CN114959422A - 一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，包括以下步骤：成分设计，设定高强度低合金贝氏体铸钢组分配比；确定熔炼方案；物料准备；按照已确定的熔炼方案进行熔炼浇注，得到试块；试块按既定工艺退火，得到退火态试块；退火态试块按既定工艺等温淬火，得到淬火态试块；对淬火态试块进行切割加工；对切割加工后的淬火试块进行组分、力学性能检测。本发明可以生产出具有较高的强度，韧性优良的综合力学性能的材料。抗拉强度可达1389MPa、延伸率可达12.5%、常温冲击功可达38J、相对耐磨性1.1以上，应用于中部槽类产品上可提高使用寿命，增加过煤量，降低使用成本。

Description

一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法

技术领域

本申请属于贝氏体铸钢技术领域，更具体地说，是涉及一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法。

背景技术

煤矿用中部槽类产品是煤矿运输的主要设备，中部槽在工作过程中要承受冲击、弯曲、振动、摩擦等多种工作载荷，材料强度、耐磨性直接影响中部槽的使用寿命，如果中部槽出现断裂现象，刮板运输机则无法正常推移，更换中部槽费时费力，直接威胁生产安全，影响生产进度，造成高昂的人力财力损失。现阶段，中部槽的按生产工艺分为铸焊类与整铸类。

1.铸焊类：

如图1所示的铸焊中部槽，包括槽帮1、中板2、齿轨座3、方孔板4、推移耳5、底板6、铲板7。铸焊类中部槽由ZG30SiMn材质槽帮和NM360材质中板焊接而成；ZG30SiMn碳当量达0.51-0.66；NM360碳当量达0.82，在焊接过程中存在以下问题：

淬硬倾向大，因而冷裂纹敏感性较差，故焊接性差；

中部槽结构复杂，整体强度高，焊接过程存在变形或错位时校型困难，生产工艺复杂；

焊接过程中焊丝、焊接参数选择不当会造成焊接熔合比、热影响区增大、焊缝内部缺陷等问题。

2.整铸类：

相对于铸焊类中部槽，整铸类中部槽各位置材料合金成分、组织、材料力学性能基本相同。

过去常才用的ZG30SiMn、ZG27SiMn等材料制造的中部槽存在以下问题：

在含矸量大的工况条件下暴露出耐磨性差，中板、上下链道易磨损，致使用寿命短；

碳与合金元素高，结晶温度范围宽，容易产生偏析，当偏析严重时，容易产生热裂纹，塑韧性下降，当承受载荷时，由于疲劳腐蚀，导致槽体损坏；

因此开发生产成本低、性能优异的的中部槽材料成为急需解决的问题，在此基础上为客户提供标准化、使用寿命长、互换性好的产品，以响应国家绿色铸造，解满足煤炭生产的需求。

发明内容

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：成分设计，设定高强度低合金贝氏体铸钢组分配比；

步骤二：确定熔炼方案；

步骤三：物料准备；

步骤四：按照步骤二确定的熔炼方案进行熔炼浇注，得到试块；

步骤五：试块按既定工艺退火，得到退火态试块；

步骤六：退火态试块按既定工艺等温淬火，得到淬火态试块；

步骤七：对淬火态试块进行切割加工；

步骤八：对切割加工后的淬火试块进行组分、力学性能检测。

优选的，步骤一中，设计的高强度低合金贝氏体铸钢包括以下重量份组分：

C：0.272～0.288wt%；

Si：1.914～2.092wt%；

Mn：2.412～2.591wt%；

Al：0.044～0.070wt%；

Ti：0.040～0.060wt%；

P：≤0.018wt%；

S：≤0.021wt%；

其余为Fe。

进一步地，步骤二中，

根据化学成分设定，分别以化学成分下线、中线、上线预计算合金加入量，并准备物料；

熔炼过程：向中频感应电炉内加入钢坯，加入量位炉膛容量的70%，然后开启中感应电炉，逐步调整功率至60%，以60%功率熔化10分钟,之后逐渐加大功率至90%，熔化过程中补加钢坯，补加钢坯重量为总钢坯重量的50%，待其熔化后，钢液表面撒钢液除渣剂去除钢液中的杂质，去除杂质后加入重量份为80%的高碳锰铁、重量份为50%的低碳锰铁，高碳锰铁、低碳锰铁熔化之后加入重量份为80%的硅铁，然后继续补加剩余钢坯，待钢坯完全融化之后钢液表面撒钢液除渣剂去除钢液中的杂质，加入剩余高碳锰铁、低碳锰铁，高碳锰铁、低碳锰铁熔化之后加入硅铁，硅铁熔化之后，取成分分析试样，化验化学成分。

