CN111979487A - 一种高塑韧性低合金超高强度钢及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高塑韧性低合金超高强度钢及制备方法，涉及工程材料技术领域，化学成分的质量百分比为：C：0.30～0.43％，Mn：0.50～1.60％，Si：0.80～2.00％，Cr：0.80～1.50％，Ni：2.50～3.50％，W：0.50～1.50％，Mo：0.20～0.80％，V：0.05～0.20％，Nb：0.01～0.20％，S≤0.005％，P≤0.010％，Al≤0.050％，余量：Fe，本发明的钢材料力学性能达到设计指标，能在一定领域中能替代G50、DT300的钢材料，且本发明的钢材料淬透性较高，能满足对于钢材料大规格的要求。

Description

一种高塑韧性低合金超高强度钢及制备方法
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及到一种高塑韧性低合金超高强度钢及制备方法。
背景技术
某特殊用途用中合金超高强度钢G50(25Si2CrNi5MoNb)Rm≥1660Mpa、Rp0.2≥1380MPa、A≥10％、Z≥45％、Ak≥47J，KIC≥105MPam0.5,另一个材料是DT300(30Si2CrNi6MoV)Rm≥1730Mpa、Rp0.2≥1350MPa、A≥8％、Z≥40％、Ak≥60J，两个材料强度有差距，但特性相近，具有高塑韧性和抗冲击特性，但是两种材料软化难度大，退火(高温回火)硬度高，机械加工(车削)难度大，同时成本高价格高。
该用途材料尺寸规格为Φ90～Φ520mm时，必须有高的淬透性，具备超高强度的同时具有高塑韧性，具备瞬间高的抗冲击性能和抗瞬间高温变形能力，为此，研制一个容易加工、成本低、可以制造大截面零部件用钢，同时还能和G50和DT300的性能参数不相上下的材料是非常必要的，(技术要求如下：Rm≥1800Mpa、Rp0.2≥1480MPa、A≥9％、Z≥45％、Ak≥50J)。
检索发现，目前国内低合金超高强度钢代表钢种有：
(1)一种高淬透性低屈强比超高强度钢及制备方法(申请号：CN201610065359.6)，该发明具有与G50、DT300相似，属于同类型产品，但合金元素含量高，成本高；
(2)一种低合金超高强度结构钢及制备方法(申请号：CN201911074448.7)，该材料的抗拉强度Rm≥2135MPa，屈服强度Rp0.2≥1430MPa，伸长率(A)≥9％，断面收缩率(Z)≥30％，冲击韧性Ak≥15J，其屈服强度、断面收缩率Z、冲击韧性A ku2的参数值相对较低，冲击性能可能不如G50和DT300，也不能满足上述的技术要求；
(3)一种超高强度高韧性合金钢(申请号：CN201910625665.4)，该发明中的钢材料抗拉强度Rm和伸长率(A)数值较大，即钢具有高强度和高韧性，但成分铬镍钼总含量较低，导致钢材料淬透性低，不能满足大规格材的要求；
(4)一种高韧性易旋压易焊接超高强度(申请号：CN201410613963.9)，该发明具有合适的强韧性，但合金元素含量高，成本高。
对上述4件专利进行分析、研究后，我们发现：这些专利产品不能代替G50和DT300制造低成本、超高强度、高韧性和大截面的零部件。
本发明的目的是：设计一种中低碳超高强度高韧钢及其制备方法，达到与G50、DT300的性能参数不相上下，可以代替高成本G50和DT300钢，制造瞬时抗冲击大截面的零部件，解决低成本并具有超高强度、高塑韧性和抗冲击，产品性能要求：Rm≥1800Mpa、Rp0.2≥1480MPa、A≥9％、Z≥45％、Ak≥50J，从而满足该类工程需要。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明目的之一在于提出一种高塑韧性低合金超高强度钢，具体方案如下：
一种高塑韧性低合金超高强度钢，化学成分的质量百分比为：C：0.30～0.43％，Mn：0.50～1.60％，Si：0.80～2.00％，Cr：0.80～1.50％，Ni：2.50～3.50％，W：0.50～1.50％，Mo：0.20～0.80％，V：0.05～0.20％，Nb：0.01～0.20％，S≤0.005％，P≤0.010％，Al≤0.050％，余量：Fe。
本发明另一目的在于提出一种高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，具体方案如下：
一种高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，包括如下步骤：
冶炼浇注：在真空感应炉中或电弧炉+钢包精炼炉+真空脱气炉中冶炼浇注∮290mm电极；
重熔：电极在电渣炉重熔∮400mm钢锭；
锻造：钢锭退火后在快锻机锻造
Figure BDA0002632991840000031
热处理：锻造后空冷后退火。
