CN112251664A - 一种超细晶粒合金钢锻件及其制造方法 - Google Patents

一种超细晶粒合金钢锻件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细晶粒合金钢锻件，所述的合金钢含有下列化学成分：C 0.12％～0.16％，Si 0.50％～0.55％，Mn 0.50％～0.75％，Cr 1.20％～1.30％，Mo 0.60％～0.65％，Al 0.03％～0.05％，余量为铁。还公开了一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，包括如下步骤：电炉冶炼；炉外精炼；锻造；热处；性能测试；机加工；无损检测；成品。通过上述方式，本发明调整化学元素含量，增加Al元素，Al元素可以大幅增加奥氏体形核数量，细化晶粒，通过细化晶粒可以同时提高材料强度和材料韧性；采用铝脱氧工艺，微量Al元素可以有效细化晶粒，提高Cr、Mo元素含量，进一步提高材料强度；热处理采用淬火+回火，为避免晶粒在热处理时长大，限制淬火温度上限和保温时间，同时提高淬火冷却能力，加大冷却介质循环速度，增大冷却水体积。

Description

一种超细晶粒合金钢锻件及其制造方法
技术领域
本发明涉及合金钢锻造技术领域，特别是涉及一种超细晶粒合金钢锻件及其制造方法。
背景技术
在金属锻造行业中，提升金属材料强度的方法很多，包括增加强化元素含量、调整热处理参数、形变强化等等。但这些强化方法在提升材料强度的同时，都会以材料韧性指标降低为代价，也就是说材料强度提高后，韧性指标大幅下降，两种性能指标不能兼顾，金属材料不能同时满足性能要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种超细晶粒合金钢锻件，能够同时提高材料强度和材料韧性。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超细晶粒合金钢锻件，所述的合金钢含有下列化学成分：C 0.12％～0.16％，Si 0.50％～0.55％，Mn 0.50％～0.75％，Cr 1.20％～1.30％，Mo 0.60％～0.65％，Al0.03％～0.05％，余量为铁。
一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，包括如下步骤：
步骤一，电炉冶炼：在电炉内将炉料冶炼成初炼钢水；
步骤二，炉外精炼：将所述步骤一得到的钢水用精炼炉进一步精炼成上述的合金钢，精炼后将钢水铸成钢锭；
步骤三，锻造：将所述步骤二得到的合金钢钢锭，用液压机或空气锤锻造成产品锻件；
步骤四，热处理：将所述步骤三中自然冷却后的锻件置于电阻炉内进行热处理；
步骤五，性能测试：热处理后，从所述步骤四热处理后的锻件上切取试验用试料，用试料加工成拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验；
步骤六，机加工：将所述步骤五中力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成合金钢法兰及锻件工件；
步骤七，无损检测：通过超声波探伤仪、磁粉探伤仪对机加工后的工件进行探伤、检验；
步骤八，成品：将探伤、检验后的工件包装入库。
优选的，所述步骤三中的锻造温度≤1220℃，总锻造比大于等于3.5，最后一个火次变形量大于等于总变形量的20％。
优选的，所述步骤三中发生主变形时的锻造温度为920℃～1050℃。
优选的，所述步骤四中热处理包括淬火和回火，其中淬火温度为880℃～910℃，液体冷却，回火温度为650℃～710℃，空冷。
优选的，所述步骤四中淬火处理的保温时间为0.8min/mm～1.2min/mm。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：
1、调整化学元素含量，增加Al元素，Al元素可以大幅增加奥氏体形核数量，细化晶粒，通过细化晶粒可以同时提高材料强度和材料韧性。
2、采用铝脱氧工艺，微量Al元素可以有效细化晶粒，增加晶粒度达到10级及以上，提高Cr、Mo元素含量，进一步提高材料强度。
3、热处理采用淬火+回火，为避免晶粒在热处理时长大，限制淬火温度上限和保温时间，同时提高淬火冷却能力，加大冷却介质循环速度，增大冷却水体积。
附图说明
图1是本发明一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的一种超细晶粒合金钢锻件，所述的合金钢含有下列化学成分：C 0.12％～0.16％，Si 0.50％～0.55％，Mn 0.50％～0.75％，Cr 1.20％～1.30％，Mo 0.60％～0.65％，Al 0.03％～0.05％，余量为铁。
其中Al元素是关键细化元素，Al元素可以大幅增加奥氏体形核数量，细化晶粒。传统工艺中无Al元素添加。对原材料中非金属夹杂物进行限制，按GB/T10561 A法检测，A、B、C、D、Ds类夹杂物粗细和细系分别不大于1.0级，总和不大于3.0。
图1是本发明的一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法的流程图；
如图1所示，一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，包括如下步骤：
步骤一，电炉冶炼：在电炉内将炉料冶炼成初炼钢水；
