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本發(fā)明涉及金屬冶煉技術(shù)領(lǐng)域,具體的是低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù):
隨著工業(yè)的快速發(fā)展,工程機(jī)械正向著前沿的方向發(fā)展,這就對(duì)材料的性能提出更高的要求。低合金鑄鋼具有合金含量低(合金元素總量≤5%)、來源廣泛,綜合力學(xué)性能好、制造工序簡(jiǎn)單,成本低等特點(diǎn),是一種應(yīng)用前景很好的工程材料。超高強(qiáng)度低合金鑄鋼不僅具有高強(qiáng)度和高硬度,而且具有很好的韌性與耐沖擊性能。cn20141024122.4公開了一種利用電弧爐制備低合金高強(qiáng)鑄鋼,電弧爐具有很強(qiáng)的熔化、氧化和還原能力,冶金能力很強(qiáng),成分調(diào)整方便,但是電弧爐熔煉對(duì)元素的燒損嚴(yán)重,能耗大,工作環(huán)境相對(duì)較差;且無法滿足航空航天、軌道交通、國(guó)防等重要工業(yè)領(lǐng)域的使用要求。
中頻感應(yīng)爐加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫炭少、節(jié)省材料與成本、延長(zhǎng)模具壽命,而且中頻感應(yīng)爐加熱均勻,芯表溫差極小,溫控精度高,工作環(huán)境*,實(shí)現(xiàn)低污染、低耗能,從而提高工人勞動(dòng)環(huán)境和公司形象,符合國(guó)家提出的綠色生產(chǎn),是企業(yè)目前發(fā)展的趨勢(shì)。具體制備過程包括:中頻感應(yīng)爐熔煉+高溫靜置精煉,然后通過調(diào)質(zhì)熱處理,獲得高溫回火索氏體,最終制備出低合金超高強(qiáng)度鑄鋼,可以廣泛地應(yīng)用在航空航天、軌道交通、國(guó)防等重要工業(yè)領(lǐng)域。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種綜合力學(xué)性能*、鑄造成型容易、生產(chǎn)工序少的低合金超高強(qiáng)度鋼及其鑄件的生產(chǎn)方法,該低合金超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度不低于1300mpa。
本發(fā)明的技術(shù)方案是,一種低合金超高強(qiáng)度鋼,其成分重量百分比包括:
c:0.20%~0.30%;
si:0.50%~0.70%;
mn:0.60%~0.80%;
cr:0.60%~1.10%;
ni:0.40%~0.65%;
mo:0.50%~0.75%;
nb:0.05%~0.15%;
v:0.03%~0.05%;
ti:0.001%~0.003%;
al:0.01%~0.03%;
cu:0.02%~0.05%;
p≤0.010%;
s≤0.010%;
余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
確定上述主要化學(xué)成分的理由如下:
碳:c含量太高,則會(huì)形成較脆的組織,降低鋼的低溫沖擊韌性,在回火過程中,c含量較高的鋼會(huì)形成較粗大的碳化物,從而惡化其沖擊性能;另一方面,c含量太低,容易形成鐵素體等強(qiáng)度較低的組織;因此為保證鋼材的低溫沖擊韌性和焊接性,碳含量的優(yōu)選為0.20%~0.30%。
硅:硅可以顯著提高鋼的彈性極限,屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度,作為鉻當(dāng)量的形成元素,和鉬、鉻等結(jié)合,可以提高鋼的抗腐蝕性和抗氧化性,因此將硅含量控制在0.50%~0.70%。
錳:mn是弱碳化物形成元素,通常固溶在鋼中,起到固溶強(qiáng)化的效果。增加錳含量可以提高鋼的硬度,但錳含量過高,會(huì)影響鋼的韌性,因此將錳含量?jī)?yōu)選為0.60%~0.80%。
鉻:鉻為鐵素體形成元素,能顯著提高強(qiáng)度,但同時(shí)降低塑性和韌性;因此鉻元素的含量?jī)?yōu)選為0.60%~1.10%。
鎳:鎳為強(qiáng)的奧氏體形成元素,增加鎳含量有助于提高奧氏體組織的穩(wěn)定性,能提高材料的強(qiáng)度,而又保持良好的塑性和韌性;因此優(yōu)選為0.40%~0.65%。
