CN112575242B - 一种合金结构用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合金结构用钢，其化学元素质量百分比为：C：0.35‑0.45％、Si：0.27‑0.35％、Mn：0.6‑0.8％、Al：0.015‑0.05％、V：0.06‑0.1％、Zr：0.2‑1.0％、Mg：0.001‑0.005％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、O≤0.001％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述的合金结构用钢的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼、精炼和浇铸；(2)初轧开坯；(3)二次热轧成材；(4)热处理：淬火+回火。该合金结构用钢采用微量合金元素添加设计，进一步强化、韧化该合金结构用钢且制造成本低廉。

Description

一种合金结构用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种结构用钢及其制造方法。
背景技术
40CrV可以用于制造变载、高负荷的各种重要零件，如机车连杆、曲轴、推杆、螺旋桨、横梁、轴套支架、双头螺柱、螺钉、不渗碳齿轮、经渗氮处理的各种齿轮和销子、高压锅炉水泵轴(直径小于30mm)、高压气缸、钢管以及螺栓(其工作温度小于420℃，强度为30MPa)等。
按照合金结构钢标准(GB/T 3077-2015)，现有的40CrV成份范围如下：C 0.37-0.44wt％；Si 0.17-0.37wt％；Mn 0.5-0.8wt％；S≤0.015wt％；P≤0.025wt％；Cr 0.8-1.1wt％；V 0.1-0.2wt％；Al≥0.015wl。该钢种力学性能如下：屈服强度(Rel)≥735MPa；抗拉强度(Rm)≥885MPa；延伸率≥10％；硬度≥241HB；冲击韧性≥71J。
随着技术的发展，该钢种的力学性能不能够完全满足目前实际应用和制造的要求，基于此，期望获得一种力学性能更高、冲击韧性更好、成本更合理的合金结构用钢，以满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种合金结构用钢，该合金结构用钢采用微量合金元素添加设计，通过添加适量的Zr、Mg，控制较低含量的总氧，利用所添加微量合金元素的特点，进一步强化、韧化该合金结构用钢，使得该合金结构用钢具有较高的强度，且材料成本较低。
为了实现上述目的，本发明提出了一种合金结构用钢，其化学元素质量百分比为：
C：0.35-0.45％、Si：0.27-0.35％、Mn：0.6-0.8％、Al：0.015-0.05％、V：0.06-0.1％、Zr：0.2-1.0％、Mg：0.001-0.005％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、O≤0.001％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
在本发明所述的合金结构用钢中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的合金结构用钢中，C主要影响碳化物的析出量和析出温度范围。控制较低的C的质量百分比有利于改善本发明所述的合金结构用钢的力学性能。此外，C具有一定的强化作用，但是，过高的C的质量百分比会降低材料的耐蚀性能。考虑到冶炼设备的生产能力以及兼顾材料的力学性能和冲击韧性，在本发明所述的合金结构用钢中控制C的质量百分比为0.35-0.45％。
Si：Si在钢中可以提高的强度，但是，对钢的成型性和韧性不利。此外，Si在冶炼过程中常有残留，因此，适当选择Si的含量很重要。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Si的质量百分比为0.27-0.35％。
Mn：Mn是较弱的奥氏体元素，可抑制合金结构用钢中硫的有害作用，改善热塑性。但是，Mn的质量百分比过高不利于保证其耐腐蚀性。考虑到Mn冶炼过程中常有残留，因此，在本发明所述的技术方案中控制Mn的质量百分比为0.6-0.8％。
Al：在本发明所述的合金结构用钢中，Al主要通过控制钢中氧含量影响位错行为来强化合金。增加Al的总量可以明显地提高固溶温度、力学性能，但会有损塑性。此外，添加Al有利于钢的延伸变形性能，改善钢的加工性能。过高的Al含量会降低钢的冲击韧性。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Al的质量百分比为0.015-0.05％。
