CN110172644A - 一种电弧增材制造用高强钢丝材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电弧增材制造用高强钢丝材及其制备方法，包括以下质量百分比的组分：C：0.09‑0.14％，Si：0.6‑1.0％，Mn：1.5‑2.0％，Mo：0.5‑0.8％，Ni：2.0‑3.0％，Cr：0.3‑0.6％，Al：≤0.1％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，H：≤5ppm，Fe为余量。本发明的高强钢丝材进行电弧增材制造时夹杂物数量少、能够满足电弧增材制造连续成形的需求，且电弧增材制造堆积态具有良好的强度和塑性。

Description

一种电弧增材制造用高强钢丝材及其制备方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造用材料领域，尤其涉及一种电弧增材制造用高强钢丝材及其制备方法。
背景技术
高强钢以其高强和高韧等特点，广泛用于船舶、车辆、海洋、机械制造等领域。随着近年来科技的发展，钢铁构件的轻量化已经成为了各个行业的热点问题。实现钢铁构件轻量化的方法之一是进一步提高钢铁材料的强度和塑韧性，从而通过减小壁厚直接降低构件重量。钢铁构件轻量化另一种方法是在保证构件功能和可靠性的前提下，通过结构拓扑优化设计，减少不必要的连接件，利用增材制造技术实现钢铁结构的一体化近净成形。
高强钢电弧增材制造技术以电弧为热源、高强钢丝材为填充金属，具有成形效率高、成本低、致密度高和材料利用率高等特点，在航空航天、汽车和舰船大型复杂高强结构件制备等领域具有广阔的应用前景。然而，目前高强钢构件电弧增材制造通常采用商用焊丝，往往成形性较差，影响成形精度和质量，而且在电弧作用下形成的氧化皮难以去除，在连续的增材制造过程中夹杂物不容易上浮，容易引起夹杂，降低力学性能。因此，需要一种夹杂更少、能够满足电弧增材制造连续成形的需求，且电弧增材制造堆积态具有良好的强度和塑性的电弧增材制造用高强钢丝材及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种夹杂更少、能够满足电弧增材制造连续成形的需求，且电弧增材制造堆积态具有良好的强度和塑性的电弧增材制造用高强钢丝材。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种制备上述的电弧增材制造用高强钢丝材的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高强钢丝材，其特征在于包括以下质量百分比的组分：C：0.09-0.14％，Si：0.6-1.0％，Mn：1.5-2.0％，Mo：0.5-0.8％，Ni：2.0-3.0％，Cr：0.3-0.6％，Al：≤0.1％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，H：≤5ppm，Fe为余量。
以下将分析本发明中高强钢丝材中合金元素的作用及其处于成分控制范围的原因：
C：C为固溶强化元素，能够显著提高高强钢的强度。考虑到高强钢电弧增材成形后晶粒粗大，电弧瞬态热作用下析出相析出较少，无法产生细晶强化和沉淀强化作用。所以，本发明中高强钢丝中添加一定量碳元素产生固溶强化作用。碳元素含量低于0.09％，强化效果不明显，但是，碳含量过高会降低塑韧性，而且会导致电弧增材制造成形性变差。因此，本发明中，碳元素含量控制为0.09-0.14％。
Si、Mn：Si元素具有强烈的脱氧能力，但是单独使用Si元素脱氧生成的Si氧化物熔点高，颗粒细小，在电弧增材制造过程中难以从熔池中浮出。Mn元素能够脱硫，从而能够降低电弧增材制造过程中的热裂敏感性。Mn能够脱氧，但是Mn元素的脱氧能力比Si稍差一些。单独添加Mn脱氧时，Mn的氧化物密度较大，不易从熔池中浮出。因此本发明中采用Si、Mn复合脱氧，生成密度小、熔点低的硅酸盐，容易从熔池中浮出，在连续增材制造过程中不易造成夹杂。但是，Si、Mn含量过高会降低高强钢强度和韧性。因此，本发明中Si元素含量控制为0.6-1.0％，Mn元素含量控制为1.5-2.0％。
Mo：Mo具有固溶强化作用，增加淬火倾向，在电弧增材制造过程中能够防止热循环引起的回火脆性和过热倾向。但是，Mo元素含量高于0.8％时，会降低高强钢的塑韧性。因此，本发明中，Mo元素含量控制为0.5-0.8％。
