专利名称：一种低碳微合金铸钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及低碳微合金铸钢及其制备方法，具体地说，涉及获得优良室温强度与摄氏零度冲击韧性以及优良焊接性的低碳-低硅锰-微钒铌铸钢及其制备方法。
背景技术：
低碳微合金钢是针对控轧控冷工艺方法而设计的，利用控轧控冷热变形过程导致形变强化及析出强化并使钢材成型的这种工艺方法问世至今已有数十年历史，并仍是目前钢铁生产的主要方式之一。然而，许多工业设备的主要构件需要用铸钢制造，即必须经过铸造成型即不是通过轧制成型，于是通过控轧控冷所实现的钢的强化途径是无法在铸钢中实现的。对于铸钢，通常要求保证较高强度的同时，还需要优良的韧性和焊接性，这就要求钢的含碳量低，合金元素含量少，低的含碳量及合金元素含量通常会导致铸钢的强度降低，而高的含碳量及合金元素含量通常会导致铸钢的韧性，特别是低温冲击韧性，以及焊接性下降，这是铸钢设计及其生产所需要克服的一个主要困难。与控轧控冷成型方式不同，过去对铸钢的成分设计不太注重微量元素的合金化作用，同时也忽略了选择合理温度及时间的热处理能有效发挥其强化作用，即认为没有高温热变形也就无法实现形变引导微合金元素与碳的相互作用所产生的碳化物相弥散析出的强化作用了。近年来，也有微合金铸钢的研发实例，但尚未见综合考虑铸钢室温强度-摄氏零度韧性-碳当量优良配合并降低成本的研发报道。然而，由于要求这类性能的铸钢在许多工业设备(比如大型船舰低速柴油机座的中间体等)上的使用量愈来愈大，由于其综合性能较高，故目前国内尚没有合适的替代铸钢材料，而引进国外同类铸钢的价格十分昂贵，据此，自主研发保证优良室温强度-摄氏零度韧性-碳当量配合并能有效降低成本的铸钢是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉的铸钢及其制备方法，所得铸钢化学成分简单，铸造及热处理操作简便，其室温强度、摄氏零度冲击韧性以及焊接性较高。
本发明提供的技术方案是一种低碳微合金铸钢，含有0.18～0.22wt％的碳、0.30～0.35wt％的硅、0.53～0.55wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁；或者含有0.08～0.12wt％的碳、0.42～0.45wt％的硅、0.85～0.92wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁。
本发明还提供了上述低碳微合金铸钢的制备方法，按照低碳微合金铸钢含有0.18～0.22wt％的碳、0.30～0.35wt％的硅、0.53～0.55wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0-0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁铸造成型；然后依次在1050～1100℃热处理2.5～3.5h，空冷、在935～945℃热处理1～1.5h，空冷、380～430℃热处理3.5～4h，空冷得到低碳微合金铸钢；或者按照铸钢含有0.08～0.12wt％的碳、0.42～0.45wt％的硅、0.85～0.92wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁铸造成型；然后依次在1050～1100℃热处理2.5～3.5h，空冷、在960～975℃热处理1～1.5h，空冷、580～610℃热处理5～6.5h，空冷得到低碳微合金铸钢。
本发明的技术过程及其特点①合金成分本发明铸钢根据船舰低速柴油机机座中间体的性能要求进行自主创新优化设计，成分优化设计的指导思想是，保证各项机械性能及焊接性指标达到或超过S17F钢的水准(见表4)；根据低速大马力柴油机设计趋于强化，超常冲程、超高燃烧压力和有效压力，热效率和输出功率不断提高的特点，该铸钢应具有较高的强度、良好的冲击韧性和塑性以及良好的焊接性。因此，其设计原则是在低碳条件下，通过钒和铌的微合金化和最佳热处理，有效产生铁素体的析出强化；在保证强度的前提下，由于含碳量较低，因而可以保证优良的冲击韧性及焊接性；适量的硅和锰含量有助于产生固溶强化，如果其含量过高则会降低冲击韧性，本发明铸钢中的硅、锰含量均较低，以保证高的冲击韧性及低的碳当量；此外，通过添加微量混合稀土元素，来有效改善铸钢的铸造性能并细化晶粒以获得良好的强度与韧性的配合。本发明铸钢分为两种，在表1给定成分范围内，对应较高含碳量的铸钢A具有较低的硅、锰含量，而对应较低含碳量的铸钢B具有稍高的硅、锰含量。
