CN111906262B - 用于大型锻件的钢锭的生产方法及钢锭 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于大型锻件的钢锭的生产方法及钢锭，包括如下步骤：S1：获取增材制造材料钢水；其化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50‑7.50％，Cr 5.40‑7.40％，Mo 4.00‑6.00％，N 0.50‑0.55％，Cu 3.50‑4.50％，余量Fe及不可避免杂质；S2：打印基底；S3：逐层打印；S4：切割基底，获得钢锭。本发明所公开的制备方法尤其擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。通过采用钢水熔体作为增材制造材料，完成钢锭的制备。且本发明独创的全程无模制备，先打印基底，再进行逐层打印，减轻增材过程中钢材温度周期性地反复剧烈变化，造成内部微裂纹等缺陷。获得的钢锭质量更忧。

Description

用于大型锻件的钢锭的生产方法及钢锭

技术领域

本发明属于钢锭制备技术领域，尤其涉及用于大型锻件的钢锭的生产方法。

背景技术

近年来，全球各国高度重视增材制造技术的发展，而金属增材制造作为增材制造技术中最耀眼的技术，在中国制造2025、德国工业4.0、重振美国制造业等国家战略中都明确提出相关发展计划。经过多年的发展，金属增材制造已有以激光立体成形技术为代表的同步送粉送丝高能束熔覆技术和以高能束选区熔化技术为代表的粉末床成形技术两个技术方向，在常规制造技术难以触及的高复杂度、小批量、快速响应制造等细分市场，更是取得了长足的发展。

当前，增材制造技术已经转向产业化应用，它与信息网络技术的深度融合，将给传统制造业带来变革性影响，被称为新一轮工业革命的标志性技术之一。世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点重点培育，推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合，力争抢占未来科技和产业制高点。

在相关规划政策的引导和支持下，我国增材制造产业快速发展，关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，生态体系初步形成，涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区。

目前，我国增材制造产业初步形成了以环渤海地区、长三角地区、珠三角地区为核心，中西部地区为纽带的产业空间发展格局。在环渤海地区，增材制造产业发展处于国内领先地位，形成了以北京为核心，多地协同发展，各具特色的产业发展格局。在长江三角洲地区，具备良好经济发展优势、区位条件和较强的工业基础，已初步形成了包括增材制造设备研究开发、生产、应用服务及相关配套设备的增材制造产业链。在珠三角地区，增材制造产业发展侧重于应用服务，主要分布在广州、深圳、珠海和东莞等地。此外，陕西、湖北、湖南等省份是我国增材制造技术中心和产业化重镇，集聚了一批龙头企业。

现有技术中，钢锭的3D、4D制造过程中，普遍使用金属粉或金属丝，不仅材料种类有限，成本高企，根本无法应用于常规民品件。因此市场更需要钢锭尺寸大、销售价格相对较低，而内部质量要求又极高的钢锭。

因此，当将钢水作为增材制备材料时，没有相应的钢锭生产方法与之匹配。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，用于大型锻件的钢锭的生产方法，包括如下步骤：

S1：获取增材制造材料钢水；

其化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50-7.50％，Cr 5.40-7.40％，Mo 4.00-6.00％，N 0.50-0.55％，Cu 3.50-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

S2：打印基底；

S3：逐层打印；

S4：切割基底，获得钢锭。

进一步的，所述步骤S2包括：

S201：钢水液流流到打印底板上形成外环；钢水液流直径为10mm；

S202：当所述外环达到0.3固相分数，完全形成枝晶骨架后，增加钢水液流流量，使钢水液流在所述外环的内部进行填充，逐步缩小直径直至所述外环的中心；

S203：获得呈10mm厚的基底。

进一步的，所述步骤S202填充时间小于20s。

进一步的，所述步骤S2与所述步骤S3之间还包括，

步骤S21：开启惰性气体保护，使钢水液流周围半径200mm范围空间内充满氩气。

进一步的，所述步骤S3逐层打印的方式为：

S301：钢水液流流到基底上形成外圆周；

S302：缩小一个单位打印直径，在外圆周内打印内圆周；

S303：进一步缩小一个单位打印直径，继续打印圆周，直至完成单层打印，形成第一层钢饼；

S304：在钢饼上继续打印形成第二层钢饼；

S305：直至打印至所需高度。

进一步的，单位打印直径为10mm。

进一步的，所述步骤S3中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，6rad/min，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。

