CN110527925A - 一种添加稀土元素的铸钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铸钢领域，具体涉及一种添加稀土元素的铸钢。本发明公开了一种添加稀土元素的铸钢，其特征在于，该铸钢以质量百分比计，由以下成分组成：C：0.12％～0.28％，Si：0.7％～1.3％，Mn：0.3％～0.9％，Cr：3％～9％，Mo：0.01％～0.5％，V：0.05％～1％，Al：0.01％～0.05％，稀土元素RE：0.2％～0.6％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe。本发明解决了现有的添加稀土元素的铸钢虽然硬度很高，但是往往韧性不足。

Description

一种添加稀土元素的铸钢
技术领域
本发明涉及铸钢领域，具体涉及一种添加稀土元素的铸钢。
背景技术
钢铁等材料因大气腐蚀而造成的经济损失在材料失效中占有很大的比重。而铸钢作为在大气环境中用量很大的钢铁材料，对其腐蚀性的研究长期以来受到人们的重视。而大量的研究表面，稀土元素不但可以通过细化晶粒等改善钢材的耐腐蚀性能的提高，还能够产生其它特殊效果，例如添加稀土钇能够提高不锈钢的高温抗氧化性能。
我国是世界上稀土资源和产量最为丰富的稀土大国，同时也是钢产量第一的钢铁大国，如果能够有效利用稀土对碳钢所发挥的有益作用，通过在低碳钢和合金钢中加入微量的稀土，从而提高钢的品质以增强我国钢铁的国际竞争力。然而，现有的添加稀土元素的铸钢虽然硬度很高，但是往往韧性不足。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种添加稀土元素的铸钢，以质量百分比计，由以下成分组成：
C：0.12％～0.28％，Si：0.7％～1.3％，Mn：0.3％～0.9％，Cr：3％～9％，Mo：0.01％～0.5％，V：0.05％～1％，Al：0.01％～0.05％，稀土元素RE：0.2％～0.6％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe；
所述稀土元素RE由质量比为La：Ce：Y＝1～4:6:2的混合物组成；
所述铸钢的原料，以重量份计，由以下成分组成：
生铁40～50份，废钢15～25份，硅铁2.5～4.5份，锰铁1.2～2.4份，铬铁7～15份，钼铁0.2～2份，钒铁1.1～2.1份，铝粒0.01～0.05份，稀土元素RE 0.3～0.8份。
优选地，所述铸钢以质量百分比计，由以下成分组成：
C：0.18％～0.22％，Si：1.0％～1.2％，Mn：0.7％～0.9％，Cr：5％～7％，Mo：0.05％～0.1％，V：0.05％～1％，Al：0.03％～0.04％，稀土元素RE：0.3％～0.5％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe；
所述稀土元素RE由质量比为La：Ce：Y＝3:6:2的混合物组成；
所述铸钢的原料，以重量份计，由以下成分组成：
生铁44～48份，废钢28～22份，硅铁3.8～4.3份，锰铁2.0～2.4份，铬铁9～12份，钼铁0.8～1.2份，钒铁1.1～2.1份，铝粒0.03～0.05份，稀土元素RE 0.5～0.7份。
本发明的另一个目的是提供一种添加稀土元素的铸钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按量称取La、Ce和Y在氩气保护的条件下置于球磨机中机械球磨，得到纳米稀土元素RE；
步骤2，按量称取生铁和废钢投入电炉内融化，加入按量称取的硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁，融化后脱硫，使S≤0.005％；脱磷，使P≤0.005％；除渣，得到混合钢液；
步骤3，将混合钢液经钢包注入AOD炉内，吹氧脱碳，使碳含量达到工艺要求；
