CN110241363B - 一种铸钢材料及其铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型铸钢材料及其铸造方法，所述铸钢材料包括以下重量百分比的配方成分：C0.29‑0.37％、Mn0.6‑1.0％、Si0.3‑0.6％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr0.45‑0.65％、Mo0.22‑0.27％、Ni0.7‑0.9％、Al≤0.04％、Cu≤0.3％、N、V≤0.1％，余量为Fe；碳当量为CE，且CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.72％，本发明通过调整适当当量的合金元素，在确保综合强度得到更好的保证的同时，降低碳当量，大幅提高了焊接性能。在不增加成本的前提下，尽可能减低S、P、Cu、Cr、Ni等元素的含量，同时，适当提高Mo、Mn等元素的含量，最大限度的保证材料的力学性能和焊接性能。

Description

一种铸钢材料及其铸造方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体而言涉及一种铸钢材料及其铸造方法。

背景技术

由于矿山机械使用环境恶劣，工作路况差，环境温度低，工作时间长，工作时受到较大冲击负荷，因而其关键零部件----摇臂壳体、行星架、轴承座等等铸件要求具有较高的力学性能。目前，上述关键零部件的材料强度和焊接性均不能更好的满足使用及维修要求，尤其是焊接性能和抗冲击性能，不能得到稳定的保障。此外，有些零件需要局部感应淬火，存在淬火开裂的隐患，热处理性比较差。

发明内容

本发明提供了一种铸钢材料及其铸造方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种新型铸钢材料，包括以下重量百分比的配方成分：

C0.29-0.37％、Mn0.6-1.0％、Si0.3-0.6％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr0.45-0.65％、Mo0.22-0.27％、Ni0.7-0.9％、Al≤0.04％、Cu≤0.3％、V≤0.1％，余量为Fe；

化学成分允许偏差参考GB/T 222中的规定；

碳当量为CE，且CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.72％。

含碳量增加，钢的屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当含碳量超过0.23％时，钢的焊接性能变坏，因此，用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20％。同时，碳量高还会降低耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15-0.30％的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60％就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2％的硅，强度可提高15-20％。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1-4％的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。同时，硅量增加，会降低钢的焊接性能。

锰在炼钢过程中作为良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30-0.50％。在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬硬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40％。含锰11-14％的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。同时，锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此，通常要求钢中含磷量小于0.045％，优质钢要求更低些。

硫在通常情况下也是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。在钢中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。但是，铬能显著提高钢的脆性转变温度，促进钢的回火脆性。

镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，改善钢的加工性和可焊性，大幅提高钢材的淬透性，与铬、钼配合的铬镍钼钢在热处理后能获得强度和韧性配合良好的综合力学性能。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。

铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能，缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5％塑性显著降低，当铜含量小于0.50％对焊接无影响。

铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

钒和碳、氨、氧之间有极强的亲和力，易形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。

现有矿山机械采用的铸钢材料为ZG40CrNiMo，其化学成分如表1所示，其力学性能如表2所示。

表1：ZG 40CrNiMo化学成分

钢的碳当量CE，CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.85％。

表2：ZG 40CrNiMo力学性能

发明人分析得出：ZG 40CrNiMo中S、P、Cu等杂质元素的含量未达到优质钢的标准(GB/T 3077)，而杂质元素超标则易导致材料的热脆、冷脆等现象，会影响零件的加工、焊接和热处理，且碳当量为0.85％，焊接性能很差。基于上述影响因素，发明人通过调整适当当量的合金元素，在确保其综合强度得到更好的保证的同时，降低碳当量，大幅提高了焊接性能。在不增加成本的前提下，尽可能减低S、P、Cu、Cr、Ni等元素的含量，含镍量的大幅降低，较大的降低了热处理裂纹风险，改善了材料的热处理性，使热处理性能变得容易实现。同时，适当提高Mo、Mn等元素的含量，最大限度的保证材料的力学性能和焊接性能。

优选地，包括以下重量百分比的配方成分：

C0.32％、Mn0.8％、Si0.38％、P0.021％、S0.016％、Cr0.55％、Mo0.24％、Ni0.76％、Al0.03％、Cu0.06％、V0.028％，余量为Fe。

