CN112941420B - 一种高强度耐冲击耐热耐低温的合金钢及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度耐冲击耐热耐低温的合金钢及制造工艺。它具有良好的铸造性、热处理性、可加工性和焊接性。广泛用于制造应用工温在500℃以下或在500℃到‑50℃冷热兼故并要求强度高、耐冲击、耐磨损、耐低温、耐蚀的石化采油装备中形体复杂的中空曲轴、矿山、冶金装备管式磨机中的中空轴及以铸代锻的齿轮、盘形或环件重要零部件。本发明钢主要性能：屈服强度Бs＝(756‑813)N/mm²，抗冲击韧性αku＝(61‑69)J/cm²，‑50℃时，αku＝(45‑53)J/cm²；它较现有应用较多的ZG35SiMn屈服强度提升了86.8％，韧性提升了85.7％，比德国公司产品性能Бs提升了12.07％，αku提升了47.73％，若按进口产品价(12万元/T)下降45％(即6.6万元/T)，生产出口15000T则每年可创汇约1.5亿美元。

Description

一种高强度耐冲击耐热耐低温的合金钢及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种高强度耐冲击耐热耐低温的低合金铸钢，可广泛用于制造石化、矿山、冶金、船舶、运输、电力、建材、机械等行业装备中的大小齿轮、齿圈、重载行车和塔吊滚轮、大型旋窑中的托轮、轮带、重型齿圈；锤式破碎机中的端盘、锤盘、减速机齿轮、大飞轮；各类管式磨机中的中空轴及边缘传动中的大齿圈；各类输送机中的重要链轮；还有石化装备的中空曲轴、齿轮、盾构机的大刀盘……等高端重要零部件；本发明还涉及一种高强度耐冲击耐热耐低温的低合金钢的制造工艺。

技术背景

在现有技术领域中，全世界各国的合金铸钢毛坯都普遍存在不同程度的：气孔、砂眼、夹砂或夹渣、缩孔、偏析或裂纹等铸造缺陷；而合金铸钢产品世界上至少有95％的国家之主要性能问题是：屈服强度(Бs)低，抗冲击韧性差(αku)，耐低温韧性更差或未予涉足研究，根本不知其重要性；但随着世界各国工业设备的发展，海洋、石化与国防装各性能提升的需要，材料科学发展的德国、瑞典、日本等国，已对各类合金钢(包括：锻钢或铸钢)之低温韧性、耐热性、耐磨、耐蚀与可焊性的研究和实验已投入了大批的人力、财力并已取得明显的成效。

总体来说，我国对低合金铸钢的设计水平、生产技术水平、应用技术分析水平还十分落后；而通读中国合金铸钢的Q/ZB66-73及JB/T5000.6-2007之标准，发现所列21种合金铸钢性能普遍低下，冲击韧性严重不足，而低温韧性全无……，所以寻求或开发、研试新型高强、耐冲击、耐低温的多功能特殊合金铸钢以满足工业建设和海洋、石化和国防装备性能的提升已迫在眉睫！

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度耐冲击耐热耐低温的低合金铸钢，它具有无气孔、无裂纹、无夹砂等铸造性缺陷，强度高、耐冲击、耐热且耐低温耐蚀的性能特点，制造和使用成本低，充分地满足了现代大工业各类机械装备及重要零部件广泛使用的要求。

本发明的另一个目的是提供一种高强度耐冲击耐热耐低温低合金铸钢的制造工艺。

为达到以上的目的，采用5吨电弧炉熔炼了11吨钢水，(编号2016-10-7)锻件产品主要性能如下：Бs＝(1105-1155)N/mm²，Бb＝(1180-1270)N/mm²，δ≥14％，αku＝(101.25-113.75)J/cm²，αku(-50℃)＝(89-98)J/cm²；对应铸钢做性能检测，主要性能数据如下：Бs＝(756-813)N/mm²，Бb＝(826-895)N/mm²，αku＝(61-69)J/cm²，-50时αku＝(45-53)J/cm²，

