CN113416900B - 一种合金增强型高碳基碳素钢铸件材料及其铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合金增强改性的高碳基碳素钢铸件材料，所述高碳基碳素钢铸件材料由高碳基碳素钢、掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰经高温熔炼制得。所述铸件在0至‑26℃尤其是‑20℃左右具有优良的低温韧性性能和抗压强度，尤其适用于制造流体管道类低温阀体铸件。

Description

一种合金增强型高碳基碳素钢铸件材料及其铸造方法
技术领域
本发明属于铸件材料领域，具体涉及一种可在轻度低温环境中应用的合金增强改进型高碳基碳素钢阀体铸件材料及其制造方法。
背景技术
在阀体铸造领域，随着石油化工企业快速发展，对轻低温环境(0至-46℃尤其是-20℃左右)阀体产生了大量市场需求。特别地，在类流体(例如油，气，水，及化工溶液)管道系统，阀体往往涉及高速流速及截流，对材料的强度和韧性都存在较高要求。该类流体用途阀体由于流体性质所限，其普遍的低温环境在零下20℃左右。
目前，市场上超低温环境(例如零下100℃以下)通常采用不锈钢例如奥氏体不锈钢为主要阀体材料。然而，考虑到机械强度及生产成本等因素，对于一般低温例如零度至零下46℃左右通常采用低碳钢作为阀体铸件主要材料。例如，0至-46℃范围内通常采用LCB和LCC作为低温阀门的铁素体类钢,以符合ASTM A352/A352M的规范要求。
对于该范围温度，现有技术中通常不采用中高类型碳钢(该类碳钢C含量通常在0.3％以上，甚至高达1％)；即使采用较高碳含量的钢，后续加工中也需要进行降低碳含量的相应处理。
这是由于低碳钢由于具有较好的塑性与韧性，能够在低温下一定程度上克服脆化问题。而高碳钢(C含量通常在0.3％以上)虽然具有较好的硬度等机械强度，但是无法确保低温下具有足够的塑性与韧性，影响阀体材料的延伸率和低温冲击功等参数。直接采用该类材料生产铸件时，容易出现材质缺陷尤其是抗拉强度及低温冲击功不合格，达不到使用标准的要求。
但是，对于零下二十度左右的使用环境，采用低碳钢的弊端在于，一方面大规模使用时低碳钢的原材料相对成本高，或者后续需要降碳处理，增加工序和成本；另一方面相对低碳钢例如LCB/LCC钢的C含量通常在0.3％以下，该类亚共析钢热处理后的金相组织为珠光体和铁素体，由于原料中C含量较低，导致热处理后的组织中珠光体的比例也较少，因此其塑性虽然较好但是强度较低。
现有技术中，CN105385802A公开了低温高韧性球墨铸铁蝶阀体的铸造工艺，其工艺步骤繁琐，且采用大颗粒碳化硅，以及各类孕育剂、球化剂，使得才能满足力学性能。而专利申请202010741430则采用了成本较高的低碳钢材料，并添加了过多的合金添加材料组分，导致成本过高，制备工艺复杂，且在零下二十度左右的环境下性能严重过剩。
因此，如何避免或降低轻度低温(零至零下二十六度，尤其是零下二十度左右)下高碳钢铸件材料的脆性，使材料在不经过降低碳含量处理且无需添加过多合金组分的情况下也能确保阀体铸件具有足够的塑性与韧性，是现有技术中需要解决的难题之一。
发明内容
为实现上述发明目的，本发明提供一种合金增强改性的高碳基碳素钢铸件材料及其制备方法，所述铸件在0至-26℃尤其是-20℃±5℃具有优良的塑性和韧性，具有较好的低温冲击性能，尤其适用于制造流体管道类低温阀体铸件。
所述高碳基碳素钢铸件材料基于特定合金掺杂改性的碳基碳素钢原料制得，通过掺杂合金和碳化硅、锰等改性组分以及特定的热处理工艺调整铸件整体性能，并控制组织中的铁素体等组分与含量分布比例来提升低温冲击性能，优化了塑性和韧性及细化晶粒的目的(由于高碳基碳素钢原料C含量较高使得材料强度较高，一般无需优化硬度)。
具体地，本发明提供一种合金增强改性的高碳基碳素钢铸件材料，所述高碳基碳素钢铸件材料由高碳基碳素钢、掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰经1400℃以上高温熔炼制得。
优选地，高碳基碳素钢在原料总重中比例优选不低于90wt％。
进一步优选地，基于高碳基碳素钢原料的质量计，物料其他组分用量比例为：掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料3-10％，优选5-10％(即，相当于高碳基碳素钢原料的5-10wt％)，大颗粒碳化硅0.1-0.2％，锰0.1-0.3％(优选0.2-0.3％)。