②热处理工艺为充分发挥低碳微合金铸钢的性能潜力，寻求最佳热处理工艺方案是关键，以调整组织，获得优良的综合机械性能。其基本方式包括高温均匀化处理、正火处理和时效处理。其中，高温均匀化处理对于大型微合金低碳铸钢，均匀化处理的目的是为了减少或消除铸造偏析，使强碳化物形成元素钒和铌与碳形成的碳化钒和碳化铌能充分溶于奥氏体中，并使合金元素分布和组织更均匀。本发明采用高温均匀化处理，铸钢A1050～1100℃×2.5～3.5h，空冷；铸钢B1050～1100℃×2.5～3.5h，空冷；正火处理由于上述均匀化处理温度较高，保温时间较长，晶粒组织较为粗大，为了通过重结晶细化晶粒组织，并使钒和铌微量元素在奥氏体中分布更均匀，正火选择了比上述高温均匀化处理温度低，但比常规正火处理温度高的奥氏体化温度进行中温奥氏体化(铸钢A935～945℃×1～1.5h；铸钢B960～975℃×1～1.5h)，以及随后空冷的正火处理。
时效处理除利用细晶强化外，低碳微合金铸钢的强化效果在相当程度上拟通过铁素体的析出强化来体现，由于铁素体中析出的碳化钒和碳化铌会十分细小，从而既可获得较高的屈服强度还可获得优良的冲击韧性。正火后的时效处理温度及时间直接影响低碳微合金铸钢的最终性能，通过逐步试温和试时试验，确定最佳时效温度和最佳时效时间，铸钢A380～430℃×3.5～4h，空冷；铸钢B580～610℃×5～6.5h，空冷。
经过对上述三种热处理工艺的参量进行优化试验，即选出能使铸钢获得高的室温强度、高的摄氏零度冲击韧性、低的碳当量(对应高的焊接性)和低的合金成本的最佳热处理工艺参量。
本发明具有以下优点和积极效果①本发明为工业应用提供了一种能在低碳低硅锰微钒铌铸钢中获得优良室温强度-摄氏零度冲击韧性-碳当量配合的钢的化学成分以及热处理工艺方法；②采用本发明的合金成分配方及其对应的热处理工艺方法，可以在低成本及低碳当量的低碳-低硅锰-微钒铌铸钢中获得优良室温强度与摄氏零度冲击韧性的配合。具体地说，所发明的铸钢在低成本、低碳当量并满足高强度的同时，更符合突出摄氏零度冲击韧性和高焊接性的工业需要。
具体实施例方式
本发明的方法，包括以下步骤①采用现有技术常规铸造方式制备成分范围如表1所示的A、B两种低碳微合金铸钢；其中RE为稀土金属；②分别对A铸钢和B铸钢进行如表2所示的全程热处理；③对经全程热处理后的A铸钢和B铸钢进行常规力学性能测试。
表1本发明两种低碳微合金铸钢的化学成分范围
表2本发明两种低碳微合金铸钢的热处理工艺参量范围
实施例1①采用现有技术常规铸造方式铸造得到成分为0.22wt％的碳、0.30wt％的硅、0.54wt％的锰、0.10wt％的钒、0.05wt％的铌、0.02wt％的磷、0.017wt％的硫、0.035wt％的40镧/60铈混合稀土金属及余量的铁的钢；②对上步得到的钢进行热处理依次在1050℃热处理3h，空冷、在940℃热处理1h，空冷、400℃热处理4h，空冷得到碳当量CE为0.33的铸钢A1(其力学性能如表3所示)。
实施例2①采用现有技术常规铸造方式铸造得到成分为0.10wt％的碳、0.44wt％的硅、0.90wt％的锰、0.096wt％的钒、0.044wt％的铌、0.023wt％的磷、0.019wt％的硫、0.040wt％的40镧/60铈混合稀土金属及余量的铁的钢；②对上步得到的钢进行热处理依次在1050℃热处理3.5h，空冷、在970℃热处理1h，空冷、600℃热处理6h，空冷得到碳当量CE为0.27的铸钢B1(其力学性能如表3所示)。
表3本发明两种低碳微合金铸钢的力学性能
表3中，Re1-屈服强度，Rm-抗拉强度，A-延伸率，Z-断面收缩率，Akv-冲击功，HBS-布氏硬度表4国内外若干牌号低碳微合金铸钢、低碳低合金铸钢、普通低碳铸钢与本发明铸钢的化学成分、力学性能、成本因子及碳当量
