CN107460406A - 中碳高韧性超高强度特质钢及其生产方法 - Google Patents

中碳高韧性超高强度特质钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中碳高韧性超高强度特质钢及其生产方法，它属于钢铁冶炼技术领域。本发明主要是解决现有中碳钢存在的强度低、韧性差和不能满足高载荷、高频率、大冲击工况的技术问题。本发明采用的技术方案是：中碳高韧性超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE(稀土)、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn和Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％。本发明的优点为：①采用低成本的合金元素；②采用普通感应电炉熔炼，不需要真空环境；③所得到的力学性能均来自没有经过锻造处理加工的铸态试样。

Description

中碳高韧性超高强度特质钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种中碳高韧性超高强度特质钢及其生产方法，它属于钢铁冶炼技术领域。
背景技术
钢铁材料是国民经济建设不可替代的基础材料和重要战略物资，是应用最广泛、产量最大的结构和功能材料，具有性能可塑、可循环使用的特点。一般情况下，钢的强度和韧性是一对矛盾，强度越高，对应的韧性越差。而在高载荷、高频率、大冲击的工况下，需要零配件同时兼备高强度和高韧性。尤其是当前高铁快速发展的大背景下，服役高铁的齿轮、轴承、轮对等对强度和韧性等性能提出更高的要求。
低碳高合金钢成本高，加工困难。相比之下，中碳高合金钢的成本较低，应用领域更广。目前典型中碳高合金钢的性能为：屈服强度σs＝800～900MPa，抗拉强度σb＝1000～1200MPa，冲击韧性αk＝30～50J/cm2。这些合金钢的性能尚未达到超高强度钢(屈服强度不低于1370MPa，抗拉强度不低于1620MPa)的要求，还有很大的上升空间。更重要的是，韧性较低，不能满足高载荷、高频率、大冲击的工况。
发明内容
本发明的目的是解决现有中碳钢存在的强度低、韧性差和不能满足高载荷、高频率、大冲击工况的技术问题，提供一种中碳高韧性超高强度特质钢及其生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
中碳高韧性超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE(稀土)、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn和Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，
进一步地，所述CaSibMncMd合金元素总含量a+b+c+d≥8.0％。
一种生产所述的中碳高韧性超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)依据所述特质钢成分的重量百分比进行原料配料，配料用的原材料采用纯金属或中间合金、成分明确的废钢、用于调整含碳量的增碳剂、熔炼过程中需要的附加材料；
2)将步骤1)配料中的部分废钢及烧损小且难熔的金属或中间合金紧实地置于感应熔炼电炉，随后通电熔化；熔化过程中不断往电炉熔体内添加配料，直至全部配料熔化完毕；容易烧损的金属或中间合金最后熔化；
3)对步骤2)熔化得到的钢水进行成分调整，使各元素的含量处于成分要求范围；等温度达到1550℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.0～2.0％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土45％、稀土硅铁15％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素10％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 24％、Cu21％、Sb 28％、Bi 25％和B 2％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1600℃出炉浇注成铸件；
5)对步骤4)得到的铸件采用退火、淬火和回火工艺进行热处理，调整钢的性能；退火温度、淬火温度为Accm+50～100℃，淬火介质为水基或油基介质；回火温度不高于300℃。
本发明的有益效果是，通过本发明的技术方案生产出的特质钢，不仅获得了一般钢不可及的超高强度，更为可贵的是获得了较高的韧性。通过优化合金成分和热处理工艺，获得基体以马氏体为主、细小弥散分布的碳化物作为增强相的微观组织；得到超过1400MPa的屈服强度，超过1800MPa的抗拉强度和超过100J/cm2的冲击韧性的力学性能。与现有技术相比，本发明的优点为：①采用低成本的合金元素；②采用普通感应电炉熔炼，不需要真空环境；③所得到的力学性能均来自没有经过锻造处理加工的铸态试样。
本发明的中碳高韧性超高强度特质钢在诸多领域具有很大的应用潜力，尤其是高载荷、高频率、大冲击工况下的零部件，如高铁的齿轮、轴承、轮对等。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的中碳高韧性超高强度特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由下述重量百分比的合金元素组成：Cr 25％、Mo 20％、V 20％、Nb 10％、Ti 5％、Cu 10％和Al 10％，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，a＝0.25％，b＝0.7％，c＝1.8％，d＝6.0％。
一种生产上述的中碳高韧性超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)将废钢、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛、铜、铝原材料按成分重量百分比配料150kg，其中硅的含量通过稀土硅铁调整，碳的含量通过增碳剂调整；
2)将步骤1)配料中的部分废钢置于中频感应炉内通电熔化，熔化过程中分批加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛、铜、铝等中间合金和纯金属，最后加入锰铁；
3)对步骤2)熔化得到的钢水进行成分调整，达到要求范围。等钢水温度达到1550℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.0～2.0％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土45％、稀土硅铁15％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素10％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 24％、Cu 21％、Sb 28％、Bi 25％和B 2％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1600℃出炉浇注成的圆柱铸件；
5)对步骤4)得到的铸件进行热处理：1)退火：在900～1000℃温度保温2～4小时后随炉冷却至400℃后空冷；2)淬火：在800～850℃保温1.0～1.5小时后水淬；3)回火：在150～250℃保温2～4小时后空冷。
按上述方法生产的特质钢，性能达到σs＝1300～1350MPa，抗拉强度σb＝1600～1650MPa，冲击韧性αk≥200J/cm2。
实施例2
本实施例中的中碳高韧性超高强度特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由下述重量百分比的合金元素组成：Cr 20％、Mo 25％、V 25％、Nb 10％、Ti 10％、Cu 5％、Al5％，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，a＝0.35％，b＝0.5％，c＝1.3％，d＝7.0％。
一种生产上述的中碳高韧性超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)将废钢、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛、铜、铝等原材料按成分重量百分比配料150kg，其中硅的含量通过稀土硅铁调整，碳的含量通过增碳剂调整；
2)将步骤1)配料中的部分废钢置于中频感应炉内通电熔化，熔化过程中分批加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛、铜、铝中间合金和纯金属，最后加入锰铁；
3)对步骤2)熔化得到的钢水进行成分调整，达到要求范围，等钢水温度达到1550℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.0～1.5％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土45％、稀土硅铁15％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素10％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 24％、Cu 21％、Sb 28％、Bi 25％和B 2％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1600℃出炉浇注成的圆柱铸件；
5)对步骤4)得到的铸件进行热处理：1)退火：在900～1000℃温度保温2～4小时后随炉冷却至400℃后空冷；2)淬火：在800～850℃保温1.0～1.5小时后水淬；3)回火：在150～250℃保温2～4小时后空冷。
按上述方法生产的特质钢，性能达到σs＝1350～1400MPa，抗拉强度σb＝1650～1700MPa，冲击韧性αk≥150J/cm2。
实施例3
本实施例中的中碳高韧性超高强度特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由下述重量百分比的合金元素组成：Cr20％、Mo 25％、V 25％、Nb 10％、Ti 10％、Cu 5％和W5％，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，a＝0.45％，b＝0.3％，c＝0.9％，d＝8.0％。
一种生产上述的中碳高韧性超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)将废钢、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁、钛、铜等原料按成分重量百分比配料150kg，其中硅的含量通过稀土硅铁调整，碳的含量通过增碳剂调整；
2)将步骤1)配料中的部分废钢置于中频感应炉内通电熔化，熔化过程中分批加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁、钛、铜等中间合金和纯金属，最后加入锰铁；
3)对步骤2)熔化得到的钢水进行成分调整，达到要求范围，等钢水温度达到1550℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.0～1.5％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土45％、稀土硅铁15％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素10％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 24％、Cu 21％、Sb 28％、Bi 25％和B 2％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1600℃出炉浇注成的圆柱铸件；
5)对步骤4)得到的铸件进行热处理：1)退火：在900～1000℃温度保温2～4小时后随炉冷却至400℃后空冷；2)淬火：在800～850℃保温1.0～1.5小时后水淬；3)回火：在150～250℃保温2～4小时后空冷。
按上述方法生产的特质钢，性能达到σs＝1400～1450MPa，抗拉强度σb＝1700～1800MPa，冲击韧性αk≥100J/cm2。
上述实施例中的M还可由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE(稀土)、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn和Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成。
进一步地，所述CaSibMncMd合金元素总含量a+b+c+d≥8.0％。

