CN110564914A - 采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁材料领域，具体为一种采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性的方法，适应于解决低合金贝氏体钢大型铸锻件心部淬不透，低温冲击韧性偏低且不稳定问题。该方法通过在钢水VD/VOD/AOD/RH处理后，钢水中氧含量低于30ppm，硫含量低于30ppm时，按照吨钢添加0.1～0.5kg氧含量不超过150ppm的高纯La、Ce或La+Ce稀土合金，而后进行适当的软吹处理，达到使部分稀土固溶在钢中的目的，进而实现通过稀土元素强烈的微合金化抑制材料固态相变过程中碳扩散，提升低合金贝氏体钢淬透性，改善材料低温冲击韧性的目标，进而解决当前低合金贝氏体钢大型铸锻件，由于淬火冷速有限导致心部获得粗大的粒状贝氏体组织，低温冲击韧性偏低且不稳定问题。

Description

采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，具体为一种采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性的方法，通过在低氧低硫钢水中添加微量的低氧纯稀土合金，提高稀土固溶比例，发挥稀土元素微合金化功能，抑制贝氏体相变过程中的碳扩散，细化低合金钢贝氏体钢显微组织，提高大型铸锻件所用低合金贝氏体钢低温冲击韧性及其稳定性。
背景技术
低合金贝氏体钢具有较好的强韧性以及优异抗氢脆性能，被广泛应用于核电缸体、海洋平台、大型加氢反应器以及某些对材料强度、低温韧性和加工性能有较高要求的部件上。在传统工业应用条件下，这些低合金贝氏体钢件的标准热处理工艺为淬火+高温回火。对于实际生产的低合金贝氏体钢大型铸锻件，由于热处理过程中淬火冷速不足，使得铸锻件心部淬火组织中获得较为粗大的粒状贝氏体，导致淬火后及其高温回火后锻件心部低温冲击韧性偏低或波动现象，不仅造成铸锻件产品合格率低，同时也给材料性能评定带来不确定性。
粒状贝氏体是介于珠光体和上贝氏体温度区间连续冷却下的一种贝氏体组织，由于相变温度区间较高，相变过程中碳元素具有较强的扩散能力，故其常以贫碳的贝氏体铁素体基体和富碳的M‐A(马氏体和/或奥氏体)岛组成。一般认为，这种粒状贝氏体中粗大的富碳M‐A岛及其高温回火分解产物是造成材料冲击韧性偏低或波动的主要原因。前期大量研究表明，降低贝氏体相变温度或碳元素扩散速率能够细化粒状贝氏体(包括细化贝氏体铁素体尺寸以及M‐A岛尺寸)、降低富碳M‐A岛的中碳富集程度、改善M‐A岛的分布位置。进而，提高淬火态或调质态的粒状贝氏体钢低温冲击韧性。
稀土元素作为一类化学活性高的元素，不仅在钢中容易与氧及硫等杂质元素反应生成夹杂物而起到变质夹杂物作用，而且可以以固溶形式微量存在于钢中，起到强烈的微合金化作用，特别是对于低碳低/微合金钢来讲微合金化作用更为显著。稀土在低合金贝氏体钢中微合金化作用主要是通过抑制贝氏体相变过程中碳元素的扩散，起到延迟贝氏体相变，使贝氏体在更低温度区间形成，避免或细化淬火热处理时粗大粒状贝氏体的形成，进而达到改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性的目的。
然而，要使稀土在钢中以固溶形式存在才能发挥稀土微合金化效应，故稀土添加至钢液前，必须严格控制好钢液中氧以及其它杂质元素，如：S、P等含量，以及加入的稀土金属中的氧含量。因此，该发明工艺强调稀土添加前，采用合适的脱氧脱硫方式降低钢液中的氧硫含量，同时对加入的稀土金属中氧含量、加入稀土量等进行限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性的方法，解决目前低合金贝氏体钢大型铸锻件淬火冷速有限，心部得到粗大粒状贝氏体，低温冲击韧性偏低或不稳定的问题。
本发明的技术方案是：
