CN111926258A

CN111926258A - 一种高强、高韧性钇铝增强锰钢及其冶炼工艺

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Publication number: CN111926258A
Application number: CN202010834053.9A
Authority: CN
Inventors: 朱福生; 杨清; 刘燕平; 张财淦; 汪志刚
Original assignee: Longyi Rare Earth Material Co ltd
Current assignee: Longyi Rare Earth Material Co ltd
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2020-11-13

Abstract

本发明提供了一种高强、高韧性钇铝增强锰钢及其制备工艺，该高锰钢包括以下质量百分比的组份，C:0.40‑0.70％，Si:0.1‑0.3％,Mn:7.0‑10.5％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25‑0.5％，Al：0.4‑2.0％。本发明通过控制S、O等杂质元素在一定的范围内，优化钢的成份，通过添加稀土Y，并优化制备工艺，使得锰钢综合性能大幅提升。本发明所提供稀土增强锰钢，具有性价比高，生产工艺简单可控，节能降耗等优异特性，可应用于高性能锚杆、耐磨件、冲击件上。

Description

一种高强、高韧性钇铝增强锰钢及其冶炼工艺

技术领域

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种高强、高韧性钇铝增强锰钢及其冶炼工艺。

背景技术

锰钢以其优越的性价比被广泛应用于矿山设备材料，如锚杆、锤头、衬板、履带板等。锰钢在水韧处理后能获得单一奥氏体组织，在受到冲击后能在受力表面迅速形成加工硬化层，保持外层高强度而心部具有高韧性。锚杆是锰钢应用的一个重要方向。锚杆是当代煤矿当中巷道支护的最基本的组成部分，他将巷道的围岩加固在一起，使围岩自身支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体进行主体加固。锚杆作为地下工程和岩石边坡的主要支护形式之一，对土木工程稳定性的维护起着重要作用，尤其是在节理裂隙岩体中，锚杆对岩体的加固作用十分明显。统锚杆材料可分为三类：两点锚固锚杆(如膨胀壳锚杆)、全长锚固锚杆(如螺纹钢，螺纹钢，具有较高的支护阻力，但变形量小，不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效)、摩擦型锚杆(通过杆体与孔壁之间的摩擦作用适应围岩弹塑性变形，但承载力较小，无法提供足够的支护阻力)。因此，理想的巷道支护体系不但应当具有足够的强度，还应具有较大的变形量以适应深部巷道围岩非线性大变形破坏特征。

专利CN104946983公开了一种耐腐蚀的高强度锚杆钢及其生产方法，虽然在其公开的技术方案中，通过添加V、Nb等合金元素提高了其强度，但该发明的抗拉强度小于900MPa，延伸率小于22％，难以满足当代工程对强度的需要。

而专利CN108754305公开了一种无磁性锚杆钢材料，其通过添加大量的Mn和Cr元素以提高锚杆的强度和延伸率，但是该材料力学性能指标范围跨度宽，不利于生产工艺的控制。

因此，针对现有技术的不足，还需要研发出一种全新的钢材。

发明内容

在现有技术中锰钢原有生产工艺对钢水纯净度要求较低，且需要通过穿水工艺，发生相变进而提高锰钢的性能，掩盖了钢水纯净度对锰钢性能的不良影响。由于新国标严格禁止圆棒型锰钢穿水工艺，通过相变强化机制来提高强度变得不可能。因此，在不改变生产装备的情况下，通过加大合金元素添加量，达到合金强化，成为诸多厂家的选择，但由此也大幅度提高了生产成本，同时也会造成资源的消耗。

本发明将通过提高钢水纯净度，减少锰钢中夹杂物的含量，并改变残留夹杂物的形貌，减轻夹杂物对锰钢性能的不良影响，通过原理和技术创新，降低生产成本。因此，本发明的目的在于提供一种生产工艺简单，且具有更高强度和拉伸性能的高强、高韧性钇铝增强锰钢及其冶炼工艺。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高强、高韧性钇铝增强锰钢，包括以下质量百分比的组份，C:0.40-0.70％，Si:0.1-0.3％，Mn:7.0-20％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25-0.5％，Al0.4-2.0％。

