CN114480978A - 一种非淬火和回火的微合金铸钢及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种非淬火和回火的微合金铸钢及其热处理方法，该非淬火和回火的微合金铸钢以质量百分含量计，包括C：0.08～0.2%，Mn：1～2%，Ni：1～3%，V：0.06～0.12%，Nb：0.03～0.07%，Mo：≤0.45%，Si：≤0.4%，Cr：≤0.05%，Als≤0.02%，N≤0.006%，W≤0.05%、S≤0.015%、P≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质，该非淬火和回火的微合金铸钢可采用扩散退火‑正火‑回火的热处理工艺得到。本发明的非淬火和回火的微合金铸钢的屈服强度高，适用于对铸件壁厚有一定要求、不便进行调质处理且有焊接需求的结构和工况。

Description

一种非淬火和回火的微合金铸钢及其热处理方法
技术领域
本发明涉及铸钢技术领域，具体涉及一种非淬火和回火的微合金铸钢及其热处理方法。
背景技术
目前船舶、石化、海工、建工等领域，大刚性结构部位往往需要采用大壁厚铸钢，这些铸钢对强韧性、焊接性等综合性能要求较高。为保证高强度和淬透性，传统的淬火回火型铸钢需要提高C和合金元素含量，这会对铸钢的韧性和焊接性产生不利影响，因此大壁厚铸钢难以同时兼顾材料的强韧性、热处理和焊接工艺性。
目前结构用非淬火回火型微合金铸钢件屈服强度一般不超过450MPa，韧性水平较低，450MPa以上级别的微合金铸钢件有相当比例的热处理方式采用淬火回火进行调质处理，以形成回火马氏体或者回火屈氏体获得高强度而非依赖沉淀强化，但这种组织的铸钢通常尺寸较小，大部分用于机械零件中，其添加微合金元素的主要目的是在保证铸件淬透性和强韧性的同时细化晶粒、降低成本。
目前公开的正火回火型铸钢专利中，采用微合金碳化物进行沉淀强化作为主要强化方式的有CN1916217A、CN100491573C、CN1570182A、CN1330788C、CN1033845A。其中，专利CN1916217A和CN100491573C涉及的铸钢主要用于柴油机机座，其组织为铁素体+弥散碳化物，屈服强度为480-500MPa，专利CN1570182A和CN1330788C涉及的铸钢，碳含量最高可达0.5%，其组织为贝氏体和马氏体，该成分和组织限制了铸件最大尺寸且不可焊接，主要用于机械零件，CN1033845A涉及的铸钢虽用于结构中，但其屈服强度较低，在450MPa以下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非淬火和回火的微合金铸钢及其热处理方法，该铸钢屈服强度高，适用于对铸件壁厚有一定要求、不便进行调质处理且有焊接需求的结构和工况。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：
一种非淬火和回火的微合金铸钢，以质量百分含量计，包括C：0.08～0.2% ，Mn：1～2%，Ni：1～3%，V：0.06～0.12%，Nb：0.03～0.07%，Mo：≤0.45%，Si：≤0.4%，Cr：≤0.05%，Als≤0.02%，N≤0.006%，W≤0.05%、S≤0.015%、P≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，C：0.09～0.19% ，Mn：1.5～1.9% ，Ni：1.5～2.9% ，V：0.07～0.11% ，Nb：0.03～0.06% ，Mo：≤0.35%，Si：≤0.35% 。
进一步地，非淬火和回火的微合金铸钢的热处理工艺包括以下步骤：
1)扩散退火：通过高温区保温对铸钢进行成分、组织均匀化处理；
2)正火：对均匀化处理后的铸钢进行组织细化处理；
3)回火：对正火后的铸钢不进行淬火，直接采用回火进行组织性能处理，冷却后即得非淬火和回火的微合金铸钢。
进一步地，步骤1）中扩散退火的温度为980-1100℃，保温时间不低于D/25*30min，D为铸钢直径，单位为mm。
进一步地，步骤2）中正火的温度为850-1000℃，保温时间为30min+D*(1～2)min，D为铸钢直径，单位为mm。
进一步地，步骤3）中回火的温度为550-680℃，保温时间为1～4h。
