CN104818426A - 一种高强度微合金化稀土铸钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度微合金化稀土铸钢，所述铸钢的主要化学成分包括C、Si、Mn、Nb、Ti、Re、La、Ce、P、S、铁以及微量杂质元素，所述C、Si、Mn、Nb、Ti、Re、P、S的质量百分含量分别为C0.30%～0.40%，Si0.60%～0.80%，Mn1.10%～1.40%，Nb0.03%～0.09%，Ti0.01～0.08%，Re0.01%～0.20%，La0.01%～0.10%，Ce0.01%～0.15%，P≤0.035%，S≤0.010%。本发明的优点在于：本发明的微合金化稀土铸钢可以在不明显降低塑性和韧性的条件下，显著提高屈服强度和抗拉强度。

Description

一种高强度微合金化稀土铸钢及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种铸钢材料，尤其是一种适合矿山、水泥、煤炭、石油等设备中的大型承压件用高强度微合金化稀土铸钢，及其冶炼、热处理工艺方法。

背景技术

大型铸钢件具有成形相对容易、生产成本较低等特点，因而广泛应用于矿山、水泥、石油、船舶等领域，但是大型铸钢件在成形过程中容易出现缩松、缩孔、气孔和裂纹等缺陷，从而影响大型铸钢件的力学性能和使用寿命，对企业和国民经济造成较大的损失，此外，由于中频炉炼钢成本较低，我国现在仍有许多企业使用中频炉炼钢，炼钢过程一般采用不氧化法，不能对钢水进行脱磷脱硫，所以冶炼出来的钢水质量较差，这导致大型铸钢件在铸造成形过程中更加容易出现组织缺陷，如铸造裂纹和气孔，从而使其力学性能和使用寿命进一步降低。

此外，硅、锰在我国具有十分丰富的资源，且锰钢、硅锰钢具有较高的强度、硬度和耐磨性，因此锰钢、硅锰钢是大型铸钢件中常用的一种材料。冶炼锰钢、硅锰钢时常以硅铁、锰铁作为合金元素，而硅铁、锰铁中磷元素含量较多，且采用中频炉炼钢时不能对钢水脱磷脱硫，从而使锰钢、硅锰钢中磷元素的含量较高，甚至超出国家标准，最终使锰钢、硅锰钢的性能得不到充分发挥。

中国专利文献CN 100999800 A（申请号 200610155704.1）公开了一种含稀土元素的铸钢及其生产方法，其化学成分及质量百分含量为：C 0.24%～0.32%，Si 1.0%～1.6%，Mn 1.0%～1.6%，Cr 0.2%～0.5%，Re 0.01%～0.20%，Ni≤0.05%，Mo≤0.01%，P≤0.035%，S≤0.010%，B≤0.05%，余量为铁和不可避免的杂质。该铸钢中Si元素的含量较高，容易导致铸钢件的塑性、韧性以及切削性能降低。同时P加S的总含量偏高，从而进一步降低铸钢件的塑性和韧性。

因此，就急需研制出一种能够降低P和S元素含量的高强度微合金化稀土铸钢及其制备方法，经检索，未发现与本发明相同或相似的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够降低P和S元素含量的高强度微合金化稀土铸钢及其制备方法。

    为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种高强度微合金化稀土铸钢，其创新点在于：所述铸钢的主要化学成分包括C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、La、Ce、P、S、铁以及微量杂质元素，所述C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、P、S的质量百分含量分别为C 0.30%～0.40%，Si 0.60%～0.80%，Mn 1.10%～1.40%，Nb 0.03%～0.09%，Ti 0.01～0.08%，Re 0.01%～0.20%，La0.01%～0.10%，Ce0.01%～0.15%，P≤0.035%，S≤0.010%。

    进一步的，所述Nb、Ti、La、Ce的总含量小于或等于0.5%。

    一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，采用中频感应炉进行冶炼，其特征在于冶炼过程包括以下步骤：

    1）预处理：冶炼前对废钢、合金元素以及钢包进行烘烤，降低其中水气的含量，并清除废钢表面的泥污和铁锈。

2）配料：合金元素C、Si、Mn的收得率根据ZG35SiMn低合金铸钢中C、Si、Mn的收得率计算，微合金元素Nb、Ti、La、Ce的含量根据钢的化学成分要求进行配比。

