CN101988173B - 一种铸钢材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铸钢材料，具体的化学成分(重量％)为：C 0.2-0.23，Mn 1.3-1.5，Si 0.6-0.7，Ti 0.18，RE≤0.2，S≤0.035，P≤0.035，其余为铁元素，ZG25Mn2TiRE铸钢材料性能为拉伸强度达500～735MPa，屈服强度达310～460MPa，延伸率达20～33％，断面收缩率达45～56％，硬度达170～207HB。本发明中元素钛细化晶粒和沉淀强化，提高铸钢强度；稀土元素RE细化晶粒并改善非金属夹杂物的形态和分布，提高钢的韧性和改善钢的焊接性能。正火处理在提高强度的同时，适当地改善了钢材的塑性和韧性，以达到最佳的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及铸钢材料，特别是涉及一种正火钢材料及其制备方法。
背景技术
目前，煤矿行业用液压支架上柱窝类、连接头类、导轨等一些零部件都采用铸钢件。由于支架在工作时要承受来自顶板的垂直压力以及大量煤、石下落引起的交变冲击载荷，因此要求柱窝类铸钢件要具有较好的综合机械性能和很好的焊接性能。
一般地，柱窝类、连接头类零部件常选用ZG270-500材料，其综合机械性能基本上能满足要求，但由于铸后要经过调质热处理，裂纹倾向很大，不易生产出性能稳定的优质铸钢件，而且调质钢在生产过程中需要占用较长的生产周期，综合成本高，这与煤机企业生产任务紧、降低成本的要求产生矛盾。所以，考虑用正火钢来代替调质钢，缩短生产周期，降低综合成本，具有重要的研究意义。
所谓正火钢是指在固溶强化的基础上，通过沉淀强化和细晶强化来进一步提高强度和保证韧性的一类低合金高强钢。ZG25Mn2是我国一种典型的正火铸钢，由于其有较好的焊接性和良好的综合机械性能，广泛应用于压力容器制造方面。但用于液压支架的铸钢件，其抗拉强度和屈服强度有点偏低，延伸率和断面收缩率也有一定的差距。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、良好综合机械性能和焊接性能的ZG25Mn2TiRE铸钢材料及其制备方法。
为实现上述目的采用下述技术方案：一种铸钢材料，其具体的化学成分(重量％)为：C 0.2-0.23，Mn 1.3-1.5，Si 0.6-0.7，Ti 0.18，RE≤0.2，S≤0.035，P≤0.035，其余为铁元素，该铸钢材料的性能为拉伸强度达500～735MPa，屈服强度达310～460MPa，延伸率达20～33％，断面收缩率达45～56％，硬度达170～207HB。
所述铸钢材料的制备方法，包括以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程，其具体步骤是：
(1)冶炼工艺
钢水冶炼过程中，在钢包钢液熔化1/3～2/3时，放入硅合金、锰合金、钛合金，调整化学成分，在钢水出炉前3～10分钟加入稀土硅铁合金，混合均匀，充分熔化，然后投入脱氧剂净化钢水；
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1680～1700℃，待钢液在浇包中镇静1-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1580～1620℃；
(3)正火工艺
浇注成型后，铸件要进行正火处理，正火温度为840℃～880℃，保温适当时间后散开空冷。
所述脱氧剂为工业纯铝。
所述最佳正火温度为860℃。
所述正火的保温时间t根据以下经验公式算出：t＝αkD，其中，α-加热系数，k-装填系数，D-工件有效厚度。
所述α-加热系数为0.7～0.8min/mm；k-装填系数为：1.0-1.5。
本发明添加了元素Ti和RE，并用正火处理代替调质处理。其中强碳化物形成元素钛可细化晶粒和沉淀强化，显著提高铸钢强度；稀土元素RE则可细化晶粒并改善非金属夹杂物的形态和分布，显著提高钢的韧性和改善钢的焊接性能。而正火的目的是为了使这些合金元素能以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，并同时起到细化晶粒的作用，在提高强度的同时，适当地改善了钢材的塑性和韧性，以达到最佳的综合性能。
采用发明生产的ZG25Mn2TiRE铸钢材料经过正火后所得的金相组织为：珠光体层片团+铁素体。珠光体层片团呈等轴状，尺寸细小且分布均匀，如图1所示；而铁素体则以等轴状和条状形态存在，如图2所示；两者的晶粒度都达9级以上(约15μm)。
通过试验，按照本发明生产的正火钢ZG25Mn2TiRE与现有的ZG270-500和ZG25Mn2的机械性能对比如表1所示，另外，还对本发明生产的正火钢ZG25Mn2TiRE进行了焊接性能测试，见表2。
表1
| 材料牌号 | 拉伸强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) | 断面收缩率(％) | 硬度(HB) |
| ZG25Mn2TiRE | 735 | 460 | 33 | 56 | 207 |
| ZG25Mn2 | 590～685 | 345～440 | 20～30 | 45～55 | 200～250 |