进一步地，所述热处理工艺为扩散退火后，按照正火-回火顺序进行两次热处理。
本发明的有益效果：
本发明的铸钢通过多种碳化物析出及C固溶强化实现复合强化，性能满足屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度Rm≥646MPa，延伸率A≥18%，断面收缩率Z≥50%，在-40℃低温下未完全解理，尚有一定的低温韧性，-40℃KV2≥20J，相较于现有非淬火回火型微合金铸钢，其强度明显提高，低温韧性损失不严重，综合性能有明显进步，可满足船舶工业、海洋工程、矿山、电力及机械工程等对铸钢强韧性有较高要求的领域，尤其适用于对铸件壁厚有一定要求，不便进行调质处理且有焊接需求的结构和工况。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先，对本发明非淬火和回火的微合金铸钢的合金组成和组成范围进行详细介绍。
V、Nb、Mo和C：单一V元素能与C形成VC，且在等摩尔条件下V形成VC第二相的体积分数仅次于Zr元素，且VC与基体错配度较小，长大倾向低，故采用V作为主要微合金元素；Nb元素本身也是微合金元素，有助于提高材料塑性，且Nb还能降低Fe和C的结合倾向，形成(V,Nb)C复合碳化物，但同时加入Nb和V较单独加入等摩尔数的V析出的FCC型MC碳化物更少，故本发明中加入Nb的量较少；Mo与V同时加入后，钢中第二相总分数大幅提高，且P63/mmc结构（Mo,V）C成为主要析出的碳化物，在纳米尺度下，该相较FCC型MC碳化物硬化效果更明显，但可能更易长大和造成钢脆化；Mo还会使组织更接近贝氏体，但若Mo过高则会有P6-m2型MoC析出，这种相硬脆倾向更明显，故本发明在Nb-V的基础上添加Mo，以引入P63/mmc型(Mo，V)C，增加碳化物总量，在尽量降低P6-m2型MoC比例和保证焊接性的前提下提高含C量，最终确定：V质量分数0.06-0.12%，Nb质量分数0.03-0.07%，Mo质量分数不高于0.45%，C质量分数0.1-0.2%。
Mn和Ni：由于高C和非共格MoC损害钢的塑韧性，故添加较多Mn和Ni以提高韧性，Mn质量分数为1-2%，Ni质量分数为1-3%。
N：提高Nb的细化晶粒效果，并促进碳氮化物在更高温度析出。此外，第一性原理计算结果表明，加入N有助于提高VC与基体之间的结合力，但为避免降低基体塑性，质量分数应不高于0.006%。
Als（可溶性铝）：Al与N结合能可在极高温度析出弥散分布的AlN，可进一步细化晶粒并且提供一定的沉淀强化效果，可以选择Al脱氧，但为避免降低基体塑性，最终Als质量分数应不高于0.02%。
W、S和P：根据热力学计算结果，加入Cr、W会导致基体析出存在复杂结构的Cr7C3、Cr3C2、WC等相，可能造成韧性降低，而Si对基体除有一定固溶强化作用外，对VC界面、韧性等无明显改善，因此将Cr、Si作为残余元素控制，质量分数不应高于0.3%，W、S、P作为杂质元素控制，质量分数分别不高于0.003%、0.015%、0.015%。
根据以上目标成分，按照低合金高强钢裂纹敏感系数PCM公式和国际焊接学会推荐的碳当量CE公式，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算本发明提供的铸钢的PCM和CE范围分别为（0.236-0.32）%和（0.4-0.73）%，表明本发明提供的铸钢可以焊接，但需要预热以避免冷裂纹产生。
在本发明的非淬火和回火的微合金铸钢所用热处理工艺步骤中，扩散退火的保温时间不低于D/25*30min，正火的保温时间为30min+D*(1～2)min，其中D为铸钢直径，单位为mm。
实施例1：
一种非淬火和回火的微合金铸钢，以质量百分含量计，包括C：0.14%；Si：0.25%；Mn：1.5%；S：0.01%；P：0.012%；Ni：1.1%；V：0.09%; Nb：0.035%；Mo：0.35%；N：0.004%；Als：0.018%，W：0.05%，Cr：0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照上述成分配比采用感应炉进行冶炼，并进行砂型浇注，浇注为φ140mm的铸钢试棒，对铸钢试棒进行以下热处理工艺：
1）扩散退火：对铸钢在热处理炉中在1080℃下进行成分、组织均匀化处理，保温时间为4h。
