CN116516265A - 一种高强度耐低温冲击合金棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及合金棒材技术领域，具体公开了一种高强度耐低温冲击合金棒材及其制备方法，一种高强度耐低温冲击合金棒材，其包括如下重量百分含量的元素成分：碳0.34‑0.38%、硅0.17‑0.37%、锰0.80‑1.00%、铬0.80‑1.20%、钼0.15‑0.25%、磷≤0.020%、硫≤0.020%，余量为铁和不可避免的杂质。本申请得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度最高分别为790MPa和585MPa，具有较高的强度，且‑20℃冲击功KV2最高可达52J，提高了合金棒材的耐低温冲击性。

Description

一种高强度耐低温冲击合金棒材及其制备方法

技术领域

本申请涉及合金棒材领域，更具体地说，它涉及一种高强度耐低温冲击合金棒材及其制备方法。

背景技术

随着我国汽车工业和机械行业的转型，合金棒材行业得到快速发展，其应用领域不断扩大，品种也日渐齐全和多样化，已经步入了高质量发展阶段。目前合金棒材被广泛应用于汽车和工程机械等领域的零部件，其最具有较高的强度，但整体调质后存在低温冲击性能不足等问题。

相关技术中，通过在在合金棒材原料中引入镍元素，使整体调质后合金棒材的耐低温冲击性能有所提高，但由于镍元素为较稀缺的资源，导致生产成本较大，且加入镍元素的情况下，合金棒材的低温冲击性能依旧较低，难以满足北方较寒地区等低温下恶劣环境的使用需求。

发明内容

为了提高合金棒材的耐低温冲击性，本申请提供了一种高强度耐低温冲击合金棒材及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高强度耐低温冲击合金棒材，其采用如下技术方案：一种高强度耐低温冲击合金棒材，其包括如下重量百分含量的元素：一种高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于，其包括如下重量百分含量的元素成分：碳0.34-0.38％、硅0.17-0.37％、锰0.80-1.00％、铬0.80-1.20％、钼0.15-0.25％、铝0-0.002％、钒0-0.04％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，余量为铁和不可避免的杂质。

本申请高压锅炉管用合金棒材原料可选用碳0.34-0.38％、硅0.17-0.37％、锰0.80-1.00％、铬0.80-1.20％、钼0.15-0.25％、铝0-0.002％、钒0-0.04％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，余量为铁和不可避免的杂质，可选用各自范围内的任一值，且能提高合金棒材的耐低温冲击性，且当碳0.36％、硅0.27％、锰0.90％、铬1.00％、钼0.20％、磷0.010％、硫0.015％，余量为铁97.22％和0.025％不可避免的杂质，效果最佳。

通过采用上述技术方案，碳可以和铬、钼等元素形成析出物，析出碳化物可通过弥散强化等方式提高材料的持久蠕变性能。硅是脱氧的主要元素，同时硅可提高钢的强度。锰起到固溶强化的作用，可提高钢的强度和韧性，改善钢的加工性能。

铬具有较高的抗蒸汽腐蚀和抗热腐蚀性，随着铬含量的增加，钢的抗蒸汽腐蚀性能明显增加，同时还可提高合金棒材的抗氧化性和强度。钼可细化晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。

有害元素磷和硫会增加钢在晶界或亚晶界的偏聚，可显著降低合金钢的高温疲劳强度、抗应力腐蚀强度和热蠕变性能，增大其脆化倾向，使合金钢在临氢环境腐蚀条件下断裂的性能更加明显，因此本申请严格降低了合金棒材中的磷含量和硫含量。

作为优选：所述高强度耐低温冲击合金棒材还包括0.001-0.002％的铝。

通过采用上述技术方案，铝也是脱氧的主要元素，可以起到细化晶粒的作用，从保证钢液脱氧和降低钢的洁净度的角度出发，进一步提高硅元素所起的增强效果。

第二方面，本申请提供一种高强度耐低温冲击合金棒材的制备方法，具体通过以下技术方案得以实现：

一种高强度耐低温冲击合金棒材，其包括以下操作步骤：

转炉冶炼：将铁水及废钢装入转炉中，吹炼，出钢前加入铝条进行强脱氧，脱氧后进一步在钢包合金化，控制离站铝为0.020-0.050％；

LF精炼：采用CaO-Al2O3-SiO2渣系，二元碱度CaO/SiO2控制在4-8，钢包吹氩，处理渣，加热，停止吹氩，其中精炼后炉渣碱度5-10，白渣保持时间≥15min；