进一步的，在所述真空感应炉中进行冶炼浇注时，对真空感应炉抽真空，当真空度小于2.7Pa后，装料，给电，当真空度达到2.7pa后，分批加入铁和合金原料，熔化，全熔后升温至1580～1600℃，保持30min以上的精炼时间，微量调整成分，精炼后充氩气至气压大于或等于3000pa后加锰调碳，全溶后取样出钢，带电浇注。
进一步的，在在所述电弧炉+钢包精炼炉+真空脱气炉中进行冶炼浇注时，装料，钢包在电弧炉中烘烤好，之后，给电吹氧助熔，控制元素含量，电弧炉中终点控制在化学成分P小于或者等于0.005％，温度大于或者等于1640℃，出钢挡渣：100％；之后钢包进入钢包精炼炉中加热，分批补加石灰、si-c粉脱氧还原，造白渣，白渣时间≥40min，如果成分s含量高，扒渣后造新渣，终脱氧插Al 1Kg/t，取样分析，根据分析结果调整成分，给电升温至1590～1620℃；之后钢包进入真空脱气炉中，打开真空泵抽真空使真空度达到67Pa后，保持20min以上出钢浇注。
进一步的，在所述冶炼浇注步骤中，电极冷却1.5～2h后热送退火，退火工艺为在670～700℃保温6h以上，炉冷至500℃，之后空冷。
进一步的，在所述重熔步骤中，钢锭冷却45min后脱模，进入保温罩缓冷≥48h后冷送退火，退火工艺为以大于50℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温15h，再以小于50℃/h的降温速率降温至300℃出炉。
进一步的，在所述锻造步骤中，钢锭经1180～1200℃保持2h后，进行一次镦粗拔长锻造，开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃。
进一步的，在所述热处理步骤中，锻后空冷至200～300℃后热送退火，退火工艺为以大于40℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温20h以上，再以小于40℃/h的降温速率降温至500℃出炉。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过冶炼浇注工艺以及电渣重熔工艺，以及通过化学成分点控制，保证化学成分，电渣重溶降低夹杂物、快速凝固得到高纯净度、高均质的∮400mm钢锭，之后钢锭经快锻机锻造生产∮200mm钢棒，经检验，低倍组织检验中：白斑、暗斑、经向偏析、年轮状偏析均分别达到A、A、B、B级别，力学性能也能达到设计指标，从而使得本发明的钢材料能在一定领域中能替代G50、DT300；
(2)本发明中的合金元素含量相对现有技术中钢材料较低，使得制备成本降低，另外，本发明中的铬镍钼的总含量较高，使得最终的钢材料淬透性能较好，能满足大规格材料的要求。
附图说明
图1为本发明的实施例3的淬透性示意图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
一种高塑韧性低合金超高强度钢，化学成分的质量百分比为：C：0.30～0.43％，Mn：0.50～1.60％，Si：0.80～2.00％，Cr：0.80～1.50％，Ni：2.50～3.50％，W：0.50～1.50％，Mo：0.20～0.80％，V：0.05～0.20％，Nb：0.01～0.20％，S≤0.005％，P≤0.010％，Al≤0.050％，余量：Fe。
为制得上述高塑韧性低合金超高强度钢，本发明对应设置有制备方法，通过变动成分的含量，形成三个不同的实施例，从而制得不同的钢材料，三个具体的实施例如下：
实施例1
冶炼浇注：在真空感应炉中冶炼浇注∮290mm电极。在真空感应炉冶炼浇注时，对真空感应炉抽真空，当真空度小于2.7Pa后，装料，给电，当真空度达到2.7pa后，分批加入铁和合金原料，熔化，全熔后升温至1580～1600℃，保持30min以上的精炼时间，微量调整成分，精炼后充氩气至气压大于或等于3000pa后加锰调碳，全溶后取样出钢，带电浇注形成∮290mm电极。电极冷却1.5h后热送退火，退火工艺为在670～700℃保温6h以上，炉冷至500℃，之后在空冷器中空冷。
重熔：电极在电渣炉重熔∮400mm钢锭，钢锭冷却45min后脱模，进入保温罩缓冷≥48h后冷送退火，退火工艺为以大于50℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温15h，再以小于50℃/h的降温速率降温至300℃出炉；
锻造：钢锭退火后在快锻机锻造，钢锭经1180～1200℃保持2h后，进行一次镦粗拔长锻造
Figure BDA0002632991840000051
开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃。
热处理：锻后在空冷器中空冷至200～300℃后热送退火，退火工艺为以大于40℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温20h以上，再以小于40℃/h的降温速率降温至500℃出炉。
实施例2
