CN115386804B - 用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法，该制备方法包括：将金属原料加入到中频感应熔炼炉内加热，加热温度控制在1550～1650℃，熔炼40min后再添加石墨块或碳棒，再继续熔炼30min，配料的化学成分按质量百分比控制为C：0.5～1.5％、Mn：20～35％、Al：5～15％、Si：0.2～1.0％、S≤0.05％、P≤0.05％；在1580～1620℃之间的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1480℃以下后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件；将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1050～1200℃，均匀化处理时间控制为1～3h，炉体升温速率控制为5～30℃/min，出炉后在60s内入水降温至室温。本发明能够提升材料的各项力学性能并显著降低材料密度，获得高强度、高韧性、低密度的履带结构件产品。

Description

用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法
技术领域
本发明属于特种车辆履带结构件用钢技术领域，具体涉及一种用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法。
背景技术
对于履带式特种车辆来说，履带结构件的性能是决定车辆使用寿命与机动性能的关键因素。目前，我国特种车辆的履带结构件主要采取铸造和锻造两种工艺来生产，其中铸造履带结构件的主要材料为高锰钢。高锰钢硬度高、耐磨性好，具备优异的使用性能。然而，履带结构件在特种车辆中的重量占比较高，而常规高锰钢不具备轻量化优势，仅从提高性能的角度出发，难以对特种车辆的使用性能产生根本性改善。
铁锰铝系合金钢是一种新型的低密度、高强度履带结构件材料，是未来高性能特种车辆铸造履带结构件的优选材料。然而，由于铁锰铝系低密度高强钢的合金含量较高、组成相复杂，在现有技术的实际生产中，缺乏高品质的冶炼技术以及高性能的热处理方法，制约了铁锰铝系低密度高强钢的规模化应用。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法。
本发明的用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按质量百分比控制为：0.5～1.5％、Mn：20～35％、Al：5～15％、Si：0.2～1.0％、S≤0.05％、P≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，在本发明的用于履带结构件的低密度高强钢中，所述用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：0.8～1.1％、Mn：29.5～31.5％、Al：8.8～9.2％、Si：0.2～0.6％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，在本发明的用于履带结构件的低密度高强钢中，所述用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：0.6～0.9％、Mn：27.5～29.5％、Al：7.5～8.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，在本发明的用于履带结构件的低密度高强钢中，所述用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：1.1～1.5％、Mn：32.5～34.5％、Al：11.5～12.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法包括如下步骤：
(一)冶炼
根据目标产品成分要求进行配料，将金属原料加入到中频感应熔炼炉内，开启中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度控制在1550～1650℃之间，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加石墨块或碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液，其中，所述金属原料包括废钢、纯铁、硅铁中的一种或多种；锰铁、硅锰、电解锰中的一种或多种；硅铝、金属铝中的一种或多种，配料的化学成分按质量百分比控制为C：0.5～1.5％、Mn：20～35％、Al：5～15％、Si：0.2～1.0％、S≤0.05％、P≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；
(二)浇铸
合金熔液冶炼结束后，在1580～1620℃之间的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1480℃以下后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件，其中，采用砂型铸造或失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制在20～500kg之间，浇铸时间控制为≤20s，冷却至100℃以下后脱膜取出履带结构件铸件；
(三)均匀化处理
将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1050～1200℃，均匀化处理时间控制为1～3h，其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为5～30℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制在40～200min之间，履带结构件铸件在完成均匀化处理后出炉，在60s内入水降温至室温。
进一步地，在本发明的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法中：
在冶炼步骤中，选用纯铁、电解锰、金属铝作为所述金属原料加入到中频感应熔炼炉内，加热温度控制为1550℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加石墨块，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液，其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：0.8～1.1％、Mn：29.5～31.5％、Al：8.8～9.2％、Si：0.2～0.6％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
在浇铸步骤中，在1605℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1440℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件，其中，采用砂型铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制为200kg，浇铸时间控制为15s；
在均匀化处理步骤中，均匀化温度控制为1200℃，均匀化处理时间控制为2h，其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为20℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制为60min。
进一步地，在本发明的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法中：
在冶炼步骤中，选用废钢、锰铁、硅铝、金属铝作为所述金属原料加入到中频感应熔炼炉内，加热温度控制为1560℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液，其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：0.6～0.9％、Mn：27.5～29.5％、Al：7.5～8.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
在浇铸步骤中，在1610℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1430℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件，其中，采用失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制为30kg，浇铸时间控制为5s；
在均匀化处理步骤中，均匀化温度控制为1150℃，均匀化处理时间控制为1.5h，其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为25℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制为45min。
进一步地，在本发明的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法中：
