CN112391578A - 一种多元微合金结构钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元微合金结构钢的制备方法，属于碳素钢制造技术领域，其特征在于，依次由以下工艺步骤组成：a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；b、在铁水温度为700‑800℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si‑P‑Cu‑Mg金属间化合物，在铁水温度为1300‑1400℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理。本发明较现有技术碳素结构钢而言，具有高韧高塑性。

Description

一种多元微合金结构钢及制备方法

技术领域

本发明涉及到碳素钢制造技术领域，尤其涉及一种多元微合金结构钢及制备方法。

背景技术

碳素结构钢是碳素钢的一种。碳素结构钢的含碳量约0.05％～0.70％，个别可高达0.90％。碳素结构钢可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。普通碳素结构钢的含杂质较多，价格低廉，用于对性能要求不高的地方，它的含碳量多数在0.30％以下，含锰量不超过0.80％，强度较低，但塑性、韧性、冷变形性能好。除少数情况外，一般不作热处理，直接使用。普通碳素结构钢多制成条钢、异型钢材和钢板。普通碳素结构钢的用途很多，用量很大，主要用于铁道、桥梁和各类建筑工程，制造承受静载荷的各种金属构件及不需要热处理的机械零件和一般焊接件。优质碳素结构钢的钢质纯净，杂质少，力学性能好，可经热处理后使用。

合金钢是在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金，通常合金钢的性能优于碳素结构钢。合金钢根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。

公开号为CN108265223A，公开日为2018年07月10日的中国专利文献公开了一种优质碳素结构钢材料，其特征是：由如下元素组成：C：0.58-0.61％；Si：0.22-0.27％；Mn：0.83-0.86％；P：≤0.025％；S：≤0.020％；Cr≤0.09％；Al：0.005-0.030％；Cu：≤0.025％；B：0.002-0.003％；Ti：0.009-0.015；Nb：0.015-0.019；余量为Fe。

该专利文献公开的优质碳素结构钢材料，虽然具有较高的强度和硬度。但是，冲击韧性和塑性较差。

公开号为CN108220816A，公开日为2018年06月29日的中国专利文献公开了一种低铬抗冲击高温耐磨合金钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学元素：碳0.10-0.50％，硅0.4-2.2％，锰0.5-1.5％，磷＜0.04％，硫＜0.04％，铬0.5-3.5％，镍0.2-2.2％，钼0.1-0.7％，硼0-0.2％，铝0.1-0.5％，铈0.2-1.2％，锡0.02-0.20％，钒0-0.8％，钨0.1-1.5％，铜0.05-0.4％，钽0.005-0.020％，钴0.05-0.20％，锆0.05-0.25％，镁0.01-0.04％，钙0.003-0.015％，钛0-0.08％，铌0-0.15％，余量为铁。

该专利文献公开的低铬抗冲击高温耐磨合金钢，虽然具有较高的抗拉强度，但是，冲击韧性和塑性较差。

公开号为CN104711493A，公开日为2015年06月17日的中国专利文献公开了一种节镍型含稀土及钡双相不锈钢合金材料，其特征在于，该合金材料的组成及质量百分比为：C≦0.025％，O≦0.005％，S≦0.006％，Si≦2.00％，P≦0.025％，Mn 2.00～5.00％，Cr 17.0～21.0％，Ni 1.0～2.5％，W 0.1～2.0％，Cu 0.1～1.0％，Mo 2.0～5.5％，N 0.2～0.40％，B 0.001～0.01％，Ba 0.0005～0.01％，镧铈混合稀土RE 0.01～0.2％，Fe余量。

该专利文献公开的节镍型含稀土及钡双相不锈钢合金材料，虽然具有较好的断后伸长率，但是，冲击韧性和塑性仍然较差。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种多元微合金结构钢及制备方法，本发明较现有技术碳素结构钢而言，具有高韧高塑性，且成本相当；较合金钢而言，均衡性更好，既兼顾了抗拉强度和断面收缩率，又提高了冲击韧性，且成本更低。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多元微合金结构钢，其特征在于，由以下按重量百分比计的原料组成：