本发明选用的是以C、Si、Mn、Cr、Mo为主加元素。辅加少量V、Nb、N、Zr、Ti、RE元素；它属低合金有兼故性的多功能特钢，所以它具有良好的铸造性、补焊性、热处理和加工性及耐蚀性。

这正是避免或减少毛坯铸造性缺陷，提高毛坯合格率，降低制造成本的技术关键。铸钢毛坯经退火粗加工后再经淬火并经回火处理，其显微组织为均匀细密的高强度高韧性索氏体，其内弥散着点状之C化物和N化物。它表现出较高的强度、硬度和耐磨性并具有良好的冲击韧性及耐蚀和耐热性，这种铸钢产品之综合机械性能，远优于现有很多锻钢产品，所以它在客观上完全可“以铸代锻”；到目前为止，国内外还尚未发现有比它更加合适地用来制造各类大型重要的机械装备和零部件的材料。本发明铸钢的组配元素质量百分比为：

碳(C)：0.26-0.42；硅(Si)：0.40-0.75；锰(Mn)：0.65-1.25；铬(Cr)：0.9-1.4；钼(Mo)：0.5-0.85；钒(V)：0.30-0.65；铌(Nb)：0.2-0.42；氮(N)≤0.15；钛(Ti)≤0.18；

锆(Zr)≤0.18；稀土元素(RE)≤0.18；磷(P)≤0.02；硫(S)≤0.02；铁(Fe)：96.06-93.53；

以及上述成份中的氮(N)、钛(Ti)、锆(Zr)、稀土元素(RE)四种元素至少其中一种不为零的配比组合，其余为Fe的化学成份技术特征。

本发明中的碳(C)一部分在固溶于α-Fe中形成铁素固溶体和Fe形成渗碳体(Fe₃C)，C还和固溶于铁素体中的多余合金元素形成硬度大、耐热、耐磨的合金碳化物：VC、NbC、TiC、ZrC、Mo₂C、Mn₇C₃、Cr₇C₃；同时碳还和溶于渗碳体(Fe₃C)合金元素共同形成晶格复杂的合金渗碳体：(Fe·Cr)₃C、(Fe·Mn)₃C、(Fe·Mo)₃C、(Fe·Cr)₂₃C₆、(Fe·Mo)₂₃C₆、(Fe·V)₃C、(Fe·V)₂₃C₆等；这些均匀弥散的碳化物一方面强烈地阻碍着高温奥氏体晶粒的长大，从而提升了完全奥氏体化的温度点，为使热处理后所获索氏体晶粒最细：晶粒度20≤um²，既要有足够的强度、硬度、又要有良好的抗冲击韧性，其含碳量在本发明中控制在0.26％-0.42％之间。

硅(Si)，Si常以脱氧剂配入，当含量≤0.85％时，全部固溶于铁素体内，强烈地提高铁素体之强度、硬度，其韧性变化甚小；当含量>0.85％时，其韧性显著下降；但Si除提高回火稳定性外，并有增加钢水流动性，改善铸造性能的作用。故本发明中Si之含量控制在0.4％-0.75％之间。

锰(Mn)是溶于铁素体形成合金铁素体α-Fe(Mn)和形成合金碳化物Mn₇C₃与合金渗碳体(Fe·Mn)₃C提高淬透性，均化组织，提高强度、硬度和韧性的重要元素；此外，Mn能和杂质S形成MnS以熔渣形式自除，故Mn有净化钢水和自动除杂之功能。同时，Mn也是很好的脱氧剂，降低钢的脆性，改善钢的品质。因Mn含时在<0.9％时，钢之强度、硬度是随其含量增加而增大，而抗冲击韧性在此范围内变化甚微；但当Mn含量>1.5％时，其抗冲击韧性急剧下降。为既达到强化效果，又不使韧性下降很多，故本发明中含Mn量控制在0.65％-1.25％之间。

