專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金材料鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
鑄鋼具有優(yōu)良力學(xué)和物理化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、礦山、石油、冶金等力學(xué)制造業(yè)中，僅2011年，中國(guó)全年鑄鋼件產(chǎn)量達(dá)到了 1100萬(wàn)t，漲幅達(dá)48%。可見(jiàn)，鑄鋼行業(yè)具有巨大的發(fā)展?jié)摿徒?jīng)濟(jì)效益。惡劣的使用環(huán)境(低溫、重載、沖擊等)對(duì)鑄鋼的性能提出了更高要求:在保證較高強(qiáng)度的同時(shí)，還要求鑄鋼具備良好的低溫沖擊韌性和焊接性。傳統(tǒng)的鑄鋼材料，其成分含較高的碳含量(w(C)為0.15% 0.60%)，高碳含量能提高鋼的強(qiáng)度與硬度，但必然導(dǎo)致塑韌性差、焊接困難等問(wèn)題，遠(yuǎn)不能滿足鑄鋼的使用要求。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì) 低溫用鋼研究較多的是軋材，對(duì)低溫用鑄鋼研究較少。但是，礦山、冶金、石油等工業(yè)部門(mén)的許多低溫用零部件，由于形狀復(fù)雜與壁厚的原因，采用軋制成形，不僅工藝復(fù)雜，且制作成本昂貴，需要采用鑄造成形。鎳鉻奧氏體不銹鋼作為國(guó)內(nèi)外普遍采用的鑄造低溫鋼，此類(lèi)鋼有良好的低溫韌性，但屈服強(qiáng)度低，不能滿足零部件的強(qiáng)度指標(biāo)，大量貴金屬的添加增加成本。因此，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)、熔鑄及熱處理工藝，獲得一種制備工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)韌性高、成本低、污染小，具有良好低溫韌性、焊接性的低溫用鑄鋼已成為一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。20世紀(jì)80年代，美國(guó)專(zhuān)利US4634476報(bào)道了此類(lèi)鑄鋼在軍艦上重要需求，其質(zhì)量百分比成分為:C:0.07-0.12% ；Si:0.20-0.60% ；Mn:0.90-1.20% ；P ≤ 0.015% ；S ≤ 0.010% ；Mo:0.30-0.50% ；Ni ≤ 0.30% ；Cr ≤ 0.30% ；V:0.05-0.10% ；Ti ≤ 0.01% ；Cu ≤0.35%；A1 ≤ 0.07%；N:0.009-0.015%;其余為Fe。發(fā)明鑄鋼經(jīng)正火+調(diào)質(zhì)處理后，其抗拉強(qiáng)度≥620MPa，屈服強(qiáng)度≥450MPa，在-40°C時(shí)沖擊功達(dá)到54-95J，且具備優(yōu)良的焊接性能。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN200610017797.1公開(kāi)了一種超高強(qiáng)度高韌性可焊接鑄鋼，鑄鋼的化學(xué)成分(按重量)為:C:0.12-0.17% ；Si:0.10-0.50% ；Mn:0.80-1.20% ；P+S ≤0.025% ；Mo:0.40-0.50% ；N1:4.00-4.50% ；Cr:0.70-1.20% ；V:0.04-0.08% ；Cu:0.2-0.40% ;其余為Fe。發(fā)明鑄鋼的熱處理工藝為擴(kuò)散退火+正火+調(diào)質(zhì)處理，鑄鋼經(jīng)熱處理后，屈服強(qiáng)度≥800MPa，延伸率≥15%，斷面收縮率 ≥50%，_20°C的沖擊功Akv≥55J，在100°C預(yù)熱條件下，便能進(jìn)行良好的焊接。以上兩種鑄鋼雖具有優(yōu)異的性能，但其成分要求控制嚴(yán)格，尤其是美國(guó)專(zhuān)利中對(duì)雜質(zhì)元素及氮元素含量的要求，給工業(yè)冶煉控制帶來(lái)很大難度；發(fā)明鑄鋼的熱處理工藝繁瑣，顯著增加制備工序及能耗，中國(guó)專(zhuān)利中加入大量貴重合金，制造成本高，不利于工業(yè)化應(yīng)用。為簡(jiǎn)化制備工藝、降低成本，中國(guó)專(zhuān)利CN201110088434.8公開(kāi)了一種能在高寒地區(qū)冬季使用的鑄鋼及制造方法，其化學(xué)成分配比(按重量)為:C:0.15-0.22% ；Si:0.30-0.60 % ；Mn:0.50-1.00 % ；P ≤ 0.025 % ；S ≤0.025 % ；Mo:0.30-0.45 % ；Ni:
1.50-1.90% ；Cr:0.60-0.90% ；V ≤0.15% ；Cu ≤ 0.5% ；A1 ≤0.08 ;其余為 Fe。其特點(diǎn)是發(fā)明鑄鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，既有高的強(qiáng)度，又兼有良好的韌性，在_45°C溫度下，沖擊功達(dá)到36J以上。調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致了鑄鋼具有很高的屈強(qiáng)比(彡0.91)，不利于材料在低溫條件下的安全使用，并且淬火會(huì)增大鑄鋼變形與開(kāi)裂的傾向。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前低溫用鑄鋼存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種制備工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、成本低、污染小，具有良好低溫韌性、焊接性的低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼及其制備方法。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:本發(fā)明所公開(kāi)的一種低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼的成分及其質(zhì)量百分比含量為 碳0.05% -0.15%、錳0.1% -1%、硅 0.1% -0.6%、磷0-0.05%、硫 0-0.05%、鎳 0.5% -2%,鉻 0.1% -0.5 %、鑰 0.1% -0.5 %、釩 0.01% -0.1 %、銅 0-0.05 %、鋁 0-0.1 %、鐵余量。各成分優(yōu)選的質(zhì)量百分比含量為:碳0.10 % -0.15 %、錳 0.30 % -0.60 %、硅 0.10 % -0.50 %、磷 0-0.015 硫0-0.025%、鎳 1.0% -1.4%、鉻 0.20% -0.35%、鑰 0.20% -0.35%、釩 0.03% -0.06%、銅0-0.01 %、鋁 0-0.08%、鐵余量。本發(fā)明所公開(kāi)的一種低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼的方法包括以下步驟:(I)冶煉:采用電爐+氬氧脫碳雙聯(lián)冶煉工藝，在鋼液融化2/3時(shí)，放入鐵錳、鐵硅、鐵鑰合金及電解鎳，混合均勻，待完全熔化，然后投入純鋁脫氧劑凈化鋼液，(2)澆注:鋼水出爐溫度為1650-1700°C，待鋼液在澆包中鎮(zhèn)靜2_3分鐘后開(kāi)始澆注，澆注溫度控制在1590-1620°C，(3)熱處理:澆注成型后，鑄件要進(jìn)行正火和高溫回火處理，正火溫度為880°C，回火溫度為580-600°C，然后保溫1.5h后空冷，得到低合金高強(qiáng)鑄鋼。為節(jié)約貴重合金元素，又使鑄鋼具有較高的室溫綜合力學(xué)性能、良好的低溫沖擊韌性和焊接性，鑄造合金設(shè)計(jì)原則:較低的C、Si含量，保證足夠的低溫沖擊韌性和焊接性；添加適量的合金元素，以彌補(bǔ)碳含量的缺失而導(dǎo)致強(qiáng)度硬度的降低；嚴(yán)格控制S、P等雜質(zhì)元素的量，過(guò)量雜質(zhì)元素會(huì)顯著惡化鋼的塑韌性。元素C可顯著提高鋼的強(qiáng)硬度，降低塑韌性和焊接性，將C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.10 0.15%。Si含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))控制在0.10 0.50%范圍內(nèi)，既起到提高淬透性和強(qiáng)度的作用，又不會(huì)惡化鋼的韌性。