CN108774713A - 一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺 - Google Patents

一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺，原料及各组分含量为：C 0.21‑0.28％、Si 0.31‑0.43％、Mn 0.09‑0.13％、B 0.21‑0.25％、Ni 0.34‑0.42％、Zr 0.09‑0.17％、Cr 0.11‑0.15％、Al 0.11‑0.13％、P 0.07‑0.09％、S 0.03‑0.04％、Sb 0.07‑0.11％、Ti 0.06‑0.09％、Ca 0.001‑0.004%、稀土元素0.04‑0.07％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。本发明钢材具有较好的强度和韧性。

Description

一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺
技术领域
本发明涉及钢材铸造技术领域，具体涉及一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺。
背景技术
目前钢铁市场上应用的铸钢按组织主要可分为三类：（1）调质处理得到的低强度的珠光体-铁素体铸钢；（2）空冷或等温处理得到的贝氏体铸钢；（3）高强度的淬火-低温回火的马氏体铸钢。然而，上述三种铸钢普遍存在着强度与韧性的矛盾。
经过对经过对现有技术进行了检索，在中国发明专利申请201510775828.9（公开日2016年1月27日）公开了一种用于铁路车辆车钩的高强度、高韧性合金铸钢材料，该所述合金铸钢材料的化学成分按重量百分比计为：C：0.14~0.20、Si：0.20~0.40、Mn：0.90~1.20、Cr：1.00~1.20、Ni：0.60~0.90、Mo：0.20~0.40、S≤0.030、P≤0.030；余量为铁和不可避免的杂质。本发明的合金铸钢材料的屈服强度≥800MPa、抗拉强度≥920MPa、伸长率≥14%、断面收缩率≥40%、-40℃冲击功≥35J。但还是存在着强度与韧性的矛盾问题。
而在中国发明专利申请201610334590.0（公开日2016年7月27日）公开了一种高强度高韧性汽车气缸用合金钢材料，各元素按重量百分比为：碳：0.2-0.5%，硅：1.2-1.6%，锰：2.4-3.1%，钼：1.2-1.8%，钆0.005-0.05%，锌：0.05-0.09%，铝：0.003-0.05%，锆：0.2-0.4%，硫≤0.015%，磷≤0.015%，余量为铁和不可避免的杂质；本发明制备的合金钢材料强度较高，成本较低，同时韧性好、耐腐蚀性好的特点，适合用于汽车零部件材料领域。但是还是存在着强度与韧性的矛盾。
基于此，有必要提供一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种高强度高韧性铸钢材及其制备工艺，应用该工艺生产的钢材制得的铸钢材具有较好的强度和韧性，有效解决了强度与韧性不可兼得的问题，且制备工艺简单，生产成本相对较低，可满足生产的要求。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种高强度高韧性铸钢材，原料及各组分含量为：C 0.21-0.28％、Si 0.31- 0.43％、Mn 0.09-0.13％、B 0.21-0.25％、Ni 0.34-0.42％、Zr 0.09-0.17％、Cr 0.11- 0.15％、Al0.11-0.13％、P 0.07-0.09％、S 0.03-0.04％、Sb 0.07-0.11％、Ti 0.06- 0.09％、Ca0.001-0.004%、稀土元素0.04-0.07％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
作为优选，原料及各组分含量为：C 0.23-0.25％、Si 0.34-0.39％、Mn 0.11-0.13％、B 0.22-0.24％、Ni 0.37-0.41％、Zr 0.1-0.15％、Cr 0.13-0.15％、Al 0.11-0.13％、P 0.08-0.09％、S 0.03-0.04％、Sb 0.08-0.1％、Ti 0.07-0.09％、Ca 0.002-0.004%、稀土元素0.04- 0.06％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