Ni：Ni元素能够增加高强钢的塑韧性，但Ni元素过高会增加成本，而且会增加残余奥氏体的稳定性，会降低电弧增材制造高强钢的强度和塑韧性。因此，本发明的高强钢丝材中，Ni元素含量控制为2.0-3.0％。
Cr：Cr元素能够在提高高强钢的强度的同时，对塑韧性影响不大，而且Cr能够提高耐蚀性。但是，Cr元素过高会促进碳化物的析出，降低塑韧性，而且高强钢中的Cr元素在电弧增材制造过程中容易氧化，形成的氧化层与金属结合力较高，难以去除，连续增材制造过程中容易造成夹杂。因此，本发明中，Cr元素含量控制为0.3-0.6％。
Al：Al元素具有脱氧作用，但是与Si类似，形成的氧化物熔点较高，容易造成增材制造过程中产生夹杂。铝含量过高时会造成高强钢丝材在增材制造过程中飞溅增加，而且增加热裂倾向。因此，本发明中，Al元素作为杂质元素，含量控制为0.1％以下。
优选的合金成分范围为：C：0.10-0.14％，Si：0.6-0.9％，Mn：1.7-2.0％，Mo：0.5-0.8％，Ni：2.0-2.5％，Cr：0.3-0.6％，Al：≤0.02％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，H：≤5ppm，Fe为余量。用于制备上述的高强钢丝材的制备方法，包括以下步骤：
(1)真空冶炼：在真空下对高强钢合金铸锭进行初次熔炼，得到初熔铸锭；
(2)制备电极试样：对所述初熔铸锭进行锻造得到电极试样；
(3)电渣重熔：对所述电极试样采用电渣重熔的方法进行二次冶炼，得到二次冶炼铸锭；
(4)高温锻造：对所述二次冶炼铸锭进行高温锻造，得到棒材；
(5)高温轧制：对所述棒材进行高温轧制，得到盘条；
(6)退火处理；对所述盘条进行退火处理；
(7)拉拔：对所述盘条进行拉拔，得到高强钢丝材。
优选的，所述步骤(1)真空熔炼的真空度为10-20Pa。
优选的，所述步骤(2)制备电极试样的具体参数为：将所述初熔铸锭在1050-1200℃保温2-4h，进行锻造，终锻温度不低于900℃。
优选的，所述步骤(3)电渣重熔的具体参数为：电渣速度1.4-2.0kg/min，电压25-40V，电流2.0-3.0kA。
优选的，所述步骤(4)高温锻造的具体工艺为：将所述二次冶炼铸锭在1050-1200℃保温2-4h，锻造成棒材，终锻温度不低于900℃，空冷处理。
优选的，所述步骤(5)高温轧制的具体工艺为：将所述棒材在1050-1200℃保温2-4h，经过多道次热连轧，轧制成盘条。
优选的，所述步骤(6)退火处理的具体工艺为：将所述盘条在1050-1200℃保温1-3h，水冷处理。
优选的，所述步骤(7)拉拔的具体工艺为：对所述盘条进行酸洗去除氧化皮，水洗晾干后进行皮膜处理，80-120℃烘干后进行拉拔，在所述拉拔过程中进行1000-1200℃在线退火。
本发明制备的高强钢丝材采用福尼斯CMT焊接电源进行电弧增材制造成形实验，基板采用高强低合金钢，板厚20mm，氩气作为保护气，送丝速度6.5-8m/min，电流220-260A，电压20-25V，焊枪扫描速度5-7mm/s，气流量15L-20L/min。沿着焊枪运行长度方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行拉伸性能测试。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明制备的高强钢丝材电弧增材制造过程稳定，成形性好，氧化皮容易在熔池中上浮，连续电弧增材制造成形熔覆金属中夹杂物数量少，适用于高强钢构件的电弧增材制造成形。
(2)本发明高强钢丝材电弧增材制造熔覆金属堆积态拉伸性能优良，抗拉强度可达950MPa以上，屈服强度640MPa以上，同时延伸率保持在8％以上。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明三个实施例的高强钢合金成分如表1所示。
实施例1
