CN115747628B - 一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材及其制备方法，涉及石墨钢技术领域。本发明所述型材由奥氏体基体和石墨球组成；所述奥氏体基体中固溶C含量不低于0.9％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441‑2009规定的8级；所述石墨球的体积占型材总体积的8～12％；本发明所述方法包括连铸成型型材、对型材进行高温固溶与成分均匀化处理、去应力退火等。本发明所述制备方法可以在Cr、Ni、Mn含量低的情况下获得室温稳定的奥氏体，降低了奥氏体共晶石墨钢的生产成本；同时采用固溶强化效果好的元素C固溶强化奥氏体，生产中获得抗拉强度大于800MPa的奥氏体共晶石墨钢型材。
Description
技术领域
本发明属于石墨钢技术领域，具体涉及一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材及其制备方法。
背景技术
石墨钢是指钢中的C除固溶于基体的外，其余基本以石墨形式存在于材料中的Fe-C合金。而共晶石墨钢是指C含量位于Fe-C二元合金的共晶点附近，且凝固后的组织全为铁和细小石墨的共晶组织的铁基合金。奥氏体共晶石墨钢是指室温下由奥氏体金属基体+石墨组合而成的铁基合金材料。
传统的奥氏体基体钢有Cr-Ni、Cr-Ni-Mn、Cr-Ni-Mn-N等系列。这些奥氏体钢均是大量利用稳定奥氏体的元素Ni、Mn、N或他们的共同作用把高温的奥氏体稳定到室温的。为了把高温奥氏体稳定到室温，Ni、Mn和N的添加量(和)必需要满足最低临界含量。因此奥氏体基体钢中合金元素Cr、Ni、Mn的总含量一般较高(尤其是Ni含量较高)，为高合金钢，从而使得奥氏体基体钢的价格较高，限制了其应用。因此，开发合金元素含量低，尤其是Ni含量低的奥氏体基体共晶石墨钢对解除奥氏体共晶石墨钢的应用限制有重要意义。
在奥氏体钢中，为固溶提高其强度，一般是大量采用置换式固溶合金元素Cr、Ni、Mn等，而不是通过C的固溶强化提高其强度(因为在奥氏体钢中，为降低获得奥氏体所需的Ni含量，会含有大量的Cr，而Cr是碳化物形成元素，不利于C的固溶；另外，C也会增加钢的晶界腐蚀倾向)。由于是置换式合金元素，其对强度的贡献远小于相同含量的间隙式原子C等对强度的贡献。因此，在钢所有的基体中，以奥氏体基体钢的强度最低，这不利于奥氏体基体钢强度和承载能力的提高。因此，有必要开发以间隙原子C的固溶强化为主强化方法的奥氏体基体钢及其相应制备方法，以提高奥氏体基体钢的强度和力学性能等。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材及其制备方法，本发明所述制备方法可以在Cr、Ni、Mn含量低的情况下获得室温稳定的奥氏体，且得到的奥氏体基体石墨钢型材的屈服强度大于700MPa。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材，由奥氏体基体和石墨球组成；所述奥氏体基体中固溶C含量不低于0.9％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441-2009规定的8级；所述石墨球的体积占型材总体积的8～12％。
优选的，所述型材的组成成分按质量百分比计为：3.4～3.8％C、2.4～3.0％Si、5.0～6.0％Ni、1.0～1.5％Mn、0.50～1.0％Cu、0.30～0.5％Cr、0.40～0.80％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.03～0.05％Mg、0.03～0.05％Re、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了所述固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁或高炉铁水；
(2)熔炼：将步骤(1)称取的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁或高炉铁水熔炼成铁水；
(3)成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯；
(4)铸坯退火：将连铸成型的铸坯进行退火；
(5)均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理；
(6)退火：将固溶处理后的型材退火即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材。
优选的，步骤(2)所述熔炼温度为1510℃～1550℃，熔炼时间为5～10min。
优选的，步骤(3)所述铸坯中石墨球球化等级不低于国标GB/T9441-2009的一级，球化率≥95％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441-2009规定的8级，石墨球的体积占型材总体积的8～12％。
优选的，步骤(4)所述退火时升温速度为500～550℃/h，退火温度为500～550℃，退火保温时间为4～8h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至200～250℃后出炉空冷。
优选的，步骤(4)所述退火应在步骤(3)中水平连铸成型后30min内进行。
优选的，步骤(5)所述均匀化和固溶处理升温速度为300～400℃/h，处理温度为1050～1100℃，保温时间为10～12h，保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷。
优选的，步骤(5)所述均匀化和固溶处理后型材为含C不低于0.90％的高碳奥氏体，且合金元素Ni、Mn、Cu、Cr、Mo、Si均固溶于奥氏体基体。