作为本发明的进一步改进：Al含量为1.5-1.8％

作为本发明的进一步改进，还包括以下质量百分比的Mo：0.01-0.1％。

作为本发明的进一步改进，还包括以下质量百分比的Cu：0.005-0.01％。

作为本发明的进一步改进，还包括以下质量百分比的Ti：0.035-0.1％。

作为本发明的进一步改进，还包括以下质量百分比的V：0-0.015％，所述高强、高韧性钇铝增强锰钢中其余组份为铁和不可避免的杂质。

作为本发明的进一步改进，所述Y的含量为0.3％-0.45％。

本发明还提供了一种高强、高韧性钇铝增强锰钢的冶炼工艺，包括以下步骤，

步骤1：冶炼与精炼

将铁水和/或废钢料，熔炼，得到钢水；当满足条件：温度为1620～1680℃、碳的质量分数为0.1～0.2％，氧的质量分数为0.02～0.05％，磷的质量分数为0.01～0.04％、硫的质量分数为0.01～0.03％，出钢；

当出钢量为1/2～3/4时，加入硅和锰，出钢后，根据热轧锰钢的化学成分，调整钢水中C、Si、Mn元素含量；

钢包进入LF精炼炉精炼，进行脱氧、硫处理，脱氧脱硫完毕后加入稀土Y，检测成份符合C:0.40-0.70％，Si:0.1-0.3％,Mn:7.0-10.5％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25-0.5％，Al0.4-2.0％后进入模铸环节；

步骤2：模铸

模铸为常规工艺，将钢水运送到弧形连铸车间，进行连续浇铸，铸锭规格为圆坯；

步骤3：铸坯加热

利用步进梁加热炉进行加热，加热温度为1150～1260℃，加热时间为30-120min；

步骤4：轧制锰钢

开轧温度为1000～1040℃，终轧温度为900～980℃，有利于稀土复合夹杂物细化晶粒；

步骤5：冷却

热轧锰钢在空气中自然冷却，即可获得所述高强、高韧性钇铝增强锰钢成品。

作为本发明的进一步改进，步骤1中所述脱氧、硫处理为先在精炼炉内喂入钙线，使钢水中氧含量小于50ppm，硫含量小于30ppm。

作为本发明的进一步改进，喂入钙线之后，使钢水中氧+硫的总含量小于60ppm。

作为本发明的进一步改进，所述脱氧、硫处理过程中，同时软吹氩气时间5-10min，脱气时间小于15min。

本发明方案中，对于元素组成及其含量具有特定的要求：

C：C是保证钢强度所必需成分，如果C含量过高，会使得沿晶界析出的碳化物含量增多而恶化韧性，在Y的作用下能抑制碳化物的析出，从而提高钢的强度，本发明通过提高C含量从而达到提高强度的作用，是最廉价的增强元素，经过反复试验论证，最终本发明中C含量控制在0.4-0.7％。

Si：Si主要作用固溶强化作用，含量过低，对基体强化不明显，如果含量过高，使得强度下降，韧性降低，本发明中通过反复试验论证，最终将Si含量控制在0.1-0.3％。

Mn：Mn是提高钢强度的元素，Mn做为比较廉价的提高钢强度的元素，Mn能促进奥氏体的形成，具有高韧性，本发明中将Mn含量设计为7-10.5％。

Al:Al是钢中缩小奥氏体区元素，在锰钢中可以通过形成Al₂O₃来细化奥氏体晶粒，净化基体。同时Al的增加，还可以与Y同时发挥作用，形成Al₂O₃-YSO，复合夹杂物，该类夹杂物有助于冲击韧性的改善。然而，过多的Al，易导致钢液流动性变差，过多大颗粒夹杂物形成，因此，控制Al在0.4-2.0％。