鉬:mo元素在奧氏體化時(shí)固溶在鋼中,冷卻過程中通過抑制擴(kuò)散界面運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)化最終組織;mo元素對(duì)擴(kuò)散界面拖曳作用耗散的自由能約是mn元素的3倍,通過固溶強(qiáng)化可以提高材料強(qiáng)度,將鉬含量?jī)?yōu)選控制在為0.50%~0.75%。
鈮:可以細(xì)化晶粒和降低材料的過熱敏感性及回火脆性,提高強(qiáng)度,還可改善焊接性能,但nb含量較高會(huì)在回火過程中形成較粗大的nbc析出,從而降低材料的低溫沖擊功;因此鈮元素的含量?jī)?yōu)選為0.05%~0.15%。
釩:v是鐵素體化元素,強(qiáng)烈縮小奧氏體區(qū)。高溫溶入奧氏體中的v元素能夠增加鋼的淬透性。鋼中v元素的碳化物v4c3比較穩(wěn)定,可以抑制晶界移動(dòng)和晶粒長(zhǎng)大;因此釩元素的含量?jī)?yōu)選為0.03%~0.05%。
鈦:ti與n在高溫時(shí)形成tin,板坯加熱奧氏體化時(shí),tin會(huì)抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。ti與c在較低溫度區(qū)間形成tic,細(xì)小的tic顆粒有利于提高材料的低溫沖擊性能。ti含量過高,則會(huì)形成粗大的方形tin析出,材料在受力時(shí)應(yīng)力會(huì)集中在tin顆粒附近,成為微裂紋的形核長(zhǎng)大源,降低鋼板的疲勞性能。因此鈦元素的含量?jī)?yōu)選為0.001%~0.003%。
鋁:al元素在高溫時(shí)形成細(xì)小的aln析出,可以抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大,達(dá)到奧氏體細(xì)化晶粒、提高鋼在低溫下的韌性。al含量過高會(huì)導(dǎo)致較大的al的氧化物形成,降低鋼板的低溫沖擊性能、熱加工性能、焊接性能和切削加工性能,因此鋁元素的含量?jī)?yōu)選為0.01%~0.03%。
銅:銅能提高強(qiáng)度和韌性,缺點(diǎn)是在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆,銅含量超過0.5%塑性顯著降低;因此將銅元素的含量?jī)?yōu)選為0.02%~0.05%。
硫、磷:合金冶煉過程中的雜質(zhì)元素。
上述低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件的生產(chǎn)方法,包括如下步驟:
a、打開中頻熔煉爐并調(diào)試,加入高純生鐵進(jìn)行熔化,待高純生鐵熔清后加入螢石進(jìn)行除渣2次至3次。
b、除渣完成后,向鐵水中加入配比好的增碳劑進(jìn)行增碳。
c、升高電源電壓對(duì)中頻熔煉爐進(jìn)行升溫,按照預(yù)定比例先加入鎳板、微碳鉻鐵、鉬鐵、中碳錳鐵、硅鐵,再加入純銅、鈮鐵、釩鐵并靜置,再加入螢石進(jìn)行除渣3-5次,除渣溫度控制在1650℃±10℃。
d、除渣完成后繼續(xù)升溫至1700℃并保溫靜置精煉,取樣進(jìn)行爐前光譜檢驗(yàn),根據(jù)光譜檢驗(yàn)結(jié)果,調(diào)整鋼液成分,以使鋼液滿足中的合金元素成分滿足c:0.20%~0.30%;si:0.50%~0.70%;mn:0.60%~0.80%;cr:0.60%~1.10%;ni:0.40%~0.65%;mo:0.50%~0.75%;nb:0.05%~0.15%;v:0.03%~0.05%;ti:0.001%~0.003%;al:0.01%~0.03%;cu:0.02%~0.05%;p≤0.010%;s≤0.010%的要求。
e、調(diào)整至滿足上述成分需求后,將鋼液的出爐溫度控制在1610-1650℃,將熔煉好的鋼液全部出爐到鋼包,測(cè)溫使溫度控制在1560~1580℃,然后進(jìn)行漏包澆注。
f、澆注成型的鑄件需進(jìn)行成品熱處理,熱處理為正火、淬火+高溫回火,從而得到高溫回火索氏體組織。