V：在本发明所述的技术方案中，V与碳、氧有极强的亲和力，可形成相应的稳定化合物。V在钢中主要以碳化物形式存在，V的主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当V在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，若以碳化物形式存在时，降低淬透性。此外，V可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性，故在合金结构钢中常和锰、铬元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比，细化晶粒，过热敏感性。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制V的质量百分比为0.06-0.1％。
Zr：在本发明所述的合金结构用钢中，Zr是强碳化物形成元素，它在钢中的作用与铌、钽、钒相似。加入少量Zr可以起到脱气、净化和细化晶粒作用，有利于钢的低温性能，改善冲压性能。并且，添加少量Zr，部分Zr固溶在钢中，形成适量的ZrC、ZrN，有利于细化晶粒，改善冲压性能。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Zr的质量百分比为0.2-1.0％。
Mg：Mg是一种十分活泼的金属元素，其与O、N、S都有很强的亲和力。因此，Mg在钢铁冶炼中是一种良好的脱氧和脱硫剂，同时也是铸铁良好的球化剂。但Mg很难溶解于铸铁的基体中，而以化合物MgS、MgO、Mg3N2、Mg2Si状态存在。此外，Mg和C还可以形成一系列的化合物，如MgC2、Mg2C3。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Mg的质量百分比为0.001-0.005％、
P和S：它们均会严重影响本案的合金结构用钢的力学性能和加工性能，必须严格控制其质量百分比，因此，P≤0.025％、S≤0.015％、
N：N是稳定奥氏体元素。控制较低的N的质量百分比有利于改善本发明所述的合金结构用钢的冲击韧性。此外，较高的氮的质量百分比会导致钢的韧性和延展性减少，并且还会减少可热加工性。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制N的质量百分比为N≤0.005％。
O：在本发明所述的合金结构用钢中，O主要以氧化物夹杂存在，总氧含量高表明夹杂物较多。降低总氧含量有利于提高材料的综合性能。为了保证材料良好的力学和耐蚀性能，在本发明所述的技术方案中控制O的质量百分比为O≤0.001％。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，其还具有下述各化学元素的至少其中之一：Ce、Hf、La、Re、Sc和Y，这些元素的总添加量≤1％。
在本发明所述的技术方案中,优选地可以添加少量上述的稀土元素，以结合钢中氧、硫元素，形成稀土氧化物和硫化物，净化钢液并减小夹杂物尺寸。并且,所形成的稀土氧化物和硫化物可作为凝固过程形核质点，细化初始凝固晶粒，对改善钢材性能也有一定的帮助。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，其中各元素质量百分含量满足下列各项的至少其中之一：
V：0.08-0.1％；
Zr：0.3-0.7％；
Mg：0.001-0.003％。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，各元素的质量百分比含量之比还满足下列各项的至少其中之一：
Zr/N＝40-200；
Zr/V＝2-16.7；
Zr/C＝0.4-2.8。
上述方案中，控制Zr与N、V、C的质量百分比从而有利于控制ZrC、ZrN所形成的数量，而ZrC、ZrN的形成可以起到细化晶粒、改善钢力学性能以及冲压性能的作用，同时还可以起到固化钢中的部分N，减少固溶的N的质量百分比的作用。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，各元素的质量百分比含量之比还满足下列各项的至少其中之一：
Mg/O＝0.5-3；
Mg/S＝0.6-5.0。
上述方案中，控制Mg与O、S的质量百分比可以有利于在冷却凝固过程中在合金内MgO与MgS的形成数量，而MgS与MgO的形成一方面可以起到进一步细化晶粒、稳定奥氏体晶粒的作用，另一方面还可以减小合金中O、S对于晶界的危害，从而改善本案的合金结构钢的冲击韧性。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，其微观组织的基体为铁素体+珠光体，其中具有ZrC、ZrN、MgO、MgS质点。
上述质点可在连铸冷却凝固过程和热轧过程中进一步细化，并稳定奥氏体晶粒尺寸，从而避免在坯料或是最终产品的表面形成缺陷，同时也可以改善产品的力学性能。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，ZrC、ZrN质点的数量为3-15个/mm2。
上述方案中，本案发明人发现将ZrC、ZrN质点的数量控制在3-15个/mm2，对于细化晶粒、改善钢力学性能以及冲压性能以及固化钢中的部分N，减少固溶的N的质量百分比所起到的效果更佳。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，MgO、MgS质点的数量为5-20个/mm2。