| ZG270-500 | 500 | 270 | 18 | 25 | 180 |
表2
| 裂纹种类 | 表面裂纹率 | 断面裂纹率 |
| 数值 | 0％ | 0％ |
从表1中对比数据可以看出，本发明生产的铸钢ZG25Mn2TiRE材料硬度与现有的两种材料相差不多，但机械性能得到了显著提高。从表2中可以看出，经正火处理后，ZG25Mn2TiRE焊接性能良好。
最后，用ZG25Mn2TiRE浇注成柱窝在ZF4000/16/28和ZY6000/14/33液压支架上进行生产验证和成本分析，柱窝零件见图3所示。成本分析显示，ZG25Mn2TiRE和ZG270-500相比，每吨产品材料成本增加了170元，生产成本降低了350元，综合成本下降了180元，同时生产周期缩短了4小时左右。
综上所述，本发明生产的铸钢ZG25Mn2TiRE具有较好的综合机械性能、良好的焊接性能、生产周期短、成本低等优点，完全能够满足液压支架用铸钢材料的使用要求。
附图说明
图1为本发明生产的ZG25Mn2TiRE铸钢材料正火后的珠光体层片团金相组织图；
图2为本发明生产的ZG25Mn2TiRE铸钢材料正火后的铁素体金相组织图。
具体实施方式
实施例1
一种铸钢材料，具体的化学成分(重量％)为：C 0.2-0.23，Mn 1.3-1.5，Si 0.6-0.7，Ti 0.18，RE≤0.2，S≤0.035，P≤0.035，其余为铁元素，铸钢材料性能为拉伸强度达735MPa，屈服强度达460MPa，延伸率达33％，断面收缩率达56％，硬度达207HB。
铸钢材料的制备方法，包括以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程是：
(1)冶炼工艺
钢水冶炼过程中，在钢包钢液熔化1/3～2/3时，放入硅合金、锰合金、钛合金，调整化学成分，在钢水出炉前3～10分钟加入稀土硅铁合金，混合均匀，充分熔化，然后投入脱氧剂净化钢水。
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1680～1700℃，待钢液在浇包中镇静1-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1580～1620℃。
(3)正火工艺
浇注成型后，铸件要进行正火处理，正火温度为840℃～880℃，保温适当时间后散开空冷。
实施例2
一种铸钢材料，具体的化学成分(重量％)为：C 0.22，Mn 1.3，Si 0.7，Ti 0.18，RE 0.05，S 0.005，P0.025，其余为铁元素，
铸钢材料的制备方法，包括以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程是：
(1)冶炼工艺
钢水冶炼过程中，在钢包钢液熔化1/3～2/3时，放入硅合金，锰合金，钛合金，调整化学成分，在钢水出炉前3～10分钟稀土硅铁合金，混合均匀，充分熔化，然后投入工业纯铝净化钢水。
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1680～1700℃，待钢液在浇包中镇静1-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1580～1620℃。
(3)正火工艺
浇注成型后，铸件要进行正火处理，正火温度为860℃，保温适当时间后散开空冷，正火的保温时间t根据以下经验公式算出：t＝αkD，其中，α-加热系数，k-装填系数，D-工件有效厚度。
所述α-加热系数为0.7～0.8min/mm；k-装填系数为：1.0-1.5。
实施例3
一种铸钢材料，其具体的化学成分(重量％)为：C 0.22，Mn 1.4，Si 0.6，Ti 0.18，RE 0.15，S 0.005，P 0.03，其余为铁元素。
所述铸钢的制备方法，包括以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程，其特征是：
(1)冶炼工艺
炼钢原料选择硫、磷含量在0.045％以下的废钢，如Q550、Q460和Q345等，优化铸钢成分。
在钢包钢液熔化1/2时，牌号为FeSi90Al13的硅铁，牌号为FeMn84C0.4的电炉锰铁，牌号为FeTi30-A的钛铁，调整化学成分，在钢水出炉前3分钟加入牌号为FeSiRE26的稀土硅铁，混合均匀，充分熔化，然后投入脱氧剂净化钢水。
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1700℃，待钢液在浇包中镇静1分钟后开始浇注，浇注温度控制在1620℃。
(3)正火工艺
浇注成型后，铸件要进行正火处理，正火温度为880℃，柱窝的有效厚度D取220mm时，保温时间185分钟后散开空冷。
实施例3中所用硅铁、电炉锰铁、钛铁及稀土硅铁均为在市场上采购的标准合金，其化学成分分别如下：
表3实施例3中所用硅铁的牌号及化学成分(wt％)
表4实施例3中所用电炉锰铁的牌号及化学成分(wt％)
表5实施例3中所用钛铁的牌号及化学成分(wt％)
表6实施例3中所用稀土硅铁的牌号及化学成分(wt％)
实施例4
一种铸钢材料，其所含元素的质量百分比组成为：C 0.2、Si 0.62、Mn 1.36、Ti 0.15、RE 0.18、S 0.03、P 0.029，其余为铁元素。