采用真空感应炉对高强钢丝材合金铸锭进行初次熔炼，真空度15Pa。将铸锭在1100℃保温3h，锻至Φ70的电极试样，终锻温度900℃。采用电渣重熔的方法对合金进行二次冶炼，电渣速度1.6kg/min，电压26V，电流2.3kA。将铸锭在1100℃保温3h，锻造至截面边长为45mm×45mm的方棒，终锻温度900℃，空冷处理。将锻造的方棒在1100℃保温2h，经过多道次热连轧，轧制成Φ6.5mm的盘条。将高强钢盘条退火处理：在1100℃保温2h，水冷处理。对退火后的高强钢盘条进行酸洗去除氧化皮，水洗晾干后进行皮膜处理，100℃烘干后进行丝材拉拔，拉拔直径变化依次为Φ6.5-Φ6.2-Φ5.4-Φ4.9-Φ4.6-Φ4.3-Φ4.0，1100℃在线退火-Φ3.3-Φ2.8-Φ2.4-Φ2.1-Φ1.9-Φ1.7-Φ1.5-Φ1.3-Φ1.2，碱洗，水洗，烘干，绕盘。将本发明制备的高强钢丝材采用福尼斯CMT焊接电源进行电弧增材制造成形实验，基板采用高强低合金钢，板厚20mm，氩气作为保护气，送丝速度8m/min，电流210A，电压22V，焊枪扫描速度5mm/s，气流量15L/min。将该成形实验制备的熔敷金属沿着焊枪运行长度方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行拉伸性能测试，力学性能如表2所示。
实施例2
采用真空感应炉对高强钢丝材合金铸锭进行初次熔炼，真空度10Pa。将铸锭在1050℃保温2h，锻至Φ70的电极试样，终锻温度950℃。采用电渣重熔的方法对合金进行二次冶炼，电渣速度1.4kg/min，电压25V，电流2.0kA。将铸锭在1050℃保温2h，锻造至截面边长为45mm×45mm的方棒，终锻温度950℃，空冷处理。将锻造的方棒在1050℃保温2h，经过多道次热连轧，轧制成Φ6.5mm的盘条。将高强钢盘条退火处理：在1050℃保温1h，水冷处理。对退火后的高强钢盘条进行酸洗去除氧化皮，水洗晾干后进行皮膜处理，80℃烘干后进行丝材拉拔，拉拔直径变化依次为Φ6.5-Φ6.2-Φ5.4-Φ4.9-Φ4.6-Φ4.3-Φ4.0，1000℃在线退火-Φ3.3-Φ2.8-Φ2.4-Φ2.1-Φ1.9-Φ1.7-Φ1.5-Φ1.3-Φ1.2，碱洗，水洗，烘干，绕盘。将本发明制备的高强钢丝材采用福尼斯CMT焊接电源进行电弧增材制造成形实验，基板采用高强低合金钢，板厚20mm，氩气作为保护气，送丝速度8m/min，电流210A，电压22V，焊枪扫描速度5mm/s，气流量15L/min。
将该成形实验制备的熔敷金属沿着焊枪运行长度方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行拉伸性能测试，力学性能如表2所示。
实施例3
采用真空感应炉对高强钢丝材合金铸锭进行初次熔炼，真空度20Pa。将铸锭在1200℃保温4h，锻至Φ70的电极试样，终锻温度980℃。采用电渣重熔的方法对合金进行二次冶炼，电渣速度2.0kg/min，电压40V，电流3.0kA。将铸锭在1200℃保温4h，锻造至截面边长为45mm×45mm的方棒，终锻温度980℃，空冷处理。将锻造的方棒在1200℃保温4h，经过多道次热连轧，轧制成Φ6.5mm的盘条。将高强钢盘条退火处理：在1200℃保温3h，水冷处理。对退火后的高强钢盘条进行酸洗去除氧化皮，水洗晾干后进行皮膜处理，120℃烘干后进行丝材拉拔，拉拔直径变化依次为Φ6.5-Φ6.2-Φ5.4-Φ4.9-Φ4.6-Φ4.3-Φ4.0，1200℃在线退火-Φ3.3-Φ2.8-Φ2.4-Φ2.1-Φ1.9-Φ1.7-Φ1.5-Φ1.3-Φ1.2，碱洗，水洗，烘干，绕盘。将本发明制备的高强钢丝材采用福尼斯CMT焊接电源进行电弧增材制造成形实验，基板采用高强低合金钢，板厚20mm，氩气作为保护气，送丝速度8m/min，电流210A，电压22V，焊枪扫描速度5mm/s，气流量15L/min。
将该成形实验制备的熔敷金属沿着焊枪运行长度方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行拉伸性能测试，力学性能如表2所示。
表1高强钢丝材的合金成分
C Si Mn Mo Ni Cr Al
实施例1 0.12 0.80 1.70 0.60 2.30 0.36 0.01
实施例2 0.09 0.89 1.80 0.58 2.10 0.35 <0.01
实施例3 0.105 0.67 2.0 0.57 2.47 0.40 0.02
比较例 0.10 0.56 1.40 0.58 2.40 0.36 0.01
表2实施例高强钢丝材电弧增材制造熔覆金属室温力学性能测试结果