标注说明*为本发明作主要对比参照的国外铸钢牌号，设其成本因子为1，可将其它钢种与之对比；**所列数据为本发明的摄氏零度冲击韧性值，其余钢种未作标注，均为室温冲击韧性值，铸钢摄氏零度冲击韧性比室温冲击韧性的要求更苛刻，其值越高，表明摄氏零度温度下的冲击韧性越好，并且其室温冲击韧性则更好；***碳当量是根据通用公式计算而来，它与钢中碳和合金元素的含量呈线性关系，即含碳量及合金元素含量越高，碳当量值越高，表明钢的焊接性越差；反之，碳当量值越低，则表明钢的焊接性越好。
此外，本发明铸钢A1含有0.035wt％的40镧/60铈混合稀土金属，本发明铸钢B1含有0.040wt％的40镧/60铈混合稀土金属，表中对比钢种不含稀土金属，所有钢种的化学成分余量为Fe；各力学性能指标Rel-屈服强度，Rm-抗拉强度，A-延伸率，Z-断面收缩率，Akv-冲击功，HBS-布氏硬度表4为国内外若干牌号的低碳微合金铸钢(S17F、Q390A、20Γ1ΦЛ、20ΦЛ)、低碳低合金铸钢(ZGD270-480、ZG30Mn、ZG20CrMo、ZG20MnMo)、普通低碳铸钢(20ΓCЛ)与本发明低碳微合金铸钢的成分、力学性能、成本因子及碳当量。通过比较可以看到，在低合金成本(设国外铸钢S17F的成本因子为1进行比较)以及低碳当量(对应高的焊接性)的前提下，本发明铸钢A1具有优良的综合性能(优良的室温强度、室温延伸率、室温断面收缩率及摄氏零度冲击韧性)；铸钢B1具有优良的室温强度与摄氏零度冲击韧性配合(特别突出的摄氏零度冲击韧性)以及特别低的碳当量。换言之，在相当低的成本和碳当量以及在保证高强度的条件下，铸钢A1具有高的室温延伸率和特别高的室温断面收缩率，以及高的摄氏零度冲击韧性；而铸钢B1具有特别高的摄氏零度冲击韧性及特别低的碳当量。
权利要求
1.一种低碳微合金铸钢，其特征是含有0.18～0.22wt％的碳、0.30～0.35wt％的硅、0.53～0.55wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁；或者含有0.08～0.12wt％的碳、0.42～0.45wt％的硅、0.85～0.92wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁。
2.权利要求1所述低碳微合金铸钢的制备方法，其特征是按照低碳微合金铸钢含有0.18～0.22wt％的碳、0.30～0.35wt％的硅、0.53～0.55wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁铸造成型；然后依次在1050～1100℃热处理2.5～3.5h、空冷、在935～945℃热处理1～1.5h、空冷、380～430℃热处理3.5～4h、空冷得到低碳微合金铸钢；或者按照铸钢含有0.08～0.12wt％的碳、0.42～0.45wt％的硅、0.85～0.92wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁铸造成型；然后依次在1050～1100℃热处理2.5～3.5h，空冷、在960～975℃热处理1～1.5h，空冷、在580～610℃热处理5～6.5h，空冷得到低碳微合金铸钢。
全文摘要
本发明公开了一种低碳微合金铸钢，含有0.18～0.22wt％的碳、0.30～0.35wt％的硅、0.53～0.55wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁；或者含有0.08～0.12wt％的碳、0.42～0.45wt％的硅、0.85～0.92wt％的锰、0.08～0.10wt％的钒、0.04～0.06wt％的铌、0～0.023wt％的磷、0～0.019wt％的硫、0.03～0.05wt％的稀土金属及余量的铁。其制法为先按常规方法铸钢；然后依次经高温均匀化处理、正火处理和时效处理得到低碳微合金铸钢。本发明具有优良室温强度和摄氏零度冲击韧性、优良焊接性及低成本的特点。
文档编号C21D1/28GK1916217SQ200610124469
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月7日 优先权日2006年9月7日
发明者彭志方, 谢诞梅, 王能为, 邹仕魁, 刘树珍, 陈方玉 申请人:武汉大学