CN112553536A - 一种奥氏体核级合金钢的制作方法 - Google Patents

一种奥氏体核级合金钢的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种奥氏体核级合金钢的制作方法，首先进行铸钢件材料的优化设计，以Al代替Si，有助于C扩散至亚稳态奥氏体中提高其稳定性，然后通过循环淬火‑奥氏体逆转变工艺进行铸造，在退火工艺前进行淬火加工，破坏新相与母相的取向关系以细化马氏体组织，进而在随后的逆转变过程生成较为细小的条状奥氏体束，进一步提高材料的综合力学性能。本发明制备的合金钢综合力学性能好，亚稳态奥氏体转变率高，有助于合金钢TRIP效应的进行，从而使合金钢获得高强度和高塑性。

Description

一种奥氏体核级合金钢的制作方法
技术领域
本发明属于高强度合金钢铸造领域，特别涉及一种奥氏体合金钢的铸造方法。
背景技术
近年来，在保证材料综合力学性能较好有尽量节约成本的前提下，发展了第三代高强钢，主要是中锰成分体系高强钢，其锰含量一般在4%～12%，强塑积可达25GPa·%～60GPa·%。中锰钢之所以具有较好的综合力学性能主要在于其利用组织中残留的亚稳态奥氏体在形变过程中可产生TRIP效应增强增塑。
合金钢获得高强度和高塑性的一个重要机理就是TRIP效应，而能够实现TRIP效应的必备条件就是室温组织中需含有较多的亚稳态奥氏体，因此，提高合金钢组织中的亚稳态奥氏体含量，对提高合金钢综合性能是一种必要手段。
发明内容
本发明提供一种奥氏体核级合金钢的制作方法，通过合理的合金成分设计，经过循环淬火-逆变退火工艺进行铸造，细化原始奥氏体晶粒，进而在退火过程中获得更多的残留亚稳态奥氏体，提高合金钢的总理力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种奥氏体核级合金钢的制作方法，包括以下步骤：
（1）铸钢件材料的优化设计，所述铸钢件材料由如下质量分数的合金组分优化设计而成：C：0.1%～0.4%，Mn：5%～12%，Al：3%～4%，P≤0.04%，S≤0.03%，Cr：17.0%～20.0%，Ni：8.0%～11.0%，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）将上述铸钢材料在中频真空感应熔炼炉中进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇筑成钢锭，将钢锭去氧化皮后采取自由锻造，得到铸态钢锭；
（3）将铸态钢锭先于900℃循环淬火保温，再于750℃下退火保温60min，最后通过水冷至室温，得到成品合金钢件。
本发明采用奥氏体逆转变处理工艺，室温下可以获得δ-铁素体和条状奥氏体与临界铁素体层片交错的复相组织，这种形成于板条马氏体间的奥氏体组织，具有一定的稳定性，在形变过程中可诱发马氏体相变，对材料的整体强度和塑性有一定的改善作用；在临界退火前采用循环淬火来破坏新相与母相的取向关系以细化马氏体组织，进而在随后的逆转变过程生成较为细小的条状奥氏体束，进一步提高材料的综合力学性能。
本发明经过铸钢件材料优化设计，以Al元素代替传统的Si元素，因为Al是铁素体形成元素，促使退火冷却过程铁素体的形成，同时在等温过程中会抑制碳化物的析出，提高铁素体中的化学势，有助于C扩散至亚稳态奥氏体中提高其稳定性。Al的存在提高了箱变温度，客服了无Al中锰钢采取罩式退火而需保温多个小时甚至多天的缺点。
本发明设计的合金钢，随着退火温度的升高残留的压亚稳态奥氏体增多，当退火温度超过720℃时，析出的碳化物不断配分至奥氏体，残留亚稳态奥氏体中C含量逐渐升高，但是当退火温度超过750℃后呈残留的压亚稳态奥氏体下降趋势。在逆向变退火阶段，退火初期，一部分奥氏体沿着板条状马氏体的便捷生长，较短的退火时间使C、Mn元素没有足够的配分时间，残留的亚稳态奥氏体配分量也就较少，使奥氏体处于热力学不稳定状态；另一方面，较长的退火保温时间有利于C、Mn元素在奥氏体中不断富集，Mn元素有足够的时间扩散，使室温下获得含量较多的残留亚稳态奥氏体。
作为本发明的进一步改进，所述的步骤（3）具体工艺如下：
将铸态钢锭升温至900℃进行水淬，保温30min，然后快速升温至900℃进行水淬，保温10min，再次快速升温至900℃进行水淬，保温1~5min，最后降温至750℃进行退火，保温60min。