VD真空：深真空度≤67Pa，保真空时间≥15min，喂入钙-硅线，进行整体调质，进行软吹，软吹时间≥15min，静置20-35min；

大方坯连铸；

铸坯加热：对坯料进行加热，预热段温度≤850℃，加热段温度为1200-1280℃，均热段温度为1210-1270℃，开轧温度为1150±30℃，总加热时间≥300min；

开坯轧制：经9道次往复轧制，最大压下量80-90mm；

锯切收集；

入坑缓冷：入坑温度≥500℃，冷速为6～8℃/h，出坑温度≤100℃；

联合探伤：采用漏磁和超声联合探伤方式。

通过采用上述技术方案，通过转炉冶炼，也就是吹炼，降低钢水中的碳，并去除有害杂质，即脱磷、脱硫和脱氧，防止磷元素造成钢的冷脆，硫元素造成钢的热脆。当把钢水成分和温度调整至规定值后，则进行出钢，出钢前向炉内加入铝条进行脱氧，铝元素具有比铁更大的亲氧力，从而达到强脱氧的效果。同时，转炉冶炼还可去除氢、氮气体以及氧化物、硫化物、磷化物、氮化物等非金属夹杂物。其次，转炉冶炼调整钢水的成分和温度。由于转炉内存在大量的碱性炉渣，在炉内完全脱氧很困难，所以将钢水倒入转炉下面的钢包内，向钢包内加入铝条，进一步脱氧和合金化。

LF精炼中LF炉渣是各元素氧化所形成的氧化物，废钢带入的泥沙和铁锈，被侵蚀的炉衬耐火材料以及加入的各种造渣材料。炉渣为碱性渣，且炉渣的碱度为5-10，可起到脱磷、脱硫和脱氧的目的。白渣保持时间控制在≥15min，可降低合金棒材中氧、硫及夹杂物的含量。

VD真空控制深真空度≤67Pa，保真空时间≥15min，软吹时间≥15min，去除钢水中较大的颗粒夹杂物，软吹后静置20-35min，可促进小颗粒夹杂物上浮，提高了钢材纯净度。

采用大方坯连铸，可减少铸坯非金属夹杂，防止内部疏松，提高浇铸速度。铸坯加热的预热段温度控制为≤850℃，加热段温度控制为1200-1280℃，均热段温度控制为1210-1270℃，开轧温度控制为1150±30℃，可防止加热过热、过烧和脱碳等缺陷的产生。

开坯轧制采用1100开坯机，经9道次往复轧制，最大压下量90mm，采用大压下来提高晶粒度破碎能力，细化组织晶粒度，提高原材料冲击性能。入坑缓冷有助于释放轧材内部应力，防止轧材产生裂纹，入坑温度控制在≥500℃，可避免合金棒材内部开裂，提高后续探伤的合格率，冷速为6～8℃/h，降低冷却过程产生的组织应力和热应力，避免铸坯表面和内裂纹产生的同时最大限度地提高生产节奏。

联合探伤采用漏磁和超声联合探伤方式，确保棒材表面及内部质量，其中漏磁探伤是合金棒材被磁化后，因试件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁场，人们可以通过检测漏磁场的变化进而发现缺陷，超声探伤，即超声波进入物品遇到缺陷，一部分声波会产生反射，接收器可对反射波进行分析，可精确的测出合金棒材中的缺陷，并可显示内部缺陷的位置和大小。两者联合探伤，可精确测出合金棒材内部和外部缺陷。

作为优选：在所述转炉冶炼步骤中出钢时加入0.03-0.04％钒。

通过采用上述技术方案，添加微合金元素钒，可细化组织晶粒度，提高合金棒材强度和韧性，从而提高合金棒材的耐低温冲击性能。

作为优选：所述LF精炼步骤中采用窄成分控制技术，碳控制±0.01％，锰、铬控制在±0.02％。

通过采用上述技术方案，LF精炼采用窄成分控制技术，精确控制合金棒材中各种合金元素的成分，减少波动，碳控制±0.01％，锰、铬控制在±0.02％，提高原料性能稳定性。

