CN110669987A - 一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法 - Google Patents

一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法，所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢包括以下重量百分比的原料：废钢65‑75％、65％锰铁1‑2％、高岭土3‑8％、铝矾土3‑5％、石英砂2‑4％、云母1‑3％、膨润土1‑2％、蓝晶石1‑2％、重晶石1‑2％、方解石1‑2％、石墨1‑2％、莹石1‑2％、长石1‑2％、莫来石1‑2％、SiC0.5‑1.5％、沸石1‑2％、硅灰石1‑3％、尖晶石1‑2％、水晶石1‑2％、铝镁矿1‑2％；经熔炼、浇铸成型、热处理、精加工制备得到陶瓷高强度结构钢，其具有良好的韧性及优良的焊接性能和冷成型性能，低的冷脆转变温度，良好的耐蚀性，且生产成本较低。

Description

一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷复合材料领域，具体涉及一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法。
背景技术
低合金高强度结构钢，是在碳素结构钢(Wc＝0.16％～0.2％)的基础上加入少量合金元素而制成的，具有良好的焊接性能、塑性，韧性和加工工艺性，较好的耐蚀性，较高的强度和较低的冷脆临界转换温度。适用于制造建筑、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器、锅炉、汽车、拖拉机等大型钢结构及大型军事工程等方面的结件。但随着工业的发展，一般屈服强度在300MPa以上，高韧性，要求延伸率为20％以上。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。良好的接性能和冷成型性能，低的冷脆转变温度，良好的耐蚀性。而这些钢种需要很多微量元素，成本比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法，以Fe、Si为主系的非金属陶瓷材料替代现有钢中的Fe、C主系材料制备得到陶瓷高强度结构钢，其具有良好的韧性及优良的焊接性能和冷成型性能，低的冷脆转变温度，良好的耐蚀性。
本发明采取的技术方案为：
一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，包括以下重量百分比的原料：废钢65-75％、65％锰铁1-2％、高岭土3-8％、铝矾土3-5％、石英砂2-4％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％、铝镁矿1-2％。
进一步地，所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢包括以下化学成分及重量百分比：C0.12～0.17％，Si0.53～0.61％，Mn1.08～1.26％，P≤0.04％，S≤0.026％，Al0.17～0.32％，Ni 0.47～0.57％，余量为铁及不可避免的杂质。
所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢金相组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其晶粒度等级为7-8级。
本发明还提供了所述的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢的制备方法，所述制备方法包括以下工艺步骤：熔炼、浇铸成型、热处理、精加工。
进一步地，所述熔炼工艺具体包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680～1710℃下出炉。
所述浇铸成型工艺中，所述浇铸温度为1580～1640℃。
所述热处理工艺中，采用正火+回火的热处理方式。
所述正火的条件为：900～920℃保温30分钟；所述回火的条件为620～680℃保温3小时。
熔炼工艺的步骤(1)中，难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼。
步骤(6)中，所述预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.03～0.08％。
步骤(6)中，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.02～0.04％的纯铝进行终脱氧。
本发明提供的技术方案中，陶瓷高强度结构合金是采用中频电炉或电弧炉熔炼方式，多种组分的陶瓷材料与废旧金属材料进行熔炼，采用加热载体产生的热能，利用热交换、热反应、热延伸的三个必备要件，以高温化合物三个反应过程使原子结构得到有利改变相，产生新的键能使其晶体结构达到重新组合。熔炼出炉前调整化学成分，在熔炼钢时陶瓷材料在低温下先开始溢出液态，该液态体具有热催化金属材料特性，使废旧金属材料与陶瓷材料达到同步熔化分解结晶，得到第一次初放结晶。初放结晶能有效的控制陶瓷材料与金属材料比重不同而产生悬浮。随着温度的升高，初放结晶再次分解，但仍不具有完整结晶，液态相非常稀薄，定性为第二阶段部分杂质分离期。随温度不断升高，钢水的运动加速，钢水也慢慢出现微结晶状态，定性为第三次结晶。当达到额定温度时，再结晶在很短时间内快速裂变分解，分解出的少量杂质悬浮于钢水的表面，清理杂质后钢水非常纯净，形成均匀相液态体，称为相变分解结晶终结期。液态体冷却后形成完整结构稳定结晶体，该结晶体具有独特的性能，把金属材料高刚度、高强度等优点和陶瓷材料的耐磨、耐蚀、耐温等优异性能有机的结合。产品在高温区保持较高的强度和硬度，不易产生疲劳裂纹，同时对常见的酸、碱、盐等化学物质具有抗腐蚀能力，同时还有较低的摩擦系数。较高的热传导系数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)硬度、屈服强度和抗拉强度高的同时具有较好韧性，具有较低的脆性转变温度；
2)陶瓷高强度结构钢具有良好的焊接性能、冷热压力加工性能；
3)高温蠕变性能好，急冷急热温度不均状态下不会产生疲劳裂纹，有较好抗热疲劳强度；
4)陶瓷高强度结构合金具有较高抗腐蚀能力。
5)陶瓷高强度结构钢较低的热膨胀系数，同时具有较低的比重；
6)冶炼过程需要的热量低，热损少，比传统的合金钢冶炼节约能耗30％～40％，能耗低；
7)与传统的弥散强化合金不同，钢的陶瓷相溶解于钢基体中，强化相与钢基体达到原子级均匀结合；
8)陶瓷高强度结构钢具备弥散强化合金钢的所有优点，同时也具有陶瓷材料的特点，具有一定范畴相互互补关联性；
9)本发明的技术方案可有效提高零件的强度、韧性等性能；使其使用寿命为其他的2-3倍；可取代Mo、Ni、Ti、Cu、V、W、Re等贵金属；价格低廉，节约成本。
附图说明
图1为实施例1中的陶瓷高强度结构钢的400×金相组织图；
图2为实施例2中的陶瓷高强度结构钢的600×金相组织图；
图3为各实施例中的陶瓷高强度结构钢及普通结构钢在不同温度下的热膨胀系数曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，包括以下重量百分比的原料：废钢(不受材料限制)73.5％、65％锰铁1.5％、高岭土5％、铝矾土5％、石英砂3％、云母(系列)1％、膨润土1％、蓝晶石1％、重晶石1％、方解石1％、石墨1％、莹石1％、长石1％、莫来石1％、SiC1％、沸石1％、铝镁矿1％。
所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.05％；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680-1710℃下出炉进行浇铸，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.03％的纯铝进行终脱氧；
