CN115595506B - 高质量低合金高强度板类钢锻件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高质量低合金高强度板类钢锻件的制作方法，属于板类锻件加工技术领域。本发明所采用的板类锻件用料主要包括以下成分：C0.10~0.16wt%，Si 0.20~0.50wt%，Mn 1.20~1.60wt%，Cr≤0.30wt%，Mo≤0.08wt%，Ni≤0.50wt%，P≤0.015wt%，S≤0.008wt%，Cu≤0.05wt%，Ti≤0.008wt%，V0.01~0.05wt%，Nb0.020~0.040wt%，Al 0.020~0.040wt%，N≤0.0080wt%，[O]≤20ppm wt%，[H]≤2ppm wt%。本发明采用该种材料坯料，经特定锻造方法成形后，又进行了特定的热处理，制备的产品质量有较好的保证，使用寿命长，能够保证至少20年的使用；且纵向、横向和轴向力学性能优异：各向屈服强度370MPa以上，各向抗拉强度520MPa以上，各向‑50℃低温冲击吸收功90J以上。

Description

高质量低合金高强度板类钢锻件及其制备方法
技术领域
本发明属于锻件加工技术领域，具体涉及一种高质量低合金高强度板类钢锻件材料，还涉及上述的锻件材料的加工方法。
背景技术
在海洋工程、风力发电等工程建设中，受环境因素影响，其部分构件在服役过程中需要承受多向应力作用。现有的低合金高强度板类钢锻件无法满足海洋工程中的应力要求，其性能有待提高；因此，基于实际需求，急需研发一款能够在纵向、横向和轴向上均具备力学性水平较高的多向应力的板类钢锻件；相比于单向应力状态的钢构件，以屈服为主要失效形式不同，多向应力状态下的构件以断裂为主要失效形式。
这种锻件需要采用特殊的制作方法，以保证其多向力学性能的要求。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种高质量低合金高强度板类钢锻件及其制备方法，确保制备的板锻件纵向、横向和轴向力学性能优异，具有较好的多向力学性能水平，纵向能够达到Re(MPa)373、Rm(MPa)534、A(％)28.0、-50℃Kv(J)115.7/124.7/116.9；横向能够达到Re(MPa)372，Rm(MPa)537，A(％)34.5，-50℃Kv(J)99.3/79.0/90.6，安全性高且使用寿命长，能够保证至少20年的使用，满足预期。
本发明提供的一种高质量低合金高强度板类钢锻件，按重量百分比计，所述锻件原材料包括以下组分：
C0.10～0.16wt％，Si 0.20～0.50wt％，Mn 1.20～1.60wt％，Cr≤0.30wt％，Mo≤0.08wt％，Ni≤0.50wt％，P≤0.015wt％，S≤0.008wt％，Cu≤0.05wt％，Ti≤0.008wt％，V0.01～0.05wt％，Nb0.020～0.040wt％，Al 0.020～0.040wt％，N≤0.0080wt％，[O]≤20ppm wt％，[H]≤2ppm wt％，余量为Fe和其它残余元素。
其中，控制碳(C)含量在0.10～0.16％范围，锰(Mn)含量1.20～1.60％范围，是为了保证板锻件热处理之后有足够的强度保证；控制铌(Nb)含量在0.020～0.040％范围，钒(V)含量在0.01～0.05％范围，以及控制作为脱氧元素的铝(Al)含量在0.015～0.040％范围，这些都具有细化晶粒的重要作用，对于保证板锻件的综合力学性能，特别是低温冲击性能具有重要作用；铜(Cu)属于不利于热加工变形的元素，其残余含量需要严格控制；钛(Ti)在钢中一般以碳(氮)化物的形式存在，形态为带尖角的块状物，易成为疲劳裂纹的源头，需要控制在0.008％以下；气体([O]和[H])过高会导致锻件内白点和显微裂纹产生的几率增加，需要在精炼过程中进行脱气(VD)处理。
本发明还提供了一种高质量低合金高强度板类钢锻件的制备方法，包括以下的步骤：锻造成形和热处理。
上述锻造成形的具体步骤为：对含有上述组分的原材料进行下料，原材料是钢锭或圆坯经开坯制得的方形坯料，标记其三个相邻的面分别为A面、B面和C面，方形坯料经加热后，进行6次镦粗，按顺序依次采用C面镦粗、A面镦粗、B面镦粗、C面镦粗、A面镦粗和B面镦粗，整形至锻件尺寸的步骤，完成锻造成形。进行镦粗时，控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比大于或等于2：1，且第2、4和6次镦粗的总镦粗比大于或等于6：1。
上述热处理的具体步骤为：对锻造成形的板锻件依次实施(a)正火处理；(b)淬火处理；(c)回火处理；(d)取样，力学性能检测。
其中，所述(a)正火处理的具体步骤如下：
(a1)将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各锻件之间的间距≥50mm，以≤150℃/h的速度升温至900℃～940℃，并按照板厚T，依据30mm/h～55mm/h实施保温，保温时间4～6h；