铬(Cr)、钼(Mo)它们一部分溶于铁素体，形成合金铁素体α-Fe(Cr)、α-Fe(Mo)；另一部分形成细粒、分散的稳定合金碳化物；Cr₇C₃、Mo₂C；还有一部分溶于渗碳体(Fe₃C)内，同样以细微、分散、弥漫稳定合金渗碳体：(Fe·Cr)₃C、(Fe·Mo)₃C、(Fe·Cr)₂₃C₆等状态存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，除阻碍奥氏体晶粒长大之外，并为淬火和回火后获取均匀细晶粒索氏体组织奠定了良好的基础，从而显著地提高其强度、硬度和耐磨性及高温抗氧化性；同时Cr、Mo的合理组配也有使C曲线右移而显著提高淬透性的作用，并提升了回火稳定性、强度、硬度及耐磨性；而Mo和Ti、Zr、RE的加入有力地降低了回火脆性；Cr元素含量在≤1％时，其强度、硬度和冲击韧性是随含Cr的增加而增大，但当含量1％<Cr≤2％时，钢的冲击韧性值略有下降，当Cr含时>2％时，强度和冲击韧性明显下降，故本发明中Cr含量控制在0.9％-1.4％之间；

Mo含≤5％时，钢的强度和硬度随含Mo量的增加而增大，但钢的韧性却会随含Mo量的增加而由245J/cm²急剧下降至63.7J/cm²，特别是当钢中含Mo量>1.7％时，其韧性下降特别显著；另Mo和Ti、Nb的配入有效地提高了回火稳定性，而且大幅提升钢在回火后的强度；所以本发明中Mo之含量应控制在0.5％-0.85％之间。

钒(V)、铌(Nb)，V、Nb在奥氏体合金钢中以分散、细小的碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)状态存在于奥氏体的晶界内和晶界间，强烈地阻碍着奥氏体晶粒的长大；V、Nb的微量加入有助于大幅提高成材的高温强度、回火稳定性、并增加了抗冲击韧性及耐低温韧性。为综合考虑全部元素组比及所需强度、韧性和耐低温性，本发明确认V之含量为：0.30％-0.65％；Nb之含量为：0.2％-0.42％。

锆(Zr)、钛(Ti)，Zr、Ti均和C以分散、细小碳化锆(ZrC)和碳化钛(TiC)存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，有力地阻碍着晶粒的长大，并增强了淬透性、回火稳定性、成材的可焊性和耐高温强度。为获取细晶粒高强度的回火索氏体并具有较高耐热性及冲击韧性，本发明确认Zr之含量为≤0.18％，Ti含量≤0.18％。

氮(N)，N在α-Fe和γ-Fe中的溶量分别达0.1％和2.8％，它在高温奥氏体中，其中一部份N和C去争抢部份合金元素：如：V、Nb、Zr、Ti、Mo等形成耐热而又很难分解的氮化物：VN、NbN、Nb₂N、ZrN、TiN、Cr₂N等，以微粒、弥散于奥氏体的晶界内和晶界间，强烈阻碍着奥氏体晶粒的长大；除极大地提升成材的耐高温强度及最终所获组织索氏体的硬度和耐磨性。N的加入减少了不利焊接的C元素含量；由于N使Ms温度点下移，所以又提高了奥氏体合金钢淬透性及强度；从而使所获奥氏体具有良好韧性、耐低温性和可焊性。但过多的N，会使铸坯产生气孔，故本发明中N含量确认为：≤0.18％.

稀土元素(RE)的微量加入，提高韧性和可焊性并有脱硫(S)去气、消除有害杂质的作用。本发明中确认：RE含量≤0.18％.