(7)温度在1580-1640℃的范围内进行浇铸成型；
(8)并对浇铸成型后的陶瓷结构钢进行正火+回火的热处理，所述正火的条件为：900℃保温30分钟；所述回火的条件为620℃保温3小时；
(9)最后将热处理后的陶瓷结构钢精加工成目标产品，其金相组织图如图1所示。
本实施例制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.17％，Si0.53％，Mn1.12％，P0.034％，S0.023％，Al0.17％，Ni 0.47％，余量为铁及不可避免的杂质。
实施例2
一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，包括以下重量百分比的原料：废钢(不受材料限制)68％、65％锰铁2％、高岭土6％、铝矾土3％、石英砂2％、云母(系列)2％、膨润土2％、蓝晶石1％、重晶石1％、方解石1％、莹石2％、长石1％、莫来石2％、SiC1％、沸石1％、硅灰石1％、尖晶石1％、水晶石1％、铝镁矿2％。
所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.03％；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680-1710℃下出炉进行浇铸，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.04％的纯铝进行终脱氧；
(7)温度在1580-1640℃的范围内进行浇铸成型；
(8)并对浇铸成型后的陶瓷结构钢进行正火+回火的热处理，所述正火的条件为：910℃保温30分钟；所述回火的条件为645℃保温3小时；
(9)最后将热处理后的陶瓷结构钢精加工成目标产品，其金相组织图如图2所示。
本实施例制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.12％，Si0.56％，Mn1.08％，P0.039％，S0.026％，Al0.24％，Ni 0.52％，余量为铁及不可避免的杂质。
实施例3
一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，包括以下重量百分比的原料：废钢(不受材料限制)73.5％、65％锰铁1.5％、高岭土5％、铝矾土3％、石英砂2％、云母(系列)1％、蓝晶石1％、重晶石1％、方解石1％、莹石1％、长石1％、莫来石1％、SiC1％、沸石1％、硅灰石3％、尖晶石1％，铝镁矿2％。
所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.08％；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680-1710℃下出炉进行浇铸，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.02％的纯铝进行终脱氧；
(7)温度在1580-1640℃的范围内进行浇铸成型；
(8)并对浇铸成型后的陶瓷结构钢进行正火+回火的热处理，所述正火的条件为：920℃保温30分钟；所述回火的条件为680℃保温3小时；
(9)最后将热处理后的陶瓷结构钢精加工成目标产品。
本实施例制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.15％，Si0.61％，Mn1.26％，P0.029％，S0.018％，Al0.32％，Ni0.57％，余量为铁及不可避免的杂质。
上述各实施例制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢的性能如表1所示：
表1
Figure BDA0002248265270000091
实施例1制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢经1000℃反复加热后的性能如表2所示，从表中可以看出本发明提供的陶瓷高强度结构钢具有良好的抗热疲劳性能。
表2
Figure BDA0002248265270000101
上述各实施例制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及牌号为Q235的普通的结构钢在3.5％NaCl水溶液中35℃加热不同时间的腐蚀情况如表3所示，从表中可以看出本发明中的陶瓷高强度结构钢相对于普通结构钢具有良好的耐腐蚀性。
表3
Figure BDA0002248265270000102
上述各实施例制备得到的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及牌号为Q235的普通的结构钢在不同温度下的热膨胀系数曲线如图3所示，从图中可以看出本发明中的陶瓷高强度结构钢相对于普通结构钢热膨胀系数较小。
上述参照实施例对种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：废钢65-75％、65％锰铁1-2％、高岭土3-8％、铝矾土3-5％、石英砂2-4％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％、铝镁矿1-2％。
2.根据权利要求1所述的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，其特征在于，所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢包括以下化学成分及重量百分比：C0.12～0.17％，Si0.53～0.61％，Mn1.08～1.26％，P≤0.04％，S≤0.026％，Al0.17～0.32％，Ni 0.47～0.57％，余量为铁及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢，其特征在于，所述屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢金相组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其晶粒度等级为7-8级。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的屈服强度520MPa级陶瓷高强度结构钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下工艺步骤：熔炼、浇铸成型、热处理、精加工。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺具体包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680～1710℃下出炉。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸成型工艺中，所述浇铸温度为1580-1640℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理工艺中，采用正火+回火的热处理方式。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述正火的条件为：900～920℃保温30分钟；所述回火的条件为620～680℃保温3小时。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.03～0.08％。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.02～0.04％的纯铝进行终脱氧。
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