作为优选，原料及各组分含量为：C 0.24％、Si 0.34％、Mn 0.12％、B 0.23％、Ni0.39％、Zr 0.11％、Cr 0.14％、Al 0.12％、P 0.09％、S 0.04％、Sb 0.09％、Ti 0.07％、Ca0.003%、稀土元素0.05％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
作为优选，所述稀土元素按重量百分比及包括以下成分： Y：10-20％、Pm：5-7％、Ga：10-20％，Bi：6-10％，余量为Ce。
本发明还提供了上述高强度高韧性铸钢材的制备工艺，包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：将废铁投入电炉中，进行预炼成铁水，并向铁水中添加电石粉；
（2）加料：向铁水中再添加含有原料中各元素的合金铁，并向铁水进行吹氮处理；
（3）精炼：向步骤（2）铁水中加入精炼剂精炼40-50min，保温25min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5-10min，然后进行真空脱气，钢水在真空处理过程中全程吹氩气，抽真空压力≤1Kpa，抽真空时间≥15min，制得精炼铁水；
（4）连铸：将吹氮处理后得铁水在连铸机上浇成矩形连铸坯；
（5）加热：将连铸坯放入真空加热炉中加热，加热温度1100-1200℃，连铸坯出炉均热温度≤50℃，连铸坯在炉时间≥400min；
（6）扎制：将步骤（5）中加热处理后的连铸坯先采用3-6道次粗扎，扎制成厚度为30-50mm中间坯，再经4-7机架进行精轧，精轧开轧温度830℃-850℃，精轧终轧温度780℃-800℃，轧后空冷；
（7）热处理：将步骤（6）扎制后的板坯在900-950℃保温30-40min，然后迅速降温到180-210℃；然后再将温度升至720-730℃下并保温5-6h，最后将温度以2 ℃/min速率慢降至600-630℃，再保温7-8h。
（8）精加工：将步骤（7）热处理后的板坯表面进行机械化精细打磨，得到高强度高韧性铸钢材。
作为优选，所述步骤（3）中的精炼剂由下列重量份的原料制成：NaBF45-8份、氯化钠3-5份、Na2TiF68-10份、NaF 5-8份。
作为优选，所述步骤（4）中连铸操作控制温度为850-900℃。
作为优选，所述步骤（5）中连铸坯加热温度1150-1200℃。
作为优选，所述步骤（6）中扎制后的板坯的冷却速度为22-26℃/s。
作为优选，步骤（8）后，还包括铸钢材探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明通过合理设置配比和生产工艺，制得的铸钢材具有较好的强度和韧性，并且较高的低温韧性。
（2）本发明通过高温炉冶炼和真空处理工艺，保证了钢水的纯净度，并通过低过热度的连铸过程，在氩气氛围保护下进行浇注，可以生产出高质量的铸坯，为对铸坯进行高强的热处理工艺的进行奠定了更好的基础。
（3）本发明通过在钢材中加入特定的多种稀土元素，因其具有独特的核外电子排布，在冶金过程中可改善组织结构，提高钢材的强度和韧性。
（4）本发明通过调质热处理工序配合冷却工序，可使半成品表面产生3-5mm厚回火马氏体组织，有效提高钢材的韧性，还可使组织更为均匀稳定，不易产生老化氧化现象，提高了钢材的使用寿命。
（5）本发明通过在原料中添加的Cr、Ni、Zr等合金元素能够有效提高铸钢材强度，且还能提高铸钢材的淬透性，达到二次硬化的作用， 使得铸钢材的强度进一步提升，同时辅以Ti、Mn、Sb等微合金化元素细化晶粒，改变再结晶状态，使得铸钢材强韧性相匹配。
（6）本发明通过对铸造、轧制及热处理等工艺进行改进，解决强度和冲击韧性不可兼得问题，同时，制得的铸钢材具有较好的低温冲击性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对发明作进一步详细的描述。
实施例1
本实施例的高强度高韧性铸钢材，原料及各组分含量为：C 0.21％、Si 0.31％、Mn0.09％、B 0.21％、Ni 0.34％、Zr 0.09％、Cr 0.11％、Al 0.11％、P 0.07％、S 0.03％、Sb0.07％、Ti 0.06％、Ca 0.001%、稀土元素0.04％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
其中，所述稀土元素按重量百分比及包括以下成分： Y：10％、Pm：5％、Ga：10％，Bi：6％，余量为Ce。