优选的，步骤(6)所述退火温度为400～450℃，保温时间为1～3h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材及其制备方法。本发明通过成分设计与热处理的适当配合，在Cr、Ni、Mn含量低的情况下把高温的奥氏体稳定到室温，获得室温稳定的奥氏体基体共晶石墨钢。由于该奥氏体共晶石墨钢是通过热处理使其获得高固溶的C与适量的固溶奥氏体稳定元素Ni、Mn、Cu等元素的配合来获得奥氏体，解决了一般的奥氏体石墨钢需要大量奥氏体稳定元素Ni、Mn合金化以稳定高温奥氏体到室温而造成奥氏体石墨钢生产成本较高和由大量Mn元素引起的组织中碳化物较多而对其韧性产生的不利影响的问题。本发明所述石墨钢采用固溶强化效果好的元素C固溶强化奥氏体，可以使得奥氏体共晶石墨钢的强度得以有效提高，生产中获得屈服强度大于700MPa、抗拉强度能够达到800MPa的奥氏体共晶石墨钢型材，降低了奥氏体共晶石墨钢的生产成本，对奥氏体石墨钢的推广应用有极大的实际意义。
附图说明
图1为奥氏体基体石墨钢的金相组织图。
图2为奥氏体石墨钢的应力-应变曲线图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
本发明提供了一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材，由奥氏体基体和石墨球组成；所述奥氏体基体中固溶C含量不低于0.9％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441-2009规定的8级；所述石墨球的体积占型材总体积的8～12％。
在本发明中，所述石墨球球化等级优选为不低于国标GB/T9441-2009的一级，球化率≥95％。
在本发明中，所述型材的组成成分按质量百分比计为：3.4～3.8％C、2.4～3.0％Si、5.0～6.0％Ni、1.0～1.5％Mn、0.50～1.0％Cu、0.30～0.5％Cr、0.40～0.80％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.03～0.05％Mg、0.03～0.05％Re、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了所述固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁或高炉铁水；
(2)熔炼：将步骤(1)称取的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁或高炉铁水熔炼成铁水；
(3)成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯；
(4)铸坯退火：将连铸成型的铸坯进行退火；
(5)均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理；
(6)退火：将固溶处理后的型材退火即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材。
本发明先进行配料：称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁或高炉铁水。在本发明中，所述配料按照型材组成成分以质量百分比计为3.4～3.8％C、2.4～3.0％Si、5.0～6.0％Ni、1.0～1.5％Mn、0.50～1.0％Cu、0.30～0.5％Cr、0.40～0.80％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.03～0.05％Mg、0.03～0.05％Re、其余为Fe和不可避免的杂质。
配料完成后，将称取的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁或高炉铁水熔炼成铁水。在本发明中，所述熔炼温度优选为1510℃～1550℃，更优选为1530℃，熔炼时间为5～10min，更优选为8min。
得到铁水后，在铁水中加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯。在本发明中，所述铸坯中石墨球球化等级不低于国标GB/T9441-2009的一级，球化率≥95％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441-2009规定的8级，石墨球的体积占型材总体积的8～12％，所述铸坯的成分与最终型材的成分一致。
将连铸成型的铸坯进行退火。在本发明中，所述铸坯退火时升温速度优选为500～550℃/h，更优选为530℃/h，退火温度优选为500～550℃，更优选为530℃，退火保温时间优选为4～8h，更优选为6h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至200～250℃后出炉空冷。在本发明中，该退火温度既可使铸坯的组织不发生变化，同时能较快的消除连铸坯凝固和冷却过程中产生的内应力；炉冷至200～250℃后出炉空冷可消除退火过程中高温出炉冷却产生的温度应力。在本发明中，所述铸坯退火应在水平连铸成型后30min内进行，以防止连铸冷却过程中，铸坯组织中形成马氏体产生的组织应力和铸坯内外冷却不一致产生的热应力过大，进而导致铸坯型材中产生裂纹。在本发明中，所述退火后型材中石墨球状态与铸坯中石墨球的状态一致。
将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理。在本发明中，所述均匀化和固溶处理升温速度优选为300～400℃/h，更优选为350℃/h，处理温度优选为1050～1100℃，更优选为1080℃，保温时间优选为10～12h，更优选为11h，保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷；在本发明中，所述均匀化和固溶处理是合并在一个工序内完成的。该固溶和均匀化处理温度能使得铸坯中的碳化物较快的石墨化，凝固过程中产生的成分偏析能较快的扩散均匀，同时使得奥氏体中固溶的C含量大于0.90％以上，而该保温时间能使碳化物完全石墨化、成分能基本均匀，且不至于因高温使得奥氏体粗大。