从添加成分的角度出发，本发明中Y的添加，主要是起合金化作用，区别于净化和变质作用。Y的原子半径为

重稀土元素Y添加到钢中，可以更容易的固溶到基体中，占据晶界位置，起到合金化的作用。在Mn含量较高时，Y能与Mn元素充分固溶，从而共同促进钢的强度和韧性的提高；其次Y的晶界偏聚会抑制主要强化元素Mn在晶界的偏聚，从而有利于形成细小和弥散分布的碳化物析出，改善强度和韧性。

从工艺的角度出发，本发明在整体成份和生产工艺上都进行了优化：

1、通过LF精炼钢水，并加入钙线控制O、S含量，从而控制氧硫夹杂物的数量，为后期加入稀土Y避免形成稀土硫氧化物做好钢水预处理准备；

2、稀土Y在钢铁中溶解度高，发挥其合金强化作用，Y能与Mn充分固溶，Y还能抑制Mn元素的晶界偏聚作用，从而有利于形成细小和弥散分布的碳化物析出，改善延伸率和韧性；

3、Y还能提高钢的高温塑性和高温抗氧化性能，在锰钢轧制过程中可以降低轧制温度，从而降低生产成本，减少模具的损耗量；

4、本发明加入稀土Y后，稀土能固定碳，抑制碳的偏析，从而提高了锰钢的韧性和延伸率，因此，我们可以通过提高更廉价的碳元素的含量来达到提高锰钢强度的目的，而不会降低锰钢的延伸率和韧性。

综上而言，本发明相较于现有技术具有如下有益效果：

1、本发明通过控制S、O等杂质元素在一定的范围内的前提下，优化钢的成份，通过添加稀土Y，锰钢综合性能大幅提升，性价比高；

2、本发明生产工艺简单，易于控制，不需要对工艺进行大的调整；

3、本发明有利于节能降耗，有利于合金资源节约和高丰度稀土资源有效利用，实现可持续发展。

附图说明

图1为本发明实施例中锰钢的稀土氧硫化物夹杂物电子图；

图2为本发明实施例中锰钢的第一能谱图；

图3为本发明实施例中锰钢的第二能谱图；

图4为本发明实施例中锰钢的氧化铝-稀土氧硫化物复合夹杂物电子图；

图5为本发明实施例中锰钢的第三能谱图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本实施方式提供了一种高强、高韧性钇铝增强锰钢，包括以下质量百分比的组份，C:0.40-0.70％，Si:0.1-0.3％，Mn:7.0-10.5％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25-0.5％，Al0.4-2.0％。

所述高强、高韧性钇铝增强锰钢还包括以下质量百分比的组份，Mo：0.01-0.1％，Cu：0.005-0.01％，Ti：0.035-0.1％，V：0-0.015％，其余组份为铁和不可避免的杂质。

在另一实施方式中，所述Y的含量优选为0.3％-0.45％，Al的含量为1.5-1.8％。

本实施方式还提供了一种高强、高韧性钇铝增强锰钢的冶炼工艺，包括以下步骤，

步骤1：冶炼与精炼

钢包进入LF精炼炉精炼，进行脱氧、硫处理，脱氧脱硫完毕后加入稀土Y，检测成份符合C:0.40-0.70％，Si:0.1-0.3％，Mn:7.0-10.5％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25-0.5％，Al：0.4-2.0％后进入模铸环节；

步骤2：模铸

步骤3：铸坯加热

步骤4：轧制锰钢圆棒

步骤5：冷却

钢包进入LF精炼炉精炼，为保证最终稀土含量的稳定性，步骤1中所述脱氧、硫处理具体为先在精炼炉内喂入钙线，使钢水中氧含量小于50ppm，硫含量小于30ppm，最优情况下钢水中氧+硫的总含量小于60ppm。同时软吹氩气时间5-10min，脱气时间小于15min。

本实施方式中喂入钙线的目的是降低氧、硫含量，对后续稀土合金线的加入起到保护作用，稳定稀土的吸收率；同时，选用更便宜的的钙进行预脱氧、硫，也有利于降低生产成本。

为了更好的体现本发明的有益效果，下面结合具体的实施例以及实验数据做进一步的阐述。

先按照本实施方式中提供的高强、高韧性钇铝增强锰钢的冶炼工艺提供十组实施例作为实验待测样品，冶炼得到的十组实施例的组份含量如表1所示，表1中省去了Fe以及各个杂质的质量百分比。