(a2)保温结束后，出炉，实施空冷。
其中，所述(b)淬火处理的具体步骤如下：
(b1)将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各锻件之间的间距≥50mm，以≤150℃/h的速度升温至900℃～930℃，并按照板厚T，依据40mm/h～60mm/h实施保温，保温时间4～6h；
(b2)保温结束后，出炉，实施淬火；
(b3)板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20～40℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态。
其中，所述(c)回火处理的具体步骤如下：
(c1)将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至600℃～650℃，并按照板厚T，依据25mm/h～40mm/h实施保温，保温时间4～6h；
(c2)保温结束后，出炉空冷。
进一步的，对于回火处理后的煅件，待其空冷至40℃以下后，取样进行力学性能检测；力学性能检测的具体步骤如下：
(d1)在板锻件加长端，距离端面不小于T/4的位置进行锯切试块；
(d2)从截取的试样上，依次取纵向拉伸、纵向冲击、横向拉伸、横向冲击和轴向冲击的试样；
(d3)依据GB/T 228.1进行拉伸试样的加工，并检测其室温纵向和横向拉伸性能；
(d4)依据GB/T 229进行冲击试样的加工，缺口为V型，并检测其纵向、横向和轴向-50℃冲击性能。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明首先从制造板锻件的原材料上进行了改进和调整，如，控制碳、锰的含量，以便于保证板锻件热处理之后有足够的强度保证；同时控制钒、铌、铝含量在合理的范围之内，以保证板锻件的综合力学性能水平，特别是低温冲击性能，其-50℃下纵向、横向、轴向Kv(J)分别能够达到115.7/124.7/116.9、82.1/102.5/133.6、99.3/79.0/90.6；采用本发明的热处理方法，还能够保证板锻件获得足够的强度和韧性；
(2)采用本发明特定的工艺，将原料经多向锻造方法进行锻造，可以有效保证板锻件内部组织的致密性，更有利于板锻件热处理后多向力学性能的实现；各向屈服强度370MPa以上，各向抗拉强度520MPa以上，各向-50℃低温冲击吸收功90J以上，与现有技术相比，各向综合力学性能水平更优良；且还能够保证至少20年的使用，达到较长使用寿命的目的，满足预期。
附图说明
图1为方形坯料尺寸图；
图2为板锻件尺寸图。
具体实施方式
为了能使本领域技术人员更好的理解本发明，现结合具体实施方式对本发明进行更进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种尺寸为1200mm×400mm×105mm的板锻件及其制作方法；具体的制备方法如下：
(1)根据产品尺寸、形状及重量，进行工艺设计；
(2)根据设计方案，选择直径为φ800mm的连铸圆坯原材料，进行复验，其化学成分为(wt％)：C0.16，Si0.23，Mn1.25，Cr0.15，Mo0.039，Ni0.10，P0.008，S0.004，Ti0.003，Cu0.050，V0.05，Nb0.036，Al0.022，N0.0045，[O]＝15ppm，[H]＝0.8ppm，其余为Fe和其它残余元素；
(3)锻造成形
采用上述φ800mm原材料进行下料，制得外径φ2100mm、内径φ1300mm、高度为280mm的环件，将环件均分切割为7件截面均为480×280的方形坯料，标记其三个相邻的面分别为A面、B面和C面，方形坯料经加热后，依次采用C面镦粗、A面镦粗、B面镦粗、C面镦粗、A面镦粗和B面镦粗，整形至锻件尺寸的步骤，完成锻造成形，控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比大于或等于2：1，且第2、4和6次镦粗的总镦粗比大于或等于6：1，完成锻造成形，具体的，本实施例控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比为2.03：1，总镦粗比为6.09：1；
所述的镦粗比值是以镦粗前高度除以镦粗后高度(下同)；
(4)热处理
a首先进行正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至900℃，并按照板厚T，依据30mm/h实施保温4.0h；
a2保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理；
对正火后的板锻件实施整体淬火处理，具体步骤包括：