在本发明中，所述均匀化和固溶处理后型材为含C不低于0.90％的高碳奥氏体，且合金元素Ni、Mn、Cu、Cr、Mo、Si均固溶于奥氏体基体。
将固溶处理后的型材退火即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材。在本发明中，所述退火温度优选为400～450℃，更优选为420℃，保温时间优选为1～3h，更优选为2h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷。在本发明中，退火不对型材的基体组织和石墨球状态进行任何改变，该退火温度可以保证固溶处理水冷后得到的奥氏体基本不分解，同时消除固溶处理后因快冷产生的内应力，防止型材因残余应力而变形或开裂。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
1、配料：按照型材组成成分以质量百分比计为3.4％C、2.4％Si、5.0％Ni、1.0％Mn、0.50％Cu、0.30％Cr、0.40％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.03％Mg、0.03％Re、其余为Fe和不可避免的杂质，称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁。
2、熔炼：将称取好的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁在中频感应加热炉中加热至1510℃，保温5min，熔炼成铁水。
3、成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯。
4、铸坯退火：把铸坯在水平连铸成型后30min内进行去应力退火处理，去应力退火温度为500℃，退火保温时间为4h，退火时升温速度为500℃/h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至200℃后出炉空冷。
5、均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理，均匀化和固溶处理温度为1050℃，保温时间为10h，均匀化和固溶处理升温速度为300℃/h，均匀化和固溶处理保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷。
6、退火：将固溶处理后的型材退火，退火温度为400℃，保温时间为1h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷，即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材。
由图1可知，石墨球的密度数大于800个/mm2，石墨球的直径均小于20um，石墨球大小均匀，且圆整度好，符合国标GB/T9441-2009和GB/T9441-2009对墨球球化等级不低于一级、球化率≥95％、石墨球大小的等级高于8级的标准；同时金属基体为单一奥氏体基体。
将型材在万能电子拉伸试验机进行拉伸测试，得到其应力-应变曲线图，如图2所示。从图2可以得知，所得型材的屈服强度大于700MPa，抗拉强度大于800MPa，所述型材抗拉强度能够达到现有GB/T1220-2007中所列奥氏体钢经热处理强化后抗拉强度的最大值(750MPa)。
实施例2
1、配料：按照型材组成成分以质量百分比计为3.8％C、3.0％Si、6.0％Ni、1.5％Mn、1.0％Cu、1.0％Cr、0.80％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.05％Mg、0.05％Re、其余为Fe和不可避免的杂质，称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁。
2、熔炼：将称取好的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁在中频感应加热炉中加热至1550℃，保温10min，熔炼成铁水。
3、成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯。
4、铸坯退火：把铸坯在水平连铸成型后30min内进行去应力退火处理，去应力退火温度为550℃，退火保温时间为8h，退火时升温速度为550℃/h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至250℃后出炉空冷。
5、均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理，均匀化和固溶处理温度为1100℃，保温时间为12h，均匀化和固溶处理升温速度为400℃/h，均匀化和固溶处理保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷。
6、退火：将固溶处理后的型材退火，退火温度为450℃，保温时间为3h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷，即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材。
实施例3
1、配料：按照型材组成成分以质量百分比计为3.6％C、2.7％Si、5.5％Ni、1.3％Mn、0.80％Cu、0.70％Cr、0.60％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.04％Mg、0.04％Re、其余为Fe和不可避免的杂质，称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁。
