一种高强韧性低合金铸钢及其制备方法

1.本发明属于铸钢材料技术领域，涉及一种低合金高强韧性铸钢。


背景技术：

2.低合金高强韧性铸钢是在铸造碳钢的基础上，通过加入少量合金元素，并通过适当的热处理，提高强度和韧性，并改善其力学性能而发展起来的一类用钢。因为优良力学和物理化学性能，广泛应用于运输、矿山、石油、冶金、船舶等力学制造业中。
3.近30年来，高强韧性低合金铸钢随着熔铸技术的进步而得到迅猛发展，由于铸钢材料在恶劣环境(重载、冲击等)下应用，对低合金铸钢材料的力学性能提出了进一步要求，具有高强度、高韧性、高塑性的低合金铸钢材料成为未来的研究重点。专利cn109750220a公开了一种抗拉强度1200mpa，室温冲击30j，延伸率10％的高强韧性铸钢材料(材料成分中各元素的重量百分比(wt％)为0.3％-0.4％c，0.6-1.4％si，0.8-1.3％si，0.8-1.3％mn，0.6-1.4％cr，0.03-0.1％re，0.1-0.4％mo，0.06-0.15％v，s、p≤0.03％，余量为fe。)，虽然抗拉强度达到了1200mpa，但韧性与塑性方面还存在一些不足，冲击功仅为30j、延伸率为10％。