其中，所述高碳基碳素钢的碳含量范围为0.3-0.9％，优选C含量为0.3-0.7％；更优选地，其以质量％计含有：0.30％≤C≤0.60％，0.10％≤Si≤0.50％，0.50％≤Mn≤1.0％，S≤0.05％，P≤0.05％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％(且Ni、Cr、Mo总量小于1％)，其余为Fe。
其中，所述高镍基奥氏体不锈钢原料，其以质量％计含有碳(C)0.1％以下；优选地，其以质量％计含有：C≤0.05％，Cr：15-18％，Ni:12-15％，钼Mo:2-3％，Si:0.5-1％，其余为铁(Fe)和不可避免的杂质；杂质中的P≤0.03％，S≤0.03％，以及Sn+As+Pb≤0.03％。
其中，所述大颗粒碳化硅粒径范围100-500μm，优选100-300μm；微颗粒碳化硅粒径范围5-50μm，优选10-30μm。
其中，所述的掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料通过如下步骤制备(即，掺杂微颗粒SiC的不锈钢预处理方法)：
1)在带有搅拌装置的真空熔炼炉中，将100份奥氏体不锈钢合金置于炉底并将10-30份(优选10-20份)微颗粒碳化硅粉置于上部加料仓，密封，抽真空；
2)加热升温使得奥氏体不锈钢合金完全熔化后，开启搅拌对熔融合金以200-300rpm速率进行搅拌3-10min；随后适当升温增加炉体温度(优选升高100-150℃)并缓慢分批加料微颗粒碳化硅粉，控制加料速度和加料面积使得加料尽可能均匀(优选采用熔体面积全覆盖式加料方式)；加料完毕后维持炉体温度继续搅拌15-30min；
3)适度降温(优选降低50-100℃)并降低搅拌速度至100-150r/min，进行低速搅拌10-15min，然后停止搅拌保温处理15-30min；保温后充入氩气等惰性气体使得炉内气压上升稳定到大气压后，出炉倒入模具中风冷至500-600℃，保温4-6h后继续风冷至100℃左右，然后水淬使其快速降温至室温左右，将所得合金锭快块机械粉碎成颗粒态备用；粒径范围优选0.5-10mm。
第二个方面，本发明还提供一种合金改性的高碳基碳素钢铸件的制备方法，包括如下步骤：
1)原料熔炼：
S1：按照一定质量比例称取以下各物料：高碳基碳素钢，掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料，大颗粒碳化硅，锰(其中，主原料高碳基碳素钢经除锈或表面打磨预处理以去除表面杂质)；
S2：在氮气氛围中，将主原料高碳基碳素钢在电炉设备中加热至1400℃以上使其熔融，熔融后在搅拌下依次、分批加入掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰粉；原料加料完毕后升温至1500℃以上(优选1550-1580℃)继续搅拌10-15min，停止搅拌后静置5-15min，从而得到熔炼的合金液原料。
其中，基于高碳基碳素钢原料的质量计，物料其他组分用量比例为：掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料5-10％(即，相当于高碳基碳素钢原料的5-10wt％)，大颗粒碳化硅0.1-0.2％，锰0.2-0.3％。
该步骤中，由于采用惰性气体氛围熔炼，可以无需进行脱氧处理工序；可选地，必要时进行脱硫处理或造渣等其他调质处理。
该步骤中，所述控制高镍基奥氏体不锈钢和高碳基碳素钢原料的各组份及杂质含量满足本发明前述要求。必要时，对个别组分含量不达标的高碳基碳素钢原料熔融进行造渣或脱硫等工序的调质处理，使得杂质含量符合所述要求；对杂质进行调整的各种调质处理技术手段在本领域是已知的，在此不再赘述。
通过原料的严格把控，可以减少或避免后续处理步骤中需要进行的调质处理，从而大大简化了铸造工序，提高了制造效率。
2)浇注：将熔炼的合金液温度降至1450-1480℃进行浇注，浇注后待铸件温度冷却至500℃以下(优选400-500℃)时分离铸件，去除浇冒口、铸件表面平滑整理后得到成型坯件；
3)热处理调质：在热处理炉中进行如下特定步骤S1-S2的双重热处理：
S1：梯度升温-回火处理：
将所得成型坯件放入电热处理炉中，先以90-100℃/h的速率升温至650-700℃，保温0.5-1h；再以120-150℃/h的速率升温至820-870℃，保温2-3h后停止加热；坯件在炉内自然降温至600-620℃，然后出炉进行风冷降至100-150℃；再以60-90℃/h的恒定速率加热到700℃±10℃，持续保温1-2h后出炉空冷至室温。
S2：二次调质：