b1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至900℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温4.0h；
b2保温结束后，出炉，实施淬火；
b3板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理；
对淬火完成的板锻件实施整体回火处理，具体步骤包括：
c1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至600℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温6.0h；
c2保温结束后，出炉空冷；
d取样，力学性能检测；
对于回火处理后的锻件，待其空冷至20℃后，实施取样检测，具体步骤如下：
d1从板锻件加长端，距离端面不小于T/4的位置锯切试块；
d2从截取的试样上，依次取纵向拉伸、纵向冲击、横向冲击、横向拉伸和轴向冲击试样；
d3依据GB/T 228.1进行拉伸试样的加工，并检测其室温纵向拉伸和横向拉伸性能；
d4依据GB/T 229进行冲击试样的加工，缺口为V型，并检测其纵向、横向和轴向-50℃冲击性能，结果如表1所示。
实施例2
(1)同实施例1；
(2)根据设计方案，选择直径为φ800mm的连铸圆坯原材料，进行复验，其化学成分为(wt％)：C0.11，Si0.3，Mn1.3，Cr0.15，Mo0.039，Ni0.10，P0.01，S0.004，Ti0.005，Cu0.050，V0.05，Nb0.036，Al0.022，N0.0045，[O]＝13ppm，[H]＝1ppm，其余为Fe和其它残余元素；
(3)本实施例控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比为2：1，总镦粗比为6：1，其余同实施例1；
(4)热处理
a首先进行正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至930℃，并按照板厚T，依据50mm/h实施保温4.0h；
a2保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理；
对正火后的板锻件实施整体淬火处理，具体步骤包括：
b1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至920℃，并按照板厚T，依据55mm/h实施保温4.0h；
b2保温结束后，出炉，实施淬火；
b3板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理；
对淬火完成的板锻件实施整体回火处理，具体步骤包括：
c1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至650℃，并按照板厚T，依据25mm/h实施保温6.0h；
c2保温结束后，出炉空冷；
d取样，力学性能检测；
对于回火处理后的煅件，待其空冷至17℃后，实施取样检测，具体步骤同实施例1。
实施例3
(1)同实施例1；
(2)根据设计方案，选择直径为φ800mm的连铸圆坯原材料，进行复验，其化学成分为(wt％)：C0.16，Si0.3，Mn1.26，Cr0.15，Mo0.039，Ni0.10，P0.01，S0.004，Ti0.005，Cu0.050，V0.05，Nb0.036，Al0.022，N0.0055，[O]＝17ppm，[H]＝1ppm，其余为Fe和其它残余元素；
(3)本实施例控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比为2.1：1，总镦粗比为6.05：1，其余同实施例1；
(4)热处理
a首先进行正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至910℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温4.0h；
a2保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理；
对正火后的板锻件实施整体淬火处理，具体步骤包括：
b1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至900℃，并按照板厚T，依据45mm/h实施保温4.0h；
b2保温结束后，出炉，实施淬火；
b3板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理；
对淬火完成的板锻件实施整体回火处理，具体步骤包括：
c1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至620℃，并按照板厚T，依据60mm/h实施保温6.0h；
c2保温结束后，出炉空冷。
d取样，力学性能检测；