本发明还提供一种新型铸钢材料的铸造方法，包括如下步骤：

S1、熔化：将废钢料加入电弧炉里熔化成钢液后，检测钢液样品中的镍、钼含量，并加入根据重量百分比计算的镍、钼合金；

S2、氧化：进行吹氧脱碳，脱碳过程需不断放出炉渣并造新渣，取样检测C、P含量，当氧化P含量小于0.03％、C含量为0.3-0.4％时，停止吹氧；

S3、脱碳：采用摇包将钢液从电弧炉转入AOD炉冶炼，采用惰性气体吹氧脱碳，根据重量百分比，加入铝合金，搅拌均匀，取样检测C含量，当C含量为0.25-0.32％时停止脱碳；

S4、还原：根据重量百分比，依次加入锰、硅、铬、钒合金，搅拌均匀，得到钢水，钢水出炉并在底注钢包内静置，浇注形成铸件；

S5、热处理：铸件依次经过高温正火、第一次回火、淬火和第二次回火处理，即可。

优选地，步骤S1中，废钢料中铬含量不大于0.30％，铜含量不大于0.20％，配碳量大于0.50％。

优选地，步骤S2中，在所述电弧炉氧化后还采取预还原处理，当钢液温度达到1580℃以上时，扒除电弧炉内氧化渣，加入0.20-0.30％硅铁还原并造稀薄渣，当温度达到1650℃以上，扒除干净炉渣。

优选地，步骤S3中，采用摇包将钢液从电弧炉转入AOD炉冶炼时，对所述摇包烘烤至少1h，所述AOD炉脱碳时采用惰性气体为氩气。

优选地，步骤S4中，在所述AOD炉还原前进行流渣处理，在钢水出炉前，根据钢水检测结果，依据配方成分的重量百分比调整钢水化学成分，钢水出炉温度为1600-1630℃。

优选地，步骤S5中，高温正火温度为880-900℃，出炉空冷，第一次回火温度为600-650℃，淬火温度为850-870℃，第二次回火温度为620±10℃，铸件硬度要求为269-321HB。

优选地，高温正火、淬火的加热保温时间按铸件有效厚度0.5h/inch计算，不足1h按1h计，第一次回火、第二次回火的保温时间为高温正火、淬火的加热保温时间的1.5-2倍。

本发明的有益效果是：

通过调整适当当量的合金元素，在确保综合强度得到更好的保证的同时，降低碳当量，大幅提高了焊接性能。在不增加成本的前提下，尽可能减低S、P、Cu、Cr、Ni等元素的含量，同时，适当提高Mo、Mn等元素的含量，最大限度的保证材料的力学性能和焊接性能。

附图说明

图1是本发明实施例一中铸件的金相组织-回火索氏体示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

一种新型铸钢材料的铸造方法，包括以下步骤：

一、选取干燥、无油少锈的Q235钢板(Cr0.28％，Cu0.06％)边角料1880Kg，在与零件重量相配(2吨)电弧炉中进行熔炼，当废钢熔化完毕，温度为1537℃时，取1号样，测得C0.45％、Ni0.22％、Mo0.06％、P0.02％，加入电解镍10Kg，FeMo60-A钼铁合金5Kg。

二、吹氧脱碳，脱碳过程不断放出炉渣并造新渣，观察火焰及炉内气氛，取2号样，测得C0.29％、Ni0.79％、Mo0.25％、P0.009％。测温为1593℃时，加入FeSi75A10.5-A硅铁5Kg合金预还原，继续升温，当温度到1673℃时，扒除干净炉渣。

三、转入摇包，摇包要求无残钢，残渣，烘烤1.5小时。钢液转入2吨AOD炉，测温1523℃，加铝锭11Kg升温，O：Ar＝3：1吹氧脱碳，吹炼完毕，取3号样，测得C0.28％、Si0.01％、Mn0.15％、P0.015％、S0.013％、Cr0.17％、Ni0.78％、Mo0.25％、Cu0.06％、V0.007％，C含量在下限，炉体下倾流渣。

四、加入FeMn78CO.2锰铁29Kg、FeSi75A10.5-A硅铁10Kg、FeCr55CO.25铬铁6Kg和43Kg石灰，摇起炉体搅拌5分钟，倾炉测温1633℃，取4号样，测得C0.3％、Si0.38％、Mn1.15％、Cr0.55％、Ni0.76％、Mo0.27％、P0.021％、S0.016％、Cu0.04％，加入FeV50-A钒铁1Kg，摇起炉体搅拌1分钟，取5号样，测得C0.32％、Si0.38％、Mn0.8％、Cr0.55％、Ni0.76％、Mo0.24％、P0.021％、S0.016％、V0.02％、Cu0.04％、Al0.03％，余量为Fe，出钢水至底注钢包，测温1587℃，至铸件浇注区，对准浇口，静置5分钟，浇注铸件。