在冶炼步骤中，选用废钢、锰铁、硅铝作为所述金属原料加入到中频感应熔炼炉内，加热温度控制为1550℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液，其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：1.1～1.5％、Mn：32.5～34.5％、Al：11.5～12.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
在浇铸步骤中，在1610℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1430℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件，其中，采用失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制为50kg，浇铸时间控制为8s；
在均匀化处理步骤中，均匀化温度控制为1200℃，均匀化处理时间控制为1.5h，其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为20℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制为60min。
本发明的用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法的有益效果包括：
本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢与普通高锰钢相比，各项力学性能均有所提升，硬度超过280HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，晶粒度水平为2～5级，屈服强度高于500MPa，抗拉强度高于900MPa，延伸率高于40％，冲击能量吸收值高于30J，并且材料密度显著降低至6.5～7.1g/cm3，用作履带结构件后将大幅降低特种车辆的自重，提升机动性和续航能力。
本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法通过冶炼、浇铸和均匀化处理的优化组合，以及对合金成分与热处理工艺的调控，制备得到高强度、高韧性、低密度的履带结构件铸件，与现用高锰钢铸件相比，密度降低了15％左右，组织均匀性好，强度和韧性性能均十分优异，且具有良好的耐磨性，是未来特种车辆履带结构件的优选材料。此外，本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法操作过程简单，过程参数对铸件性能影响较小，对设备的要求较低，易于实现产业化，在交通运输和武器装备领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：0.5～1.5％、Mn：20～35％、Al：5～15％、Si：0.2～1.0％、S≤0.05％、P≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法包括以下步骤：
(一)冶炼
根据目标产品成分要求进行配料，将废钢、纯铁、硅铁中的一种或多种；锰铁、硅锰、电解锰中的一种或多种；硅铝、金属铝中的一种或多种等金属原料加入到中频感应熔炼炉内，开启中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度控制在1550～1650℃之间，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加石墨块或碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液。其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：0.5～1.5％、Mn：20～35％、Al：5～15％、Si：0.2～1.0％、S≤0.05％、P≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质，并通过炉前快速检验确认合金熔液的化学成分合格后，准备出钢。
(二)浇铸
合金熔液冶炼结束后，在1580～1620℃之间的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1480℃以下后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件。其中，采用砂型铸造或失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制在20～500kg之间，浇铸时间控制为≤20s，冷却至100℃以下后脱膜取出履带结构件铸件。
(三)均匀化处理
将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1050～1200℃，均匀化处理时间控制为1～3h。其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为5～30℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制在40～200min之间，履带结构件铸件在完成均匀化处理后出炉，在60s内入水降温至室温。
对利用本发明的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法制备得到的低密度高强钢进行组织与性能检验，密度为6.5～7.1g/cm3，硬度超过280HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，根据GB/T 6394检验晶粒度水平为2～5级；根据GB/T 228.1检验拉伸性能，屈服强度高于500MPa，抗拉强度高于900MPa，延伸率高于40％；根据GB/T 229检验冲击性能，冲击能量吸收值高于30J。
以下结合具体实施例，详细说明本发明的用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法。
实施例一
本发明实施例一的用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：0.8～1.1％、Mn：29.5～31.5％、Al：8.8～9.2％、Si：0.2～0.6％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明实施例一的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法包括以下步骤：
1、冶炼
根据目标产品成分要求进行配料，将金属原料纯铁、电解锰、金属铝加入到中频感应熔炼炉内，开启中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度控制为1550℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加石墨块，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液。其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：0.8～1.1％、Mn：29.5～31.5％、Al：8.8～9.2％、Si：0.2～0.6％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，并通过炉前快速检验确认合金熔液的化学成分合格后，准备出钢。
2、浇铸
合金熔液冶炼结束后，在1605℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1440℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件。其中，采用砂型铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制为200kg，浇铸时间控制为15s，冷却至100℃以下后脱膜取出履带结构件铸件。
3、均匀化处理
将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1200℃，均匀化处理时间控制为2h。其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为20℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制为60min，履带结构件铸件在完成均匀化处理后出炉，在60s内入水降温至室温。
对利用本发明实施例一的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法制备得到的低密度高强钢进行组织与性能检验，密度为6.6g/cm3，硬度为310HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，根据GB/T 6394检验晶粒度水平为2级；根据GB/T 228.1检验拉伸性能，屈服强度为550MPa，抗拉强度为950MPa，延伸率为42％；根据GB/T 229检验冲击性能，冲击能量吸收值为37J。
实施例二
