能要求的问题。
本发明的另一目的是提供该种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：C为0.06％-0.10％，Si为0.25％-0.4％，Mn为1.3％-1.6％，Ni为0.4％-0.6％，Ti为0.01％-0.02％，Nb为0.03％-0.06％，Cr为0.4％-0.6％，Mo为0.35％-0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为Fe，合计100％。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、利用电炉进行熔化、氧化以及初还原，
1.1)成分控制：电炉初还原后出钢前满足C≤0.07％、Si≤0.20％、P≤0.015％；
1.2)将配碳量范围控制在0.35％～0.45％，
熔清确保残余满足工艺要求，第一罐料配入石灰为钢水重量的4％～5％；确保氧化末期的C≤0.05％和P≤0.010％；
1.3)氧化扒渣彻底，预插铝为2.5kg/t钢水，造稀薄渣，
前期使用铝粒扩散脱氧，待渣色变浅，补加硅铁，调整Si为0.15％～0.20％，并及时加灰调整炉渣流动性适宜；渣色变白，补加除Ti铁之外所有合金，使其接近下限，扒除电炉内大量还原渣，留少许渣量；
1.4)初炼电炉出钢温度为1650℃～1660℃；
步骤2、利用LF精炼炉进行精炼，
2.1)将精炼包吊到钢包车上后尽快进行氩气置换，
2.2)将精炼包送到精炼工位后，测温、加渣料，
渣料的组成是：按照质量比为4～5：1的比例将石灰与萤石混合均匀，精炼炉渣厚不大于200mm；
2.3)分批加入扩散脱氧剂，待炉渣持续变白、粘度合适，测温取样，根据分析结果，将钢水温度升到≥1620℃后调整合金成分；
2.4)在精炼后期炉内要保持微正压，不断加入扩散脱氧剂，保持还原气氛；
2.5)升温至1660℃，开始抽真空并保持一定时间；
2.6)抽真空过程完毕，出钢前加钛铁，加稀土2kg/t，精炼炉出钢温度为1575℃～1585℃，浇注温度为1560℃～1570℃，完成ZG-SY09MnCrNiMo RE钢的最终成分的确定；
步骤3、进行浇注，
浇注要求低温快注，浇注温度为1560～1570℃，同时铸件按铸造工艺图造型完毕，按浇注工艺温度浇注，铸件保温、打箱、精整后得到ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件；
步骤4、对ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件进行正火及回火处理，即成。
本发明的有益效果是，本发明的低碳合金结构铸钢及其铸钢件，通过合理的热处理工艺达到设计要求的性能，满足了此类钢结构件所处的工作环境要求，提高了钢结构件的强度、刚度、稳定性、冷热加工成型性、焊接性等性能指标，降低了生产成本，延长了钢结构件产品的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：C为0.06％-0.10％，Si为0.25％-0.4％，Mn为1.3％-1.6％，Ni为0.4％-0.6％，Ti为0.01％-0.02％，Nb为0.03％-0.06％，Cr为0.4％-0.6％，Mo为0.35％-0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为Fe，合计100％。
在低合金高强度钢发展的初期，要获得较高强度的钢种材质，主要手段仍然依赖于较高的含碳量，为了满足钢结构材质具有较低的含碳量和较高的强度，钢结构材质必须向复合合金化的方向发展，同时可以采取适当的热处理方式，在节约合金元素的情况下获得强度和韧性可以良好配合的钢结构件。复合合金化是指在钢种冶炼过程中增添一些合金元素，其总量一般不超过5％，加入合金元素后钢材强度可以明显提高，钢结构构件的强度、刚度、稳定性三个主要控制指标都能充分的发挥，尤其在重负荷钢结构件中优点更为突出。钢结构中C含量在0.06％-0.1％不仅在低合金钢中形成合金碳化物，使钢结构得到强化，同时可以满足钢结构较高的韧性和焊接性能。