冶炼浇注：在真空感应炉中冶炼浇注∮290mm电极。在真空感应炉冶炼浇注时，对真空感应炉抽真空，当真空度小于2.7Pa后，装料，给电，当真空度达到2.7pa后，分批加入铁和合金原料，熔化，全熔后升温至1580～1600℃，保持30min以上的精炼时间，微量调整成分，精炼后充氩气至气压大于或等于3000pa后加锰调碳，全溶后取样出钢，带电浇注形成∮290mm电极。电极冷却1.5h后热送退火，退火工艺为在670～700℃保温6h以上，炉冷至500℃，之后在空冷器中空冷。
重熔：电极在电渣炉重熔∮400mm钢锭，钢锭冷却45min后脱模，进入保温罩缓冷≥48h后冷送退火，退火工艺为以大于50℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温15h，再以小于50℃/h的降温速率降温至300℃出炉；
锻造：钢锭退火后在快锻机锻造，钢锭经1180～1200℃保持2h后，进行一次镦粗拔长锻造
Figure BDA0002632991840000061
开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃。
热处理：锻后在空冷器中空冷至200～300℃后热送退火，退火工艺为以大于40℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温20h以上，再以小于40℃/h的降温速率降温至500℃出炉。
实施例3
冶炼浇注：在电弧炉+钢包精炼炉+真空脱气炉中进行冶炼浇注时，装料，钢包在电弧炉中烘烤好，钢包采用低硫磷原材料，控制残余元素。之后，给电吹氧助熔，控制元素含量，电弧炉中终点控制在化学成分P小于或者等于0.005％,温度大于或者等于1640℃，出钢挡渣：100％，钢包垫石灰适量；之后钢包进入钢包精炼炉中给电加热，分批补加石灰、si-c粉脱氧还原，造白渣，白渣时间≥40min，如果成分s含量高，扒渣后造新渣，终脱氧插Al1Kg/t，取样分析，根据分析结果调整成分，给电升温至1590～1620℃；之后钢包进入真空脱气炉中，打开真空泵抽真空使真空度达到67Pa后，保持20min以上出钢浇注，形成∮290mm电极(采用内置帽口)，加保护渣，另外，在浇注时，钢水的出钢温度控制在液相线+40～70℃。电极冷却2h后脱模热送退火，退火工艺为在670～700℃保温6h以上，炉冷至500℃，之后在空冷器中空冷。
重熔：电极在电渣炉重熔∮400mm钢锭，钢锭冷却45min后脱模，进入保温罩缓冷≥48h后冷送退火，退火工艺为以大于50℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温15h，再以小于50℃/h的降温速率降温至300℃出炉；
锻造：钢锭退火后在快锻机锻造，钢锭经1180～1200℃保持2h后，进行一次镦粗拔长锻造
Figure BDA0002632991840000071
开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃。
热处理：锻后在空冷器中空冷至200～300℃后热送退火，退火工艺为以大于40℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温20h以上，再以小于40℃/h的降温速率降温至500℃出炉。
实施例1和实施例2在冶炼浇注步骤中采用真空感应炉，实施例3冶炼浇注步骤中采用电弧炉+钢包精炼炉+真空脱气炉，后续重熔、锻造、热处理步骤一致。如表1所示，为实施例1、实施例2以及实施例3的成分含量。
表一：成分含量表
C Mn Si S P Cr Ni W Mo V Nb Al
1 0.30 0.51 0.82 0.002 0.006 0.82 2.48 0.52 0.20 0.05 0.015 0.02
2 0.43 1.60 1.79 0.0015 0.006 1.51 3.48 1.52 0.80 0.20 0.15 0.03
3 0.36 1.20 1.69 0.0015 0.006 1.08 2.80 1.04 0.50 0.11 0.06 0.025
性能测试
1、硬度测试：对实施例1、2、3均进行采样，采用布氏硬度测试方法测试三个试样的硬度，测试结果如下表二。
表二：硬度数值表
Figure BDA0002632991840000081
2、低倍组织检验
对实施例1、2、3均进行采样，进行低倍组织检验，其黑斑、白斑、径向偏析、年轮状分别达到A、A、B、B级，均为合格级别。
3、晶粒度检验：对实施例1、2、3均进行采样，采用氧化法，即利用氧原子向晶内扩散而晶界优化氧化的特点显示奥氏体晶粒大小的一种试验方法，试样在900℃保温2h后在空冷器中空冷，测试结果如下表三。
表三：晶粒度等级表
实施例1 实施例2 实施例3
晶粒度等级 7级 6级 7.5级
4、力学性能测试：对实施例1、2、3均在Φ200mm半径1/2处取样检验力学性能，在不同热处理下进行各种力学性能测试，并与现有的型号为DT300、G50的钢材料进行对比，测试结果如下表四。
表四：力学性能数据表
Figure BDA0002632991840000082
Figure BDA0002632991840000091