本发明实施例二的用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：0.6～0.9％、Mn：27.5～29.5％、Al：7.5～8.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明实施例二的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法包括以下步骤：
1、冶炼
根据目标产品成分要求进行配料，将金属原料废钢、锰铁、硅铝、金属铝加入到中频感应熔炼炉内，开启中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度控制为1560℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液。其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：0.6～0.9％、Mn：27.5～29.5％、Al：7.5～8.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，并通过炉前快速检验确认合金熔液的化学成分合格后，准备出钢。
2、浇铸
合金熔液冶炼结束后，在1610℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1430℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件。其中，采用失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制为30kg，浇铸时间控制为5s。
3、均匀化处理
将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1150℃，均匀化处理时间控制为1.5h。其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为25℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制为45min，履带结构件铸件在完成均匀化处理后出炉，在60s内入水降温至室温。
对利用本发明实施例二的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法制备得到的低密度高强钢进行组织与性能检验，密度为6.7g/cm3，硬度为295HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，根据GB/T 6394检验晶粒度水平为3级；根据GB/T 228.1检验拉伸性能，屈服强度为530MPa，抗拉强度为960MPa，延伸率为47％；根据GB/T 229检验冲击性能，冲击能量吸收值为38J。
实施例三
本发明实施例三的用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：1.1～1.5％、Mn：32.5～34.5％、Al：11.5～12.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明实施例三的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法包括以下步骤：
1、冶炼
根据目标产品成分要求进行配料，将金属原料废钢、锰铁、硅铝加入到中频感应熔炼炉内，开启中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度控制为1550℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液。其中，配料的化学成分按质量百分比控制为：C：1.1～1.5％、Mn：32.5～34.5％、Al：11.5～12.5％、Si：0.6～1.0％、S≤0.03％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，并通过炉前快速检验确认合金熔液的化学成分合格后，准备出钢。
2、浇铸
合金熔液冶炼结束后，在1610℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1430℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件。其中，采用失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制为50kg，浇铸时间控制为8s。
3、均匀化处理
将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1200℃，均匀化处理时间控制为1.5h。其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为20℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制为60min，履带结构件铸件在完成均匀化处理后出炉，在60s内入水降温至室温。
对利用本发明实施例三的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法制备得到的低密度高强钢进行组织与性能检验，密度为6.5g/cm3，硬度为314HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，根据GB/T 6394检验晶粒度水平为3级；根据GB/T 228.1检验拉伸性能，屈服强度为560MPa，抗拉强度为1030MPa，延伸率为40％；根据GB/T 229检验冲击性能，冲击能量吸收值为32J。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢及其制备方法具有如下优点和有益效果：
本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢与普通高锰钢相比，各项力学性能均有所提升，硬度超过280HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，晶粒度水平为2～5级，屈服强度高于500MPa，抗拉强度高于900MPa，延伸率高于40％，冲击能量吸收值高于30J，并且材料密度显著降低至6.5～7.1g/cm3，用作履带结构件后将大幅降低特种车辆的自重，提升机动性和续航能力。
本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法通过冶炼、浇铸和均匀化处理的优化组合，以及对合金成分与热处理工艺的调控，制备得到高强度、高韧性、低密度的履带结构件铸件，与现用高锰钢铸件相比，密度降低了15％左右，组织均匀性好，强度和韧性性能均十分优异，且具有良好的耐磨性，是未来特种车辆履带结构件的优选材料。此外，本发明提供的用于履带结构件的低密度高强钢制备方法操作过程简单，过程参数对铸件性能影响较小，对设备的要求较低，易于实现产业化，在交通运输和武器装备领域具有广阔的应用前景。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。
还需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。

Claims (1)

1.一种用于履带结构件的低密度高强钢制备方法，其特征在于，所述用于履带结构件的低密度高强钢的化学成分按照质量百分比控制为：C：1.1~1.5%、Mn：32.5~34.5%、Al：11.5~12.5%、Si：0.6~1.0%、S≤0.03%、P≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质，所述用于履带结构件的低密度高强钢制备方法包括如下步骤：
（一）冶炼
根据目标产品成分要求进行配料，将金属原料加入到中频感应熔炼炉内，开启中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度控制在1550℃，熔炼40min后再向中频感应熔炼炉内添加碳棒，再继续熔炼30min，冶炼成合金熔液，其中，所述金属原料包括废钢、锰铁、硅铝，配料的化学成分按质量百分比控制为C：1.1~1.5%、Mn：32.5~34.5%、Al：11.5~12.5%、Si：0.6~1.0%、S≤0.03%、P≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质；
（二）浇铸
合金熔液冶炼结束后，在1610℃的出钢温度下，导包一次将合金熔液温度降至1430℃后，倾倒入预制好的模具内浇铸成履带结构件铸件，其中，采用失蜡铸造的方法将合金熔液浇铸为成品规格的履带结构件铸件，每支履带结构件铸件的质量控制在50kg，浇铸时间控制为8s，冷却至100℃以下后脱膜取出履带结构件铸件；
（三）均匀化处理
将履带结构件铸件送至热处理炉中进行均匀化处理，均匀化温度控制为1200℃，均匀化处理时间控制为1.5h，其中，履带结构件铸件放入热处理炉内后，炉体升温速率控制为20℃/min，从入炉到升至均匀化温度的时间控制在60min，履带结构件铸件在完成均匀化处理后出炉，在60s内入水降温至室温；
制备得到的低密度高强钢的密度为6.5g/cm3，硬度为314HB，微观组织为完全奥氏体晶粒，根据GB/T 6394检验晶粒度水平为3级，根据GB/T 228.1检验拉伸性能，屈服强度为560MPa，抗拉强度为1030MPa，延伸率为40%，根据GB/T 229检验冲击性能，冲击能量吸收值为32J。
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