2)正火：对扩散退火后的铸钢试棒在热处理炉内在880℃下进行组织细化处理，保温时间为3h。
3)回火：对正火后的铸钢在610℃下进行回火处理，保温时间为1h，保温结束后冷却即得非淬火和回火的微合金铸钢。
本实施例得到的非淬火和回火的微合金铸钢经力学性能测试，屈服强度Rp0.2为567MPa，抗拉强度Rm为683MPa，延伸率A为20%，断面收缩率Z为50%，在-40℃低温下未完全解理，尚有一定的低温韧性，-40℃KV2为32J。
实施例2：
一种非淬火和回火的微合金铸钢，以质量百分含量计，包括C：0.13%；Si：0.3%；Mn：1.15%；S：0.015%；P：0.005%；Ni：1.8%；V：0.08%; Nb：0.045%；Mo：0.32%；N：0.001%；Als：0.01%，W：0.03%，Cr：0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照上述成分配比采用感应炉进行冶炼，并进行砂型浇注，浇注为φ180mm的铸钢试棒，对铸钢试棒进行以下热处理工艺：
1）扩散退火：对铸钢在热处理炉中在1030℃下进行成分、组织均匀化处理，保温时间为4.5h。
2)正火：对扩散退火后的铸钢试棒在热处理炉内在970℃下进行组织细化处理，保温时间为3.2h。
3)回火：在热处理炉内对正火后的铸钢在660℃下进行回火处理，保温时间为3h，保温结束后冷却即得非淬火和回火的微合金铸钢。
本实施例得到的非淬火和回火的微合金铸钢经力学性能测试，屈服强度Rp0.2为507MPa，抗拉强度Rm为660MPa，延伸率A为20%，断面收缩率Z为53%，在-40℃低温下未完全解理，尚有一定的低温韧性，-40℃KV2为20J。
实施例3：
一种非淬火和回火的微合金铸钢，以质量百分含量计，包括C：0.19%；Si：0.35%；Mn：1.87%；S：0.00%；P：0.012%；Ni：2.9%；V：0.11%; Nb：0.063%；Mo：0.12%；N：0.0059%；Als：0.017%，W：0.01%，Cr：0.01%，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照上述成分配比采用感应炉进行冶炼，并进行砂型浇注，浇注为φ140mm的铸钢试棒，对铸钢试棒进行以下热处理工艺：
1）扩散退火：对铸钢在热处理炉中在1030℃下进行成分、组织均匀化处理，保温时间为3h。
2)正火：对扩散退火后的铸钢试棒在热处理炉内在890℃下进行组织细化处理，保温时间为3.5h。
3)回火：在热处理炉内对正火后的铸钢在640℃下进行回火处理，保温时间为2h，保温结束后冷却即得非淬火和回火的微合金铸钢。
本实施例得到的非淬火和回火的微合金铸钢经力学性能测试，屈服强度Rp0.2为590MPa，抗拉强度Rm为760MPa，延伸率A为18.5%，断面收缩率Z为64%，在-40℃低温下未完全解理，尚有一定的低温韧性，-40℃KV2为23J。
实施例4：
一种非淬火和回火的微合金铸钢，以质量百分含量计，包括C：0.09%；Si：0.2%；Mn：1.7%；S：0.01%；P：0.008%；Ni：1.5%；V：0.07%; Nb：0.04%；Mo：0.35%；N：0.0045%；Als：0.015%，W：0.02%，Cr：0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照上述成分配比采用感应炉进行冶炼，并进行砂型浇注，浇注为φ180mm的铸钢试棒，对铸钢试棒进行以下热处理工艺：
1）扩散退火：对铸钢在热处理炉中在1000℃下进行成分、组织均匀化处理，保温时间为4.8h。
2)正火：对扩散退火后的铸钢试棒在热处理炉内在860℃下进行组织细化处理，保温时间为3.3h。
3)回火：在热处理炉内对正火后的铸钢在570℃下进行回火处理，保温时间为3h，保温结束后冷却即得非淬火和回火的微合金铸钢。
本实施例得到的非淬火和回火的微合金铸钢经力学性能测试，屈服强度Rp0.2为506MPa，抗拉强度Rm为646MPa，延伸率A为21%，断面收缩率Z为67%，在-40℃低温下未完全解理，尚有一定的低温韧性，-40℃KV2为25J。
实施例5：