2、熔炼：将称取好的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁在中频感应加热炉中加热至1530℃，保温8min，熔炼成铁水。
3、成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯。
4、铸坯退火：把铸坯在水平连铸成型后30min内进行去应力退火处理，去应力退火温度为530℃，退火保温时间为6h，退火时升温速度为530℃/h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至230℃后出炉空冷。
5、均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理，均匀化和固溶处理温度为1080℃，保温时间为11h，均匀化和固溶处理升温速度为350℃/h，均匀化和固溶处理保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷。
6、退火：将固溶处理后的型材退火，退火温度为420℃，保温时间为2h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷，即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材，其特征在于，由奥氏体基体和石墨球组成；所述奥氏体基体中固溶C含量不低于0.9％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441-2009规定的8级；所述石墨球的体积占型材总体积的8~12％；
所述型材的组成成分按质量百分比计为：3.4~3.8％C、2.4~3.0％Si、5.0~6.0％Ni、1.0~1.5％Mn、0.50~1.0％Cu、0.30~0.5％Cr、0.40~0.80％Mo、≤0.06％P、≤0.02％S、0.03~0.05％Mg、0.03~0.05％Re、其余为Fe和不可避免的杂质；
所述的固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁或高炉铁水；
(2)熔炼：将步骤(1)称取的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁或高炉铁水熔炼成铁水；
(3)成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯；
(4)铸坯退火：将连铸成型的铸坯进行退火；
(5)均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理；
(6)退火：将固溶处理后的型材退火即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材；
步骤(4)所述退火时升温速度为500~550℃/h，退火温度为500~550℃，退火保温时间为4~8h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至200~250℃后出炉空冷；
步骤(5)所述均匀化和固溶处理升温速度为300~400℃/h，处理温度为1050~1100℃，保温时间为10~12h，保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷；
步骤(6)所述退火温度为400~450℃，保温时间为1~3h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷。
2.权利要求1所述的固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：称取废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、孕育剂、球化剂、面包铁或高炉铁水；
(2)熔炼：将步骤(1)称取的废钢、镍板、硅铁、铬铁、锰铁、紫铜板、钼铁、面包铁或高炉铁水熔炼成铁水；
(3)成型：将步骤(2)得到的铁水加入孕育剂和球化剂进行喂丝孕育和球化处理，采用水平连铸工艺铸造成铸坯；
(4)铸坯退火：将连铸成型的铸坯进行退火；
(5)均匀化和固溶处理：将退火后的铸坯进行成分均匀化和固溶处理；
(6)退火：将固溶处理后的型材退火即得固溶强化的奥氏体基体石墨钢型材；
步骤(4)所述退火时升温速度为500~550℃/h，退火温度为500~550℃，退火保温时间为4~8h，退火保温结束后的冷却方式为炉冷至200~250℃后出炉空冷；
步骤(5)所述均匀化和固溶处理升温速度为300~400℃/h，处理温度为1050~1100℃，保温时间为10~12h，保温结束后的冷却方式为直接出炉水冷；
步骤(6)所述退火温度为400~450℃，保温时间为1~3h，保温结束后的冷却方式为直接出炉空冷。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述熔炼温度为1510℃~1550℃，熔炼时间为5~10min。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述铸坯中石墨球球化等级不低于国标GB/T9441-2009的一级，球化率≥95％；所述石墨球大小的等级高于GB/T9441-2009规定的8级，石墨球的体积占型材总体积的8~12％。
5.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述退火应在步骤(3)中水平连铸成型后30min内进行。
6.根据权利要求2-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述均匀化和固溶处理后型材为含C不低于0.90％的高碳奥氏体，且合金元素Ni、Mn、Cu、Cr、Mo、Si均固溶于奥氏体基体。
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