将上述经过回火处理的坯件以100-120℃/h的速率升温至700-750℃，保温1-2h后水淬至100-200℃，然后再次以100-120℃/h速率加热到700℃±10℃，保温2-3h后停止加热，待炉内自然降温至500℃±20℃出炉，坯件出炉后自然冷却至常温，从而得到热处理调质后的成型品。
第三个方面，本发明还提供基于上述方法得到的铸件制品，尤其是阀体铸件。
第四个方面，本发明还提供上述合金改性的高碳基碳素钢铸件在用于低温环境的阀体铸件制造中的用途，其中所述低温环境优选为零至零下26℃。
本发明具有如下有益的技术效果。
1)本发明所述高碳基碳素钢材料制备的阀体铸件具有优良的塑性与韧性，适用于零至零下二十六度的轻度低温环境(尤其是零下二十度左右具有优良低温冲击韧性)，尤其适用于流体管道阀体铸件制造。
2)本发明通过对低成本、高强度高碳基碳素钢原料的合金增强改性,并适应性确定了特定的热处理方法,控制组织中的铁素体等组分与含量分布，优化了塑性和韧性及细化晶粒的目的解决了高碳基碳素钢的低温冲击韧性不稳定的问题,提高了低温阀铸件的质量，其平均抗拉强度≥600MPa，延伸率≥20％，-26℃下试样平均冲击指数(Ak值)≥50J，可以适用于包括石油化工和医药化工在内领域的企业和市场对轻低温阀的大量需求。
3)本发明无需添加多种合金，主要改性材料为掺杂碳化硅的不锈钢，由于较少的添加组分，可以有效减少添加的多种合金元素在钢组织中的偏析，使组织机构更加细腻均匀。另外，无氧氛围下的制造工艺简洁，避免了繁琐的除渣、脱氧等调质工序。适合大批量生产制造。
4)本发明制备过程中通过分批和多次覆盖式投入大颗粒碳化硅粉料，避免了粉末在熔体上堆积、结团或裹气，有效避免了气泡的产生，提高了铸件质量。另外，通过其他部分的微颗粒碳化硅对不锈钢合金改性，使得添加碳化硅的分布更加均匀，进一步降低了加入碳化硅带来的结团或表面气体对熔体性质的影响，有效去除了微颗粒粉末添加带来的气泡效应，使得在无需高速搅拌下即可达到分散均匀的目的。而且，大小颗粒形态分别对应不同规模和性质原料的熔炼，成质更加均匀。
具体实施方式
下面具体的实施例仅用来例举本发明，并非对保护范围构成任何限定。
制备例1
制备掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料
1)在带有搅拌装置的真空熔炼炉中，将65kg奥氏体不锈钢(其以质量％计含有：C0.03％，Cr 16.2％，Ni 14.5％，Mo 2.3％，Si:0.6％，其余为铁和不可避免的杂质；杂质中的P≤0.03％，S≤0.03％，以及Sn+As+Pb≤0.03％)合金置于炉底并将13kg微颗粒碳化硅粉(平均粒径30μm，含硅量60-65％)置于上部加料仓，密封，抽真空；
2)加热升温至约1580℃使得奥氏体不锈钢合金完全熔化后，开启搅拌对熔融合金以260rpm速率进行搅拌5min；随后适当升温增加炉体温度(升高约50℃)并缓慢分批加料微颗粒碳化硅粉，采用熔体面积全覆盖式均匀加料；加料完毕后维持炉体温度继续搅拌15min；
3)降温至1530℃并降低搅拌速度至120r/min，进行低速搅拌10min，然后停止搅拌保温处理15min；保温后充入氩气使得炉内气压上升稳定到大气压后，出炉倒入模具中风冷至500-550℃，保温4h后继续风冷至100℃左右，然后水淬使其快速降温至室温，将所得合金锭快机械粉碎成1-5mm的碎颗粒态备用。
实施例1
合金改性的高碳基碳素钢铸件的制备方法，包括如下步骤：
1)原料熔炼：
S1：按照质量比例称取以下各物料：表面洁净处理的市售干燥高碳基碳素钢约0.8吨(其以质量％计约含有：C 0.6％，Si 0.40％，Mn 0.8％，且S≤0.05％，P≤0.05％，Ni0.35％，Cr 0.3％，Mo 0.16％，其余为Fe以及不可避免杂质)，制备例1制备的掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料62kg，大颗粒碳化硅1.5kg(平均粒径约0.2mm)，锰2kg；
S2：用氮气置换电炉设备中的空气氛围，再将主原料高碳基碳素钢在电炉设备中加热至1400℃以上使其熔融，熔融后在搅拌下分批(分4-5批)、依次加入掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰粉(锰颗粒约0.5-1mm)，即首先加入不锈钢预处理料，最后加入锰粉；原料加料完毕后升温至1560℃继续搅拌10min，停止搅拌后静置5min，从得到熔炼的合金液原料。
2)浇注：将熔炼的合金液温度降至1460℃进行浇注，浇注后待铸件温度冷却至450-500℃时分离铸件，去除浇冒口、铸件表面平滑整理后得到成型坯件；