对于回火处理后的煅件，待其空冷至17℃后，实施取样检测，具体步骤同实施例1。
实施例4
(1)同实施例1；
(2)根据设计方案，选择直径为φ800mm的连铸圆坯原材料，进行复验，其化学成分为(wt％)：C0.16，Si0.4，Mn1.26，Cr0.15，Mo0.039，Ni0.10，P0.005，S0.004，Ti0.005，Cu0.050，V0.05，Nb0.036，Al0.022，N0.005，[O]＝14ppm，[H]＝0.9ppm，其余为Fe和其它残余元素；
(3)本实施例控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比为2.2：1，总镦粗比为6.07：1，其余同实施例1；
(4)热处理
a首先进行正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至910℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温4.0h；
a2保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理；
对正火后的板锻件实施整体淬火处理，具体步骤包括：
b1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至900℃，并按照板厚T，依据45mm/h实施保温4.0h；
b2保温结束后，出炉，实施淬火；
b3板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理；
对淬火完成的板锻件实施整体回火处理，具体步骤包括：
c1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至620℃，并按照板厚T，依据60mm/h实施保温6.0h；
c2保温结束后，出炉空冷；
d取样，力学性能检测；
对于回火处理后的煅件，待其空冷至20℃后，实施取样检测，具体步骤同实施例1。
对比例1
该对比例提供了一种尺寸为1200mm×400mm×105mm的板锻件，具体的制备方法如下：
(1)根据产品尺寸、形状及重量，进行工艺设计；
(2)根据设计方案，选择直径为φ800mm的连铸圆坯原材料，进行复验，其化学成分为(wt％)：C0.14，Si0.23，Mn1.25，Cr0.15，Mo0.039，Ni0.10，P0.008，S0.004，Ti0.003，Cu0.050，V0.05，Nb0.036，Al0.022，N0.0045，[O]＝15ppm，[H]＝0.8ppm，其余为Fe和其它残余元素；
(3)锻造成形
采用上述φ800mm原材料进行下料，制得外径φ2100mm、内径φ1300mm、高度为280mm的环件，将环件均分切割为7件截面均为480×280的方形坯料，沿A面和C面对坯料实施整形，得到□350×650的方料，随后沿B面对坯料实施一次镦粗和一次拔长，镦粗比为2.04，然后沿A面和C面对坯料实施整形，得到板锻件；
(4)热处理
a首先进行正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至910℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温4.0h；
a2保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理；
对正火后的板锻件实施整体淬火处理，具体步骤包括：
b1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至900℃，并按照板厚T，依据45mm/h实施保温4.0h；
b2保温结束后，出炉，实施淬火；
b3板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理；
对淬火完成的板锻件实施整体回火处理，具体步骤包括：
c1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至620℃，并按照板厚T，依据60mm/h实施保温6.0h；
c2保温结束后，出炉空冷；
d取样，力学性能检测；
对于回火处理后的煅件，待其空冷至20℃后，实施取样检测，具体步骤同实施例1。
该对比例与本发明实施例技术区别在于：只沿B面对坯料实施一次镦粗。
对比例2
该实施例提供了一种尺寸为1200mm×400mm×105mm的辗环机板锻件，具体的制备方法如下：
(1)根据产品尺寸、形状及重量，进行工艺设计；
(2)根据设计方案，选择直径为φ800mm的连铸圆坯原材料，进行复验，其化学成分为(wt％)：C0.14，Si0.23，Mn1.25，Cr0.15，Mo0.039，Ni0.10，P0.008，S0.004，Ti0.003，Cu0.050，V0.05，Nb0.036，Al0.022，N0.0045，[O]＝15ppm，[H]＝0.8ppm，其余为Fe和其它残余元素；