3）装料和加料：装料时大、中、小金属炉料按照约2:3:1来添加，大块金属炉料放入炉底，小块金属炉料放入大块金属炉料与炉底之间的空隙，保证炉体中炉料下紧上松；添加炉料采用小块金属料。

4）添加合金：炉中废钢熔清后，先预加部分锰铁、硅铁合金，待检测炉前钢水的化学成分后，再根据检测结果添加最终所需的锰铁、硅铁合金，并采用先加锰铁，再加硅铁的顺序加入；Nb、Ti、La、Ce等合金元素烘干后预先加入钢包底部；出钢时往钢液中倒入碳粉增碳。

5）出钢：按照步骤4）调整好钢液中的化学成分后出钢，出钢温度控制在1650℃～1680℃，出钢后立即在钢包液面上撒入适量造渣剂。

6）终脱氧：出钢时用纯铝进行终脱氧，预先将纯铝块加入钢包底部，钢水冲击钢包底部时使纯铝融化并和钢水中的氧气发生反应进行脱氧，纯铝的加入量为钢水质量的0.050%～0.125%，并保证高强度微合金化稀土铸钢中残留的铝含量为0.03%～0.08%。

7）浇注：将步骤6）钢包中的钢水浇注于预先准备好的铸模中，浇注温度控制在1550℃～1580℃，冷却、拆除铸型后所获得的即为高强度微合金化稀土铸钢件。

    进一步的，锰铁、硅铁合金以及稀土Nb、Ti、La、Ce等在加入前需烘烤干燥2～5h，烘烤干燥温度为100～300℃。

    进一步的，预加锰铁、硅铁合金的温度范围控制在1640℃～1660℃，待检测炉前钢水化学成分后，再加入最终所需的锰铁、硅铁合金；两次加入合金的顺序均为先加锰铁合金，待锰铁合金全部熔清、扒渣完毕后，再加入硅铁合金。

    进一步的，所述Nb、Ti、La、Ce等微合金元素以金属粉末的形式加入钢包底部。

    一种高强度微合金化稀土铸钢的热处理方法，其特征在于：包括正火处理和回火处理两部分；

所述正火处理工艺为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至860℃～960℃，保温时间为铸钢件厚度（mm）×1.5～1.8min/h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温；

所述回火热处理工艺为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至600℃～650℃，保温时间为铸钢件厚度（mm）×1.8～2.2min/h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温。正火与回火的时间间隔不超过6h。

    进一步的，所述铸钢件经热处理后，其抗拉强度大于等于720MPa，屈服强度大于等于430MPa，伸长率大于等于10%，断面收缩率大于等于12%，冲击试验温度为5℃时的冲击吸收功大于等于11.5J。

本发明的优点在于：（1）本发明的微合金化稀土铸钢可以在不明显降低塑性和韧性的条件下，显著提高屈服强度和抗拉强度。所述微合金化稀土铸钢与普通35SiMn钢相比，其屈服强度可以提高60MPa以上，抗拉强度可以提高95MPa以上。

（2）本发明的微合金化稀土铸钢采用常规的冶炼工艺、热处理工艺，此外钢中以硅、锰等较为廉价的合金元素为原材料，并且Nb、Ti、La、Ce等微合金元素含量较少，在较大程度地提高铸件性能的同时，可以保证铸件的生产制造成本较低，有利于工业化应用。

（3）本发明通过对常规的冶炼工艺进行改进，可以有效地降低钢水中P元素的含量，有利于工业化应用及推广。

（4）本发明的微合金化稀土铸钢经过860℃～960℃正火处理+600℃～650℃回火处理后，力学性能可以稳定的达到：抗拉强度大于等于720MPa，屈服强度大于等于430MPa，伸长率大于等于10%，断面收缩率大于等于12%，冲击试验温度为5℃时的冲击吸收功大于等于11.5J，可用于生产制造水泥、矿山、煤炭、石油等领域中的大型承压部件，如工程机械中的大型拖轮、轮带以及齿轮等关键零部件。