步骤4，将步骤3脱碳后的钢液转入精炼炉中，检测各元素的含量，根据检测结果添加硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁中的一种或多种，调节各元素的含量，直至达到工艺要求，得到精炼钢液；
步骤5，检测精炼钢液的氧含量，加入铝粒脱氧，直至精炼钢液的氧含量降低至200ppm，除渣；将精炼炉抽真空，通入氩气，保持压强在15～20Pa，加入步骤1制备的纳米稀土元素RE，升温至1590～1610℃，搅拌20～30min；
步骤6，浇铸成型得到铸钢材料，经过热处理，得到添加稀土元素的铸钢。
优选地，步骤6中所述热处理的步骤为：
1)将铸钢材料加热至1060～1080℃，保温2～4h，随炉冷却至室温；
2)用打磨机去除铸钢材料表面的氧化层；
3)将打磨后的铸钢材料加热至880～920℃，保温1～3h，冷却；
4)将步骤3)冷却后的铸钢材料在250～260℃温度下回火，保温1～3h，空冷至室温。
更优选地，所述步骤1)中，将铸钢材料加热至1070℃，保温3h。
更优选地，所述步骤3)中，将打磨后的铸钢材料加热至900℃，保温2h。
更优选地，所述步骤3)中，采用冷却介质进行冷却，所述冷却介质是饱和的CaCl2溶液。
更优选地，所述步骤4)为，将步骤3)冷却后的铸钢材料在480℃温度下回火，保温2h，空冷至室温。
本发明的有益效果为：
1.现有技术中实现铸钢脱氧大部分使用的是铝粒，而铝粒在氧含量比较低的情况下必须大量添加，且效果甚微，本发明使用少量的稀土元素代替了大量的铝粒，达到了意想不到的效果。首先，本发明中添加的稀土元素RE的熔点低于钢液温度，因此能够在钢液中实现快速溶解和熔化；其次，稀土元素RE与氧之间具有强烈结合能，能够在氧含量较低的情况下，与氧发生原位反应生成稀土氧化物。因此，本发明通过控氧和添加定量的稀土元素RE不仅解决了大量铝粒的使用延长炼钢时间和渣粒的后处理问题；而且反应生成的稀土氧化物还能明显地改善铸钢的持久强度,降低铸钢的蠕变速率，提高了铸钢的高温机械性能；此外，稀土金属RE还能对Al2O3等夹杂物起变质作用，生成REAlO3等稀土夹杂物，能大幅提高铸钢的疲劳寿命。
2.本发明所用的稀土元素RE有La、Ce和Y，La、Ce氧化物的结合具有提高铸钢耐腐蚀、耐氧化的性能，Ce、Y氧化物的组合能够提高铸钢的弥散硬化以及耐高温的机械性能，通过合理的配比将三种稀土元素混合后，能够使铸钢的晶粒细化，提高铸钢的屈服强度、塑性和韧性；减缓铸钢冶炼时奥氏体-贝氏体转变，有利于提高钢的淬透性。此外，在耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能方面均有所提升。
3.本发明的热处理工艺采用退火-打磨-淬火-回火的步骤，使制备出的铸铁具有较高的硬度以及抗拉强度。其中，在热处理工艺步骤1)中，铸钢的硬度随着退火温度的升高而增大，当达到1060～1080℃范围内时，硬度最大；在热处理步骤2)中，采用打磨的方式去除铸钢表面因灼烧而产生的氧化层，有利于后续淬火以及回火的效果；在热处理步骤3)中，本发明使用一种成本低廉的冷却介质饱和的CaCl2溶液进行淬火后冷却，该介质具有高温快冷中温缓冷的特性，即试样开始冷却时，冷却介质中所蕴含的水会使钢快速冷却，防止钢中出现先共析铁素体和珠光体，当水汽化完全后冷却介质将会烧结在工件表面上，起到保温的作用，延长中温区转变时间，因此，以该方式得到的铸钢低温冲击韧性会大大提升；在热处理步骤4)中，随着回火温度的升高，铸钢的韧性先升高后减小，抗拉强度逐渐增高，本发明设置的回火温度低于现有技术，把回火温度设置为250～260℃，在该温度范围内回火，冷却后的铸钢韧性则会达到最好的状态。
4.本发明制备的铸钢不仅具有较高的屈服强度，还具有较高的韧性，且所用的制备方法简单易于控制，适于在工业生产方面的应用。
具体实施方式
为了便于理解，下面通过具体实施例对本发明进行详细的描述。需要特别指出的是，具体实施例仅是为了说明，显然本领域的技术人员可以根据本文说明，对本发明进行各种修正或改变，这些修正和改变也将纳入本申请范围之内。