N1、Mn元素可以固溶到基體中，起到強(qiáng)化韌化作用，顯著提高鋼的淬透性和低溫沖擊韌性；鋼中適當(dāng)添加元素Cr具有強(qiáng)化基體、細(xì)化晶粒及提高淬透性的作用，但含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鋼韌性的降低；Mo的主要作用是提高淬透性、促進(jìn)強(qiáng)碳化物的形成，少量Mo元素的加入可以強(qiáng)化基體、細(xì)化晶粒，改善韌性；添加少量V微合金化元素，能形成V(C，N)析出相，顯著強(qiáng)化基體、細(xì)化晶粒?？紤]到材料的性能和成本問(wèn)題，控制Mn元素的加入量為0.30 0.60%，而N1、Cr、Mo、V元素總量控制在1.45 2.50%范圍。為減弱雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的惡化，S、P總量控制在0.04%以下。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，發(fā)明鑄鋼的碳當(dāng)量CE彡0.46%，裂紋敏感系數(shù)PCM彡0.23%?？梢?jiàn)，該鑄鋼具有很低的CE和PCM值，在理論上具有優(yōu)良的焊接性能。碳(C):提高鋼的強(qiáng)度、硬度，降低塑韌性和焊接性；硅(Si):強(qiáng)化鐵素體，提高淬透性和抗拉強(qiáng)度，降低塑性和韌性；錳(Mn):增強(qiáng)鋼的淬透性，提高強(qiáng)度、硬度及低溫沖擊韌性，促進(jìn)貝氏體組織形成；鎳(Ni):強(qiáng)化鐵素體組織，提高強(qiáng)度及低溫沖擊韌性，且不顯著降低塑性；鉻(Cr):固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒，提高鑄鋼的空冷淬透性；鑰(Mo):提高淬透性，強(qiáng)化基體、細(xì)化晶粒，改善韌性；釩(V):能形成V (C，N)析出相，強(qiáng)化基體、細(xì)化晶粒；硫⑶:鋼中有害雜質(zhì)，惡化鋼的塑性和韌性；磷⑵:降低鋼的可塑性和韌性，導(dǎo)致冷脆性的發(fā)生。合金成分一定時(shí)，熱處理工藝便成了鑄鋼性能控制的關(guān)鍵因素，本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的正火+高溫回火工藝原因是:正火工藝簡(jiǎn)化了熱處理流程、減少污染，同時(shí)減小鑄件成分偏析、顯著細(xì)化鑄態(tài)組織，提高鑄件的力學(xué)性能，避免鑄件因淬火發(fā)生變形或開(kāi)裂的可能性；再結(jié)合高溫回火消除空冷內(nèi) 應(yīng)力、析出強(qiáng)化相，使鑄件具備高的室溫力學(xué)性能、優(yōu)良的低溫沖擊韌性及焊接性能。本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)對(duì)合金成分的合理設(shè)計(jì)，將碳含量控制在0.11%左右，保證鑄鋼有足夠的低溫韌性與焊接性；再加入適量合金元素，以彌補(bǔ)碳含量缺失而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。選用電爐+氬氧脫碳雙聯(lián)冶煉工藝，提高鑄鋼的冶金質(zhì)量。采用簡(jiǎn)單的正火+高溫回火熱處理工藝，調(diào)整鑄鋼的強(qiáng)度和韌性，以達(dá)到最佳匹配。所發(fā)明的鑄鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)570-590MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)460_475MPa，延伸率達(dá)25-27%，斷面收縮率達(dá)67-70%，碳當(dāng)量(0.45%，在-40°C沖擊功達(dá)到110J。該鑄鋼具有高的強(qiáng)度、韌性，尤其是優(yōu)良低溫韌性及焊接性能，并且合金元素添加少、熱處理工藝簡(jiǎn)單、成本較低。特別適合制造對(duì)低溫韌性、焊接性要求苛刻的高強(qiáng)鑄鋼件材料，保證鑄鋼在嚴(yán)寒、重載條件下的正常使用。