附图说明

图1为正火温度对微合金化稀土铸钢屈服强度、抗拉强度的影响。

图2为正火温度对微合金化稀土铸钢延伸率、冲击韧性的影响。

具体实施方式

    实施例一

    如图1所示的一种高强度微合金化稀土铸钢，铸钢的主要化学成分包括C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、La、Ce、P、S、铁以及微量杂质元素，C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、P、S的质量百分含量分别为C 0.30%～0.40%，Si 0.60%～0.80%，Mn 1.10%～1.40%，Nb 0.03%～0.09%，Ti 0.01～0.08%，Re 0.01%～0.20%，La0.01%～0.10%，Ce0.01%～0.15%，P≤0.035%，S≤0.010%。

    本发明的Nb、Ti、La、Ce的总含量小于或等于0.5%。

    一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，采用中频感应炉进行冶炼，冶炼过程包括以下步骤：

    1）预处理：冶炼前对废钢、合金元素以及钢包进行烘烤，降低其中水气的含量，并清除废钢表面的泥污和铁锈。

2）配料：合金元素C、Si、Mn的收得率根据ZG35SiMn低合金铸钢中C、Si、Mn的收得率计算，微合金元素Nb、Ti、La、Ce的含量根据钢的化学成分要求进行配比。

3）装料和加料：装料时大、中、小金属炉料按照约2:3:1来添加，大块金属炉料放入炉底，小块金属炉料放入大块金属炉料与炉底之间的空隙，保证炉体中炉料下紧上松；添加炉料采用小块金属料。

4）添加合金：炉中废钢熔清后，先预加部分锰铁、硅铁合金，待检测炉前钢水的化学成分后，再根据检测结果添加最终所需的锰铁、硅铁合金，并采用先加锰铁，再加硅铁的顺序加入；Nb、Ti、La、Ce等合金元素烘干后预先加入钢包底部；出钢时往钢液中倒入碳粉增碳。

5）出钢：按照步骤4）调整好钢液中的化学成分后出钢，出钢温度控制在1650℃～1680℃，出钢后立即在钢包液面上撒入适量造渣剂。

6）终脱氧：出钢时用纯铝进行终脱氧，预先将纯铝块加入钢包底部，钢水冲击钢包底部时使纯铝融化并和钢水中的氧气发生反应进行脱氧，纯铝的加入量为钢水质量的0.050%～0.125%，并保证高强度微合金化稀土铸钢中残留的铝含量为0.03%～0.08%。

7）浇注：将步骤6）钢包中的钢水浇注于预先准备好的铸模中，浇注温度控制在1550℃～1580℃，冷却、拆除铸型后所获得的即为高强度微合金化稀土铸钢件。

    本发明的锰铁、硅铁合金以及稀土Nb、Ti、La、Ce等在加入前需烘烤干燥2～5h，烘烤干燥温度为100～300℃。

    本发明的预加锰铁、硅铁合金的温度范围控制在1640℃～1660℃，待检测炉前钢水化学成分后，再加入最终所需的锰铁、硅铁合金；两次加入合金的顺序均为先加锰铁合金，待锰铁合金全部熔清、扒渣完毕后，再加入硅铁合金。

本发明的Nb、Ti、La、Ce等微合金元素以金属粉末的形式加入钢包底部。

实施例二

    如图1所示的一种高强度微合金化稀土铸钢，铸钢的主要化学成分包括C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、La、Ce、P、S、铁以及微量杂质元素，C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、P、S的质量百分含量分别为C 0.30%～0.40%，Si 0.60%～0.80%，Mn 1.10%～1.40%，Nb 0.03%～0.09%，Ti 0.01～0.08%，Re 0.01%～0.20%，La0.01%～0.10%，Ce0.01%～0.15%，P≤0.035%，S≤0.010%。

    本发明的Nb、Ti、La、Ce的总含量小于或等于0.5%。

    一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，采用中频感应炉进行冶炼，冶炼过程包括以下步骤：

    1）预处理：冶炼前对废钢、合金元素以及钢包进行烘烤，降低其中水气的含量，并清除废钢表面的泥污和铁锈。

2）配料：合金元素C、Si、Mn的收得率根据ZG35SiMn低合金铸钢中C、Si、Mn的收得率计算，微合金元素Nb、Ti、La、Ce的含量根据钢的化学成分要求进行配比。