进一步的，所述步骤S3中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，λ为修正系数。

进一步的，所述修正系数λ为：

其中，λ为修正系数，r为钢锭直径。

钢锭，由上述的用于大型锻件的钢锭的生产方法所制备。

本发明所公开的制备方法尤其擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。通过采用钢水熔体作为增材制造材料，完成钢锭的制备。且本发明独创的全程无模制备，先打印基底，再进行逐层打印，减轻增材过程中钢材温度周期性地反复剧烈变化，造成内部微裂纹等缺陷。获得的钢锭质量更忧。

附图说明

图1是本发明生产方法中流程示意图；

图2是本发明生产方法中打印基底流程示意图；

图3是本发明生产方法中逐层打印流程示意图；

图4是本发明生产方法中基底打印示意图；

图5是本发明生产方法中钢锭打印结构示意图；

图6是现有技术中钢锭内的偏析分布照片；

图7现有技术中钢锭内缩孔、疏松及杂物缺陷示意照片。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

在一些说明性的实施例中，大部分工艺采用的材料普遍是粉末和丝材，其中粉末材料最为常见，粉末材料对颗粒的形状和粒度分布都有较高的要求，成形件对金属粉末中的含氧量和含碳量有着密切的联系，用雾化的方法对金属粉末进行制备，能够使粉末材料的粒度分布较为均匀，但是成本很高。增材制造要通过原材料之间的互相结合才能完成，因此在进行这项工作时，往往会出现一些物理变化和化学变化，金属材料在成形过程中，一般需要进行快速融化和快速凝固这一过程，由于操作过程中温度时而过高时而过低，导致零件表面会出现小孔或者裂纹。常规增材制造在成形件的尺寸和精确度这两个方向有很大的难度，当前，铺粉设备一般较为单一，由于光束对粉末材料的控制只能局限在一定范围内，要有效提高光学部件的精度。另外，铺粉增材制造技术不同于传统中其他的涂层技术，其中任何一个环节的平整度都会影响成型件的整体质量，因此，需要通过完善设备对其进行优化。

钢锭质量的优劣对锻造生产有着十分重要的作用。钢锭是装备中关键结构件的基础坯料，传统钢锭是由钢水经盛钢包注入铸模凝固形成。

大型钢锭存在各种偏析、缩孔疏松以及沉积锥夹杂物等缺陷，见图6、图7，严重影响了钢锭的内在质量，大大降低了钢锭的合格率以及材料的利用率。

如图6宏观偏析是铸造钢锭的主要缺陷之一，凝固过程中的溶质再分配是产生宏观偏析的根本原因。宏观偏析严重影响钢锭的组织和性能，且难以通过锻造、热处理等后续工艺消除。特别是大型钢锭，宏观偏析导致整体利用率低，造成极大浪费。宏观偏析可使由钢锭不同部位轧制出来的钢材在机械性能和物理性能上产生很大的差异，甚至出现各向异性性，降低金属收得率，影响钢材制品的有效利用和使用寿命。如钢锭中硫的偏析能破坏金属的连续性，轧制或锻造时引起钢坯的热脆，轧制钢板时甚至引起夹层废品，严重影响钢板的冷弯性能。硫的偏析往往还是承受交变载荷的零部件引起疲劳断裂的主要根源之一。磷的偏析能使钢材制品产生冷脆性，并促进钢的回火脆性。宏观偏析将一直残留到最后产品中，危害产品的使用性能，甚至造成隐患。为了减少偏析、缩孔疏松及沉积锥夹杂物等缺陷对锻件质量的影响，常规做法是将钢锭切头去尾，仅留下的中间较均匀的一段使用。质量要求高的锻件，切除量更大，钢锭的材料利用率甚至低于45％。

如图1-5所示，用于大型锻件的钢锭的生产方法，运用3D打印方法，将增材制造材料由钢丝钢粉变换成常用的钢水，包括如下步骤：

S1：获取增材制造材料钢水；

钢水的化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50-7.50％，Cr 5.40-7.40％，Mo 4.00-6.00％，N 0.50-0.55％，Cu 3.50-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

优选的钢水的化学成份重量百分比：C≤0.10％，Si≤0.60％，Mn 6.00-6.50％，Cr6.00-6.50％，Mo 4.50-5.50％，N 0.50-0.55％，Cu 4.00-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；本优选值是经过多次打印实验后，打印后形成的钢锭合格率更高。

再进一步的，可优选的钢水的化学成份重量百分比：C 0.10％，Si 0.60％，Mn6.50％，Cr 6.50％，Mo 5.50％，N 0.55％，Cu 4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

或者可选优为：钢水的化学成份重量百分比：C 0.9％，Si 0.5％，Mn 6.00％，Cr6.00％，Mo 4.50％，N 0.50％，Cu 4.00％，余量Fe及不可避免杂质；