Claims (3)

1.中碳高韧性超高强度特质钢，其特征在于：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn和Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，
2.根据权利要求1所述的中碳高韧性超高强度特质钢，其特征在于：所述CaSibMncMd合金元素总含量a+b+c+d≥8.0％。
3.一种生产权利要求1或2所述的中碳高韧性超高强度特质钢的方法，其特征在于由下列步骤组成：
1)依据所述特质钢成分的重量百分比进行原料配料，配料用的原材料采用纯金属或中间合金、成分明确的废钢、用于调整含碳量的增碳剂、熔炼过程中需要的附加材料；
2)将步骤1)配料中的部分废钢及烧损小且难熔的金属或中间合金紧实地置于感应熔炼电炉，随后通电熔化；熔化过程中不断往电炉熔体内添加配料，直至全部配料熔化完毕；容易烧损的金属或中间合金最后熔化；
3)对步骤2)熔化得到的钢水进行成分调整，使各元素的含量处于成分要求范围；等温度达到1550℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.0～2.0％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土45％、稀土硅铁15％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素10％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 24％、Cu 21％、Sb28％、Bi 25％和B 2％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1600℃出炉浇注成铸件；
5)对步骤4)得到的铸件采用退火、淬火和回火工艺进行热处理，调整钢的性能；退火温度、淬火温度为Accm+50～100℃，淬火介质为水基或油基介质；回火温度不高于300℃。
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