作为优选：所述VD真空步骤中，所述真空处理后，在氩气流量40～80Nl/min的条件下保持钢水软吹。

通过采用上述技术方案，将氩气流量控制在40～80Nl/min，可改善去除夹杂物的效果，提升合金棒材的纯度，从而提高合金棒材的强度以及耐低温冲击性。

作为优选：所述大方坯连铸步骤中，控制钢水中间包过热度在20-35℃，铸坯拉速为0.80-1.0m/min。

通过采用上述技术方案，控制水中间包过热度和铸坯拉速，可防止大方坯连铸过程中，铸坯产生裂纹，提高大方坯连铸的效果。

作为优选：所述入坑缓冷步骤中轧材入坑缓冷时，下铺垫板，上盖盖板。

通过采用上述技术方案，轧材入坑缓冷，下铺垫板，上盖盖板，可减轻形成的“热区”和“冷区”对轧材的工艺准确性和性能均匀可靠性的影响，提高合金棒材的硬度。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

(1)本申请通过控制各元素成分的种类的掺量，使整体调质后的合金棒材的抗拉强度和屈服强度分别为750MPa和550MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达30J，提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(2)本申请通过在合金棒材中加入铝元素，使整体调质后的合金棒材的-20℃冲击功KV2达到34-37J，进一步提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(3)本申请通过在转炉冶炼步骤中出钢时加入0.03％-0.04％的钒元素，使整体调质后的合金棒材的-20℃冲击功KV2达到41-43J，进一步提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(4)本申请通过在LF精炼采用窄成分控制技术，精确控制合金棒材中各种合金元素的成分，减少波动，碳控制±0.01％，锰、铬控制在±0.02％，使整体调质后的合金棒材的-20℃冲击功KV2达到45J，提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(5)本申请通过在VD真空步骤中，真空处理后，在氩气流量60Nl/min的条件下保持钢水软吹，使整体调质后的合金棒材的-20℃冲击功KV2达到46J，进一步提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(6)本申请通过在大方坯连铸步骤中，控制钢水中间包过热度在30℃，铸坯拉速为0.9m/min，，使整体调质后的合金棒材的-20℃冲击功KV2达到48J，进一步提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(7)本申请通过在入坑缓冷步骤中轧材入坑，下铺垫板，上盖盖板，使整体调质后的合金棒材-20℃冲击功KV2达到52J，进一步提高了合金棒材的耐低温冲击性。

(8)本申请通过开坯轧制时，经9道次往复轧制，控制最大压下量90mm。使整体调质后的合金棒材-20℃冲击功KV2高于控制最大压下量在80mm和40mm，可见开坯轧制时，经9道次往复轧制，控制最大压下量90mm，提高了合金棒材的耐低温冲击性。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。具体为：硅碳，SiC65；硅锰，FeMn68Si18；铬铁，FeCr65C0.10；钼铁，FeMo60；铝铁，AlFe20；钒铁，FeV60。

实施例1

一种高强度耐低温冲击合金棒材，其通过如下操作步骤制备得到：

转炉冶炼：按照表1的掺量，将各原料装入转炉中，吹炼，出钢前加入铝条进行强脱氧，脱氧后进一步在钢包合金化(即加入硅锰、铬铁、钼铁)，控制离站铝为0.030％；

LF精炼：采用CaO-Al2O3-SiO2渣系，二元碱度CaO/SiO2控制在6，钢包吹氩，处理渣，加热，停止吹氩，其中精炼后炉渣碱度7左右，白渣保持时间15min；

VD真空：深真空度67Pa，保真空时间15min，喂入钙-硅线和铝线，进行整体调质，在氩气流量50Nl/min的条件下软吹，软吹时间15min，静置30min；

大方坯连铸；钢水中间包过热度在40℃，铸坯拉速为1m/min；

铸坯加热：对坯料进行加热，预热段温度850℃，加热段温度为1240℃，均热段温度为1250℃，开轧温度为1150℃，总加热时间300min；

开坯轧制：经9道次往复轧制，最大压下量90mm；

锯切收集；

入坑缓冷：入坑温度500℃，冷速为7℃/h，出坑温度100℃；

联合探伤：采用漏磁和超声联合探伤方式。

实施例2-6

实施例2-6高强度耐低温冲击合金棒材的制备方法相同，区别在于合金棒材中还包括铝元素，即在脱氧后进一步在钢包合金化时加入铝铁，具体掺量详见表1所示。

表1实施例1-6的高强度耐低温冲击合金棒材的各原料成分的含量(单位：％)