进一步地，取样化验成分后，调整中频炉功率至满功率，使钢水升温至1620±10℃后，调整中频炉功率至40%，然后加入钛铁，加入钛铁后打开氩气阀门，炉底通入氩气精炼钢液，氩气压力0.8MPa，流量10L/min；精炼5min，钢水降温至1570±5℃时，加入铝块终脱氧，随后出炉浇注至试块砂型中，得到试块。

进一步地，步骤三中，称取40Kg钢坯、0.97～1.06Kg硅铁、0.892～0.977Kg高碳锰铁、0.39～0.43Kg低碳锰铁、0.05Kg钛铁、0.03Kg铝块，准备试块砂型4个。

进一步地，钢坯成分包括：C:0.12%、Si:0.210%、Mn:0.4%、P:0.018%、S:0.017%。

进一步地，步骤五中，根据步骤一设定的化学成分范围，计算此成分范围奥氏体转变温度，确定退火温度为670℃～750℃；确定退火保温时间为4h±15min。

进一步地，步骤五中，退火温度为720±10℃。

进一步地，步骤六中，根据步骤一设定的化学成分范围，计算此成分范围奥氏体转变温度，确定淬火温度范围890±10℃，确定淬火保温时间3h±15min、等温淬火等温温度275±5℃～305±5℃，等温淬火时间4h±15min。

进一步地，步骤六中，淬火温度及时间为890±10℃*3h±15min，等温温度及时间为295±5℃*4h±15min。

本发明的方法可以生产出具有较高的强度，韧性优良的综合力学性能的材料。抗拉强度可达1389MPa、延伸率可达12.5%、常温冲击功可达38J、相对耐磨性1.1以上，应用于中部槽类产品上可提高使用寿命，增加过煤量，降低使用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为中部槽的结构示意图；

图2为拉伸试块和耐磨试块的取样位置图；

图3为冲击试块的取样位置图；

图4为检测试块的结构示意图；

图5为本发明制备方法的流程图。

图中符号说明：

图中：1-槽帮、2-中板、3-齿轨座、4-方孔板、5-推移耳、6-底板、7-铲板。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

现对本申请实施例提供的高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法及其检测方法进行说明。

实施例1

如图5所示，所述高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：成分设计，设定高强度低合金贝氏体铸钢组分配比。

钢坯采用优质钢坯，包括：C:0.12%、Si:0.210%、Mn:0.4%、P:0.018%、S:0.017%。

C：C是决定机械性能最主要的元素，随着碳含量的增加，屈服强度和抗拉强度增加，塑性、冲击性降低，裂纹倾向增大，提高淬火硬度，故设计C成分为wt(C)0.27～0.29%；

Si:在熔炼过程中良好的脱氧能力，具有较高含量的Si，其目的在于在等温淬火过程中，强化铁素体相与奥氏体相，防止碳化物的析出，抑制渗碳体的形成，使C由贝氏体扩散至奥氏体中，以提供良好的塑韧性；显著提高屈强比、疲劳比，故设计Si成分为wt(Si)1.9～2.1%；

Mn:在熔炼时是良好的脱氧剂与脱硫剂，具有一定量的Mn，使A4升高，A3降低，从而扩大奥氏体相区，降低马氏体转变温度，降低淬火加热温度与等温淬火温度，能提高相变速率，淬透性，缩短贝氏体等温淬火时间，加快生产进度，故设计Mn成分为wt(Mn)2.4～2.6%；

Ti：Ti与N、O、C有良好的亲和力，是良好的脱氧去气剂和固C的有效元素，同时形成的TiC微粒有阻晶粒长大的作用，提高了钢晶粒粗化温度，且钛铁化合物的析出，可产生沉淀硬化作用，故设计Ti成分为wt(Ti)0.04～0.10%；

Al:Al与N、O、C有良好的亲和力，是熔炼时的脱氧定氮剂，细化钢的原奥氏体晶粒，提高晶粒长大温度；故设计Al成分为wt(Al)0.04～0.07%；

S:S在钢中一般为有害元素，使钢产生热脆性，降低钢延展性和韧性，对焊接性能也不利，在熔炼过程中严格控制含量wt(S)0.030%以下；

P：P在钢种一般也为有害元素，增加钢的冷脆性，在加工过程中易产生脆断，使钢焊接性能变坏，降低塑性，易产生偏析，增加退火脆性，在熔炼过程中严格控制含量wt(P)0.035%以下；