技术实现要素：

4.本发明的目的为针对当前技术中存在的问题，提供一种高强韧性低合金铸钢及其热处理方法。该合金铸钢通过添加的微量元素nb、v、ti从而起到细化晶粒的作用。制备方法采用复合-微合金化方式。本发明得到的材料为综合力学性能优越，铸造成型容易，工序简单，是一种兼顾高强度的同时具有高韧性、高塑性的铸钢。
5.本发明的技术方案是，
6.一种高强韧性低合金铸钢，其组分以及各组分质量百分比为：0.1％-0.3％c，0.4％-0.8％si，0.6％-0.85％mn，0.6％-1.2％cr，0.3％-0.7％mo，0.5％-1％ni，0.02％-0.08％v，0.02％-0.08％nb，0.02％-0.08％ti，0.01％-0.05％cu，s≤0.01％，p≤0.01％，余量为fe。
7.所述的高强韧性低合金铸钢的制备方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤一：配料，按照配比称量原料，所述的原料包括：工业纯铁、纯硅、电解锰、电解镍、电解铜、金属铬、海绵钛、钼铁、钒铁、铌铁；
9.步骤二：熔炼，利用真空熔炼炉熔炼，先合炉抽真空，真空度≤1pa，放入相关原料；融化后在1580℃-1680℃下精炼5min-20min；
10.步骤三：浇铸，真空炉炉内浇注，1540℃-1620℃，连续稳定地将钢液浇铸至准备好的模具中进行成型，整个浇铸过程在2～3分钟内完成，在真空状态下随炉冷却至室温，得到铸钢成品；
11.所述的高强韧性低合金铸钢的制备方法，还包括：
12.步骤四：热处理，将步骤三得到的铸钢在820℃-900℃下正火保温60min-120min，然后空冷；然后再升温到840℃-940℃下保温30min-120min，然后水冷淬火；最后再调整温
度至540℃-620℃回火，保温90min-150min，再空冷。
13.所述的步骤四中，正火温度优选为ac3温度点以上30℃-60℃，淬火温度优选为ac3温度以上50℃-100℃。所述的ac3温度点为为加热时转变为奥氏体的终了温度。
14.本发明的实质性特点为：
15.本发明在材料的组成：采用复合-微合金化方式，添加多种微量元素nb、v、ti，起到细化晶粒的作用。通过thermo-calc软件进行模拟计算结合大量实验与分析，找出最佳的成分优化，发现了适合的合金元素搭配。
16.制备方法上：采用真空熔炼炉熔炼，合金原料选用纯度99％以上的工业纯铁以及电解金属，保证了原料本身的纯净度；真空度≤1pa，1620℃下精炼10min，2分30秒完成浇铸。热处理工艺为正火+调质处理。
17.本发明的有益效果为：
18.(1)成分设计上：采用thermo-calc软件针对合金元素以及合金含量进行系统的热力学模拟，得到各元素以及元素之间的协同作用。充分发挥合金元素对合金钢的性能的影响，同时多种微量元素共同添加，能够起到很好的细化晶粒的作用，抑制了合金碳化物的长大，使之形成细小的合金碳化物，并能够均匀分布在基体上，改善了合金钢的韧性与塑性；
19.(2)众所周知，铸造合金钢的强度与韧性是一种相反关系，强度越高，韧性越差。相对于国内现行的国家标准(cby14408-2014)中高级别的铸钢牌号1450(抗拉强度mpa)-18j(冲击韧性)-4(延伸率，％)、1240(抗拉强度mpa)-22(冲击韧性)-5(延伸率，％)，以及现阶段报道的最佳强韧匹配的合金钢公开号为cn109750220a的专利中公开的一种高强韧性低合金铸钢材料，其室温抗拉强度为1200(延伸率)-33j(冲击韧性)-12(延伸率，％)而言，本发明实施例1、2、3，力学性能可以达到室温状态下的抗拉强度在1200mpa以上，同时兼具14％左右的延伸率以及不低于50j的室温冲击功，有更好的强韧匹配关系，可以大大扩展了高强韧性低合金铸钢材料的应用范围。
附图说明
20.图1为实施例1得到的高强韧性低合金铸钢正火+调质处理后的金相组织放大500倍的图片。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完成地描述，同时所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.实施例1
23.本实施例提供一种高强韧性低合金铸钢及其制造方法，其组分及其各组分质量百分比为：0.22％c，0.7％si，0.77％mn，1.05％cr，0.57％mo，0.54％ni，0.05％v，0.03％nb，0.02％ti，0.03％cu，0.004％p、0.008％s，余量为fe。(s、p源自工业纯铁等中含有微量的s、p元素)
24.准备过程：模具在200℃下预约30min，放入真空熔炼炉，根据成分准备原料，本次
实验选用的原料如表1所示，其中纯度代表的含义为：目标元素的含量。
25.表1.合金种类及纯度
[0026][0027]
浇铸模具为70kg，根据设计的成分，进行配料，实施例1中，每种原料的质量如表2所示：
[0028]
表2.合金种类以及质量
[0029][0030]
熔炼过程：坩埚内加料，分别加入工业纯铁、电解镍、金属铬、钒铁、钼铁，关闭真空炉，抽真空，真空度≤1pa，调节功率为130kw，在温度1620℃精炼10min，充氩加碳，然后，先加入纯硅、电解锰，后加入海绵钛、铌铁、电解铜，最后调整功率到100kw静置，待合金全部融化后，完成熔炼。
[0031]
浇注过程：在1560-1580℃范围内，进行炉内浇注，浇注时长2min30s(时刻保证高真空度1pa状态)，炉内凝固。真空状态可以有效地去除合金中的气体和非金属夹杂物，提高合金的纯净度。
[0032]
热处理过程：将得到的铸坯进行加工，然后经过热处理。先进行正火处理：正火温度在ac3温度以上30℃-50℃，实际控制温度在840℃-870℃，正火保温时间为60min-90min，空冷；然后淬火处理：淬火温度控制在850℃-880℃，淬火温度为60min-90min，然后水冷；最后回火处理：回火温度控制在550℃-600℃，回火保温时间为90min-120min，然后空冷。
[0033]
所述的ac3温度点为为加热时转变为奥氏体的终了温度。实施例1具体的温度为810℃，以上30-60℃为840℃-870℃
[0034]
对制备得到的高强韧性低合金铸钢进行性能检测，室温拉伸实验参照国家标准gb/t228.1-2010，在纵横三思电子万能实验机上进行，拉伸速率为0.5mm/min，入口力为10n，每组试验进行三次，取平均值。抗拉强度1230mpa，屈服强度1150mpa，延伸率14.20％，断后伸长率36.27％，室温冲击功51j。
[0035]
实施例2
[0036]
本实施例提供一种高强韧性低合金铸钢及其制造方法，其组分及其各组分质量百分比为：0.21％c，0.52％si，0.72％mn，0.70％cr，0.53％mo，0.60％ni，0.05％v，0.02％nb，0.02％ti，0.02％al，0.03％cu，余量为fe。0.005％s，0.007％p。
[0037]
与实施例1的制造方法基本相同，对制备得到的高强韧性低合金铸钢进行性能检测，抗拉强度为1262mpa，屈服强度1162mpa，延伸率14.67％，断后延伸率35.00％，冲击功52j。
[0038]
实施例3
[0039]
本实施例提供一种高强韧性低合金铸钢及其制造方法，其组分及其各组分质量百分比为：0.17％c，0.50％si，0.86％mn，0.71％cr，0.67％mo，0.52％ni，0.05％v，0.03％nb，0.02％ti，0.01％al，0.03％cu，余量为fe。0.007％s，0.004％p。
[0040]
与实施例1的制造方法基本相同，对制备得到的高强韧性低合金铸钢进行性能检测，抗拉强度为1210mpa，屈服强度1121mpa，延伸率14.78％，断后延伸率37.56％，冲击功50j。
[0041]
经过热处理过后，如图1为实例1放大500倍的金相图，组织为回火索氏体组织。在奥氏体化的过程中，由于合金成分中添加了nb、v、ti等合金元素，起到细化奥氏体晶粒的作用。同时在后续的回火时，铁素体呈细针板条状，合金碳化物颗粒均匀分布在基体上，改善了合金钢的韧性与塑性。
[0042]
力学性能测试：
[0043]
室温拉伸实验参照国家标准gb/t228.1-2010，在纵横三思电子万能实验机上进行，拉伸速率为0.5mm/min，入口力为10n，每组试验进行三次，取平均值。
[0044]
编号rm/mparp0.2/mpaa/％z/％冲击功/j实施例11230115014.2036.2751实施例21262116214.6735.0052实施例31210112114.7837.5650cn109750220a1200 10 30
[0045]
通过以上实施例，我们可以看到，本发明得到的材料的抗拉强度≥1200mpa，屈服强度≥1100mpa，延伸率≥14％，断面收缩率≥35％，室温冲击吸收能量kv2≥50j，布氏硬度值为400-480hbw。优异的力学性能可以更大程度的扩大低合金铸钢材料在工程与结构铸件的应用。
[0046]
对比例1
[0047]
其他步骤同实施例1，不同之处为加了0.05％nb，没有添加v、ti。
[0048]
得到的铸钢的性能室温抗拉强度为1095mpa，屈服强度为982mpa，延伸率为10.4％，室温冲击功为31j。
[0049]
本发明未尽事宜为公知技术。