步骤二，炉外精炼：将步骤一得到的钢水用精炼炉进一步精炼成上述的合金钢，精炼后将钢水铸成钢锭。
步骤三，锻造：将步骤二得到的合金钢钢锭，用液压机或空气锤锻造成产品锻件；
步骤三中的锻造温度≤1220℃，锻造加热温度不宜过高，较高的加热温度会产生材料过热和过烧现象，不利于材料性能的提升。利用计算机有限元分析软件Deform模拟仿真锻造过程，调整锻造参数，优化锻造工艺：锻件发生主变形时的锻造温度控制在920℃～1050℃，总锻造比大于等于3.5，最后一个火次变形量不小于总变形量的20％，在锻造过程中形成动态再结晶效果，细化晶粒。
步骤四，热处理：将步骤三中自然冷却后的锻件置于电阻炉内进行热处理；热处理包括淬火和回火，其中淬火温度为880℃～910℃，保温时间根据锻件实际的有效热处理厚度按0.8min/mm～1.2min/mm计算，中淬火采用液体冷却，回火温度为650℃～710℃，回火采用空冷。通过热处理中这样的参数设置可以在有效保证材料力学性能的同时，防止晶粒长大，所以保温时间比传统工艺低，保温时间也比传统工艺短。
步骤五，性能测试：热处理后，从步骤四热处理后的锻件上切取试验用试料，用试料加工成拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验；
步骤六，机加工：将步骤五中力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成合金钢法兰及锻件工件；
步骤七，无损检测：通过超声波探伤仪、磁粉探伤仪对机加工后的工件进行探伤、检验；
步骤八，成品：将探伤、检验后的工件包装入库。
下面结合具体实施例对本发明进行具体阐述：
实施例1：制作Φ1220×Φ950×260mm超细晶粒合金钢锻件，材质为NB/T47008-2017 14Cr1Mo合金钢。
验收要求：Rm 490～660MPa，Rp0.2≥290MPa，A≥19％，其中A表示增长率，在20℃做冲击试验时，冲击功不低于47J；奥氏体晶粒度≥10级；非金属夹杂物A、B、C、D、Ds类粗系和细系分别不大于1.0级，总和不大于3级；按NB/T47013.5进行磁粉检测和超声波检测，1级合格。
具体的工艺流程为：
原材料冶炼→下料→锻造→热处理→取样→性能试验→无损检测→机加工→成品。
原材料使用1.75吨方形钢锭，一个钢锭制造一个锻件。先冶炼浇注钢锭，再把钢锭放在加热炉里加热，然后将加热后的钢锭冒口端切除15％，水口端切除5％。钢锭化学成分见表1；
表1化学成份％
材质 C Si Mn Cr Mo Al
14Cr1Mo 0.14 0.53 0.65 1.27 0.63 0.04
锻造加热温度为1200℃±15℃，钢锭加热出炉后，在3600吨液压机上锻造开坯，轻压、倒棱、拔长，热切冒口和水口，镦粗、拔长、冲孔，出坯Φ700×Φ400×560，在碾环机上加工到规定尺寸。锻件发生主变形时的锻造温度控制在920℃～1050℃，终锻温度≥800℃，总锻造比为5.6。
将锻造好的工件装入热处理炉，热处理包括淬火和回火，其中淬火温度为900℃，保温时间按1min/mm计算，在液体中冷却，回火温度为680℃，空冷。
热处理完成后，每个批次选取一个锻件，在锻件上截取试验用料，即在一个端面割取一个试样环，在试样环上截取各种试样，做力学性能、晶粒度和夹杂物等检测项目。力学性能数据见表2，其中A表示增长率，Z表示断面收缩率。
表2机械性能测试
材质 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(％) Z(％) Akv2(J)
14Cr1Mo 592 378 35 58 225
按GB/T6394《金属平均晶粒度测定方法》测定晶粒度，晶粒度级别为11级(截点法)。
力学性能试验之后将锻件进行机加工，机加工的目的是为随后的无损检测做准备，无损检测项目为超声波检测和磁粉检测。超声波检测中没有发现当量大于2mm的缺陷，磁粉检测没有发现超过1mm的圆形缺陷，未见任何线性缺陷，各类非金属夹杂物粗细和细系均小于1级，1级合格。
对比例1：制作Φ1220×Φ950×260mm超细晶粒合金钢锻件，材质为NB/T47008-2017 14Cr1Mo合金钢，合金钢的化学成分为传统化学成分，具体见表3，采用实施例1的工艺方法；
表3化学成份％
材质 C Si Mn Cr Mo Cu Ni
14Cr1Mo 0.15 0.67 0.53 1.22 0.49 0.15 0.18
热处理完成后，每个批次选取一个锻件，在锻件上截取试验用料，即在一个端面割取一个试样环，在试样环上截取各种试样，做力学性能、晶粒度和夹杂物等检测项目。力学性能数据见表4，其中A表示增长率，Z表示断面收缩率。
表4力学性能测试
材质 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(％) Z(％) Akv2(J)
14Cr1Mo 556 335 33 54 185
按GB/T6394《金属平均晶粒度测定方法》测定晶粒度，晶粒度级别为7.5级。
力学性能试验之后将锻件进行机加工，机加工的目的是为随后的无损检测做准备，无损检测项目为超声波检测和磁粉检测。超声波检测中没有发现当量大于2mm的缺陷，磁粉检测没有发现超过1mm的圆形缺陷，未见任何线性缺陷。
对比例2：制作Φ1220×Φ950×260mm超细晶粒合金钢锻件，材质为NB/T47008-2017 14Cr1Mo合金钢，合金钢的化学成分为实施例1中的化学成分，具体见表5；制造方法采用传统制造方法；