一种采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，包括以下步骤：
(1)在钢水经过VD/VOD/AOD/RH处理后期，钢水中氧含量低于30ppm，硫含量低于30ppm时，添加符合要求的纯稀土或稀土合金，添加稀土后进行软吹处理，促进稀土反应产物的上浮去除；
(2)按照吨钢添加0.1～0.5kg氧含量不超过150ppm的纯La、Ce或La+Ce稀土合金，纯稀土使用铁箔包裹或者其他钢制容器盛装；
(3)冶炼完成后，后续铸造、锻造和热处理工艺按照常规工艺进行。
所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，步骤(1)中，采用脱氧脱硫方式，使钢液中氧含量和硫含量均低于30ppm。
所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，步骤(1)中，添加稀土后，对钢液进行软吹20～30分钟，促使大尺寸夹杂物上浮，避免稀土与钢中氧、硫反应产物残留在钢液中，而后进行浇注。
所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，步骤(2)中，稀土金属使用铁箔包裹或者钢制容器盛装，直接添加到钢液中，不需要制备成丝或线。
所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，步骤(2)中，稀土合金添加方式，一次性将稀土合金全部加入，或者分批次加入。
所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，步骤(3)中，添加稀土后的钢液后续按照正常工艺完成浇注、锻造和热处理流程，不需要特殊改变工艺流程和参数，后续热加工流程不需要因为添加稀土而进行特别的处理。
本发明的设计思想和原理如下：
本发明是基于低合金钢大型铸锻件在热处理过程中，由于淬火冷速受限，大型铸锻件心部易获得较为粗大的粒状贝氏体组织，导致淬火后及其高温回火后锻件心部低温冲击韧性偏低或波动现象，不仅造成铸锻件产品合格率低，同时也给材料评定带来极大的困难。粒状贝氏体是介于珠光体和上贝氏体温度区间连续冷却下的一种贝氏体组织，由于相变温度区间较高，相变过程中碳元素具有较强的扩散能力，故其常以贫碳的贝氏体铁素体基体和富碳的M‐A(马氏体和/或奥氏体)岛组成。一般认为，这种粒状贝氏体中粗大的富碳M‐A岛及其高温回火分解产物是造成材料冲击韧性偏低或波动的主要原因。前期大量研究表明，降低贝氏体相变温度或碳元素扩散速率能够细化粒状贝氏体(包括细化贝氏体铁素体尺寸以及M‐A岛尺寸)、降低富碳M‐A岛的中碳富集程度、改善M‐A岛的分布位置，进而提高淬火态或调质态的粒状贝氏体钢低温冲击韧性。
稀土不仅在钢中容易与氧及硫等杂质元素反应生成夹杂物，而起到变质夹杂物作用，而且会以固溶形式存在于钢中，起到强烈的微合金化作用。稀土在低合金贝氏体钢中微合金化作用主要是抑制贝氏体相变过程中碳元素的扩散，起到延迟贝氏体相变，使贝氏体在更低温度区间形成，避免或细化淬火热处理时粗大粒状贝氏体的形成，进而达到改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性的目的。然而，要使稀土在钢中以固溶形式存在才能发挥稀土微合金化效应，故稀土添加至钢液前，必须严格控制好钢中氧以及其它杂质元素(如：S等)含量，以及加入的稀土金属本身中的氧含量。因此，本发明工艺强调稀土添加前，采用合适的脱氧脱硫方式降低钢液中的氧硫含量，同时对加入的稀土金属中氧含量、加入稀土量等进行限制，保证后续添加的稀土不再主要以氧硫化夹杂物形式存在于钢中，进而达到稀土添加至低合金贝氏体钢中发挥微合金化功能，细化低合金钢贝氏体组织，提高大型铸锻件所用低合金贝氏体钢低温冲击韧性及其稳定性。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明工艺通过综合控制钢液添加稀土前氧含量和稀土金属中的氧含量，不仅能够很好控制钢锭中夹杂物，起到纯净钢液作用，更为重要的是促使稀土更多地固溶到钢中，为后续稀土添加发挥微合金化效果奠定基础。此合金化思路仅通过添加极微量轻稀土元素(La和Ce为主)而明显改变贝氏体相变行为，细化贝氏体组织，进而达到提高贝氏体钢低温冲击韧性的目的。与通过添加主合金元素或其它微量合金元素相比，在不会显著提高成本或恶化低合金贝氏体钢焊接性能条件下，明显改善贝氏体钢低温冲击韧性。