所述Mg为0.001％，Ti为0.004％，Ba为0.007％，Co为0.005％，N为0.006％，Zr为0.003％。

一种多元微合金结构钢的制备方法，其特征在于，依次由以下工艺步骤组成：

a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；

b、在铁水温度为700-800℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，在铁水温度为1300-1400℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；

c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；

d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理。

所述步骤a中，加入Ti不计烧损之前再向铁水中加入N。

所述步骤d中，球化淬火具体是指将分布于基体上的经扩散球化后得到的多元微合金结构钢加热到900℃，然后进行水冷。

所述步骤d中，回火具体是指将球化淬火，进行水冷后的多元微合金结构钢重新加热到350℃并保温3小时，最后通风冷却。

所述多元微合金结构钢的冲击功为45-100J，断面收缩率为30-45％，伸长率为30-49％，抗拉强度为650-1200MPa。

本发明的机理是：

奥氏体碳素结构钢是最软相，而获得奥氏体相一般来讲加Mn或Cr扩大或缩小奥氏体区，通过组分配比在一定条件下可获得奥氏体相，但由于含大量合金导致系列碳化物生成，并往晶界偏聚，虽是奥氏体相，但也会在不同温度不同条件下出现韧性不足带来的问题。而铁素体相是在常温下，不论是高低碳均易保存下来的一种柔软相。碳素结构钢自然凝固，虽是铁素体相，但依旧韧性不足，因而常采用轧、锻来提升其韧性，而作为铁素体相虽易在常温态下常见，但其刚度不足，其机械性能指标σb、σs和ε均受到限制。故本领域技术人员纷纷先用合金来提升其强度和硬度，再选择加相应合金的合金钢，虽然强度和硬度提升，但会导致韧性不足，这点成了碳素结构钢的两难问题。

本发明，联想强化铁素体，使铁素体本身具有一定刚度和强度，充分运用非金属的特性，同时又具有相应韧性，最终需细化晶粒，并使晶格变形和使合金化合物均匀分布于基体上，又不往晶界偏聚，要获得铁素体即固溶体相，优选非金属元素，原子半径小，易溶于铁素体形成非单一晶体结构的多相固溶体，是C、B、P、S、N、H和O等元素。同时选择固溶强化元素，形成置换固溶体或以游离态原子存在使Fe原子畸变元素，而且是非碳化物元素或弱碳化物元素，既细化晶粒又形成铁素体，即：Cu、Al、Mg、Co、Ni、Sn、Mn、Si、Ba，要形成极细金属化合物，还要选择强碳化物元素但必须能固溶于铁素体，又能细化晶粒的元素，即：Cr、Mo、V、Ti、Zr、Ce，而常规碳钢或合金钢P、S是有害元素，其为Fe基。其中P、S、H、O、Sn均是有害元素，由于冶炼制备过程Ti、Zr、Cu、Mg、Mn、Si、N、Ce相互作用，便于生成化合物。

由于Zr、Ti、使H、O生成化合物并除渣；Mn与S形成MnS化合物并除渣；Mg-Cu-P-Si形成化合物并除渣；N能与H、O、B等形成化合物并除渣。由于H、O空气中含量少，并通过化学反应，形成化合物，故H、O排除。

故优选碳素结构钢，其成分C、Si、Mn、P、S在冶炼制备时，常夹入其他危害元素N、O、H等，而P、S是碳素结构钢中不可避免的杂质元素，Si能大量固溶于铁素体，极大提高其强度和硬度。一般钢都有回火脆性，故选Mo既细化晶粒又防止回火脆性；选V强化物元素适量生成化合物又细化晶粒；选少量Cr、Ni既可提高铁素体强度，使Cr、Ni、Mo、V形成金属间极细化合物，铁素体形核增加，又可提升铁素体本身强度和刚度，而去氧需加Ti，可充分利用生成TiO，并和Cr、Ni、Mo、V生成极细化合物；加B并加少量N既可生成BN阻碍相，又可使N与Cr、Ni、Mo、V生成金属间极细化合物形核。而去氢需加Zr，同时铁素体晶格变形需加非碳化物元素，Co、Ba、Sn，由于Sn低熔点易往晶界偏聚，但效果好。故加Ce与之发生化学反应，且游离Ce能阻碍Sn往晶界偏聚，由于此诸多不同温度段冶炼过程需加Al催化且Al又能细化晶粒。

因此，最终获得本发明多元微合金结构钢的组分特定的为：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V、Cu、Al、Mg、Ce、Sn、B、Ti、Ba、Co、N、Zr和Fe。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

1、本发明，特定的选取“0.16-0.45％的C、0.219-0.381％的Si、0.204-0.55％的Mn、0.011-0.03％的P、0.002-0.014％的S、0.005-0.1％的Cr、0.044-0.3％的Ni、0.013-0.04％的Mo、0.005-0.03％的V、0.039-0.07％的Cu、0.066-0.16％的Al、0.001-0.003％的Mg、0.131-0.45％的Ce、0.026-0.03％的Sn、0.0007-0.03％的B、0.003-0.006％的Ti、0.003-0.009％的Ba、0.0007-0.007％的Co、0.003-0.007％的N、0.001-0.005％的Zr和余量的Fe”这些组分，形成本发明特定的多元微合金结构钢，本发明特定组分的选取，不超过铁素体的固溶度特定组合的金属、非金属元素及其化合物溶于铁基中形成固溶体，并有机调整B、C、Co的配比通过热处理获得以多相铁素体为主，珠光体、韧性马氏体混合的组织，从而得到的多元微合金结构钢具有高韧高塑性为主的综合力学性能；本发明在特定组分下采用特定的配比所形成的体系，较现有技术而言，B、C、Co有机配比，Co元素具有淬硬性，提升MnS化合物转变温度点，可代镍阻碍化合物往晶界偏聚又能促使化合物析出，其细化晶粒，提升铁素体的强度，微量可固溶于铁素体中使晶格变形并提升韧性和强度。