3）装料和加料：装料时大、中、小金属炉料按照约2:3:1来添加，大块金属炉料放入炉底，小块金属炉料放入大块金属炉料与炉底之间的空隙，保证炉体中炉料下紧上松；添加炉料采用小块金属料。

4）添加合金：炉中废钢熔清后，先预加部分锰铁、硅铁合金，待检测炉前钢水的化学成分后，再根据检测结果添加最终所需的锰铁、硅铁合金，并采用先加锰铁，再加硅铁的顺序加入；Nb、Ti、La、Ce等合金元素烘干后预先加入钢包底部；出钢时往钢液中倒入碳粉增碳。

5）出钢：按照步骤4）调整好钢液中的化学成分后出钢，出钢温度控制在1650℃～1680℃，出钢后立即在钢包液面上撒入适量造渣剂。

6）终脱氧：出钢时用纯铝进行终脱氧，预先将纯铝块加入钢包底部，钢水冲击钢包底部时使纯铝融化并和钢水中的氧气发生反应进行脱氧，纯铝的加入量为钢水质量的0.050%～0.125%，并保证高强度微合金化稀土铸钢中残留的铝含量为0.03%～0.08%。

7）浇注：将步骤6）钢包中的钢水浇注于预先准备好的铸模中，浇注温度控制在1550℃～1580℃，冷却、拆除铸型后所获得的即为高强度微合金化稀土铸钢件。

    本发明的锰铁、硅铁合金以及稀土Nb、Ti、La、Ce等在加入前需烘烤干燥2～5h，烘烤干燥温度为100～300℃。

    本发明的预加锰铁、硅铁合金的温度范围控制在1640℃～1660℃，待检测炉前钢水化学成分后，再加入最终所需的锰铁、硅铁合金；两次加入合金的顺序均为先加锰铁合金，待锰铁合金全部熔清、扒渣完毕后，再加入硅铁合金。

本发明的Nb、Ti、La、Ce等微合金元素以金属粉末的形式加入钢包底部。

    一种高强度微合金化稀土铸钢的热处理方法，包括正火处理和回火处理两部分；

本发明的正火处理工艺为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至860℃～960℃，保温时间为铸钢件厚度（mm）×1.5～1.8min/h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温；

本发明的回火热处理工艺为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至600℃～650℃，保温时间为铸钢件厚度（mm）×1.8～2.2min/h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温。正火与回火的时间间隔不超过6h。

    本发明的铸钢件经热处理后，其抗拉强度大于等于720MPa，屈服强度大于等于430MPa，伸长率大于等于10%，断面收缩率大于等于12%，冲击试验温度为5℃时的冲击吸收功大于等于11.5J。

 本发明的微合金化稀土铸钢可以在不明显降低塑性和韧性的条件下，显著提高屈服强度和抗拉强度。所述微合金化稀土铸钢与普通35SiMn钢相比，其屈服强度可以提高60MPa以上，抗拉强度可以提高95MPa以上。

 本发明的微合金化稀土铸钢采用常规的冶炼工艺、热处理工艺，此外钢中以硅、锰等较为廉价的合金元素为原材料，并且Nb、Ti、La、Ce等微合金元素含量较少，在较大程度地提高铸件性能的同时，可以保证铸件的生产制造成本较低，有利于工业化应用。

 本发明通过对常规的冶炼工艺进行改进，可以有效地降低钢水中P元素的含量，有利于工业化应用及推广。

 本发明的微合金化稀土铸钢经过860℃～960℃正火处理+600℃～650℃回火处理后，力学性能可以稳定的达到：抗拉强度大于等于720MPa，屈服强度大于等于430MPa，伸长率大于等于10%，断面收缩率大于等于12%，冲击试验温度为5℃时的冲击吸收功大于等于11.5J，可用于生产制造水泥、矿山、煤炭、石油等领域中的大型承压部件，如工程机械中的大型拖轮、轮带以及齿轮等关键零部件。

        

表1 实施例与对比例的化学成分及热处理工艺参数

        