循环淬火过程中两个主要参数为保温温度和保温时间，本发明设计的合金钢在900℃已能满足材料奥氏体化的要求，若温度过高会使得奥氏体晶粒长大，因此在循环淬火中均选取900℃作为奥氏体化温度。一次淬火后奥氏体晶粒较为均匀，但晶粒尺寸相对较大，经过二次循环淬火且当保温时间增加至10min后，部分奥氏体境晶界变得平直，较一次淬火后有明显的细化。三次循环淬火过程中奥氏体晶粒由许多新形成的不规则细小晶粒和转变未完成的二次循环淬火粗大奥氏体晶粒组成，随着保温时间延长，新形成细小奥氏体晶粒有逐渐长大的趋势，当保温时间为5min时，原始奥氏体晶粒尺寸趋于均匀化，继续保温奥氏体晶粒尺寸逐渐增大，因此三次循环淬火保温时间在1～5min。
作为本发明的进一步改进，所述的铸钢件材料中的C、Mn、Al优选质量分数分别为0.2%、9%、3.5%。
本发明的有益效果：
1、本发明经过合理的铸钢材料设计，采用奥氏体逆转变工艺，室温下可获得δ-铁素体、临界铁素体和残留亚稳态奥氏体的复相组织，残留亚稳态奥氏体含量高，制备的合金钢具有很好的力学综合性能。
2、本发明在奥氏体逆转变工艺前采用循环淬火，明显的细化原始奥氏体晶粒，进而在退火过程中可获得较为细小的奥氏体团束，进一步提高残留亚稳态奥氏体的含量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种奥氏体核级合金钢的制作方法，包括以下步骤：
（1）铸钢件材料的优化设计，所述铸钢件材料由如下质量分数的合金组分优化设计而成：C：0.1%，Mn：5%，Al：3%，P≤0.04%，S≤0.03%，Cr：17.0%，Ni：8.0%，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）将上述铸钢材料在中频真空感应熔炼炉中进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇筑成钢锭，将钢锭去氧化皮后采取自由锻造，得到铸态钢锭；
（3）将铸态钢锭升温至900℃进行水淬，保温30min，然后快速升温至900℃进行水淬，保温10min，再次快速升温至900℃进行水淬，保温1~5min，最后降温至750℃进行退火，保温60min，最后通过水冷至室温，得到成品合金钢件。
实施例2
一种奥氏体核级合金钢的制作方法，包括以下步骤：
（1）铸钢件材料的优化设计，所述铸钢件材料由如下质量分数的合金组分优化设计而成：C：0.4%，Mn： 12%，Al： 4%，P≤0.04%，S≤0.03%，Cr： 20.0%，Ni： 11.0%，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）将上述铸钢材料在中频真空感应熔炼炉中进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇筑成钢锭，将钢锭去氧化皮后采取自由锻造，得到铸态钢锭；
（3）将铸态钢锭升温至900℃进行水淬，保温30min，然后快速升温至900℃进行水淬，保温10min，再次快速升温至900℃进行水淬，保温1~5min，最后降温至750℃进行退火，保温60min，最后通过水冷至室温，得到成品合金钢件。
实施例3
1. 一种奥氏体核级合金钢的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）铸钢件材料的优化设计，所述铸钢件材料由如下质量分数的合金组分优化设计而成：C：0.2%，Mn：9%，Al：3.5%，P≤0.04%，S≤0.03%，Cr：18%，Ni：9.5%，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）将上述铸钢材料在中频真空感应熔炼炉中进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇筑成钢锭，将钢锭去氧化皮后采取自由锻造，得到铸态钢锭；
（3）将铸态钢锭升温至900℃进行水淬，保温30min，然后快速升温至900℃进行水淬，保温10min，再次快速升温至900℃进行水淬，保温1~5min，最后降温至750℃进行退火，保温60min，最后通过水冷至室温，得到成品合金钢件。
对比例
以发明专利CN201210199185.4中的实施例作为对比，具体如下：
1、挑选优质原材料，选用含碳量≤0.03的微碳铬铁；镍板选用0#镍板、原生态废钢优质顶级材料，其杂质少、有害元素低、尤其是Co、B含量很低。