進(jìn)一步,所述步驟f中,熱處理工藝為:正火溫度在ac3溫度以上50℃,即880至910℃;淬火溫度控制在880至920℃,回火溫度控制在550至650℃,各個(gè)熱處理階段的保溫時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)際工件尺寸確定。
進(jìn)一步,所述步驟e中,采用樹脂砂砂型進(jìn)行漏包澆注,澆注以后鑄件和型砂易于分離,可減少鑄件清理的工作量,且過程中使用的砂子可以再生回收使用,節(jié)能環(huán)保。
本發(fā)明中所述的低合金鑄鋼采用低碳與各種合金元素配比,并且加入較高的微量鈮元素,細(xì)化晶粒,均勻化組織。經(jīng)熱處理后,大大提高其硬度和耐磨性,同時(shí)合理地綜合了其強(qiáng)度與韌性,使其具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。本發(fā)明所述的低碳合金鑄鋼的力學(xué)性能如下:抗拉強(qiáng)度1300~1500mpa、屈服強(qiáng)度900mpa~1200mpa、伸長(zhǎng)率≥10%、室溫v型缺口夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)的沖擊功ak≥40j、布氏硬度390-460hbw。
本發(fā)明的抗拉強(qiáng)度1500mp*的含鈮超高強(qiáng)低合金鑄鋼不僅具有高強(qiáng)度和高硬度,而且具有很好的韌性以及耐沖擊性能。利用中頻感應(yīng)爐熔煉+高溫靜置精煉,然后通過成品熱處理,獲得顯微組織為高溫回火索氏體的低合金超高強(qiáng)度鑄鋼。因?yàn)槠渚C合力學(xué)性能*,鑄造成型容易,生產(chǎn)工序少,成本低,可以取代超高強(qiáng)度鍛鋼產(chǎn)品,在航空航天、軌道交通、國(guó)防等重要工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行加熱,速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫炭少、節(jié)省材料與成本、延長(zhǎng)模具壽命,而且中頻感應(yīng)爐加熱均勻,芯表溫差極小,溫控精度高,工作環(huán)境*,實(shí)現(xiàn)低污染、低耗能,從而提高工人勞動(dòng)環(huán)境和公司形象,符合國(guó)家提出的綠色生產(chǎn),是企業(yè)目前發(fā)展的趨勢(shì)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本實(shí)施例的低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件制造包括如下步驟:
利用中頻感應(yīng)爐制備的低合金高強(qiáng)韌鑄鋼包括以下質(zhì)量百分比的原料:碳0.20%、錳0.70%、硅0.45%、鉻0.65%、鎳0.65%、鉬0.50%、鈮0.015%、釩0.05%、硫≤0.01%、磷≤0.01%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
以150kg堿性爐襯的中頻感應(yīng)爐熔煉,每一爐熔煉125kg。
熔煉過程:a、打開中頻熔煉爐并進(jìn)行調(diào)試,加入125kg的高純鐵進(jìn)行融化;待高純鐵溶清后,加入適當(dāng)螢石除渣3次。
b、除渣完畢之后,向鐵水中加入配比好的增碳劑進(jìn)行增碳,在此過程中堤防增碳劑的突然燃燒,以免對(duì)人和設(shè)備造成傷害。
c、升高電源電壓對(duì)中頻熔煉爐升溫,然后依次加入鎳板、微碳鉻鐵、鉬鐵、中碳錳鐵、硅鐵,加入間隔大約30s,兩分鐘后依次加入純銅、鈮鐵、釩鐵,靜置兩分鐘后加入適當(dāng)螢石進(jìn)行再除渣;除渣5次,除渣溫度1650℃。
d、除渣完畢之后,繼續(xù)升溫至1700℃保溫靜置5~10分鐘,進(jìn)行高溫精煉,精煉完成,澆鑄小試塊,進(jìn)行爐前直讀光譜檢驗(yàn),若成分合格,澆鑄成基爾試塊;若成分有偏差,通過計(jì)算,調(diào)整成分(循環(huán)上述加料、除渣和精煉過程),直至下一次光譜顯示成分合格,然后澆鑄。
e、澆鑄過程:先將熔煉完成的鋼水倒入50kg的小鋼包中,然后采用傾倒式澆注到樹脂砂砂型中,出爐溫度1630℃,澆鑄溫度1580℃(出爐到澆鑄過程降溫40~50℃),一爐的整個(gè)澆鑄過程2分鐘。