最后，采用台车式电阻炉型号RT3-1020-6对铸件进行热处理，具体的，铸件依次经过高温正火、第一次回火、清理、超声波探伤、粗加工、调质处理(淬火和第二次回火处理)、超声波探伤、磁粉探伤、清理、防锈、包装入库，即可。其中，高温正火温度为880-900℃，保温6小时，出炉空冷，第一次回火温度为600-650℃，保温时间9小时，淬火温度为850-870℃，保温6小时，冷却介质：专用介质/油，第二次回火温度为620±10℃，保温时间9小时，铸件硬度要求为269-321HB，高温正火、淬火的加热保温时间按铸件有效厚度0.5h/inch计算，不足1h按1h计，第一次回火、第二次回火的保温时间为高温正火、淬火的加热保温时间的1.5-2倍。

本实施例制备的铸件材料命名为XYZ-M1，其力学性能如表3所示。XYZ-M1材料经热处理后得到铸件的金相组织-回火索氏体，如图1所示。

表3：XYZ-M1力学性能

与表2相比，本实施例制备的铸钢材料具有较好的强度、耐磨性和韧性。也就是说，在保证强度硬度的前提下，本发明能够使韧性也得到良好的保证，同时使热处理性变好。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种铸钢材料，其特征在于，包括以下重量百分比的配方成分：

C0.29－0.37％、Mn0.6－1.0％、Si0.3－0.6％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr0.45－0.65％、Mo0.22－0.27％、Ni0.7－0.9％、Al≤0.04％、Cu≤0.3％、V≤0.1％，余量为Fe；

碳当量为CE，且CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.72％；

所述新型铸钢材料通过以下铸造方法获得：

S1、熔化：将废钢料加入电弧炉里熔化成钢液后，检测钢液样品中的镍、钼含量，并加入根据重量百分比计算的镍、钼合金；

S2、氧化：进行吹氧脱碳，脱碳过程需不断放出炉渣并造新渣，取样检测C、P含量，当氧化P含量小于0.03％、C含量为0.3－0.4％时，停止吹氧；

S3、脱碳：采用摇包将钢液从电弧炉转入AOD炉冶炼，采用惰性气体吹氧脱碳，根据重量百分比，加入铝合金，搅拌均匀，取样检测C含量，当C含量为0.25－0.32％时停止脱碳；

S4、还原：根据重量百分比，依次加入锰、硅、铬、钒合金，搅拌均匀，得到钢水，钢水出炉并在底注钢包内静置，浇注形成铸件；

S5、热处理：铸件依次经过高温正火、第一次回火、淬火和第二次回火处理，即可；

高温正火温度为880－900℃，出炉空冷，第一次回火温度为600－650℃，淬火温度为850－870℃，第二次回火温度为620±10℃，铸件硬度要求为269－321HB。

2.根据权利要求1所述的铸钢材料，其特征在于，包括以下重量百分比的配方成分：

C0.32％、Mn0.8％、Si0.38％、P0.021％、S0.016％、Cr0.55％、Mo0.24％、Ni0.76％、Al0.03％、Cu0.06％、V0.028％，余量为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的铸钢材料，其特征在于，步骤S1中，废钢料中铬含量不大于0.30％，铜含量不大于0.20％，配碳量大于0.50％。

4.根据权利要求3所述的铸钢材料，其特征在于，步骤S2中，在所述电弧炉氧化后还采取预还原处理，当钢液温度达到1580℃以上时，扒除电弧炉内氧化渣，加入0.20－0.30％硅铁还原并造稀薄渣，当温度达到1650℃以上，扒除干净炉渣。

5.根据权利要求4所述的铸钢材料，其特征在于，步骤S3中，采用摇包将钢液从电弧炉转入AOD炉冶炼时，对所述摇包烘烤至少1h，所述AOD炉脱碳时采用惰性气体为氩气。

6.根据权利要求5所述的铸钢材料，其特征在于，步骤S4中，在钢水出炉前，根据钢水检测结果，依据配方成分的重量百分比调整钢水化学成分，钢水出炉温度为1600－1630℃。

7.根据权利要求6所述的铸钢材料，其特征在于，高温正火、淬火的加热保温时间按铸件有效厚度0.5h/英寸计算，第一次回火、第二次回火的保温时间为高温正火、淬火的加热保温时间的1.5－2倍。

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