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1:1.1低合金高強(qiáng)鑄鋼的質(zhì)量百分比組成:碳0.11 %、錳 0.39%、硅 0.26%、磷 0.015%、硫 0.0087%、鎳 1.18%、鉻 0.26%、鑰 0.25%、釩 0.07%、銅 0.025%、鋁 0.01 %、鐵余量。1.2制備方法:(I)冶煉:采用電爐+氬氧脫碳雙聯(lián)冶煉工藝，在鋼液融化2/3時(shí)，放入鐵錳、鐵硅、鐵鑰合金及電解鎳，混合均勻，待完全熔化，然后投入純鋁脫氧劑凈化鋼液；(2)澆注:鋼水出爐溫度為1650-1700°C，待鋼液在澆包中鎮(zhèn)靜2_3分鐘后開(kāi)始澆注，澆注溫度控制在1590-1620°C ；(3)熱處理:澆注成型后，鑄件要進(jìn)行正火和高溫回火處理，正火溫度為880°C，回火溫度為580°C，然后保溫1.5h后空冷，得到低合金高強(qiáng)鑄鋼。1.3低合金高強(qiáng)鑄鋼的性能:表1:實(shí)施例1發(fā)明鑄鋼的性能
權(quán)利要求
1.一種低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼，其特征在于:所述鑄鋼的成分及其質(zhì)量百分比為:碳0.05% -0.15%、錳 0.1% -1%、硅 0.1% -0.6%、磷0-0.05%、硫 0-0.05%、鎳 0.5% -2%,鉻 0.1% -0.5%、鑰 0.1% -0.5%、釩 0.01% -0.1 %、銅 0-0.05%、鋁 0-0.1 %、鐵余量。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼，其特征在于:所述鑄鋼的成分及其質(zhì)量百分比為:碳 0.10% -0.15%、錳 0.30% -0.60%、硅 0.10% -0.50%、磷 0-0.015%、硫0-0.025%、鎳 1.0% -1.4%、鉻 0.20% -0.35%、鑰 0.20% -0.35%、釩 0.03% -0.06%、銅0-0.01 %、鋁 0-0.08%、鐵余量。
3.一種制備如權(quán)利要求1或2所述的低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)冶煉:采用電爐+氬氧脫碳雙聯(lián)冶煉工藝，在鋼液融化2/3時(shí)，放入鐵錳、鐵硅、鐵鑰合金及電解鎳，混合均勻，待完全熔化，然后投入純鋁脫氧劑凈化鋼液； (2)澆注:鋼水出爐溫度為1650-1700°C，待鋼液在澆包中鎮(zhèn)靜2-3分鐘后開(kāi)始澆注，澆注溫度控制在1590-1620°C ； (3)熱處理:澆注成型后，鑄件要進(jìn)行正火和高溫回火處理，正火溫度為880°C，回火溫度為580-600°C，然后保溫 1.5h后空冷，得到低合金高強(qiáng)鑄鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了低溫用低合金高強(qiáng)鑄鋼，該鑄鋼的成分及其，質(zhì)量百分比為碳0.10％-0.15％、錳0.30％-0.60％、硅0.10％-0.50％、磷0-0.015％、硫0-0.025％、鎳1.0％-1.4％、鉻0.20％-0.35％、鉬0.20％-0.35％、釩0.03％-0.06％、銅0-0.01％、鋁0-0.08％、余量為鐵。本發(fā)明的低合金高強(qiáng)鑄鋼是通過(guò)電爐+氬氧脫碳雙聯(lián)冶煉、澆注和正火+高溫回火處理制備而成。本發(fā)明的鑄鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)570-590Mpa，屈服強(qiáng)度達(dá)460-475MPa，延伸率達(dá)25-27％，斷面收縮率達(dá)67-70％，碳當(dāng)量≤0.45％，在-40。C時(shí)沖擊功達(dá)到110J。該鑄鋼強(qiáng)度高、韌性好，尤其具有優(yōu)良的低溫韌性及焊接性能，并且合金元素添加少、熱處理工藝簡(jiǎn)單、成本較低。特別適合制造對(duì)低溫韌性、焊接性要求苛刻的高強(qiáng)鑄鋼件材料。
文檔編號(hào)C22C38/46GK103194687SQ20131013503
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者許曉嫦, 雷勇, 吳峰 申請(qǐng)人:中南大學(xué)