上述方案中，本案发明人发现将MgO、MgS质点的数量控制为5-20个/mm2对于进一步细化晶粒、稳定奥氏体晶粒以及减小合金中O、S对于晶界的危害，从而改善本案的合金结构钢的冲击韧性所起到的效果更佳。
进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，质点的直径为0.2-7μm。
进一步地，在本发明项所述的合金结构用钢中，其屈服强度≥755MPa、抗拉强度≥900MPa，延伸率≥12％，冲击韧性≥100J。
相应地，本发明的另一目的在于提供上述的合金结构用钢的制造方法，通过该制造方法可以获得力学性能更高、冲击韧性更好、成本更合理的合金结构用钢。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的合金结构用钢的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼、精炼和浇铸；
(2)初轧开坯；
(3)二次热轧成材；
(4)热处理：淬火+回火。
需要说明的是，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)可以采用电炉冶炼、LF和VD(或RH)精炼，并且可以在VD(或RH)精炼末期，先后加入少量的锆铁、和镁铝合金，待钢中的各化学元素质量百分比满足本案所限定的范围后，进行吹氩气的软搅拌，氩气流量控制在5-8升/min。
在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，浇铸可以采用大方坯连铸，拉速控制为0.45-0.65m/min；采用结晶器保护渣，并且采用结晶器电磁搅拌，电流为500A，频率为2.5-3.5Hz，连铸后的大方坯等轴晶比例≥20％。
在一些优选的实施方式中，在步骤(2)中，初轧开坯前可以对坯料进行预处理，例如可以对其进行表面精整修磨，去除可见的表面缺陷，保证表面质量良好。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)和(3)中，加热温度为1150～1250℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法，在步骤(4)中，淬火加热温度为855-890℃，冷却速度控制在50-90℃/s；回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min。
需要说明的是，在步骤(4)中，淬火采用的冷却剂可以为矿物油，回火采用的冷却剂可以为矿物油或水。
本发明所述的合金结构用钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的合金结构用钢采用微量合金元素添加设计，通过添加适量的Zr、Mg，控制较低含量的总氧，利用所添加微量合金元素的特点，进一步强化、韧化该合金结构用钢，使得该合金结构用钢具有较高的强度，且材料成本较低。
此外，通过本发明所述的制造方法可以获得一种力学性能极高、冲击韧性较好且制造成本低廉的合金结构用钢。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的合金结构用钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6以及对比例1-3
实施例1-6的合金结构用钢采用以下步骤制得：
(1)采用电炉冶炼冶炼、LF精炼和浇铸。
(2)初轧开坯：加热温度为1150～1250℃。
(3)二次热轧成材：加热温度为1150～1250℃。
(4)热处理：淬火+回火，其中，淬火加热温度为855-890℃，冷却速度控制在50-90℃/s，冷却剂采用矿物油；回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min，冷却剂采用矿物油或水。
需要说明的是，在一些其他的实施方式中，精炼也可以采用RH精炼，并且可以在VD(或RH)精炼末期，先后加入少量的锆铁、和镁铝合金，待钢中的各化学元素质量百分比满足本案所限定的范围后，进行吹氩气的软搅拌，氩气流量控制在5-8升/min。
在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，浇铸可以采用大方坯连铸，拉速控制为0.45-0.65m/min；采用结晶器保护渣，并且采用结晶器电磁搅拌，电流为500A，频率为2.5-3.5Hz，连铸后的大方坯等轴晶比例≥20％。
在一些优选的实施方式中，在步骤(2)中，初轧开坯前可以对坯料进行预处理，例如可以对其进行表面精整修磨，去除可见的表面缺陷，保证表面质量良好。
对比例1-3采用现有技术的成分以及制造工艺获得。
表1列出了实施例1-6的合金结构用钢以及对比例1-3的现有结构用钢的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)
Figure BDA0002217456060000071
Figure BDA0002217456060000081
表2列出了所获得的实施例1-6的合金结构用钢以及对比例1-3的现有结构用钢中微观组织的情况。
表2.