表5化学成份％
材质 C Si Mn Cr Mo Al
14Cr1Mo 0.14 0.53 0.65 1.27 0.63 0.04
使用传统的制造方法，传统制造方法内容为：
锻造加热温度为1250℃±15℃，钢锭加热出炉后，在3600吨液压机上锻造开坯，轻压、倒棱、拔长，热切冒口和水口，镦粗、拔长、冲孔，出坯Φ700×Φ400×560，在碾环机上加工到规定尺寸，终锻温度≥780℃，总锻造比为3.5。由于是传统工艺，锻造过程中没有发生动态再结晶效应，晶粒没有得到细化，材料本质晶粒度较粗。
将锻造好的工件装入热处理炉，热处理包括淬火和回火，其中淬火温度为930℃，保温时间按1.1min/mm计算，在液体中冷却，回火温度为720℃，空冷。)
热处理完成后，每个批次选取一个锻件，在锻件上截取试验用料，即在一个端面割取一个试样环，在试样环上截取各种试样，做力学性能、晶粒度和夹杂物等检测项目。力学性能数据见表6，其中A表示增长率，Z表示断面收缩率。
表6力学性能测试
材质 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(％) Z(％) Akv2(J)
14Cr1Mo 541 320 34 51 190
按GB/T6394《金属平均晶粒度测定方法》测定晶粒度，晶粒度级别为7级。
力学性能试验之后将锻件机加工，机加工的目的是为随后的无损检测做准备，无损检测项目为超声波检测和磁粉检测。超声波检测中发现有多处大于2mm的缺陷，但缺陷当量小于NB/T47013Ⅱ级，符合标准要求。磁粉检测没有发现超过1mm的圆形缺陷，未见任何线性缺陷。
将本发明的实施例1与对比例1、2进行比较，得出如下结论：
对于对比例1，由于采用了传统化学成分，没有添加Al元素，未能增加奥氏体形核数量而细化晶粒，没有提高Cr、Mo元素含量提升材料强度，力学性能指标和晶粒度级别比实施例1出现一定幅度下降，说明化学成分调整对力学性能和晶粒度级别提升产生较好效果。由于化学成分之外的其他制备方法没有改变，产品表面缺陷和内部缺陷等指标与实施例相差不大。)
对于对比例2，只采用了实施例中的化学成分，没有使用本发明专利中的制造工艺。由于采用了传统工艺，锻造过程中没有产生动态再结晶，且热处理加热温度较高，奥氏体晶粒明显增大，力学性能指标和晶粒度级别较实施例明显降低。说明本发明专利制造工艺对锻件力学性能和晶粒度级别提升产生较好效果。由于传统工艺锻造比较小，对锻件锻透和压实效果没有实施例好，所以超声波检测时发现多处大于2mm的缺陷。
从检测数据可以看出，使用本发明的合金钢成分以及制造方法生产的锻件性能优异，锻件性能指标远超传统工艺生产的锻件，锻件无损检测中发现的缺陷数量和尺寸也远优于传统工艺，实施例工艺比传统工艺有更好的效果，实施例成分比传统化学成分具有更好的性能。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种超细晶粒合金钢锻件，其特征在于，所述的合金钢含有下列化学成分：C 0.12％～0.16％，Si 0.50％～0.55％，Mn 0.50％～0.75％，Cr 1.20％～1.30％，Mo 0.60％～0.65％，Al 0.03％～0.05％，余量为铁。
2.一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，电炉冶炼：在电炉内将炉料冶炼成初炼钢水；
步骤二，炉外精炼：将所述步骤一得到的钢水用精炼炉进一步精炼成权1所述的合金钢，精炼后将钢水铸成钢锭；
步骤三，锻造：将所述步骤二得到的合金钢钢锭，用液压机或空气锤锻造成产品锻件；
步骤四，热处理：将所述步骤三中自然冷却后的锻件置于电阻炉内进行热处理；
步骤五，性能测试：热处理后，从所述步骤四热处理后的锻件上切取试验用试料，用试料加工成拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验；
步骤六，机加工：将所述步骤五中力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成合金钢法兰及锻件工件；
步骤七，无损检测：通过超声波探伤仪、磁粉探伤仪对机加工后的工件进行探伤、检验；
步骤八，成品：将探伤、检验后的工件包装入库。
3.根据权利要求2所述的一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤三中的锻造温度≤1220℃，总锻造比大于等于3.5，最后一个火次变形量大于等于总变形量的20％。
4.根据权利要求2所述的一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤三中发生主变形时的锻造温度为920℃～1050℃。
5.根据权利要求2所述的一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤四中热处理包括淬火和回火，其中淬火温度为880℃～910℃，液体冷却，回火温度为650℃～710℃，空冷。
6.根据权利要求2所述的一种超细晶粒合金钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤四中淬火处理的保温时间为0.8min/mm～1.2min/mm。
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