2、原材料炉料及铁合金净化处理：将优质合金元素材料，微碳铬铁、VCr3、0#镍板+70%原生态废钢酸洗，再用清水再次清洗（去除残留酸液），并经烘干，减少水分以防止气体形成。这一步骤的目的在于能够从源头净化钢水。
3、净化钢炉炉膛和包子，即为洗炉步骤，也就是在炼本实施例的钢种前，先炼一炉到二炉304L钢，这种钢中只有Cr、Ni无其它合金元素。所以炉膛和包子内残余钢水也只有Cr、Ni，并无其它合金元素，也就进一步达到了净化钢水作用。
4、合金元素优化组合，强化元素取上限，即C：0.025～0.030、Mn：1.50～1.90、Cr：18.00～19.00、Ni：9.00～11.00；有害元素取下限，尽量低，S≤0.015、P≤0.030、Co≤0.06、B≤0.0015、Pb≤0.001、Sn≤0.0025、As≤0.0025、Sb≤0.0025、Bi≤0.001(Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.05)，Ni、Cr当量高，提高其力学性能及防腐性能，有害元素少能够改善力学性能并提高使用寿命。
5、应用Si-Mn-Al-Ca复合脱氧剂，其中Mn：18～20%、Si：8～9%、Al：4.5～5%、Ca：4～4.5%其余为Fe。使非金属夹杂物凝聚浮起，化合物造渣，在EF炼钢时利用氧化期耙渣，还原期再次耙渣，清除钢水中的非金属夹杂物，净化钢水。
6、应用AOD或VODC精炼炉精炼脱碳，使其C含量达到0.02～0.025，即使得其碳含量在此范围取下限，也可提高抗腐蚀性能。
7、应用AOD或VODC精炼炉真空脱气、使其【H】≤2PPm、【O】≤20PPm
8、钢锭模事先进行打磨修缮不留氧化层，打磨后烘烤至80～120℃用热模浇注，浇注后用发热剂进行冒口保温，发热剂成分为铝粉12～14%、硅铁粉16～18%、硅钙粉12～14%、氧化锰14～15%、氧化铁16～18%、碳粉8～9%，其余为铝钒土。缓慢冷却内部均质，使钢锭补缩充足，提高钢锭利用率，冷却至150℃出模。
9、钢锭表面全部打磨出白，去除缺陷。
10、将钢锭进行锻造的成型加工，得到超纯奥氏体核级不锈钢。
实施例1～3以及对比例制备的成品合金钢件各力学性能见表1。
表1
Figure 413632DEST_PATH_IMAGE002
（注：RA为残留的亚稳态奥氏体）
由表1数据可以看出，本发明实施例制备的合金钢件亚稳态奥氏体转变率高，各方面力学性能均高于对比例制备的不锈钢的力学性能。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种奥氏体核级合金钢的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）铸钢件材料的优化设计，所述铸钢件材料由如下质量分数的合金组分优化设计而成：C：0.1%～0.4%，Mn：5%～12%，Al：3%～4%，P≤0.04%，S≤0.03%，Cr：17.0%～20.0%，Ni：8.0%～11.0%，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）将上述铸钢材料在中频真空感应熔炼炉中进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇筑成钢锭，将钢锭去氧化皮后采取自由锻造，得到铸态钢锭；
（3）将铸态钢锭先于900℃循环淬火保温，再于750℃下退火保温60min，最后通过水冷至室温，得到成品合金钢件。
2.根据权利要求1所述的奥氏体核级合金钢的制作方法，其特征在于，所述的步骤（3）具体工艺如下：
将铸态钢锭升温至900℃进行水淬，保温30min，然后快速升温至900℃进行水淬，保温10min，再次快速升温至900℃进行水淬，保温1~5min，最后降温至750℃进行退火，保温60min。
3.根据权利要求1所述的奥氏体核级合金钢的制作方法，其特征在于：所述的铸钢件材料中的C、Mn、Al优选质量分数分别为0.2%、9%、3.5%。
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Application publication date: 20210326

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