余量为Fe和不可避免杂质，不可避免杂质≤0.03％。

实施例7-11

实施例7-11的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例1的元素成分相同，区别在于转炉冶炼步骤中出钢时加入钒铁，使钒元素含量为0.02％、0.03％、0.035％、0.04％和0.045％，且铁元素掺量为97.1985％、97.1835％、97.1785％和97.1735％，其余元素种类和掺量与实施例4相同。

实施例12

实施例12的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例9的元素成分相同，区别在于LF精炼步骤中采用窄成分控制技术，碳控制±0.01％，锰、铬控制在±0.02％，其余操作同实施例9。

实施例13

实施例13的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例12的元素成分相同，区别在于VD真空步骤中，所述真空处理后，在氩气流量60Nl/min的条件下保持钢水软吹，其余操作同实施例12。

实施例14

实施例14的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例13的元素成分相同，区别在于大方坯连铸步骤中，控制钢水中间包过热度在30℃，铸坯拉速为0.9m/min，其余操作同实施例13。

实施例15

实施例15的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例14的元素成分相同，区别在于入坑缓冷步骤中轧材入坑，下铺垫板，上盖盖板，其余操作同实施例14。

实施例16

实施例16的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例15的元素成分相同，区别在于，开坯轧制：经9道次往复轧制，最大压下量80mm，其余操作同实施例14。

实施例17

实施例17的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例15的制备方法完全相同，区别在于：开坯轧制：经9道次往复轧制，最大压下量40mm，其余原料及掺量与实施例15相同。

实施例18

实施例18的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例15的制备方法完全相同，区别在于：入坑温度450℃，冷速为9℃/h，出坑温度100℃，其余原料及掺量与实施例15相同。

对比例1

对比例1的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将合金棒材中的铬元素等量替换为铁，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例2

对比例2的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将合金棒材中的硅元素等量替换为铁，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例3

对比例3的高强度耐低温冲击合金棒材与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将合金棒材中的钼元素等量替换为铁，其余原料及掺量与实施例1相同。

性能检测(一)

采用如下检测标准或方法分别对不同实施例1-18和对比例1-3得到的合金棒材进行基础性能检测，检测结果详见表2。

抗拉强度：按照GB/T 228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》标准对合金棒材的抗拉强度进行检测。

屈服强度：按照GB/T 228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》标准对合金棒材的屈服强度进行检测。

-20℃冲击功KV2：按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对合金棒材的-20℃冲击功KV2的检测。

表2不同合金棒材的性能检测结果

由表2的检测结果表明，本申请得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度最高分别为790MPa和585MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2最高可达52J，提高了合金棒材的耐低温冲击性，可满足北方寒地区的耐低温冲击韧性。

结合实施例1合金棒材性能检测数据发现，实施例1得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为750MPa和550MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达30J，提高了合金棒材的耐低温冲击性。表明选用本申请实施例1合金棒材的元素成分和掺量，并采用实施例合金棒材的制备方法，可提高合金棒材的耐低温性能。

实施例2-6中，实施例3-5得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为760-765MPa和555-560MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达34-37J，表明在合金棒材中加入0.001-0.002％的铝元素，可提高合金棒材的耐低温冲击性，可能与铝也是脱氧的主要元素，可以起到细化晶粒的作用有关。

实施例7-11中，实施例8-10得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为770-775MPa和568-572MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达41-43J，表明在转炉冶炼步骤中出钢时加入0.03％-0.04％的钒元素，可提高合金棒材的耐低温冲击性，可能与添加微合金元素钒，可细化组织晶粒度，提高合金棒材强度和韧性，从而提高合金棒材的耐低温冲击性能有关。

结合实施例9与实施例12合金棒材性能检测数据发现，实施例12得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为780MPa和575MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达45J，表明LF精炼步骤中采用窄成分控制技术，碳控制±0.01％，锰、铬控制在±0.02％，可提高合金棒材的耐低温冲击性。可能与LF精炼采用窄成分控制技术，精确控制合金棒材中各种合金元素的成分，减少波动，碳控制±0.01％，锰、铬控制在±0.02％，提高原料性能稳定性有关。

结合实施例12与实施例13合金棒材性能检测数据发现，实施例13得到的合金棒材。整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为783MPa和578MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达46J，表明VD真空步骤中，真空处理后，在氩气流量60Nl/min的条件下保持钢水软吹，可提高合金棒材的耐低温冲击性。可能与采用钢水软吹，可促进小颗粒夹杂物上浮，提高了钢材纯净度有关。