实施例1
一种添加稀土元素的铸钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取0.12份La、0.36份Ce和0.12份Y在氩气保护的条件下置于球磨机中机械球磨，得到纳米稀土元素RE；
步骤2，称取45份生铁和20份废钢投入电炉内融化，加入3份硅铁、1.8份锰铁、12份铬铁、1.2份钼铁、1.6份钒铁，融化后脱硫，使S≤0.005％；脱磷，使P≤0.005％；除渣，得到混合钢液；
步骤3，将混合钢液经钢包注入AOD炉内，吹氧脱碳，使碳含量达到工艺要求；
步骤4，将步骤3脱碳后的钢液转入精炼炉中，检测各元素的含量，并根据检测结果添加硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁中的一种或多种，调节各元素的含量，直至达到工艺要求，得到精炼钢液；
步骤5，检测精炼钢液的氧含量，加入0.03份铝粒脱氧，直至精炼钢液的氧含量降低至200ppm，除渣；将精炼炉抽真空，通入氩气，保持压强在18Pa，加入步骤1制备的纳米稀土元素RE，升温至1600℃，搅拌25min；
步骤6，浇铸成型，得到铸钢材料；
步骤7，热处理：
1)将铸钢材料加热至1070℃，保温3h，随炉冷却至室温；
2)用打磨机去除铸钢材料表面的氧化层；
3)将打磨后的铸钢材料加热至900℃，保温2h，用饱和的CaCl2溶液作为冷却介质进行冷却处理；
4)将步骤3)冷却后的铸钢材料在255℃温度下回火，保温2h，空冷至室温；
即得到产物添加稀土元素的铸钢。
经检测，如上述制备方法制得的产物铸钢的各元素含量为：
C：0.2％，Si：1.2％，Mn：0.8％，Cr：6％，Mo：0.36％，V：0.71％，Al：0.03％，La：0.08％，Ce：0.24％，Y：0.08％，S：0.012％，P：0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例2
一种添加稀土元素的铸钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取0.04份La、0.12份Ce和0.04份Y在氩气保护的条件下置于球磨机中机械球磨，得到纳米稀土元素RE；
步骤2，称取40份生铁和15份废钢投入电炉内融化，加入2.5份硅铁、1.2份锰铁、7份铬铁、0.2份钼铁、1.1份钒铁，融化后脱硫，使S≤0.005％；脱磷，使P≤0.005％；除渣，得到混合钢液；
步骤3，将混合钢液经钢包注入AOD炉内，吹氧脱碳，使碳含量达到工艺要求；
步骤4，将步骤3脱碳后的钢液转入精炼炉中，检测各元素的含量，并根据检测结果添加硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁中的一种或多种，调节各元素的含量，直至达到工艺要求，得到精炼钢液；
步骤5，检测精炼钢液的氧含量，加入0.01份铝粒脱氧，直至精炼钢液的氧含量降低至200ppm，除渣；将精炼炉抽真空，通入氩气，保持压强在15Pa，加入步骤1制备的纳米稀土元素RE，升温至1590℃，搅拌20min；
步骤6，浇铸成型，得到铸钢材料；
步骤7，热处理：
1)将铸钢材料加热至1060℃，保温2h，随炉冷却至室温；
2)用打磨机去除铸钢材料表面的氧化层；
3)将打磨后的铸钢材料加热至880℃，保温1h，用饱和的CaCl2溶液作为冷却介质进行冷却处理；
4)将步骤3)冷却后的铸钢材料在250℃温度下回火，保温1h，空冷至室温；
即得到产物添加稀土元素的铸钢。
经检测，如上述制备方法制得的产物铸钢的各元素含量为：
C：0.13％，Si：0.8％，Mn：0.3％，Cr：3.7％，Mo：0.07％，V：0.12％，Al：0.01％，La：0.04％，Ce：0.12％，Y：0.04％，S：0.025％，P：0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例3
一种添加稀土元素的铸钢的原料，以重量份计，由以下成分组成：