2、本发明是在冶炼过程中通过严格控制钢中O和S杂质元素的含量，保证后续稀土添加发挥强烈的合金化效应外，严格控制钢中O和S杂质元素的含量，也能起到减少钢中夹杂物，减轻钢锭的通道偏析，避免热处理杂质元素偏聚引起回火脆等，为生产高质量的大型锻件提供质量保证。
3、本发明不仅为稀土在钢中以更大的效益发挥微合金化功能提供保障，进而解决当前低合金贝氏体钢大型铸锻件，由于淬火冷速有限导致心部获得粗大的粒状贝氏体组织，低温冲击韧性偏低且不稳定问题，而且解决目前添加稀土引起局部区域出现大尺寸夹杂物，影响材料性能稳定性的难题。
附图说明
图1：新发明工艺与现有工艺下冶炼的2.25Cr-1Mo-0.25V钢贝氏体相变点变化。图中，横坐标Temperature代表温度(℃)，纵坐标ΔL代表相对热膨胀量(μm)。
图2：现有工艺与新发明工艺下2.25Cr-1Mo-0.25V钢淬火后粒状贝氏体组织。其中，(a)传统工艺下淬火显微组织；(b)本发明工艺下淬火显微组织。
图3：新发明工艺与现有工艺下2.25Cr-1Mo-0.25V钢韧脆转变曲线。图中，横坐标Temperature代表温度(℃)，纵坐标Impact Energy代表冲击功(J)。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明通过在钢水VD(真空脱碳炉)或VOD(真空吹氧脱碳炉)或AOD(氩氧脱碳炉)或RH(真空循环脱气精炼炉)处理后期，钢水中氧含量低于30ppm，硫含量低于30ppm时，按照吨钢添加0.1～0.5kg氧含量不超过150ppm的高纯La、Ce或La+Ce稀土合金，而后进行适当的软吹处理，达到使部分稀土固溶在钢中的目的，进而实现通过稀土元素强烈的微合金化抑制材料固态相变过程中碳扩散，提升低合金贝氏体钢淬透性，改善材料低温冲击韧性的目标。
为了很好地体现出本发明工艺显著细化低合金贝氏体钢组织，提高钢锭及其制造的大型锻件冲击韧性。在后续具体的实施方案中，本发明也列举传统工艺，用来说明本发明的优越性，但传统工艺并不意味着受本发明保护限制。同时，为了证实本发明具有较广的应用范围和前景，且考虑到实际操作的可行性，本发明选择两种典型的低合金贝氏体钢：一种为应用于大型加氢反应器锻件的低碳低合金贝氏体钢(2.25Cr1Mo0.25V钢)，以本发明工艺制备的钢锭生产大型加氢反应器锻件为例；一种以G18CrMo2‐6钢制造的复杂厚壁的核电缸体铸件为例，具体实施方案将以如下的实施例详细说明：
实施例1
本实施例中，制备大型加氢反应器用锻件所需的80t钢锭，钢锭材质为2.25Cr‐1Mo‐0.25V钢。在钢水经过VD处理后，此时测的钢水中的氧含量为10ppm，硫含量为16ppm.将用铁箔包裹10kg高纯La+Ce稀土合金(氧含量为100ppm，质量比例La/Ce＝1:2)至钢液，稀土添加后进行25分钟的软吹处理，而后静置15分钟进行真空浇注，获得全氧含量为8ppm，硫含量为10ppm，稀土含量在120ppm的稀土微合金化的高纯净低合金贝氏体钢。
实施例的结果表明，采用本发明工艺将钢中氧和硫含量均控制在较低的水平，此时钢中夹杂物含量和尺寸与不添加稀土时相当，并在一定程度上减少大尺寸的夹杂物，进而保证钢中的120ppm稀土主要以固溶形式存在而发挥微合金化功能。热膨胀实验模拟大型锻件心部淬火，发现新发明工艺冶炼钢的贝氏体相变点降低达40℃左右(见图1)，粒状贝氏体组织整体得到明显细化，富碳的M‐A岛更加细小和弥散分布在贝氏体铁素体基体内(见图2)，对钢锭取样模拟大型加氢反应器压力容器热加工工艺，冲击测试结果表明，新发明工艺制备的2.25Cr‐1Mo‐0.25V钢的韧脆转变温度较现有工艺下降达22℃(见图3)。