其中，Ti、N、Zr、Co、Mg和Ba特定的以十万级量级单位加入，使得Ti、N、Zr、Co、Mg和Ba在整个多元微合金结构钢中所起的作用发生了意想不到的变化，本领域技术人员所熟知Ti、N、Zr、Co、Mg和Ba这些元素本身的固有效果，这些元素的加入所起的作用是呈线性变化的，即加入得越多，效果越差；反之，加入得越少，效果越好；但经过大量的实验发现，Ti、N、Zr、Co、Mg和Ba这些元素的加入并非呈线性变化越少越好，而是会出现拐点，当特定的将Ti限定为0.003-0.006％、N限定为0.003-0.007％、Zr限定为0.001-0.005％、Co限定为0.0007-0.007％、Mg限定为0.001-0.003％和Ba限定为0.003-0.009％十万级量级区间时，能够使得到的多元微合金结构钢同时具备高韧性和高塑性，且能够兼顾较好的抗拉强度，最终获得高韧高塑性为主的综合力学性能，参见表1-7和图1-6。本发明较现有技术碳素结构钢而言，具有高韧高塑性，且成本相当；较合金钢而言，均衡性更好，既兼顾了抗拉强度和断面收缩率，又提高了冲击韧性，且成本更低。

2、本发明，基于国内外对碳素钢和合金钢到目前的认知，打破了对碳素结构钢的抗拉强度、硬度、韧性并不高，需加入一定量的合金元素形成化合物，才能提高其抗拉强度、硬度，同时韧性大幅下降，仅采用加Mn或Cr形成奥氏体相、铁素体的才有相应效果的认知；而本发明纯粹采用强化后且晶格变形的化合物形核后的多相铁素体，不仅方便制造，且性能兼顾抗拉强度和断面收缩率，又提高冲击韧性。

3、本发明，“a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；b、在铁水温度为700-800℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，在铁水温度为1300-1400℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理”，在铁水温度为700-800℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，既能去磷，又能够生成极细化合物；极细化合物形核，冷凝时形成铁素体；未形核的热处理后均匀分布于基体上，通过特定的制备步骤，得到的多元微合金结构钢，具有高韧高塑性，参见表8-10。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：

图1为Ti的拐点图；

图2为N的拐点图；

图3为Zr的拐点图；

图4为Co的拐点图；

图5为Mg的拐点图；

图6为Ba的拐点图；

图7为本发明实施例1在500倍情况下观察的金相图；

图8为本发明实施例2在500倍情况下观察的金相图；

图9为本发明实施例3在500倍情况下观察的金相图；

图10为本发明实施例4在500倍情况下观察的金相图；

图11为本发明实施例5在500倍情况下观察的金相图；

图12为本发明实施例6在500倍情况下观察的金相图；

图13为本发明实施例7在500倍情况下观察的金相图。

具体实施方式

实施例1

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例1制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表1。

表1

实施例2

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例2制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表2。

表2

实施例3

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例3制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表3。

表3

实施例4

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例4制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表4。

表4

实施例5

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例5制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表5。

表5

实施例6

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例6制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表6。

表6

实施例7

一种多元微合金结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

现按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤分别制备铸件的ZGQ235B、铸件的ZG30合金钢和铸件的多元微合金结构钢；

现将铸件的ZGQ235B碳素结构钢和铸件的ZG30合金钢与本发明实施例7制得的铸件多元微合金结构钢进行对比，参见表7。

表7

实施例8

一种多元微合金结构钢的制备方法，依次由以下工艺步骤组成：

a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；

b、在铁水温度为700℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，在铁水温度为1300℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；

c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；

d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理。

现将实施例1-实施例7按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤制备铸件的多元微合金结构钢和按实施例8工艺步骤制备铸件的多元微合金结构钢进行对比，参见表8。