根据各合金元素在钢种的作用，故设计以下成分：

C：0.272～0.288wt%；

Si：1.914～2.092wt%；

Mn：2.412～2.591wt%；

Al：0.044～0.070wt%；

Ti：0.040～0.060wt%；

P：≤0.018wt%；

S：≤0.021wt%；

其余为Fe。

步骤二：确定熔炼方案。

首先，根据化学成分设定，分别以化学成分下线、中线、上线预计算合金加入量，并准备物料。

熔炼过程：向中频感应电炉内加入钢坯，加入量位炉膛容量的70%，然后开启中感应电炉，逐步调整功率至60%，以60%功率熔化10分钟,之后逐渐加大功率至90%，熔化过程中补加钢坯，补加钢坯重量为总钢坯重量的50%，待其熔化后，钢液表面撒钢液除渣剂去除钢液中的杂质，去除杂质后加入重量份为80%的高碳锰铁、重量份为50%的低碳锰铁，高碳锰铁、低碳锰铁熔化之后加入重量份为80%的硅铁，防止先加入硅铁时产生二氧化硅杂质难以除去；然后继续补加剩余钢坯，待钢坯完全融化之后钢液表面撒钢液除渣剂去除钢液中的杂质，加入剩余高碳锰铁、低碳锰铁，高碳锰铁、低碳锰铁熔化之后加入硅铁，硅铁熔化之后，取成分分析试样，化验化学成分，然后调整中频炉功率至满功率，使钢水升温至1620±10℃后，调整中频炉功率至40%，然后加入钛铁，加入钛铁后打开氩气阀门，炉底通入氩气精炼钢液，氩气压力0.8MPa，流量10L/min；精炼5min，钢水降温至1570±5℃时，加入铝块终脱氧，随后出炉浇注至试块砂型中，得到试块。

中频感应电炉采用功率为50KW的中频感应电炉熔炼；

钢坯要求表面无氧化皮、灰尘等杂质；

聚渣剂采用市售方式取得。

步骤三： 物料准备。

用电子秤称取40Kg钢坯、0.97Kg硅铁、0.892Kg高碳锰铁、0.39Kg低碳锰铁、0.05Kg钛铁、0.03Kg铝块，试块砂型4个。

钢坯尺寸40mm*40mm*40mm以下。

步骤四：按照步骤二确定的熔炼方案进行熔炼浇注，得到试块。

本实施例所得铸钢试块个数为试块砂型个数，即4个，为01～04试块。

步骤五：试块按既定工艺退火，得到退火态试块。

根据步骤一设定的化学成分范围，以行业经验公式计算此成分范围奥氏体转变温度，确定退火温度范围；根据行业经验公式确定退火保温时间范围。

行业经验公式如下：

退火加热时间：t=aD+b

式中：t时间（min）

a:加热时间系数（min/mm）；

D：工件有效厚度（mm)；

退火加热温度：

采用不完全退火

AC1=723-10.7Mn-13.9Ni-29Si-16.9Cr+290As+6.38W

根据AC1计算结果扩大试验温度范围：(AC1-20℃)—(AC1+60℃)

4个试块的退火工艺参数如下表1所示。

表1：实施例1中4个试块的退火工艺

由表1可知，退火温度范围670～750℃，退火保温时间4h±15min。

步骤六：退火态试块按既定工艺等温淬火，得到淬火态试块；

根据步骤一设定的化学成分范围，以经验公式计算此成分范围奥氏体转变温度，确定淬火温度范围；根据行业经验公式确定淬火保温时间范围、等温淬火等温温度范围，等温淬火时间范围。

行业经验公式如下：

淬火加热温度：

AC3=910-203C^1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W；

一般合金钢淬火加热温度AC3+（30-50℃），从节约能耗的角度出发，就选择AC3作为加热温度；

加热时间：

t=a*K*D

式中：

a:到达淬火温度的加热系数（min/mm）；

t:加热时间（min）；

K:装炉修正系数；

D：工件有效厚度（mm）；

等温淬火温度：

Ms：539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo

Bs：830—270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo

等温淬火时间按25mm/h计算，使其充分完成贝氏体转变。

4个试块的退火工艺参数如下表2所示。

表2：实施例1中4个试块的淬火工艺

由表2可知，确定淬火温度范围890±10℃，根据行业经验公式确定淬火保温时间3h±15min、等温淬火等温温度275±5℃～305±5℃，等温淬火时间4h±15min。