钢结构中Mn含量具有细化珠光体组织改善机械性能，但含量过高会引起晶粒粗大和回火脆性的不利倾向，Mn能降低γ-a转变温度，有利于针状铁素体的形核，在加热过程中可增加铁素体中碳化物的弥散析出量，此外由于高锰钢导致钢应力/应变特性的变化，可抵消鲍欣格效应的强度损失。Ni含量为主要奥氏体形成元素，改善材料的耐蚀性能，与Cr、Mo等联合使用，提高钢的热强性。Cr含量增加钢材淬透性并有二次硬化作用，可以提高碳钢的耐磨性和抗氧化性，并且具有较高的的热强性。Mo含量阻抑奥氏体到珠光体转变的能力最强，热处理高温回火形成弥散分布的特殊化合物。Ti、Nb含量可以细化晶粒，提高钢的回火稳定性，并有二次硬化作用，蠕变强度和持久强度高，同时Ti在钢中形成硫化物，可以改善冲击吸收功的各向异性和冷成形性。P、S含量都属于有害元素，材质中控制越低越好。根据以上合金元素在钢中所起到的作用，同时对比现有的低合金高强度钢中的材质组分和机械性能指标，通过降低和增加某种合金元素，经过电弧炉、精炼炉熔炼及抽真空处理，通过合理、合适的铸造工艺和铸后热处理工艺，得到本发明ZG-SY09MnCrNiMo RE钢。
参照表1，是本发明ZG-SY09MnCrNiMo RE钢的组织设计要求性能指标。
表1、ZG-SY09MnCrNiMo RE钢组织设计要求指标
热处理状态 Rel(MPa) Rm(Mpa) A(％≥) Z(％≥) aKV(J/cm<sup>2</sup>≥)
正火+回火 ≥420 ≥630 23 40 50
本发明ZG-SY09MnCrNiMo RE钢技术指标还包括：O≤50ppm、H≤10ppm、N≤150ppm。
基于上述的技术指标要求，本发明的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、利用电炉进行熔化、氧化以及初还原，
1.1)成分控制(元素质量含量％)：为了保证LF精炼时化学成分合格，电炉初还原后出钢前应满足C≤0.07％、Si≤0.20％、P≤0.015％；
1.2)将配碳量范围控制在0.35％～0.45％，选用杂质少、低P、低S的优质废钢、料头，
熔清确保残余满足工艺要求，第一罐料配入石灰为钢水重量的4％～5％；氧化期及时扒渣和补加渣料，注意温度控制，确保氧化末期的C≤0.05％和P≤0.010％；
1.3)氧化扒渣彻底，预插铝为2.5kg/t钢水，造稀薄渣，
前期使用铝粒扩散脱氧，待渣色变浅，补加硅铁，调整Si为0.15％～0.20％，并及时加灰调整炉渣流动性适宜；渣色变白，补加除Ti铁之外所有合金，使其接近下限，扒除电炉内大量还原渣，留少许渣量；
1.4)初炼电炉出钢温度为1650℃～1660℃；
步骤2、利用LF精炼炉进行精炼，
2.1)将精炼包吊到钢包车上后尽快进行氩气置换，
准备精炼包的具体过程是：
2.1.1)检查精炼包各部位，确认各部位状态正常；
2.1.2)精炼包必须清理干净，包衬无废钢、无粘渣；渣线挖补面积不大于渣线面积的50％，不得使用新砌包或新更换包底的钢包；安装好滑动水口，确认机构处于良好工作状态；
2.1.3)检查透气砖的残高和透气性，确保残高安全，透气良好；精炼包使用前必须烘烤良好。
2.2)将精炼包送到精炼工位后，测温、加渣料，
渣料的组成是：按照质量比为4～5：1的比例将石灰与萤石混合均匀，精炼炉渣厚控制在200mm以内；
2.3)扩散脱氧剂选用硅铁粉、硅钙粉或铝粒，为了保证炉内还原气氛，分批加入扩散脱氧剂，待炉渣持续变白、粘度合适，测温取样，根据分析结果，将钢水温度升到≥1620℃后调整合金成分；
2.4)在精炼后期炉内要保持微正压，不断加入扩散脱氧剂，保持还原气氛；
在精炼过程中，要时刻观察氩气情况，适时调整氩气压力和流量，以不裸露钢水面为宜；(这个阶段的主要目的是，搅拌促进渣钢界面，做到进一步脱氧，且使成分、温度更加均匀。)
2.5)升温至1660℃，开始抽真空；
要求在一定真空度下，保持一定时间(时间长短根据实际需要确定，0.5-1小时)，在该真空度下保持过程中尽量调整大氩气流量；(这个阶段的目的是，进一步降低钢水中N、H、O气体含量，提高钢水纯度。)
2.6)抽真空过程完毕，出钢前加钛铁，加稀土2kg/t，精炼炉出钢温度为1575℃～1585℃，浇注温度为1560℃～1570℃，完成ZG-SY09MnCrNiMo RE钢的最终成分的确定；