表8

实施例9

一种多元微合金结构钢的制备方法，依次由以下工艺步骤组成：

a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；

b、在铁水温度为750℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，在铁水温度为1350℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；

c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；

d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理。

所述步骤a中，加入Ti不计烧损之前再向铁水中加入N。

现将实施例1-实施例7按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤制备铸件的多元微合金结构钢和按实施例9工艺步骤制备铸件的多元微合金结构钢进行对比，参见表9。

表9

实施例10

一种多元微合金结构钢的制备方法，依次由以下工艺步骤组成：

a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；

b、在铁水温度为800℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，在铁水温度为1400℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；

c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；

d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理。

所述步骤a中，加入Ti不计烧损之前再向铁水中加入N。

所述步骤d中，球化淬火具体是指将分布于基体上的经扩散球化后得到的多元微合金结构钢加热到900℃，然后进行水冷。

所述步骤d中，回火具体是指将球化淬火，进行水冷后的多元微合金结构钢重新加热到350℃并保温3小时，最后通风冷却。

现将实施例1-实施例7按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤制备铸件的多元微合金结构钢和按实施例10工艺步骤制备铸件的多元微合金结构钢进行对比，参见表10。

表10

基于国内外对碳素钢和合金钢到目前的认知，打破了对碳素结构钢的抗拉强度、硬度、韧性并不高，需加入一定量的合金元素形成化合物，才能提高其抗拉强度、硬度，同时韧性大幅下降，仅采用加Mn或Cr形成奥氏体相、铁素体的才有相应效果的认知；而本发明纯粹采用强化后且晶格变形的化合物形核后的多相铁素体，不仅方便制造，且性能兼顾抗拉强度和断面收缩率，又提高冲击韧性。

现将对比例1-4与本发明进行对比，其中：

本发明组分为“C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V、Cu、Al、Mg、Ce、Sn、B、Ti、Ba、Co、N、Zr和Fe”21种元素。

对比例1为缺少本发明“Ti、N、Zr、Co、Mg和Ba”元素所形成的15种元素组合。

对比例2为本发明21种元素，但“Ti、N、Zr、Co、Mg和Ba”元素配比均为“万”为量级单位。

对比例3为缺少本发明“N和Zr”元素所形成的19种元素，但是“Ti、Co、Mg和Ba”元素配比均为“万”为量级单位。

对比例4为本发明21种元素，但“Ti、N和Zr”元素配比均为“十万”为量级单位，而“Co、Mg和Ba”元素配比均为“万”为量级单位。

对比例1

碳素结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

对比例2

碳素结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

对比例3

碳素结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

对比例4

碳素结构钢，由以下按重量百分比计的原料组成：

表11为本发明实施例1-7与对比例1-4均按传统砂型铸造工艺：配砂、制模、造芯、造型、浇注、落砂、打磨加工和检验步骤制备所得到的铸件钢的各参数对比表。

表11

综合表1-表11可知，采用本申请特定组分和配比所得到的多元微合金结构钢，无论是冲击功、断面收缩率、伸长率，还是抗拉强度，均优于现有技术碳素结构钢和合金钢。

Claims (7)

1.一种多元微合金结构钢，其特征在于，由以下按重量百分比计的原料组成：

2.根据权利要求1所述的一种多元微合金结构钢，其特征在于：所述Mg为0.001％，Ti为0.004％，Ba为0.007％，Co为0.005％，N为0.006％，Zr为0.003％。

3.一种多元微合金结构钢的制备方法，其特征在于，依次由以下工艺步骤组成：

a、先将C、B和Co溶于200公斤铁水中，然后加入Ti不计烧损；

b、在铁水温度为700-800℃时，加入P、Cu和Mg，并加入Ce和Si催化，生成Si-P-Cu-Mg金属间化合物，在铁水温度为1300-1400℃时，加入Mn和S，生成MnS化合物；

c、依次加Cr、Ni、Mo、V和Ba，并加入Al催化，冲包后再加入Sn，制得多元微合金结构钢；

d、将多元微合金结构钢依次进行退火、球化淬火和回火处理。

4.根据权利要求3所述的一种多元微合金结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，加入Ti不计烧损之前再向铁水中加入N。

5.根据权利要求3所述的一种多元微合金结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤d中，球化淬火具体是指将分布于基体上的经扩散球化后得到的多元微合金结构钢加热到900℃，然后进行水冷。

6.根据权利要求3所述的一种多元微合金结构钢的制备方法，其特征在于：所述步骤d中，回火具体是指将球化淬火，进行水冷后的多元微合金结构钢重新加热到350℃并保温3小时，最后通风冷却。

7.根据权利要求3所述的一种多元微合金结构钢的制备方法，其特征在于：所述多元微合金结构钢的冲击功为45-100J，断面收缩率为30-45％，伸长率为30-49％，抗拉强度为650-1200MPa。

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