Figure BDA0002217456060000082
表3列出了实施例1-6的合金结构用钢以及对比例1-3的现有合金结构用钢的具体工艺参数。
表3.
Figure BDA0002217456060000083
为了验证本案的实施效果，同时证明本案较之现有技术的优异效果，将实
实施例1-6的合金结构用钢以及对比例1-3的现有结构用钢进行力学测试。测试采用的是25mm厚度的钢材。
表4列出了各个实施例以及对比例的测试结果。
表4.
编号 屈服强度R<sub>el</sub>(MPa) 抗拉强度R<sub>m</sub>(MPa) 延伸率(％) 冲击韧性(J)
实施例1 755 900 12 123
实施例2 765 905 13 125
实施例3 763 910 12 108
实施例4 770 908 14 137
实施例5 767 912 13 117
实施例6 758 907 12 100
对比例1 735 885 10 78
对比例2 730 890 11 85
对比例3 732 893 10 73
结合表2和表4可以看出，本案各实施例的合金结构用钢由于其微观组织为铁素体+珠光体，其中具有ZrC、ZrN、MgO、MgS质点，这些质点起到了到细化、稳定奥氏体晶粒的作用，有利于提高材料力学性能，因此本案各实施例的合金结构用钢相较于采用现有技术的对比例1-3的现有结构用钢，力学性能表现更好，各实施例的合金结构用钢的屈服强度≥755MPa、抗拉强度≥900MPa，延伸率≥12％，冲击韧性≥100J。
综上所述，本发明所述的合金结构用钢采用微量合金元素添加设计，通过添加适量的Zr、Mg，控制较低含量的总氧，利用所添加微量合金元素的特点，进一步强化、韧化该合金结构用钢，使得该合金结构用钢具有较高的强度，且材料成本较低。
此外，通过本发明所述的制造方法可以获得一种力学性能极高、冲击韧性较好且制造成本低廉的合金结构用钢。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种合金结构用钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
C：0.35-0.45％、Si：0.27-0.35％、Mn：0.6-0.8％、Al：0.015-0.05％、V：0.06-0.1％、Zr：0.2-1.0％、Mg：0.001-0.005％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、O≤0.001％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其微观组织的基体为铁素体+珠光体，其中具有ZrC、ZrN、MgO、MgS质点，ZrC、ZrN质点的数量为3-15个/mm2，MgO、MgS质点的数量为5-20个/mm2。
2.如权利要求1所述的合金结构用钢，其特征在于，其还具有下述各化学元素的至少其中之一：Ce、Hf、La、Re、Sc和Y，这些元素的总添加量≤1％。
3.如权利要求1所述的合金结构用钢，其特征在于，其中各元素质量百分含量满足下列各项的至少其中之一：
V：0.08-0.1％；
Zr：0.3-0.7％；
Mg：0.001-0.003％。
4.如权利要求1所述的合金结构用钢，其特征在于，各元素的质量百分比含量之比还满足下列各项的至少其中之一：
Zr/N＝40-200；
Zr/V＝2-16.7；
Zr/C＝0.4-2.8。
5.如权利要求1所述的合金结构用钢，其特征在于，各元素的质量百分比含量之比还满足下列各项的至少其中之一：
Mg/O＝0.5-3；
Mg/S＝0.6-5.0。
6.如权利要求1所述的合金结构用钢，其特征在于，所述质点的直径为0.2-7μm。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的合金结构用钢，其特征在于，其屈服强度≥755MPa、抗拉强度≥900MPa，延伸率≥12％，冲击韧性≥100J。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的合金结构用钢的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼、精炼和浇铸；
(2)初轧开坯；
(3)二次热轧成材；
(4)热处理：淬火+回火。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)和(3)中，加热温度为1150～1250℃。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，淬火加热温度为855-890℃，冷却速度控制在50-90℃/s；回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min。
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