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 968 670 12.0
实施例2 976 650 8.0
实施例3 974 655 9.5
比较例 885 663 8.0
采用本发明设计的高强钢丝材在连续电弧增材制造条件下，由于Mn和Si的复合脱氧、熔池中氧化皮上浮效果明显，熔敷金属抗拉强度大于950MPa、屈服强度大于640MPa的同时，延伸率可保持在8％以上。而比较例中，Mn和Si含量较低，氧化皮难以上浮，在连续电弧增材制造过程中造成了夹杂，导致强度低于本发明实施例。
本发明制备的高强钢丝材适用于900MPa级高强钢构件的电弧增材制造，尤其适用于连续电弧增材制造工艺，减少了层间清除氧化皮的工序，提升了电弧增材制造效率。此外，本发明制备的高强钢丝材也可用于高强钢构件的电弧增材制造修复。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电弧增材制造用高强钢丝材，其特征在于包括以下质量百分比的组分：C：0.09-0.14％，Si：0.6-1.0％，Mn：1.5-2.0％，Mo：0.5-0.8％，Ni：2.0-3.0％，Cr：0.3-0.6％，Al：≤0.1％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，H：≤5ppm，Fe为余量。
2.一种电弧增材制造用高强钢丝材，其特征在于：C：0.10-0.14％，Si：0.6-0.9％，Mn：1.7-2.0％，Mo：0.5-0.8％，Ni：2.0-2.5％，Cr：0.3-0.6％，Al：≤0.02％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，H：≤5ppm，Fe为余量。
3.一种用于制备如权利要求1或2所述的电弧增材制造用高强钢丝材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)真空冶炼：在真空下对高强钢合金铸锭进行初次熔炼，得到初熔铸锭；
(2)制备电极试样：对所述初熔铸锭进行锻造得到电极试样；
(3)电渣重熔：对所述电极试样采用电渣重熔的方法进行二次冶炼，得到二次冶炼铸锭；
(4)高温锻造：对所述二次冶炼铸锭进行高温锻造，得到棒材；
(5)高温轧制：对所述棒材进行高温轧制，得到盘条；
(6)退火处理；对所述盘条进行退火处理；
(7)拉拔：对所述盘条进行拉拔，得到高强钢丝材。
4.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)真空熔炼的真空度为10-20Pa。
5.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)制备电极试样的具体参数为：将所述初熔铸锭在1050-1200℃保温2-4h，进行锻造，终锻温度不低于900℃。
6.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)电渣重熔的具体参数为：电渣速度1.4-2.0kg/min，电压25-40V，电流2.0-3.0kA。
7.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)高温锻造的具体工艺为：将所述二次冶炼铸锭在1050-1200℃保温2-4h，锻造成棒材，终锻温度不低于900℃，空冷处理。
8.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)高温轧制的具体工艺为：将所述棒材在1050-1200℃保温2-4h，经过多道次热连轧，轧制成盘条。
9.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)退火处理的具体工艺为：将所述盘条在1050-1200℃保温1-3h，水冷处理。
10.根据权利要求3所述的高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)拉拔的具体工艺为：对所述盘条进行酸洗去除氧化皮，水洗晾干后进行皮膜处理，80-120℃烘干后进行拉拔，在所述拉拔过程中进行1000-1200℃在线退火。
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