本发明还提供了上述高强度高韧性铸钢材的制备工艺，包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：将废铁投入电炉中，进行预炼成铁水，并向铁水中添加电石粉；
（2）加料：向铁水中再添加含有原料中各元素的合金铁，并向铁水进行吹氮处理；
（3）精炼：向步骤（2）铁水中加入精炼剂精炼40-50min，保温25min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5-10min，然后进行真空脱气，钢水在真空处理过程中全程吹氩气，抽真空压力≤1Kpa，抽真空时间≥15min，制得精炼铁水；
（4）连铸：将吹氮处理后得铁水在连铸机上浇成矩形连铸坯；
（5）加热：将连铸坯放入真空加热炉中加热，加热温度1100-1200℃，连铸坯出炉均热温度≤50℃，连铸坯在炉时间≥400min；
（6）扎制：将步骤（5）中加热处理后的连铸坯先采用3-6道次粗扎，扎制成厚度为30-50mm中间坯，再经4-7机架进行精轧，精轧开轧温度830℃-850℃，精轧终轧温度780℃-800℃，轧后空冷；
（7）热处理：将步骤（6）扎制后的板坯在900-950℃保温30-40min，然后迅速降温到180-210℃；然后再将温度升至720-730℃下并保温5-6h，最后将温度以2 ℃/min速率慢降至600-630℃，再保温7-8h。
（8）精加工：将步骤（7）热处理后的板坯表面进行机械化精细打磨，得到高强度高韧性铸钢材。
其中，所述步骤（3）中的精炼剂由下列重量份的原料制成：NaBF45份、氯化钠3份、Na2TiF68份、NaF 5份。
其中，所述步骤（4）中连铸操作控制温度为850-900℃。
其中，所述步骤（5）中连铸坯加热温度1150-1200℃。
其中，所述步骤（6）中扎制后的板坯的冷却速度为22-26℃/s。
其中，步骤（8）后，还包括铸钢材探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
实施例2
本实施例的高强度高韧性铸钢材，原料及各组分含量为：C 0.28％、Si 0.43％、Mn0.13％、B 0.25％、Ni 0.42％、Zr 0.17％、Cr 0.15％、Al 0.13％、P 0.09％、S 0.04％、Sb0.11％、Ti 0.09％、Ca 0.004%、稀土元素0.07％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
其中，所述稀土元素按重量百分比及包括以下成分：Y：20％、Pm：7％、Ga：20％，Bi：10％，余量为Ce。
本发明还提供了上述高强度高韧性铸钢材的制备工艺，包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：将废铁投入电炉中，进行预炼成铁水，并向铁水中添加电石粉；
（2）加料：向铁水中再添加含有原料中各元素的合金铁，并向铁水进行吹氮处理；
（3）精炼：向步骤（2）铁水中加入精炼剂精炼40-50min，保温25min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5-10min，然后进行真空脱气，钢水在真空处理过程中全程吹氩气，抽真空压力≤1Kpa，抽真空时间≥15min，制得精炼铁水；
（4）连铸：将吹氮处理后得铁水在连铸机上浇成矩形连铸坯；
（5）加热：将连铸坯放入真空加热炉中加热，加热温度1100-1200℃，连铸坯出炉均热温度≤50℃，连铸坯在炉时间≥400min；
（6）扎制：将步骤（5）中加热处理后的连铸坯先采用3-6道次粗扎，扎制成厚度为30-50mm中间坯，再经4-7机架进行精轧，精轧开轧温度830℃-850℃，精轧终轧温度780℃-800℃，轧后空冷；
（7）热处理：将步骤（6）扎制后的板坯在900-950℃保温30-40min，然后迅速降温到180-210℃；然后再将温度升至720-730℃下并保温5-6h，最后将温度以2 ℃/min速率慢降至600-630℃，再保温7-8h。
（8）精加工：将步骤（7）热处理后的板坯表面进行机械化精细打磨，得到高强度高韧性铸钢材。
其中，所述步骤（3）中的精炼剂由下列重量份的原料制成：NaBF48份、氯化钠5份、Na2TiF610份、NaF 8份。
其中，所述步骤（4）中连铸操作控制温度为850-900℃。
其中，所述步骤（5）中连铸坯加热温度1150-1200℃。
其中，所述步骤（6）中扎制后的板坯的冷却速度为22-26℃/s。
其中，步骤（8）后，还包括铸钢材探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
实施例3