步骤七：对淬火态试块进行切割加工。

将等温淬火后的试块根据试块取样图如图4所示，按如下尺寸分割试块：

冲击试块毛坯：60*20*20mm

拉伸试块毛坯：150*20*20mm

耐磨试块毛坯：70*30*15mm

切割后加工成如下尺寸标准试块：

冲击试块：55*10*10mm

拉伸试块：110*φ16*φ8mm

耐磨试块：57.5*25*6mm。

步骤八：对切割加工后的淬火试块进行组分、力学性能检测。

抗拉强度、断面收缩率、延伸率取如图2所示位置处拉伸a、拉伸b为取样块。拉伸试块a、b用万能力学试验机测试抗拉强度、断面收缩率、延伸率。

测试相对耐磨性取如图2所示位置处的耐磨a、耐磨b、耐磨c为取样块。耐磨试块a、b、c用湿式耐磨试验机测试磨损量与hardox400耐磨板做对比。

冲击功取如图3所示位置处的冲击a、冲击b、冲击c为取样块。冲击试块a、b、c用半自动冲击试验机测试冲击功。

分别对抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击功、硬度、相对耐磨性、淬火态组织等进行检测。

测试完成后用冲击试块制备金相试块，观察金相组织并用洛氏硬度机测试洛氏硬度。

实施例2

本发明还提供一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，与上述实施例的不同之处在于：

步骤三：物料准备，用电子秤称取40Kg钢坯、1.03Kg硅铁、0.92Kg高碳锰铁、0.43Kg低碳锰铁、0.05Kg钛铁、0.03Kg铝块，试块砂型4个。

其余步骤与实施例1相同。

实施例3

本发明还提供一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，与上述实施例的不同之处在于：

步骤三：物料准备，用电子秤称取40Kg钢坯、1.06Kg硅铁、0.977Kg高碳锰铁、0.41Kg低碳锰铁、0.05Kg钛铁、0.03Kg铝块，试块砂型4个。

其余步骤与实施例1相同。

实施例1～3的检测结果如下：

实施例1

经检测：所得的所述高强度低合金贝氏体铸钢的组分为：

C：0.272wt%；

Si：1.914wt%；

Mn：2.412wt%；

Al：0.044wt%；

Ti：0.040wt%；

P：0.018wt%；

S：0.021wt%；

其余为Fe。

上述实施例1所得的所述高强度低合金贝氏体铸钢的力学性能检测数据如表3、表4所示。

表3：实施例1中铸钢的退火检测数据

表4：实施例1中铸钢的淬火检测数据

表4中，σb为抗拉强度；δ5为延伸率；ψ为断面收缩率；Akv为冲击功（夏比V型缺口）；B下：下贝氏体；B上：上贝氏体；M：马氏体；F：铁素体；P珠光体；A`：残余奥氏体。

实施例2

经检测：所得的所述高强度低合金贝氏体铸钢的组分为：

C：0.278wt%；

Si：2.052wt%；

Mn：2.533wt%；

Al：0.055wt%；

Ti：0.050wt%；

P：0.018wt%；

S：0.020wt%；

其余为Fe。

上述实施例2所得的所述高强度低合金贝氏体铸钢的力学性能检测数据如表5、表6所示。

表5：实施例2中铸钢的退火检测数据。

表6：实施例2中铸钢的淬火检测数据。

表6中，σb为抗拉强度；δ5为延伸率；ψ为断面收缩率；Akv为冲击功（夏比V型缺口）；B下：下贝氏体；B上：上贝氏体；M：马氏体；F：铁素体；P珠光体；A`：残余奥氏体。

实施例3

经检测：所得的所述高强度低合金贝氏体铸钢，包括以下重量份组分：

C：0.288wt%；

Si：2.092wt%；

Mn：2.591wt%；

Al：0.070wt%；

Ti：0.060wt%；

P：0.017wt%；

S：0.021wt%；

其余为Fe。

上述实施例3所得的所述高强度低合金贝氏体铸钢的力学性能检测数据如表7、表8所示。

表7：实施例3中铸钢的退火检测数据。

表8：实施例3中铸钢的淬火检测数据。

表8中，σb为抗拉强度；δ5为延伸率；ψ为断面收缩率；Akv为冲击功（夏比V型缺口）；B下：下贝氏体；B上：上贝氏体；M：马氏体；F：铁素体；P珠光体；A`：残余奥氏体。