3)热处理调质：在热处理炉中进行如下步骤的双重热处理进行调质：
S1：梯度升温-回火处理：
将所得成型坯件放入电热处理炉中，先以90℃/h的速率升温至680℃，保温0.5h；再以120℃/h的速率升温至850℃，保温2h后停止加热；坯件在炉内自然降温至600℃，然后出炉进行风冷降至100℃；再以60℃/h的恒定速率加热到700℃±10℃，持续保温2h后出炉空冷至室温。
S2：二次调质：
将上述经过回火处理的坯件以120℃/h的速率升温至700℃，保温1h后水淬至约120℃，然后再次以120℃/h速率加热到700℃±10℃，保温3h后停止加热，待炉内自然降温至约500℃出炉，坯件出炉后自然冷却至常温，从而得到热处理调质后的成型品。
实施例2
1)原料熔炼：
S1：按照质量比例称取以下各物料：表面洁净处理的市售干燥高碳基碳素钢约0.8吨(质量组成同上)，制备例1制备的掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料80kg，大颗粒碳化硅1.6kg，锰2.3kg；
S2：用氮气置换电炉设备中的空气氛围，将主原料高碳基碳素钢在电炉设备中加热使其熔融，熔融后在搅拌下分批(分5批)、依次加入掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰粉；原料加料完毕后升温至1550℃继续搅拌10min，停止搅拌后静置5min，从得到熔炼的合金液原料。
2)浇注：将熔炼的合金液温度降至1480℃进行浇注，浇注后待铸件温度冷却至450-500℃时分离铸件，去除浇冒口、铸件表面平滑整理后得到成型坯件；
3)热处理调质：在热处理炉中进行如下步骤的双重热处理进行调质：
S1：梯度升温-回火处理：
将所得成型坯件放入电热处理炉中，先以96℃/h的速率升温至700℃，保温1h；再以150℃/h的速率升温至870℃，保温3h后停止加热；坯件在炉内自然降温至600℃，然后出炉进行风冷降至约150℃；再以90℃/h的恒定速率加热到700℃±5℃，持续保温2h后出炉空冷至室温。
S2：二次调质：
将上述经过回火处理的坯件以120℃/h的速率升温至750℃，保温1-2h后水淬至约100-150℃，然后再次以120℃/h速率加热到700℃±5℃，保温3h后停止加热，待炉内自然降温至约500℃出炉，坯件出炉后自然冷却至常温，从而得到热处理调质后的成型品。
对比实施例1
制备步骤参考实施例1，区别在于步骤1)：该对比实施例中用等量的未经任何处理的高镍基奥氏体不锈钢原料代替掺杂微颗粒SiC的不锈钢预处理料，且不添加额外的大颗粒碳化硅组分；其余步骤相应地按照实施例1中进行。
对比实施例2
制备步骤1)-2)同实施例1，区别在于步骤3)热处理调质：该对比例不经二次调质，仅经过S1步骤即梯度升温-回火处理。
效果实施例
低温韧性试验方法参考专利申请202010741430中的低温韧性性能测试方法(ASTMA370)，具体如下。
以实施例1中的高碳基碳素钢原料为基本对照试样，将钢材熔化浇注成试样坯(其余样坯规范相同)。除了基本对照试样以外，其余试验组样坯经相应实施例中的热处理步骤处理，每组取样5件(取最优值、最差值、平均值进行比较)(除基本对照试样以外，由于实施例组和对比例组样品的平均抗拉强度均超过600MPa(符合阀体铸件强度大于450MPa的要求)，延伸率均超过20％，均符合阀体铸造材料要求，在此不再进行对比)。
试样的低温韧性性能标准按照ASTM A370进行，在冲击试验机上测量-26℃下的低温冲击韧性值(Ak值，J·cm-2)，结果见下表。
表1铸件试样低温韧性性能
Figure BDA0003135872890000091
综上，本发明实施例组的高碳钢铸件具有特定的原料组成、制备工艺和合适的热处理工艺，在具有优良强度机械性能的基础上，在-26℃环境下具有显著提高的低温冲击韧性值，适用于零下二十度左右环境的流体管道阀体铸件制造。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种合金增强改性的高碳基碳素钢铸件材料，其特征在于，所述高碳基碳素钢铸件材料由高碳基碳素钢、掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰经1400℃以上高温熔炼制得；其中，基于高碳基碳素钢原料的质量计，其他组分质量用量比为：掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料5-10％，大颗粒碳化硅0.1-0.2％，锰0.2-0.3％；