其制备方法，包含以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程，具体工艺过程为：
(1)冶炼工艺
按照所给的化学成分范围，选取硫、磷含量在0.045％以下的Q460废钢作原料进行冶炼。在钢包钢液熔化1/3时，放入硅铁、锰铁、钛铁，调整化学成分，在钢水出炉前10分钟加入稀土硅铁，混合均匀，充分熔化，然后投入占合金总量的0.1％的工业纯铝(纯度＞99.99％)净化钢水。
所述硅铁、锰铁、钛铁、稀土硅铁均为在市场上采购的标准合金，其化学成分入表7、8、9、10，所述生产铸钢材料ZG25Mn2TiRE所需的硅铁、锰铁、钛铁、稀土硅铁的重量，由表7、8、9、10中硅铁、锰铁、钛铁、稀土硅铁的化学成分计算得出。
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1680℃，待钢液在浇包中镇静3分钟后开始浇注，在1580℃下浇注成柱窝，铸件的外形尺寸为280mm×430mm×200mm。
(3)正火工艺
浇注成型后，柱窝进行正火热处理，正火温度为840℃，保温2小时20分后散开空冷。t＝αkD，α-加热系数为：0.7min/mm；k-装填系数一般为：1.0；D-为柱窝的有效厚度200mm。
制得本发明的铸钢产品，铸件的机械性能为：拉伸强度700MPa，屈服强度450MPa，延伸率32％，断面收缩率56％，硬度206HB，焊接性能测试得到的裂纹率为0％。
该产品经用户使用三个月后，未出现任何质量事故。
实施例5
一种铸钢材料，其具体的化学成分(重量％)为：C 0.2，Mn 1.3，Si 0.6，Ti 0.18，RE 0.1，S 0.025，P0.025，其余为铁元素。
其制备方法，包含以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程，具体工艺过程为：
(1)冶炼工艺
按照所给的化学成分范围，选取硫、磷含量在0.045％以下的Q550废钢作原料进行冶炼。在钢包钢液熔化2/3时，放入硅铁、锰铁、钛铁，调整化学成分，在钢水出炉前5分钟加入稀土硅铁，混合均匀，充分熔化，然后投入占合金总量的0.08％的工业纯铝(纯度＞99.99％)净化钢水。
所述硅铁、锰铁、钛铁、稀土硅铁均为在市场上采购的标准合金，其化学成分入表7、8、9、10，所述生产铸钢材料ZG25Mn2TiRE所需的硅铁、锰铁、钛铁、稀土硅铁的重量，由表7、8、9、10中硅铁、锰铁、钛铁、稀土硅铁的化学成分计算得出。
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1690℃，待钢液在浇包中镇静3分钟后开始浇注，在1600℃下浇注成柱窝，铸件的外形尺寸为300mm×440mm×240mm。
(3)正火工艺
浇注成型后，柱窝进行正火热处理，正火温度为860℃，保温288分钟后散开空冷。t＝αkD，α-加热系数为：0.8min/mm；k-装填系数一般为：1.5；D-为柱窝的有效厚度240mm。
制得本发明的铸钢产品，铸件的机械性能为：拉伸强度725MPa，屈服强度455MPa，延伸率33％，断面收缩率55％，硬度205HB，焊接性能测试得到的裂纹率为0％。
该产品经用户使用三个月后，未出现任何质量事故。
实施例6
一种铸钢材料，其具体的化学成分(重量％)为：C 0.23，Mn 1.5，Si 0.7，Ti 0.18，RE 0.2，S 0.035，P0.035，其余为铁元素。
其制备方法同实施例2。
实施例7
一种铸钢材料及其制备方法，其具体的化学成分(重量％)为：C 0.215，Mn 1.35，Si 0.68，Ti 0.18，RE0.01，S 0.03，P 0.015，其余为铁元素。
其制备方法同实施例2。
表7硅铁牌号
表8锰铁牌号
表9钛铁牌号
表10稀土硅铁合金牌号
Claims (4)
1.一种铸钢材料，其特征在于具体的化学成分(重量％)为：C 0.2-0.23，Mn 1.3-1.5，Si 0.6-0.7，Ti 0.18，RE≤0.2，S≤0.035，P≤0.035，其余为铁元素，该铸钢材料的性能为拉伸强度达500～735MPa，屈服强度达310～460MPa，延伸率达20～33％，断面收缩率达45～56％，硬度达170～207HB。
2.根据权利要求1所述铸钢材料的制备方法，包括以下冶炼、浇注和正火处理工艺过程，其特征是：
(1)冶炼工艺
钢水冶炼过程中，在钢包钢液熔化1/3～2/3时，放入硅合金、锰合金、钛合金，调整化学成分，在钢水出炉前3～10分钟加入稀土硅铁合金，混合均匀，充分熔化，然后投入脱氧剂净化钢水；
(2)浇注工艺
钢水的出炉温度为1680～1700℃，待钢液在浇包中镇静1-3分钟后开始浇注，浇注温度控制在1580～1620℃；
(3)正火工艺
浇注成型后，铸件要进行正火处理，正火温度为840℃～880℃，保温适当时间后散开空冷。
3.根据权利要求2所述铸钢材料的制备方法，其特征是：脱氧剂为工业纯铝。
4.根据权利要求2所述铸钢材料的制备方法，其特征是：正火温度为860℃。
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