一种非淬火和回火的微合金铸钢，以质量百分含量计，包括C：0.12%；Si：0.3%；Mn：1.35%；S：0.01%；P：0.015%；Ni：1.66%；V：0.09%; Nb：0.04%；Mo：0.32%；N：0.0045%；Als：0.015%，W： 0.04%，Cr： 0.04%，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照上述成分配比采用感应炉进行冶炼，并进行砂型浇注，浇注为φ160mm的铸钢试棒，对铸钢试棒进行以下热处理工艺：
1）扩散退火：对铸钢在热处理炉中在1020℃ 下进行成分、组织均匀化处理，保温时间共4h。
2)正火：对扩散退火后的铸钢试棒在热处理炉内在880℃下进行组织细化处理，保温时间共3h。
3)回火：在热处理炉内对正火后的铸钢在620℃下进行回火处理，保温时间共2h。
对回火后的铸钢进行二次正、回火热处理:
4)二次正火：对3)中回火后的铸钢试棒在热处理炉内、在900℃下进行组织细化处理，保温时间共3h。
5)二次回火：在热处理炉内对3)中正火后的铸钢试棒在640℃下进行回火处理，保温时间共2h，保温结束后冷却即得非淬火和回火的微合金铸钢。
本实施例得到的非淬火和回火的微合金铸钢经力学性能测试，屈服强度Rp0.2为589MPa，抗拉强度Rm为658MPa，延伸率A为23%，断面收缩率Z为67%，在-40℃低温下未完全解理，尚有一定的低温韧性，-40℃KV2为33J。
需要说明的是，本发明中对冶炼和铸造无特殊要求，采用常规的电弧炉或者感应炉均可以，按照普通铸钢冶炼方法进行冶炼可以获得以上目标成分，最后调整钢液温度后出钢，浇注温度控制在1540-1580℃，与普通低合金铸钢冶炼和铸造工艺相当。
此外，所有实施例中回火后应尽快冷却，所述尽快冷却指的是在不导致工件严重变形或者开裂的情况下冷却越快越好，以避免碳化物的进一步长大以及残余Cr形成Cr7C3、Cr3C2等碳化物，从而避免影响铸钢的强化效果和塑韧性。
需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明，但本发明并不局限于上述实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，以质量百分含量计，包括C：0.08～0.2% ，Mn：1～2%，Ni：1～3%，V：0.06～0.12%，Nb：0.03～0.07%，Mo：≤0.45%，Si：≤0.4%，Cr：≤0.05%，Als≤0.02%，N≤0.006%，W≤0.05%、S≤0.015%、P≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，C：0.09～0.19%，Mn：1.5～1.9% ，Ni：1.5～2.9%，V：0.07～0.11% ，Nb：0.03～0.06% ，Mo：≤0.35%，Si：≤0.35% 。
3.如权利要求1或2所述的一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，其热处理工艺包括以下步骤：
1)扩散退火：通过高温区保温对铸钢进行成分、组织均匀化处理；
2)正火：对均匀化处理后的铸钢进行组织细化处理；
3)回火：对正火后的铸钢不进行淬火，直接采用回火进行组织性能处理，冷却后即得所述非淬火和回火的微合金铸钢。
4.如权利要求3所述的一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，步骤1）中扩散退火的温度为980-1100℃，保温时间不低于D/25*30min，D为铸钢直径，单位为mm。
5.如权利要求3所述的一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，步骤2）中正火的温度为850-1000℃，保温时间为30min+D*(1～2)min，D为铸钢直径，单位为mm。
6.如权利要求3所述的一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，步骤3）中回火的温度为550-680℃，保温时间为1～4h。
7.如权利要求3所述的一种非淬火和回火的微合金铸钢，其特征在于，所述热处理工艺为扩散退火后，按照正火-回火顺序进行两次热处理。
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