生铁50份，废钢25份，硅铁4.5份，锰铁2.4份，铬铁15份，钼铁2份，钒铁2.1份，铝粒0.05份，稀土元素La 0.16份，稀土元素Ce 0.48份，稀土元素Y 0.16份；
上述添加稀土元素的铸钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取0.16份La、0.48份Ce和0.16份Y在氩气保护的条件下置于球磨机中机械球磨，得到纳米稀土元素RE；
步骤2，称取50份生铁和25份废钢投入电炉内融化，加入4.5份硅铁、2.4份锰铁、15份铬铁、2份钼铁、2.1份钒铁，融化后脱硫，使S≤0.005％；脱磷，使P≤0.005％；除渣，得到混合钢液；
步骤3，将混合钢液经钢包注入AOD炉内，吹氧脱碳，使碳含量达到工艺要求；
步骤4，将步骤3脱碳后的钢液转入精炼炉中，检测各元素的含量，并根据检测结果添加硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁中的一种或多种，调节各元素的含量，直至达到工艺要求，得到精炼钢液；
步骤5，检测精炼钢液的氧含量，加入0.05份铝粒脱氧，直至精炼钢液的氧含量降低至200ppm，除渣；将精炼炉抽真空，通入氩气，保持压强在20Pa，加入步骤1制备的纳米稀土元素RE，升温至1610℃，搅拌30min；
步骤6，浇铸成型，得到铸钢材料；
步骤7，热处理：
1)将铸钢材料加热至1080℃，保温4h，随炉冷却至室温；
2)用打磨机去除铸钢材料表面的氧化层；
3)将打磨后的铸钢材料加热至880℃，保温3h，用饱和的CaCl2溶液作为冷却介质进行冷却处理；
4)将步骤3)冷却后的铸钢材料在260℃温度下回火，保温3h，空冷至室温；
最终得到产物添加稀土元素的铸钢。
经检测，如上述制备方法制得的产物铸钢的各元素含量为：
C：0.22％，Si：1.2％，Mn：0.9％，Cr：7％，Mo：0.1％，V：0.98％，Al：0.04％，La：0.16％，Ce：0.48％，Y：0.16％，S：0.025％，P：0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质。
对比例1
市售的一种添加有稀土元素的铸钢，按质量百分比计量化学成分为：C：0.11～0.14；Si：0.20～0.30；Mn：0.80～1.0；Cr：9.00～9.60；Mo：1.40～1.60；Ni：0.10～0.20；Co：0.90～1.10；V：0.18～0.22；N：0.015～0.030；Nb：0.05～0.07；B：0.008～0.013；稀土：0.01～0.05；P≤0.015；S≤0.010；Cu≤0.10；As≤0.025；Sb≤0.001；Sn≤0.015；A1≤0.010；H≤7ppm；O≤90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质；其中，稀土为由Ce、La、Y、Pr、Nd中的两种或多种组成的混合稀土。
为了更加清晰的说明本发明的内容，本发明对实施例1、实施例2、实施例3和对比例1进行了性能检测，结果如表1所示：
表1性能检测结果
由上表可知，虽然在硬度方面，本发明的实施例1、2、3所制备的铸钢略低于对比例1；但是本发明3个实施例中，拉伸强度在1000MPa左右，冲击韧性(-40℃)在50J左右，屈服强度＞800MPa，延伸率＞20％，断面收缩率＞35％，上述性能均高于对比例1。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种添加稀土元素的铸钢，其特征在于，该铸钢以质量百分比计，由以下成分组成：
C：0.12％～0.28％，Si：0.7％～1.3％，Mn：0.3％～0.9％，Cr：3％～9％，Mo：0.01％～0.5％，V：0.05％～1％，Al：0.01％～0.05％，稀土元素RE：0.2％～0.6％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe；