综上可得，（1）由步骤五既定退火工艺退火后，在保证退火后硬度最低且组织绝大部分转变为珠光体的前提下，优选最低硬度、最低加热温度的退火工艺，这样既可以在批量生产中降低退加热时能源消耗，还有利于切削加工，对比实施例1至实施例3退火试验数据后，优选720±10℃为最佳退火温度；

（2）由步骤六既定等温淬火工艺淬火后，得到试块力学性能指标抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击功、相对耐磨性越高越好，对比实施例1至实施例3等温淬火试验数据后，相对于同组试块，890±10℃*3h±15min、295±5℃*4h±15min等温淬火工艺下，得到的试块性能最高。

故该钢最佳热处理工艺为720±10℃*4h退火，890±10℃*3h奥氏体化保温，295±5℃*4h等温淬火。

本发明的方法可以生产出具有较高的强度，韧性优良的综合力学性能的材料。抗拉强度可达1389MPa、延伸率可达12.5%、常温冲击功可达38J、相对耐磨性1.1以上，应用于中部槽类产品上可提高使用寿命，增加过煤量，降低使用成本。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：成分设计，设定高强度低合金贝氏体铸钢组分配比；

步骤二：确定熔炼方案；

步骤三：物料准备；

步骤四：按照步骤二确定的熔炼方案进行熔炼浇注浇注，得到试块；

步骤五：试块按既定工艺退火，得到退火态试块；

步骤六：退火态试块按既定工艺等温淬火，得到淬火态试块；

步骤七：对淬火态试块进行切割加工；

步骤八：对切割加工后的淬火试块进行组分、力学性能检测。

2.如权利要求1所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤一中，设计的高强度低合金贝氏体铸钢包括以下重量份组分：

C：0.272～0.288wt%；

Si：1.914～2.092wt%；

Mn：2.412～2.591wt%；

Al：0.044～0.070wt%；

Ti：0.040～0.060wt%；

P：≤0.018wt%；

S：≤0.021wt%；

其余为Fe。

3.如权利要求1所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤二中，根据化学成分设定，分别以化学成分下线、中线、上线预计算合金加入量，并准备物料；

熔炼过程：向中频感应电炉内加入钢坯，加入量位炉膛容量的70%，然后开启中感应电炉，逐步调整功率至60%，以60%功率熔化10分钟,之后逐渐加大功率至90%，熔化过程中补加钢坯，补加钢坯重量为总钢坯重量的50%，待其熔化后，钢液表面撒钢液除渣剂去除钢液中的杂质，去除杂质后加入重量份为80%的高碳锰铁、重量份为50%的低碳锰铁，高碳锰铁、低碳锰铁熔化之后加入重量份为80%的硅铁，然后继续补加剩余钢坯，待钢坯完全融化之后钢液表面撒钢液除渣剂去除钢液中的杂质，加入剩余高碳锰铁、低碳锰铁，高碳锰铁、低碳锰铁熔化之后加入硅铁，硅铁熔化之后，取成分分析试样，化验化学成分。

4.如权利要求3所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：取样化验成分后，调整中频炉功率至满功率，使钢水升温至1620±10℃后，调整中频炉功率至40%，然后加入钛铁，加入钛铁后打开氩气阀门，炉底通入氩气精炼钢液，氩气压力0.8MPa，流量10L/min；精炼5min，钢水降温至1570±5℃时，加入铝块终脱氧，随后出炉浇注至试块砂型中，得到试块。

5.如权利要求1所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤三中，称取40Kg钢坯、0.97～1.06Kg硅铁、0.892～0.977Kg高碳锰铁、0.39～0.43Kg低碳锰铁、0.05Kg钛铁、0.03Kg铝块，准备试块砂型4个。

6.如权利要求5所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：钢坯成分包括：C:0.12%、Si:0.210%、Mn:0.4%、P:0.018%、S:0.017%。

7.如权利要求1所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤五中，根据步骤一设定的化学成分范围，计算此成分范围奥氏体转变温度，确定退火温度为670℃～750℃；确定退火保温时间为4h±15min。

8.如权利要求7所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤五中，退火温度为720±10℃。

9.如权利要求1所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤六中，根据步骤一设定的化学成分范围，计算此成分范围奥氏体转变温度，确定淬火温度范围890±10℃，确定淬火保温时间3h±15min、等温淬火等温温度275±5℃～305±5℃，等温淬火时间4h±15min。

10.如权利要求7所述的一种高强度低合金贝氏体铸钢的制备方法，其特征在于：步骤六中，淬火温度及时间为890±10℃*3h±15min，等温温度及时间为295±5℃*4h±15min。

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