(3)锻造成形
采用上述φ800mm原材料进行下料，制得外径φ2100mm、内径φ1300mm、高度为280mm的环件，将环件均分切割为7件截面均为480×280的方形坯料，沿A面和C面对坯料实施整形，得到□350×650的方料，随后沿B面对坯料实施两次镦粗和拔长，镦粗比为2.10，然后沿A面和C面对坯料实施整形，得到板锻件；
(4)热处理
a首先进行正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至910℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温4.0h；
a2保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理；
对正火后的板锻件实施整体淬火处理，具体步骤包括：
b1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至900℃，并按照板厚T，依据45mm/h实施保温4.0h；
b2保温结束后，出炉，实施淬火；
b3板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理；
对淬火完成的板锻件实施整体回火处理，具体步骤包括：
c1将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至620℃，并按照板厚T，依据60mm/h实施保温6.0h；
c2保温结束后，出炉空冷；
d取样，力学性能检测；
对于回火处理后的煅件，待其空冷至20℃后，实施取样检测，具体步骤同实施例1。
与本发明实施例技术区别在于：沿B面对坯料实施两次镦粗。
本发明人对上述各试验组锻件进行了力学性能检测，结果见下表：
表1板锻件本体取样检测的力学性能
由上表可知，采用本发明实施例中的方法制作的板锻件，其纵向、横向和轴向力学性能水平较高，能够达到各向屈服强度370MPa以上，各向抗拉强度520MPa以上，各向-50℃低温冲击吸收功90J以上，与现有技术相比，各向综合力学性能水平更优良；更好的保证了海洋工程、风力发电等工程建设中，部分构件的使用安全性；且使用寿命长，能够保证至少20年的使用，满足预期。

Claims (2)

1.一种高质量低合金高强度板类钢锻件，其特征在于，按重量百分比计，所述锻件的原材料包括以下组分：
C 0.16，Si 0.3，Mn1.26，Cr 0.15，Mo 0.039，Ni 0.10，P 0.01，S 0.004， Ti 0.005，Cu0.050，V 0.05，Nb0.036，Al 0.022，N 0.0055，[O]=17ppm，[H]=1ppm，其余为Fe和其它残余元素；
所述高质量低合金高强度板类钢锻件的制备方法包括以下步骤：
（1）锻造成形：
对含有上述组分的原材料进行下料，原材料是圆坯经开坯制得的方形坯料，标记其三个相邻的面分别为A面、B面和C面，方形坯料经加热后，进行6次镦粗，按顺序依次采用C面镦粗、A面镦粗、B面镦粗、C面镦粗、A面镦粗和B面镦粗，控制第2、4和6次镦粗的单次镦粗比为2.1：1，总镦粗比为6.05：1，整形至锻件尺寸的步骤，完成锻造成形；
（2）热处理：
a正火处理：
a1将板锻件装入炉温≤650℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h升温至910℃，并按照板厚T，依据40mm/h实施保温4.0h；
a2 保温结束后，出炉，实施空冷；
b淬火处理：
b1 将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤150℃/h快速升温至900℃，并按照板厚T，依据45mm/h实施保温4.0h；
b2 保温结束后，出炉，实施淬火；
b3 板锻件淬火冷却，介质选用水，介质温度为20℃，在冷却时保持介质处于稳定的强制对流状态；
c回火处理：
c1 将板锻件装入炉温≤350℃的热处理炉内，保持各件之间间距≥50mm，以≤90℃/h的速度升温至620℃，并按照板厚T，依据60mm/h实施保温6.0h；
c2 保温结束后，出炉空冷；
d取样，力学性能检测：
对于回火处理后的煅件，待其空冷至17℃后，实施取样检测。
2.如权利要求1所述的高质量低合金高强度板类钢锻件，其特征在于，力学性能检测的具体步骤如下：
（d1）在板锻件加长端，距离端面不小于T/4的位置进行锯切试块；
（d2）从截取的试样上，依次取纵向拉伸、纵向冲击、横向拉伸、横向冲击和轴向冲击的试样；
（d3）依据GB/T 228.1进行拉伸试样的加工，并检测其室温纵向和横向拉伸性能；
（d4） 依据GB/T 229进行冲击试样的加工，缺口为V型，并检测其纵向、横向和轴向-50℃冲击性能。
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