S2：打印基底20；

S201：钢水液流流到打印底板10上形成外环1；钢水液流直径d1为10mm；

S202：当所述外环1达到0.3固相分数，完全形成枝晶骨架，表观粘度迅速增加，将不在流动。增加钢水液流流量，使钢水液流在所述外环1的内部进行填充，逐步缩小直径直至所述外环的中心；所述步骤S202填充时间小于20s，一般而言外环会在20s以上就凝固，若填充时间大于20s会导致基底不平整，影响后续打印工序。

S203：获得呈10mm厚的基底。此时的基底具有温度，当后续打印时，减轻增材过程中钢材温度突变剧烈变化，造成内部微裂纹等缺陷。

步骤S21：开启惰性气体保护，使钢水液流周围半径200mm范围空间内充满氩气，避免高温氧化。

S3：逐层打印，方式为：

S301：钢水液流流到基底上形成外圆周；

S302：缩小一个单位打印直径，在外圆周内打印内圆周，内圆周紧贴外圆周；单位打印直径为10mm。

步骤S301与步骤S302中，外圆周在达到0.3固相分数时，才可以进行内圆周的打印。

S303：进一步缩小一个单位打印直径，继续打印圆周，直至完成单层打印，形成第一层钢饼30；

S304：在钢饼上继续打印形成第二层钢饼40；

S305：直至打印至所需高度。

所述步骤S3中：

其中Q为当前钢水液流流量，Q`为设定钢水液流流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，一个单位时间为10s；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，6rad/min，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。R′-R＝1cm，钢包用于承装作为增材制造材料的钢水，料管与钢包连接，用于排出钢包内的钢水。设定转速和实际转速指的是用于打印的底板的转速。

S4：经过多次实验，基底的内部通常具有较多的裂隙，通过分析认为裂缝产生的原因可能是温度巨变产生，或是其他多种综合原因导致，因此将基底切割，剩余部分为打印所获得的钢锭。

在一种可选的实施例中，所述步骤S3中：

其中Q为当前钢水液流流量，Q`为设定钢水液流流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，R′-R＝1cm，λ为修正系数。

所述修正系数λ为：

其中，λ为修正系数。r为钢锭直径，也就是所要打印钢锭的直径。

设定转速和实际转速指的是用于印的底板的转速。

本发明还提供了一种钢锭，由上述的用于大型锻件的钢锭的生产方法所制备而成。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (5)

1.用于大型锻件的钢锭的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取增材制造材料钢水；

其化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50-7.50％，Cr 5.40-7.40％，Mo 4.00-6.00％，N 0.50-0.55％，Cu 3.50-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

S2：打印基底；

S3：逐层打印；所述步骤S3逐层打印的方式为：

S301：钢水液流流到基底上形成外圆周；

S302：缩小一个单位打印直径，在外圆周内打印内圆周；

S303：进一步缩小一个单位打印直径，继续打印圆周，直至完成单层打印，形成第一层钢饼；

S304：在钢饼上继续打印形成第二层钢饼；

S305：直至打印至所需高度；

S4：切割基底，获得钢锭；

所述步骤S2包括：

S201：钢水液流流到打印底板上形成外环；钢水液流直径为10mm；

S202：当所述外环达到0.3固相分数，完全形成枝晶骨架后，增加钢水液流流量，使钢水液流在所述外环的内部进行填充，逐步缩小直径直至所述外环的中心；

S203：获得呈10mm厚的基底；

所述步骤S3中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，6rad/min，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，R′-R＝1cm，钢包用于承装作为增材制造材料的钢水，料管与钢包连接，用于排出钢包内的钢水,设定转速和实际转速指的是用于打印的底板的转速；

或所述步骤S3中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，λ为修正系数；

所述修正系数λ为：

其中，λ为修正系数，r为钢锭直径；所述的设定转速和实际转速指的是用于打印的底板的转速。

2.如权利要求1所述的用于大型锻件的钢锭的生产方法，其特征在于，所述步骤S202填充时间小于20s。

3.如权利要求1所述的用于大型锻件的钢锭的生产方法，其特征在于，所述步骤S2与所述步骤S3之间还包括，

步骤S21：开启惰性气体保护，使钢水液流周围半径200mm范围空间内充满氩气。

4.如权利要求1所述的用于大型锻件的钢锭的生产方法，其特征在于，单位打印直径为10mm。

5.钢锭，其特征在于，由权利要求1-4任一项所述的用于大型锻件的钢锭的生产方法所制备。

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