f、澆注成型的鑄件需進(jìn)行成品熱處理,包括正火溫度在ac3溫度以上30至50℃,實(shí)際控制在880至910℃,正火保溫時(shí)間為60至90分鐘,然后空冷;淬火溫度控制在890至920℃,淬火保溫時(shí)間為60至90分鐘,然后水冷;回火溫度控制在550至600℃,回火保溫時(shí)間為90至120分鐘,然后空冷。
對(duì)制備得到的低合金超高強(qiáng)度鑄鋼進(jìn)行了性能檢驗(yàn),其顯微組織為高溫回火索氏體,抗拉強(qiáng)度1450mpa,屈服強(qiáng)度1125mpa;伸長(zhǎng)率12%、室溫v型缺口夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)的沖擊功ak46j、布氏硬度429hbw。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件制造包括如下步驟:
利用中頻感應(yīng)爐制備的低合金高強(qiáng)韌鑄鋼包括以下質(zhì)量百分比的原料:碳0.26%、錳0.60%、硅0.60%、鉻0.65%、鎳0.45%、鉬0.70%、鈮0.10%、釩0.04%、硫≤0.01%、磷≤0.01%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
以150kg堿性爐襯的中頻感應(yīng)爐熔煉,每一爐熔煉125kg。
熔煉過程:a、打開中頻熔煉爐并進(jìn)行調(diào)試,加入125kg的高純鐵進(jìn)行融化;待高純鐵溶清后,加入適當(dāng)螢石除渣2次。
b、除渣完畢之后,向鐵水中加入配比好的增碳劑進(jìn)行增碳,在此過程中堤防增碳劑的突然燃燒,以免對(duì)人和設(shè)備造成傷害。
c、升高電源電壓對(duì)中頻熔煉爐升溫,然后依次加入鎳板、微碳鉻鐵、鉬鐵、中碳錳鐵、硅鐵,加入間隔大約30s,兩分鐘后依次加入純銅、鈮鐵、釩鐵,靜置兩分鐘后加入適當(dāng)螢石進(jìn)行再除渣;除渣45次,除渣溫度1640℃。
d、除渣完畢之后,繼續(xù)升溫至1700℃保溫靜置5~10分鐘,進(jìn)行高溫精煉,精煉完成,澆鑄小試塊,進(jìn)行爐前直讀光譜檢驗(yàn),若成分合格,澆鑄成基爾試塊;若成分有偏差,通過計(jì)算,調(diào)整成分(循環(huán)上述加料、除渣和精煉過程),直至下一次光譜顯示成分合格,然后澆鑄。
e、澆鑄過程:先將熔煉完成的鋼水倒入50kg的小鋼包中,然后采用傾倒式澆注到樹脂砂砂型中,出爐溫度1640℃,澆鑄溫度1590℃(出爐到澆鑄過程降溫40~50℃),一爐的整個(gè)澆鑄過程2分鐘。
f、澆注成型的鑄件需進(jìn)行成品熱處理,包括正火溫度在ac3溫度以上30至50℃,實(shí)際控制在880至910℃,正火保溫時(shí)間為60至90分鐘,然后空冷;淬火溫度控制在890至920℃,淬火保溫時(shí)間為60至90分鐘,然后水冷;回火溫度控制在550至600℃,回火保溫時(shí)間為90至120分鐘,然后空冷。
對(duì)制備得到的低合金超高強(qiáng)度鑄鋼進(jìn)行了性能檢驗(yàn),其顯微組織為高溫回火索氏體,抗拉強(qiáng)度1430mpa,屈服強(qiáng)度1165mpa;伸長(zhǎng)率12%、室溫v型缺口夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)的沖擊功ak42j、布氏硬度428hbw。
本發(fā)明提供一種利用中頻感應(yīng)爐制備低合金超高強(qiáng)度鑄鋼的方法,選用低硫磷爐料,利用中頻感應(yīng)爐冶煉鋼液、高溫靜置精煉,正火、淬火+高溫回火的成品熱處理,最終制備出低合金超高強(qiáng)度鑄鋼。本方法工序少,效率高,制備的低合金超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度高、塑性和韌性好,并且具有較高的硬度,綜合性能*??梢杂糜谝蟾邚?qiáng)韌耐磨工況條件下使用的工件,而且合金元素少,成本相對(duì)較低,是目前企業(yè)熔煉超高強(qiáng)度鋼鐵件的發(fā)展趨勢(shì)。
顯然,上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例,而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍中