CN112442630A

CN112442630A - 低合金超高强度钢铸件及其生产方法

Info

Publication number: CN112442630A
Application number: CN201910808224.8A
Authority: CN
Inventors: 陈赞
Original assignee: Jiangsu Dingtai Engineering Material Co ltd
Current assignee: Jiangsu Dingtai Engineering Material Co ltd
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-05

Abstract

本发明涉及低合金超高强度钢铸件及其生产方法，该低合金铸钢采用低碳与各种合金元素配比，并且加入较高的微量铌元素，细化晶粒，均匀化组织；经热处理后，大大提高其硬度和耐磨性，同时合理地综合了其强度与韧性，使其具有良好的综合力学性能和工艺性能；本发明所述的低碳合金铸钢的力学性能如下：抗拉强度1300至1500Mpa、屈服强度900MPa至1200MPa、伸长率≥10%、室温V型缺口夏比摆锤冲击实验的冲击功Ak≥40J、布氏硬度390460HBW。

Description

低合金超高强度钢铸件及其生产方法

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，具体的是低合金超高强度钢铸件及其生产方法。

背景技术

随着工业的快速发展，工程机械正向着高端前沿的方向发展，这就对材料的性能提出更高的要求。低合金铸钢具有合金含量低(合金元素总量≤5％)、来源广泛，综合力学性能好、制造工序简单，成本低等特点，是一种应用前景很好的工程材料。超高强度低合金铸钢不仅具有高强度和高硬度，而且具有很好的韧性与耐冲击性能。专利CN20141024122.4公开了一种利用电弧炉制备低合金高强铸钢，电弧炉具有很强的熔化、氧化和还原能力，冶金能力很强，成分调整方便，但是电弧炉熔炼对元素的烧损严重，能耗大，工作环境相对较差；且无法满足航空航天、轨道交通、国防等重要工业领域的使用要求。

中频感应炉加热速度快、生产效率高、氧化脱炭少、节省材料与成本、延长模具寿命，而且中频感应炉加热均匀，芯表温差极小，温控精度高，工作环境优越，实现低污染、低耗能，从而提高工人劳动环境和公司形象，符合国家提出的绿色生产，是企业目前发展的趋势。具体制备过程包括：中频感应炉熔炼+高温静置精炼，然后通过调质热处理，获得高温回火索氏体，最终制备出低合金超高强度铸钢，可以广泛地应用在航空航天、轨道交通、国防等重要工业领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合力学性能优越、铸造成型容易、生产工序少的低合金超高强度钢及其铸件的生产方法，该低合金超高强度钢的抗拉强度不低于1300MPa。

本发明的技术方案是，一种低合金超高强度钢，其成分重量百分比包括：

C：0.20%~0.30%；

Si：0.50%~0.70%；

Mn：0.60%~0.80%；

Cr：0.60%~1.10%；

Ni：0.40%~0.65%；

Mo：0.50%~0.75%；

Nb：0.05%~0.15%；

V：0.03%~0.05%；

Ti：0.001%~0.003%；

Al：0.01%~0.03%；

Cu：0.02%~0.05%；

P≤0.010%；

S≤0.010%；

余量为铁和不可避免的杂质。

确定上述主要化学成分的理由如下：

碳：C含量太高，则会形成较脆的组织，降低钢的低温冲击韧性，在回火过程中，C含量较高的钢会形成较粗大的碳化物，从而恶化其冲击性能；另一方面，C含量太低，容易形成铁素体等强度较低的组织；因此为保证钢材的低温冲击韧性和焊接性，碳含量的优选为0.20%～0.30%。

硅：硅可以显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，作为铬当量的形成元素，和钼、铬等结合，可以提高钢的抗腐蚀性和抗氧化性，因此将硅含量控制在0.50%~0.70%。

锰：Mn是弱碳化物形成元素，通常固溶在钢中，起到固溶强化的效果。增加锰含量可以提高钢的硬度，但锰含量过高，会影响钢的韧性，因此将锰含量优选为0.60%~0.80%。

铬：铬为铁素体形成元素，能显著提高强度，但同时降低塑性和韧性；因此铬元素的含量优选为0.60%~1.10%。

镍：镍为强的奥氏体形成元素，增加镍含量有助于提高奥氏体组织的稳定性，能提高材料的强度，而又保持良好的塑性和韧性；因此优选为0.40%~0.65%。

钼：Mo元素在奥氏体化时固溶在钢中，冷却过程中通过抑制扩散界面运动实现细化最终组织；Mo元素对扩散界面拖曳作用耗散的自由能约是Mn元素的3倍，通过固溶强化可以提高材料强度，将钼含量优选控制在为0.50%~0.75%。

铌:可以细化晶粒和降低材料的过热敏感性及回火脆性，提高强度，还可改善焊接性能，但Nb含量较高会在回火过程中形成较粗大的NbC析出，从而降低材料的低温冲击功；因此铌元素的含量优选为0.05%~0.15%。

钒：V是铁素体化元素，强烈缩小奥氏体区。高温溶入奥氏体中的V元素能够增加钢的淬透性。钢中V元素的碳化物V4C3比较稳定，可以抑制晶界移动和晶粒长大；因此钒元素的含量优选为0.03%~0.05%。

钛：Ti与N在高温时形成TiN，板坯加热奥氏体化时，TiN会抑制奥氏体晶粒长大。Ti与C在较低温度区间形成TiC，细小的TiC颗粒有利于提高材料的低温冲击性能。Ti含量过高，则会形成粗大的方形TiN析出，材料在受力时应力会集中在TiN颗粒附近，成为微裂纹的形核长大源，降低钢板的疲劳性能。因此钛元素的含量优选为0.001%~0.003%。

铝：Al元素在高温时形成细小的AlN析出，可以抑制奥氏体晶粒长大，达到奥氏体细化晶粒、提高钢在低温下的韧性。Al含量过高会导致较大的Al的氧化物形成，降低钢板的低温冲击性能、热加工性能、焊接性能和切削加工性能，因此铝元素的含量优选为0.01%~0.03%。

铜：铜能提高强度和韧性，缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低；因此将铜元素的含量优选为0.02%~0.05%。

硫、磷：合金冶炼过程中的杂质元素。

上述低合金超高强度钢铸件的生产方法，包括如下步骤：

A、打开中频熔炼炉并调试，加入高纯生铁进行熔化，待高纯生铁熔清后加入萤石进行除渣2次至3次。

B、除渣完成后，向铁水中加入配比好的增碳剂进行增碳。

C、升高电源电压对中频熔炼炉进行升温，按照预定比例先加入镍板、微碳铬铁、钼铁、中碳锰铁、硅铁，再加入纯铜、铌铁、钒铁并静置，再加入萤石进行除渣3-5次，除渣温度控制在1650℃±10℃。

D、除渣完成后继续升温至1700℃并保温静置精炼，取样进行炉前光谱检验，根据光谱检验结果，调整钢液成分，以使钢液满足中的合金元素成分满足C：0.20%~0.30%；Si：0.50%~0.70%；Mn：0.60%~0.80%；Cr：0.60%~1.10%；Ni：0.40%~0.65%；Mo：0.50%~0.75%；Nb：0.05%~0.15%；V：0.03%~0.05%；Ti：0.001%~0.003%；Al：0.01%~0.03%；Cu：0.02%~0.05%；P≤0.010%；S≤0.010%的要求。

E、调整至满足上述成分需求后，将钢液的出炉温度控制在1610-1650℃，将熔炼好的钢液全部出炉到钢包，测温使温度控制在1560～1580℃，然后进行漏包浇注。

F、浇注成型的铸件需进行成品热处理，热处理为正火、淬火+高温回火，从而得到高温回火索氏体组织。

进一步，所述步骤F中，热处理工艺为：正火温度在Ac3温度以上50℃，即880至910℃；淬火温度控制在880至920℃，回火温度控制在550至650℃，各个热处理阶段的保温时间根据经验公式及实际工件尺寸确定。

进一步，所述步骤E中，采用树脂砂砂型进行漏包浇注，浇注以后铸件和型砂易于分离，可减少铸件清理的工作量，且过程中使用的砂子可以再生回收使用，节能环保。

本发明中所述的低合金铸钢采用低碳与各种合金元素配比，并且加入较高的微量铌元素，细化晶粒，均匀化组织。经热处理后，大大提高其硬度和耐磨性，同时合理地综合了其强度与韧性，使其具有良好的综合力学性能和工艺性能。本发明所述的低碳合金铸钢的力学性能如下：抗拉强度1300~1500Mpa、屈服强度900MPa~1200MPa、伸长率≥10%、室温V型缺口夏比摆锤冲击实验的冲击功Ak≥40J、布氏硬度390-460HBW。

本发明的抗拉强度1500MPa级的含铌超高强低合金铸钢不仅具有高强度和高硬度，而且具有很好的韧性以及耐冲击性能。利用中频感应炉熔炼+高温静置精炼，然后通过成品热处理，获得显微组织为高温回火索氏体的低合金超高强度铸钢。因为其综合力学性能优越，铸造成型容易，生产工序少，成本低，可以取代超高强度锻钢产品，在航空航天、轨道交通、国防等重要工业领域得到广泛应用。

采用中频感应炉进行加热，速度快、生产效率高、氧化脱炭少、节省材料与成本、延长模具寿命，而且中频感应炉加热均匀，芯表温差极小，温控精度高，工作环境优越，实现低污染、低耗能，从而提高工人劳动环境和公司形象，符合国家提出的绿色生产，是企业目前发展的趋势。

具体实施方式

实施例1

本实施例的低合金超高强度钢铸件制造包括如下步骤：

利用中频感应炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：碳0.20%、锰0.70%、硅0.45%、铬0.65%、镍0.65%、钼0.50%、铌0.015%、钒0.05%、硫≤0.01%、磷≤0.01%，余量为铁和不可避免的杂质。

以150kg碱性炉衬的中频感应炉熔炼，每一炉熔炼125kg。

熔炼过程：A、打开中频熔炼炉并进行调试，加入125kg的高纯铁进行融化；待高纯铁溶清后，加入适当萤石除渣3次。

B、除渣完毕之后，向铁水中加入配比好的增碳剂进行增碳，在此过程中堤防增碳剂的突然燃烧，以免对人和设备造成伤害。

C、升高电源电压对中频熔炼炉升温，然后依次加入镍板、微碳铬铁、钼铁、中碳锰铁、硅铁，加入间隔大约30s，两分钟后依次加入纯铜、铌铁、钒铁，静置两分钟后加入适当萤石进行再除渣；除渣5次，除渣温度1650℃。

D、除渣完毕之后，继续升温至1700℃保温静置5~10分钟，进行高温精炼，精炼完成，浇铸小试块，进行炉前直读光谱检验，若成分合格，浇铸成基尔试块；若成分有偏差，通过计算，调整成分（循环上述加料、除渣和精炼过程），直至下一次光谱显示成分合格，然后浇铸。

E、浇铸过程：先将熔炼完成的钢水倒入50kg的小钢包中，然后采用倾倒式浇注到树脂砂砂型中，出炉温度1630℃，浇铸温度1580℃（出炉到浇铸过程降温40~50℃），一炉的整个浇铸过程2分钟。

F、浇注成型的铸件需进行成品热处理，包括正火温度在Ac3温度以上30至50℃，实际控制在880至910℃，正火保温时间为60至90分钟，然后空冷；淬火温度控制在890至920℃，淬火保温时间为60至90分钟，然后水冷；回火温度控制在550至600℃，回火保温时间为90至120分钟，然后空冷。

对制备得到的低合金超高强度铸钢进行了性能检验，其显微组织为高温回火索氏体，抗拉强度1450MPa，屈服强度1125MPa；伸长率12%、室温V型缺口夏比摆锤冲击实验的冲击功Ak46J、布氏硬度429HBW。