本实施例的高强度高韧性铸钢材，原料及各组分含量为：C 0.24％、Si 0.34％、Mn0.12％、B 0.23％、Ni 0.39％、Zr 0.11％、Cr 0.14％、Al 0.12％、P 0.09％、S 0.04％、Sb0.09％、Ti 0.07％、Ca 0.003%、稀土元素0.05％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
其中，所述稀土元素按重量百分比及包括以下成分：Y：15％、Pm：6％、Ga：15％，Bi：8％，余量为Ce。
本发明还提供了上述高强度高韧性铸钢材的制备工艺，包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：将废铁投入电炉中，进行预炼成铁水，并向铁水中添加电石粉；
（2）加料：向铁水中再添加含有原料中各元素的合金铁，并向铁水进行吹氮处理；
（3）精炼：向步骤（2）铁水中加入精炼剂精炼40-50min，保温25min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5-10min，然后进行真空脱气，钢水在真空处理过程中全程吹氩气，抽真空压力≤1Kpa，抽真空时间≥15min，制得精炼铁水；
（4）连铸：将吹氮处理后得铁水在连铸机上浇成矩形连铸坯；
（5）加热：将连铸坯放入真空加热炉中加热，加热温度1100-1200℃，连铸坯出炉均热温度≤50℃，连铸坯在炉时间≥400min；
（6）扎制：将步骤（5）中加热处理后的连铸坯先采用3-6道次粗扎，扎制成厚度为30-50mm中间坯，再经4-7机架进行精轧，精轧开轧温度830℃-850℃，精轧终轧温度780℃-800℃，轧后空冷；
（7）热处理：将步骤（6）扎制后的板坯在900-950℃保温30-40min，然后迅速降温到180-210℃；然后再将温度升至720-730℃下并保温5-6h，最后将温度以2 ℃/min速率慢降至600-630℃，再保温7-8h。
（8）精加工：将步骤（7）热处理后的板坯表面进行机械化精细打磨，得到高强度高韧性铸钢材。
其中，所述步骤（3）中的精炼剂由下列重量份的原料制成：NaBF46.5份、氯化钠4份、Na2TiF69份、NaF 6.5份。
其中，所述步骤（4）中连铸操作控制温度为850-900℃。
其中，所述步骤（5）中连铸坯加热温度1150-1200℃。
其中，所述步骤（6）中扎制后的板坯的冷却速度为22-26℃/s。
其中，步骤（8）后，还包括铸钢材探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
对比例1
采用中国发明专利申请201510775828.9制得的钢材。
对比例2
采用中国发明专利申请201610334590.0制得的钢材。
实验例
对上述实施例1-3及对比例1、对比例2制得的钢材进行拉伸强度、屈服强度、硬度、延伸率性能测试，具体见表1。
表1
测试项目 拉伸强度（MPa） 屈服强度（MPa） 硬度（HRB） 延伸率（1.6mm厚度）
实施例1 1387 1395 95 15
实施例2 1396 1403 93 14
实施例3 1402 1414 97 16
对比例1 856 775 67 9
对比例2 967 820 79 11
由表1可知，本发明的钢材与典型铝合金在拉伸强度、屈服强度、硬度、延伸率等方面均优于对比例。
综上所述，本发明的创造性主要体现在以下几点：
（1）本发明通过合理设置配比和生产工艺，制得的铸钢材具有较好的强度和韧性，并且较高的低温韧性。
（2）本发明通过高温炉冶炼和真空处理工艺，保证了钢水的纯净度，并通过低过热度的连铸过程，在氩气氛围保护下进行浇注，可以生产出高质量的铸坯，为对铸坯进行高强的热处理工艺的进行奠定了更好的基础。
（3）本发明通过在钢材中加入特定的多种稀土元素，因其具有独特的核外电子排布，在冶金过程中可改善组织结构，提高钢材的强度和韧性。
（4）本发明通过调质热处理工序配合冷却工序，可使半成品表面产生3-5mm厚回火马氏体组织，有效提高钢材的韧性，还可使组织更为均匀稳定，不易产生老化氧化现象，提高了钢材的使用寿命。
（5）本发明通过在原料中添加的Cr、Ni、Zr等合金元素能够有效提高铸钢材强度，且还能提高铸钢材的淬透性，达到二次硬化的作用， 使得铸钢材的强度进一步提升，同时辅以Ti、Mn、Sb等微合金化元素细化晶粒，改变再结晶状态，使得铸钢材强韧性相匹配。