实施例2
本实施例中，制备重量约为60t的复杂厚壁的核电缸体铸件，铸件材质为G18CrMo2‐6钢。在钢水经过VOD处理后，此时测的钢水中的氧含量为15ppm，硫含量为25ppm.将用铁箔包裹15kg高纯La稀土(氧含量为120ppm)至钢液，稀土添加后进行20分钟的软吹处理，静置15分钟进行浇注，获得全氧含量为22ppm，硫含量为30ppm，稀土含量在100ppm的稀土微合金化的高纯净低合金贝氏体钢铸件。
实施例的结果表明，采用本发明工艺能将钢中氧和硫含量保持在较低的水平，此时钢中的夹杂物含量和尺寸较现有工艺无明显差异，未出现添加稀土引起局部区域出现大尺寸夹杂物的现象，进而使大型铸件中赋存的100ppm稀土主要以固溶形式存在而发挥强烈的微合金化功能。热膨胀实验模拟大型铸件厚壁处淬火，发现新发明工艺冶炼的钢贝氏体相变点降低达25℃左右，贝氏体组织得到明显细化。对铸件实验块取样模拟复杂厚壁的核电缸体铸件心部的热处理工艺，冲击测试结果表明，新发明工艺制备的G18CrMo2‐6钢铸件的韧脆转变温度较现有工艺下降达28℃，并使韧脆转变温度区间的冲击韧性稳定性得到大幅度提高。由此可见，通过新发明工艺合理控制钢中氧和硫含量，在不增加钢中大尺寸夹杂物的条件下，可以使添加稀土主要以固溶形式存在而发挥强烈的微合金化效益，能显著改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性。
最后声明：本发明保护范围并不局限于此，根据本发明的相关技术方案及其发明构思加以等同替换或稍加改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在钢水经过VD/VOD/AOD/RH处理后期，钢水中氧含量低于30ppm，硫含量低于30ppm时，添加符合要求的纯稀土或稀土合金，添加稀土后进行软吹处理，促进稀土反应产物的上浮去除；
(2)按照吨钢添加0.1～0.5kg氧含量不超过150ppm的纯La、Ce或La+Ce稀土合金，纯稀土使用铁箔包裹或者其他钢制容器盛装；
(3)冶炼完成后，后续铸造、锻造和热处理工艺按照常规工艺进行。
2.按照权利要求1所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，其特征在于，步骤(1)中，采用脱氧脱硫方式，使钢液中氧含量和硫含量均低于30ppm。
3.按照权利要求1所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，其特征在于，步骤(1)中，添加稀土后，对钢液进行软吹20～30分钟，促使大尺寸夹杂物上浮，避免稀土与钢中氧、硫反应产物残留在钢液中，而后进行浇注。
4.按照权利要求1所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，其特征在于，步骤(2)中，稀土金属使用铁箔包裹或者钢制容器盛装，直接添加到钢液中，不需要制备成丝或线。
5.按照权利要求1所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，其特征在于，步骤(2)中，稀土合金添加方式，一次性将稀土合金全部加入，或者分批次加入。
6.按照权利要求1所述的采用稀土微合金化改善低合金贝氏体钢低温冲击韧性方法，其特征在于，步骤(3)中，添加稀土后的钢液后续按照正常工艺完成浇注、锻造和热处理流程，不需要特殊改变工艺流程和参数，后续热加工流程不需要因为添加稀土而进行特别的处理。
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