实施例2

本实施例的低合金超高强度钢铸件制造包括如下步骤：

利用中频感应炉制备的低合金高强韧铸钢包括以下质量百分比的原料：碳0.26%、锰0.60%、硅0.60%、铬0.65%、镍0.45%、钼0.70%、铌0.10%、钒0.04%、硫≤0.01%、磷≤0.01%，余量为铁和不可避免的杂质。

以150kg碱性炉衬的中频感应炉熔炼，每一炉熔炼125kg。

熔炼过程：A、打开中频熔炼炉并进行调试，加入125kg的高纯铁进行融化；待高纯铁溶清后，加入适当萤石除渣2次。

C、升高电源电压对中频熔炼炉升温，然后依次加入镍板、微碳铬铁、钼铁、中碳锰铁、硅铁，加入间隔大约30s，两分钟后依次加入纯铜、铌铁、钒铁，静置两分钟后加入适当萤石进行再除渣；除渣45次，除渣温度1640℃。

E、浇铸过程：先将熔炼完成的钢水倒入50kg的小钢包中，然后采用倾倒式浇注到树脂砂砂型中，出炉温度1640℃，浇铸温度1590℃（出炉到浇铸过程降温40~50℃），一炉的整个浇铸过程2分钟。

对制备得到的低合金超高强度铸钢进行了性能检验，其显微组织为高温回火索氏体，抗拉强度1430MPa，屈服强度1165MPa；伸长率12%、室温V型缺口夏比摆锤冲击实验的冲击功Ak42J、布氏硬度428HBW。

本发明提供一种利用中频感应炉制备低合金超高强度铸钢的方法，选用低硫磷炉料，利用中频感应炉冶炼钢液、高温静置精炼，正火、淬火+高温回火的成品热处理，最终制备出低合金超高强度铸钢。本方法工序少，效率高，制备的低合金超高强度钢强度高、塑性和韧性好，并且具有较高的硬度，综合性能优越。可以用于要求高强韧耐磨工况条件下使用的工件，而且合金元素少，成本相对较低，是目前企业熔炼超高强度钢铁件的发展趋势。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。

Claims

1.一种低合金超高强度钢的铸件，其特征在于，其采用如下的生产方法制得，该方法包括如下步骤： A、打开中频熔炼炉并调试，加入高纯生铁进行熔化，待高纯生铁熔清后加入萤石进行除渣2次至3次； B、除渣完成后，向铁水中加入配比好的增碳剂进行增碳； C、升高电源电压对中频熔炼炉进行升温，按照预定比例先加入镍板、微碳铬铁、钼铁、中碳锰铁、硅铁，再加入纯铜、铌铁、钒铁并静置，再加入萤石进行除渣3-5次，除渣温度控制在1650℃±10℃； D、除渣完成后继续升温至1700℃并保温静置精炼，取样进行炉前光谱检验，根据光谱检验结果，调整钢液成分，以使钢液满足中的合金元素成分满足C：0.20%~0.30%；Si：0.50%~0.70%；Mn：0.60%~0.80%；Cr：0.60%~1.10%；Ni：0.40%~0.65%；Mo：0.50%~0.75%；Nb：0.05%~0.15%；V：0.03%~0.05%；Ti：0.001%~0.003%；Al：0.01%~0.03%；Cu：0.02%~0.05%；P≤0.010%；S≤0.010%的要求； E、调整至满足上述成分需求后，将钢液的出炉温度控制在1610-1650℃，将熔炼好的钢液全部出炉到钢包，测温使温度控制在1560～1580℃，然后进行漏包浇注； F、浇注成型的铸件需进行调质热处理，热处理为正火、淬火+高温回火，从而得到高温回火索氏体组织。

2.根据权利要求1所述的铸件，其特征在于，所述步骤F中，热处理工艺为：正火温度在Ac3温度以上50℃，即880至910℃；淬火温度控制在880至920℃，回火温度控制在550至650℃。

3.根据权利要求2所述的铸件，其特征在于，所述步骤E中，采用树脂砂砂型进行漏包浇注。