（6）本发明通过对铸造、轧制及热处理等工艺进行改进，解决强度和冲击韧性不可兼得问题，同时，制得的铸钢材具有较好的低温冲击性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强度高韧性铸钢材，其特征在于，原料及各组分含量为：C 0.21-0.28％、Si0.31- 0.43％、Mn 0.09-0.13％、B 0.21-0.25％、Ni 0.34-0.42％、Zr 0.09-0.17％、Cr0.11- 0.15％、Al 0.11-0.13％、P 0.07-0.09％、S 0.03-0.04％、Sb 0.07-0.11％、Ti0.06- 0.09％、Ca 0.001-0.004%、稀土元素0.04-0.07％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度高韧性铸钢材，其特征在于，原料及各组分含量为：C0.23-0.25％、Si 0.34-0.39％、Mn 0.11- 0.13％、B 0.22-0.24％、Ni 0.37-0.41％、Zr0.1-0.15％、Cr 0.13-0.15％、Al 0.11- 0.13％、P 0.08-0.09％、S 0.03-0.04％、Sb0.08-0.1％、Ti 0.07-0.09％、Ca 0.002-0.004%、稀土元素0.04- 0.06％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高强度高韧性铸钢材，其特征在于，原料及各组分含量为：C0.24％、Si 0.34％、Mn 0.12％、B 0.23％、Ni 0.39％、Zr 0.11％、Cr 0.14％、Al 0.12％、P0.09％、S 0.04％、Sb 0.09％、Ti 0.07％、Ca 0.003%、稀土元素0.05％、O≤0.03%、N≤0.04%，余料为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高强度高韧性铸钢材，其特征在于，所述稀土元素按重量百分比及包括以下成分： Y：10-20％、Pm：5-7％、Ga：10-20％，Bi：6-10％，余量为Ce。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高强度高韧性铸钢材的制备工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：将废铁投入电炉中，进行预炼成铁水，并向铁水中添加电石粉；
（2）加料：向铁水中再添加含有原料中各元素的合金铁，并向铁水进行吹氮处理；
（3）精炼：向步骤（2）铁水中加入精炼剂精炼40-50min，保温25min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5-10min，然后进行真空脱气，钢水在真空处理过程中全程吹氩气，抽真空压力≤1Kpa，抽真空时间≥15min，制得精炼铁水；
（4）连铸：将吹氮处理后得铁水在连铸机上浇成矩形连铸坯；
（5）加热：将连铸坯放入真空加热炉中加热，加热温度1100-1200℃，连铸坯出炉均热温度≤50℃，连铸坯在炉时间≥400min；
（6）扎制：将步骤（5）中加热处理后的连铸坯先采用3-6道次粗扎，扎制成厚度为30-50mm中间坯，再经4-7机架进行精轧，精轧开轧温度830-850℃，精轧终轧温度780-800℃，轧后空冷；
（7）热处理：将步骤（6）扎制后的板坯在900-950℃保温30-40min，然后迅速降温到180-210℃；然后再将温度升至720-730℃下并保温5-6h，最后将温度以2 ℃/min速率慢降至600-630℃，再保温7-8h；
（8）精加工：将步骤（7）热处理后的板坯表面进行机械化精细打磨，得到高强度高韧性铸钢材。
6.根据权利要求5所述的高强度高韧性铸钢材的制备工艺，其特征在于，所述步骤（3）中的精炼剂由下列重量份的原料制成：NaBF45-8份、氯化钠3-5份、Na2TiF68-10份、NaF 5-8份。
7.根据权利要求5所述的高强度高韧性铸钢材的制备工艺，其特征在于，所述步骤（4）中连铸操作控制温度为850-900℃。
8.根据权利要求5所述的高强度高韧性铸钢材的制备工艺，其特征在于，所述步骤（5）中连铸坯加热温度1150-1200℃。
9.根据权利要求5所述的高强度高韧性铸钢材的制备工艺，其特征在于，所述步骤（6）中扎制后的板坯的冷却速度为22-26℃/s。
10.根据权利要求5所述的高强度高韧性铸钢材的制备工艺，其特征在于，步骤（8）后，还包括铸钢材探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
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