表2 实施例与对比例的力学性能参数

    以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种高强度微合金化稀土铸钢，其特征在于：所述铸钢的主要化学成分包括C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、La、Ce、P、S、铁以及微量杂质元素，所述C、Si 、Mn 、Nb 、Ti 、Re 、P、S的质量百分含量分别为C 0.30%～0.40%，Si 0.60%～0.80%，Mn 1.10%～1.40%，Nb 0.03%～0.09%，Ti 0.01～0.08%，Re 0.01%～0.20%，La0.01%～0.10%，Ce0.01%～0.15%，P≤0.035%，S≤0.010%。

2.根据权利要求1所述的一种高强度微合金化稀土铸钢，其特征在于：所述Nb、Ti、La、Ce的总含量小于或等于0.5%。

3.如权利要求1所述的一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，采用中频感应炉进行冶炼，其特征在于冶炼过程包括以下步骤：

    1）预处理：冶炼前对废钢、合金元素以及钢包进行烘烤，降低其中水气的含量，并清除废钢表面的泥污和铁锈；

2）配料：合金元素C、Si、Mn的收得率根据ZG35SiMn低合金铸钢中C、Si、Mn的收得率计算，微合金元素Nb、Ti、La、Ce的含量根据钢的化学成分要求进行配比；

3）装料和加料：装料时大、中、小金属炉料按照约2:3:1来添加，大块金属炉料放入炉底，小块金属炉料放入大块金属炉料与炉底之间的空隙，保证炉体中炉料下紧上松；添加炉料采用小块金属料；

4）添加合金：炉中废钢熔清后，先预加部分锰铁、硅铁合金，待检测炉前钢水的化学成分后，再根据检测结果添加最终所需的锰铁、硅铁合金，并采用先加锰铁，再加硅铁的顺序加入；Nb、Ti、La、Ce等合金元素烘干后预先加入钢包底部；出钢时往钢液中倒入碳粉增碳；

5）出钢：按照步骤4）调整好钢液中的化学成分后出钢，出钢温度控制在1650℃～1680℃，出钢后立即在钢包液面上撒入适量造渣剂；

6）终脱氧：出钢时用纯铝进行终脱氧，预先将纯铝块加入钢包底部，钢水冲击钢包底部时使纯铝融化并和钢水中的氧气发生反应进行脱氧，纯铝的加入量为钢水质量的0.050%～0.125%，并保证高强度微合金化稀土铸钢中残留的铝含量为0.03%～0.08%；

7）浇注：将步骤6）钢包中的钢水浇注于预先准备好的铸模中，浇注温度控制在1550℃～1580℃，冷却、拆除铸型后所获得的即为高强度微合金化稀土铸钢件。

4.根据权利要求3所述的一种一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述锰铁、硅铁合金以及稀土Nb、Ti、La、Ce等在加入前需烘烤干燥2～5h，烘烤干燥温度为100～300℃。

5.根据权利要求3所述的一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述预加锰铁、硅铁合金的温度范围控制在1640℃～1660℃，待检测炉前钢水化学成分后，再加入最终所需的锰铁、硅铁合金；两次加入合金的顺序均为先加锰铁合金，待锰铁合金全部熔清、扒渣完毕后，再加入硅铁合金。

6.根据权利要求3所述的一种高强度微合金化稀土铸钢的冶炼方法，其特征在于：所述Nb、Ti、La、Ce等微合金元素以金属粉末的形式加入钢包底部。

7.一种如权利要求1所述的一种高强度微合金化稀土铸钢的热处理方法，其特征在于：包括正火处理和回火处理两部分；

所述正火处理工艺为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至860℃～960℃，保温时间为铸钢件厚度（mm）×1.5～1.8min/h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温；

所述回火热处理工艺为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至600℃～650℃，保温时间为铸钢件厚度（mm）×1.8～2.2min/h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温；

正火与回火的时间间隔不超过6h。

8.根据权利要求7所述的一种高强度微合金化稀土铸钢的热处理方法，其特征在于：所述铸钢件经热处理后，其抗拉强度大于等于720MPa，屈服强度大于等于430MPa，伸长率大于等于10%，断面收缩率大于等于12%，冲击试验温度为5℃时的冲击吸收功大于等于11.5J。