经过多批次生产，上述的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢的质量成分均符合设计要求，选取其中五个炉次钢(该五炉次钢即分别对应下述的实施例1-
实施例5)的最终成分分别对应参照表2-1至表2-5；
表2-1，本发明实施例1的最终成分表(元素质量含量，％)
C Si Mn S P Cr
0.07 0.25 1.29 0.009 0.01 0.58
Ni Mo Ti Nb B
0.48 0.35 0.01 0.04 0
N: 70ppm H: 2.5ppm O： 50ppm
表2-2，本发明实施例2的最终成分表(元素质量含量，％)
C Si Mn S P Cr
0.08 0.28 1.06 0.009 0.012 0.51
Ni Mo Ti Nb B
0.45 0.36 0.012 0.046 0
N: 69ppm H: 2.0ppm O： 45ppm
表2-3，本发明实施例3的最终成分表(元素质量含量，％)
表2-4，本发明实施例4的最终成分表(元素质量含量，％)
C Si Mn S P Cr
0.08 0.25 1.36 0.010 0.009 0.59
Ni Mo Ti Nb B
0.57 0.36 0.001 0.04 0.001
N: 68ppm H: 1.9ppm O： 43ppm
表2-5，本发明实施例5的最终成分表(元素质量含量，％)
C Si Mn S P Cr
0.09 0.25 1.13 0.009 0.017 0.65
Ni Mo Ti Nb B
0.64 0.41 0.01 0.04 0.002
N: 66ppm H: 1.9ppm O： 40ppm
步骤3、进行浇注，
浇注要求低温快注，浇注温度为1560℃～1570℃，同时铸件按铸造工艺图造型完毕，按浇注工艺温度浇注，铸件保温、打箱、精整后得到ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件。
步骤4、对ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件进行正火+回火处理，
正火处理过程是，先在300℃±10℃保温1.5小时，然后将升温速度控制在≤60℃/h，升温到650℃±10℃保温3小时；再将升温速度控制在≤80℃/h，升温到950℃±10℃时进行均温处理，并按照每25mm厚度保温1小时确定保温时间，并适当考虑控制均温时间，期间保温时间较长必须确保铸件完全奥氏体化，待铸件完全奥氏体化后，出炉进行水雾风冷加速冷却；
回火处理过程是，待铸件整体冷却至200℃以下后进炉，重新将升温速度控制在≤60℃/h，升温到300℃±10℃保温1.5小时；再将升温速度控制在≤80℃/h，升温到590℃±10℃进行均温处理，并按照每25mm厚度保温1小时确定保温时间，随后熄火炉冷，待冷却至200℃以下时出炉空冷，即成。
实验验证：
回火结束后，在铸件上切取附铸试验料，加工成标准一个拉伸试样和三个冲击试样，按标准进行性能测试，经检测，五个实施例ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件最终性能如表3所示，符合设计要求。
表3、本发明五个实施例钢铸件的机械性能实测数据对照表
热处理状态 Rel(MPa) Rm(Mpa) A(％) Z(％) Akv(J/cm<sup>2</sup>)
正火+回火(实施例1) 470 662 26 48 62
正火+回火(实施例2) 467 671 27 60 75
正火+回火(实施例3) 463 660 30 43 53
正火+回火(实施例4) 486 640 29 57 56
正火+回火(实施例5) 464 655 26 46 56
综上所述，本发明上述的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的方法，包括电炉初还原→LF精炼→VD→浇注工艺过程，制备得到的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件符合设计要求，具有优良的机械性能，具有良好的应用前景。

Claims (5)

1.一种ZG-SY09MnCrNiMo RE钢，其特征在于，按照质量百分比，由以下组分及含量组成：