所述稀土元素RE由质量比为La：Ce：Y＝1～4:6:2的混合物组成；
所述铸钢的原料，以重量份计，由以下成分组成：
生铁40～50份，废钢15～25份，硅铁2.5～4.5份，锰铁1.2～2.4份，铬铁7～15份，钼铁0.2～2份，钒铁1.1～2.1份，铝粒0.01～0.05份，稀土元素RE 0.3～0.8份。
2.根据权利要求1所述的添加稀土元素的铸钢，其特征在于，以质量百分比计，所述铸钢由以下成分组成：
C：0.18％～0.22％，Si：1.0％～1.2％，Mn：0.7％～0.9％，Cr：5％～7％，Mo：0.05％～0.1％，V：0.05％～1％，Al：0.03％～0.04％，稀土元素RE：0.3％～0.5％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe；
所述稀土元素RE由质量比为La：Ce：Y＝3:6:2的混合物组成；
所述铸钢的原料，以重量份计，由以下成分组成：
生铁44～48份，废钢28～22份，硅铁3.8～4.3份，锰铁2.0～2.4份，铬铁9～12份，钼铁0.8～1.2份，钒铁1.1～2.1份，铝粒0.03～0.05份，稀土元素RE 0.5～0.7份。
3.一种铸钢的制备方法，其用于制备如权利要求1或2所述的添加稀土元素的铸钢，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按量称取La、Ce和Y在氩气保护的条件下置于球磨机中机械球磨，得到纳米稀土元素RE；
步骤2，按量称取生铁和废钢投入电炉内融化，加入按量称取的硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁，融化后脱硫，使S≤0.005％；脱磷，使P≤0.005％；除渣，得到混合钢液；
步骤3，将混合钢液经钢包注入AOD炉内，吹氧脱碳，使碳含量达到工艺要求；
步骤4，将步骤3脱碳后的钢液转入精炼炉中，检测各元素的含量，根据检测结果添加硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁中的一种或多种，调节各元素的含量，直至达到工艺要求，得到精炼钢液；
步骤5，检测精炼钢液的氧含量，加入铝粒脱氧，直至精炼钢液的氧含量降低至200ppm，除渣；将精炼炉抽真空，通入氩气，保持压强在15～20Pa，加入步骤1制备的纳米稀土元素RE，升温至1590～1610℃，搅拌20～30min；
步骤6，浇铸成型得到铸钢材料，经过热处理，得到添加稀土元素的铸钢。
4.根据权利要求3所述的铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤6中热处理的步骤具体如下：
1)将铸钢材料加热至1060～1080℃，保温2～4h，随炉冷却至室温；
2)用打磨机去除铸钢材料表面的氧化层；
3)将打磨后的铸钢材料加热至880～920℃，保温1～3h，冷却；
4)将步骤3)冷却后的铸钢材料在250～260℃温度下回火，保温1～3h，空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，将铸钢材料加热至1070℃，保温3h。
6.根据权利要求4所述的铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，将打磨后的铸钢材料加热至900℃，保温2h。
7.根据权利要求4所述的铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用冷却介质进行冷却，所述冷却介质是饱和的CaCl2溶液。
8.根据权利要求5所述的铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤4)为，将步骤3)冷却后的铸钢材料在480℃温度下回火，保温2h，空冷至室温。
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