表1

首先对十组实施例中的锰钢进行夹杂物的观察，如图1-5所示，图1给出了实施例1的夹杂物观察结果，图2-3是对应的能谱图，从图中可以看出稀土Y的添加，形成了典型亚微米级稀土氧硫复合夹杂物，该类夹杂物不仅可以降低基体中的O、S含量，同时，可以还可以抑制裂纹扩展，改善冲击韧性。图4为氧化铝和稀土氧硫化物的复合夹杂物观察结果，图5是对应的能谱图，从图中可以看出，随着Y元素的加入，夹杂物同样尺寸很小，在锰钢中发挥着积极作用。通过对剩余九组实施例中的锰钢进行夹杂物的观察，得到了类似图1-5所示的结果。

然后再针对十组样品钢材进行V型缺口冲击韧性的测试，所得的测试结果如表2所示。接着再对十组样品钢材进行抗拉强度和延伸率的测试，所得的测试结果如表2所示。

表2

从表2的数据可以看出，本发明中提供的高强、高韧性钇铝增强锰钢在强度上得到了更好的增强，同时延伸率和韧性方面也性能突出，拉伸强度可以达到1200-1500Mpa的范围，延伸率可以超过35％。由此充分验证了本发明的设计原理，通过合理的调整C、Si、Mn、Al等常规元素的配比，再额外加入稀土元素Y之后，有效的进一步的改善了锰钢的整体性能，并且本发明中的冶炼工艺简单，易于控制，相较于专利CN108754305中钢材的生产工艺，本发明的冶炼工艺更加具有推广使用的前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种高强、高韧性钇铝增强锰钢，其特征在于：包括以下质量百分比的组份，C:0.40-0.70％，Si:0.1-0.3％，Mn:7.0-20％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25-0.5％，Al0.4-2.0％。

2.根据权利要求1所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢，其特征在于：还包括以下质量百分比的Mo：0.01-0.1％。

3.根据权利要求2所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢，其特征在于：还包括以下质量百分比的Cu：0.005-0.01％。

4.根据权利要求3所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢，其特征在于：还包括以下质量百分比的Ti：0.035-0.1％。

5.根据权利要求4所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢，其特征在于：还包括以下质量百分比的V：0-0.015％，所述高强、高韧性钇铝增强锰钢中其余组份为铁和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢，其特征在于：所述Y的含量为0.3％-0.45％，Al的含量为1.5-1.8％。

7.一种高强、高韧性钇铝增强锰钢的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：冶炼与精炼

当出钢量为1/2～3/4时，加入硅和锰，出钢后，根据锰钢的化学成分，调整钢水中C、Si、Mn元素含量；

钢包进入LF精炼炉精炼，进行脱氧、硫处理，脱氧脱硫完毕后加入稀土Y，检测成份符合C:0.40-0.70％，Si:0.1-0.3％，Mn:7.0-10.5％，S≤0.02％，P≤0.03％，Y：0.25-0.5％，Al0.4-2.0％后进入模铸环节；

步骤2：模铸

步骤3：铸坯加热

步骤4：轧制成形圆棒

步骤5：冷却

热轧锰钢圆棒在空气中自然冷却，即可获得所述高强、高韧性钇铝增强锰钢成品。

8.根据权利要求7所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤1中所述脱氧、硫处理为先在精炼炉内喂入钙线，使钢水中氧含量小于50ppm，硫含量小于30ppm。

9.根据权利要求8所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢的冶炼工艺，其特征在于：喂入钙线之后，使钢水中氧+硫的总含量小于60ppm。

10.根据权利要求8所述的高强、高韧性钇铝增强锰钢的冶炼工艺，其特征在于：所述脱氧、硫处理过程中，同时软吹氩气时间5-10min，总脱气时间小于15min。