由表三的数据可知，实施例1、2、3的试样的屈服强度Rp0.2所处范围为1630-1730MPa，不仅高于技术要求中的Rp0.2≥1480MPa，同时还高于DT300、G50的数值；实施例1、2、3的试样的抗拉强度Rm所处范围为1820-2090MPa，不仅高于技术要求中的Rm≥1800Mpa，同时还与DT300、G50的数值不相上下；实施例1、2、3的试样的伸长率(A)所处范围为9.5-13.5％，不仅高于技术要求中的伸长率(A)≥9％，同时还与DT300、G50的数值不相上下；实施例1、2、3的试样的断面收缩率(Z)所处范围为45-57％，不仅高于技术要求中的断面收缩率(Z)≥30％，同时还与DT300、G50的数值不相上下；实施例1、2、3的试样的冲击韧性Ak所处范围为47-67J，基本上均高于技术要求中的冲击韧性Ak≥50J，同时还与DT300、G50的数值不相上下。
5、淬透性测试：采用末端淬透法对实施例3进行淬透性测试，表示方法为J.HRC/d，HRC表示该处硬度，J表示末端淬透性，d表示至末端距离。
如图1所示，J/d进行整合，为横坐标，HRC为纵坐标。本发明的钢材料淬透性所处范围为51-55，淬透性很高，且较为稳定，另外，随着至末端距离的增大，淬透性还有所提高。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高塑韧性低合金超高强度钢，其特征在于，化学成分的质量百分比为：C：0.30～0.43％，Mn：0.50～1.60％，Si：0.80～2.00％，Cr：0.80～1.50％，Ni：2.50～3.50％，W：0.50～1.50％，Mo：0.20～0.80％，V：0.05～0.20％，Nb：0.01～0.20％，S≤0.005％，P≤0.010％，Al≤0.050％，余量：Fe。
2.一种高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
冶炼浇注：在真空感应炉中或电弧炉+钢包精炼炉+真空脱气炉中冶炼浇注∮290mm电极；
重熔：电极在电渣炉重熔∮400mm钢锭；
锻造：钢锭退火后在快锻机锻造
Figure FDA0002632991830000011
热处理：锻造后空冷后退火。
3.根据权利要求2所述的高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，在所述真空感应炉中进行冶炼浇注时，对真空感应炉抽真空，当真空度小于2.7Pa后，装料，给电，当真空度达到2.7pa后，分批加入铁和合金原料，熔化，全熔后升温至1580～1600℃，保持30min以上的精炼时间，微量调整成分，精炼后充氩气至气压大于或等于3000pa后加锰调碳，全溶后取样出钢，带电浇注。
4.根据权利要求2所述的高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，在所述电弧炉+钢包精炼炉+真空脱气炉中进行冶炼浇注时，装料，钢包在电弧炉中烘烤好，之后，给电吹氧助熔，控制元素含量，电弧炉中终点控制在化学成分P小于或者等于0.005％，温度大于或者等于1640℃，出钢挡渣：100％；之后钢包进入钢包精炼炉中加热，分批补加石灰、si-c粉脱氧还原，造白渣，白渣时间≥40min，如果成分s含量高，扒渣后造新渣，终脱氧插Al1Kg/t，取样分析，根据分析结果调整成分，给电升温至1590～1620℃；之后钢包进入真空脱气炉中，打开真空泵抽真空使真空度达到67Pa后，保持20min以上出钢浇注。
5.根据权利要求3或4所述的高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，在所述冶炼浇注步骤中，电极冷却1.5～2h后热送退火，退火工艺为在670～700℃保温6h以上，炉冷至500℃，之后空冷。
6.根据权利要求2所述的高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，在所述重熔步骤中，钢锭冷却45min后脱模，进入保温罩缓冷≥48h后冷送退火，退火工艺为以大于50℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温15h，再以小于50℃/h的降温速率降温至300℃出炉。
7.根据权利要求2所述的高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，在所述锻造步骤中，钢锭经1180～1200℃保持2h后，进行一次镦粗拔长锻造，开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃。
8.根据权利要求2所述的高塑韧性低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，锻后空冷至200～300℃后热送退火，退火工艺为以大于40℃/h的升温速率升温至670～690℃，保温20h以上，再以小于40℃/h的降温速率降温至500℃出炉。
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