其中，所述高碳基碳素钢的碳含量范围为0.3-0.9％；
其中，所述高镍基奥氏体不锈钢原料，以质量％计含有碳0.1％以下；
其中，所述大颗粒碳化硅粒径范围100-300μm，微颗粒碳化硅粒径范围5-50μm；
其中，所述掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料通过如下步骤制备得到：
1) 在带有搅拌装置的真空熔炼炉中，将100份奥氏体不锈钢合金置于炉底并将10-30份微颗粒碳化硅粉置于上部加料仓，密封，抽真空；
2) 加热升温使得奥氏体不锈钢合金完全熔化后，开启搅拌对熔融合金以200-300rpm速率进行搅拌3-10min；随后适当升温增加炉体温度并缓慢分批加料微颗粒碳化硅粉，控制加料速度和加料面积使得加料均匀；加料完毕后维持炉体温度继续搅拌15-30min；
3) 降温50-100℃并降低搅拌速度至100-150rpm，进行低速搅拌10-15min，然后停止搅拌保温处理15-30min；保温后充入惰性气体使得炉内气压上升稳定到大气压后，出炉倒入模具中风冷至500-600℃，保温4-6h后继续风冷至100℃左右，然后水淬使其快速降温至室温，将所得合金锭块机械粉碎成颗粒态备用。
2.根据权利要求1所述的高碳基碳素钢铸件材料，其特征在于，所述高碳基碳素钢以质量％计含有：0.30％≤C≤0.60％，0.10％≤Si≤0.50％，0.50％≤Mn≤1.0％，S≤0.05％，P≤0.05％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，且Ni、Cr、Mo总量小于1％，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的高碳基碳素钢铸件材料，其特征在于，所述高镍基奥氏体不锈钢原料以质量％计含有：C≤0.05％，Cr:15-18％，Ni:12-15％，Mo:2-3％，Si:0.5-1％，其余为铁和不可避免的杂质；且杂质中的P≤0.03％，S≤0.03％。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述高碳基碳素钢铸件材料的铸件制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1) 原料熔炼：
S1：按照一定质量比例称取以下各物料：高碳基碳素钢，掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料，大颗粒碳化硅，锰；其中，基于高碳基碳素钢原料的质量计，物料其他组分用量比例为：掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料5-10％，大颗粒碳化硅0.1-0.2％，锰0.2-0.3％；
S2：在氮气氛围中，将主原料高碳基碳素钢在电炉设备中加热至1400℃以上使其熔融，熔融后在搅拌下依次、分批加入掺杂微颗粒SiC的高镍基奥氏体不锈钢预处理料、大颗粒碳化硅以及金属锰粉；原料加料完毕后升温至1500℃以上继续搅拌10-15min，停止搅拌后静置5-15min，得到熔炼的合金液原料；
2) 浇注：将熔炼的合金液温度降至1450-1480℃进行浇注，浇注后待铸件温度冷却至500℃以下时分离铸件，去除浇冒口、铸件表面平滑整理后得到成型坯件；
3) 热处理调质：在热处理炉中进行如下步骤的双重热处理：
S1：梯度升温-回火处理：
将所得成型坯件放入电热处理炉中，先以90-100℃/h的速率升温至650-700℃，保温0.5-1h；再以120-150℃/h的速率升温至820-870℃，保温2-3h后停止加热；坯件在炉内自然降温至600-620℃，然后出炉进行风冷降至100-150℃；再以60-90℃/h的恒定速率加热到700℃±10℃，持续保温1-2h后出炉空冷至室温；
S2：二次调质：
将上述经过回火处理的坯件以100-120℃/h的速率升温至700-750℃，保温1-2h后水淬至100-200℃，然后再次以100-120℃/h速率加热到700℃±10℃，保温2-3h后停止加热，待炉内自然降温至500℃±20℃出炉，坯件出炉后自然冷却至常温，从而得到热处理调质后的铸件成品。
5.根据权利要求4所述方法制造得到的铸件成品。
6.根据权利要求5所述的铸件成品 ，其特征在于，所述铸件成品 为用于零至零下26℃低温环境的阀体铸件。
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