结合实施例13与实施例14合金棒材性能检测数据发现，实施例14得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为786MPa和581MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达48J，表明大方坯连铸步骤中，控制钢水中间包过热度在30℃，铸坯拉速为0.9m/min，可提高合金棒材的耐低温冲击性。可能与将氩气流量控制在40～80Nl/min，可改善去除夹杂物的效果，提升合金棒材的纯度，从而提高合金棒材的强度以及耐低温冲击性有关。

结合实施例14与实施例15合金棒材性能检测数据发现，实施例15得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度分别为790MPa和585MPa，具有较高的强度，且-20℃冲击功KV2可达52J，表明入坑缓冷步骤中轧材入坑，下铺垫板，上盖盖板，可提高合金棒材的耐低温冲击性。可能与轧材入坑缓冷，下铺垫板，上盖盖板，可减轻形成的“热区”和“冷区”对轧材的工艺准确性和性能均匀可靠性的影响，提高合金棒材的硬度有关。

结合实施例15与实施例16-17合金棒材性能检测数据发现，实施例16-17得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度均低于实施例15，且-20℃冲击功KV2同样也低于实施例15，表明开坯轧制时，经9道次往复轧制，最大压下量90mm，可提高合金棒材的耐低温冲击性。可能与采用大压下来提高晶粒度破碎能力，细化组织晶粒度，提高原材料冲击性能有关。

结合实施例15与实施例18合金棒材性能检测数据发现，实施例18得到的合金棒材，整体调质后抗拉强度和屈服强度均低于实施例15，且-20℃冲击功KV2同样也低于实施例15，表明入坑温度500℃，冷速为7℃/h，可提高合金棒材的耐低温冲击性。可能与入坑温度控制在≥500℃，可避免合金棒材内部开裂，提高后续探伤的合格率，冷速为6～8℃/h，降低冷却过程产生的组织应力和热应力，避免铸坯表面和内裂纹产生有关。

结合对比例1-4与实施例1合金棒材性能检测数据发现，在合金棒材中加入铬、硅和钼元素，均可提高合金棒材的耐低温冲击性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于，其包括如下重量百分含量的元素成分：碳 0.34-0.38%、硅0.17-0.37%、锰0.80-1.00%、铬0.80-1.20%、钼0.15-0.25%、铝0-0.002%、钒0-0.04%、磷≤0.020%、硫≤0.020%，余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于，所述高强度耐低温冲击合金棒材还包括0.001-0.002%的铝。

3.一种权利要求1-2任一所述的高强度耐低温冲击合金棒材的制备方法，其特征在于，其包括如下操作步骤：

转炉冶炼：将铁水及废钢装入转炉中，吹炼，出钢前加入铝条进行强脱氧，脱氧后进一步在钢包合金化，控制离站铝为0.020-0.050%；

LF精炼：采用CaO-Al2O3-SiO2渣系，二元碱度CaO/SiO2控制在4-8，钢包吹氩，处理渣，加热，停止吹氩，其中精炼后炉渣碱度5-10，白渣保持时间≥15min；

VD真空：深真空度≤67Pa，保真空时间≥15min，喂入钙-硅线，进行整体调质，进行软吹，软吹时间≥15min，静置20-35min；

大方坯连铸；

铸坯加热：对坯料进行加热，预热段温度≤850℃，加热段温度为1200-1280℃，均热段温度为1210-1270℃，开轧温度为1150±30℃，总加热时间≥300min；

开坯轧制：经9道次往复轧制，最大压下量80-90mm；

锯切收集；

入坑缓冷：入坑温度≥500℃，冷速为6～8℃/h，出坑温度≤100℃；

联合探伤：采用漏磁和超声联合探伤方式。

4.根据权利要求3所述的高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于：在所述转炉冶炼步骤中出钢时加入0.03-0.04%钒。

5.根据权利要求3所述的高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于：所述LF精炼步骤中采用窄成分控制技术，碳控制±0.01%，锰、铬控制在±0.02%。

6.根据权利要求3所述的高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于，所述VD真空步骤中，所述真空处理后，在氩气流量40～80Nl/min的条件下保持钢水软吹。

7.根据权利要求3所述的高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于，所述大方坯连铸步骤中，控制钢水中间包过热度在20-35℃，铸坯拉速为0.80-1.0m/min。

8.根据权利要求3所述的高强度耐低温冲击合金棒材，其特征在于，所述入坑缓冷步骤中轧材入坑，下铺垫板，上盖盖板。