C为0.06％-0.10％，Si为0.25％-0.4％，Mn为1.3％-1.6％，Ni为0.4％-0.6％，Ti为0.01％-0.02％，Nb为0.03％-0.06％，Cr为0.4％-0.6％，Mo为0.35％-0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为Fe，合计100％。
2.一种权利要求1所述的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、利用电炉进行熔化、氧化以及初还原，
1.1)成分控制：电炉初还原后出钢前满足C≤0.07％、Si≤0.20％、P≤0.015％；
1.2)将配碳量范围控制在0.35％～0.45％，
熔清确保残余满足工艺要求，第一罐料配入石灰为钢水重量的4％～5％；确保氧化末期的C≤0.05％和P≤0.010％；
1.3)氧化扒渣彻底，预插铝为2.5kg/t钢水，造稀薄渣，
前期使用铝粒扩散脱氧，待渣色变浅，补加硅铁，调整Si为0.15％～0.20％，并及时加灰调整炉渣流动性适宜；渣色变白，补加除Ti铁之外所有合金，使其接近下限，扒除电炉内大量还原渣，留少许渣量；
1.4)初炼电炉出钢温度为1650℃～1660℃；
步骤2、利用LF精炼炉进行精炼，
2.1)将精炼包吊到钢包车上后尽快进行氩气置换，
2.2)将精炼包送到精炼工位后，测温、加渣料，
渣料的组成是：按照质量比为4～5：1的比例将石灰与萤石混合均匀，精炼炉渣厚不大于200mm；
2.3)分批加入扩散脱氧剂，待炉渣持续变白、粘度合适，测温取样，根据分析结果，将钢水温度升到≥1620℃后调整合金成分；
2.4)在精炼后期炉内要保持微正压，不断加入扩散脱氧剂，保持还原气氛；
2.5)升温至1660℃，开始抽真空并保持一定时间；
2.6)抽真空过程完毕，出钢前加钛铁，加稀土2kg/t，精炼炉出钢温度为1575℃～1585℃，浇注温度为1560℃～1570℃，完成ZG-SY09MnCrNiMo RE钢的最终成分的确定；
步骤3、进行浇注，
浇注要求低温快注，浇注温度为1560～1570℃，同时铸件按铸造工艺图造型完毕，按浇注工艺温度浇注，铸件保温、打箱、精整后得到ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件；
步骤4、对ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件进行正火及回火处理，即成。
3.根据权利要求2所述的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法，其特征在于：所述的步骤2.1)中，准备精炼包的具体过程是：
2.1.1)检查精炼包各部位，确认各部位状态正常；
2.1.2)精炼包必须清理干净，包衬无废钢、无粘渣；渣线挖补面积不大于渣线面积的50％，不得使用新砌包或新更换包底的钢包；安装好滑动水口，确认机构处于良好工作状态；
2.1.3)检查透气砖的残高和透气性，确保残高安全，透气良好；精炼包使用前必须烘烤良好。
4.根据权利要求2所述的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法，其特征在于：所述的步骤4中，
正火处理过程是，先在300℃±10℃保温1.5小时，然后控制升温速度不大于≤60℃/h，升温到650℃±10℃保温3小时；再控制升温速度不大于≤80℃/h，升温到950℃±10℃时进行均温处理，并按照每25mm厚度保温1小时确定保温时间，控制均温时间，期间保温时间较长必须确保铸件完全奥氏体化，待铸件完全奥氏体化后，出炉进行水雾风冷加速冷却。
5.根据权利要求2所述的ZG-SY09MnCrNiMo RE钢铸件的制备方法，其特征在于：所述的步骤4中，
回火处理过程是，待铸件整体冷却至200℃以下后进炉，重新控制升温速度不大于≤60℃/h，升温到300℃±10℃保温1.5小时；再控制升温速度不大于≤80℃/h，升温到590℃±10℃进行均温处理，并按照每25mm厚度保温1小时确定保温时间，随后熄火炉冷，待冷却至200℃以下时出炉空冷。
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