磷(P)、硫(S)，P、S存在奥氏体钢中有很多相同的害处：促进C、Mn元素产生偏析，S在奥氏体合金钢中以FeS和MnS形式存在，在MnS进入炉渣；但FeS和Fe可生存低熔点共晶体，分布于晶界上，削弱了晶界间的结合力，使钢在热态受力时，极易裂、损；此外，P还有促使奥氏体晶粒长大之倾向，故本发明中P、S含量均确认为：≤0.02％。

本发明中的耐蚀性十分明显，如：Cr、Ti、Nb的加入就有良好的抗大气耐海水腐蚀能力；V、Ti、Nb的加入又有明显的耐晶间腐蚀能力；而Cr、Nb、V、Ti、Si、RE的加入使合金钢具有十分明显抗高温氧化能力……。

本发明所述的一种高强度耐冲击耐热耐低温的低合金铸钢，采用电弧炉冶炼；按2:1的石灰粉和氟化粉造渣；炼钢原料为废钢和铁合金；炉料加入顺序为：废钢、铬铁；待熔化除渣后加入锰铁、钼铁；在还原期加入Si，利用Mn、Si进行初脱氧；除渣后再加入钒铁、铌铁和FeN(氮化铬)，经再除渣后间隔5-10分钟，依次加入Zr、Ti再加入稀土(RE)；浇铸前按每吨钢水加入两性氧化物铝(A1)1KG进行最终脱氧处理，出钢温度为：1620℃-1580℃，待炉前经光谱分析仪检测确认其化学成份符合本发明要求，当钢液温度为1570℃-1480℃可进行浇铸。其具体生产工艺如下：

1、毛坯的浇铸：出钢温度为1620℃-1580℃，浇铸温度为1570℃-1480℃，铸件应在250℃-300℃开箱，切割浇冒口温度应≥230℃；

2、退火处理：将清整后的毛坯进炉加热至650℃-720℃，保温8-12小时随炉冷到≤350℃出炉空冷；

3、机械加工：

(1)划线和粗加工：将退火后的毛坯吊上平台按工件中心线垂直于平台找正，按单边均留2.5mm-3.0mm进行划线；将已划线好的毛坯按线找正夹紧后进行粗加工，并100％超探；

(2)淬火、回火处理和精加工：将超探合格的半成品整体进炉加热至880℃-960℃，并保温3-5小时后均冷；后再温升到530℃-700℃，保温2-4小时均冷，再依图纸尺寸加工成形。

本发明所及一种高强度耐冲击耐热耐低温的低合金铸钢，和世界材料发达的德国相比，其屈服强度(Бs)提高12.07％，抗冲击韧性(αku)提高了47.73％；而与俄罗斯比：屈服强度(Бs)提高了33.42％，冲击韧性提高了10.17％；较传统ZG35SiMn之屈服强度(Бs)提高了86.8％，冲击韧性提高了85.7％，强度提高了20.7％。它从根本上全面、彻底地解决了石化、矿山、冶金、建材、电力、机械、军械等行业，在应用工温(-50℃)或应用工温≤(+500℃)或在冷(-50℃)热(≤500℃)并存，且在重载并带有强烈磨损或冲击条件下，长期存在的各种合金铸铁或铸钢材料乃至大部份锻钢调质产品均易断裂、强度低、不耐磨、寿命短、更换频繁、制造或使用成本高的经济技术难题。

因此，本发明钢具有广泛实用价值和推广价值，从而可获取显著企业效益和巨大的社会综合经济效益。

具体实施方式

现将本发明钢在具体实施四例中对所及大型锤式破碎机中的铸钢端盘(净重：985kg/件)产品[主尺寸：Ф1650(外径)×55(厚度)×边缘平面圆形凸台×6个[Ф280(外径)×Ф143(孔径)×32(高度)]×Ф650(中间圆台)×420×420(方孔)]相应检测尺寸数据(mm)及工艺执行温度分别列表如下：

实施本发明钢四炉的化学成份：

实施四炉本发明铸钢生产过程的工艺温度和检测性能[单位：摄氏度(T℃)]

具体实施过程如下：按照本发明钢成分，采用2吨电弧炉(3.5吨钢水/炉)冶炼了四炉(2件/炉)本发明钢，出钢温度分别为：1590℃、1610℃、1580℃、1620℃；浇铸温度依次对应为：1560℃、1570℃、1500℃、1480℃；端盘铸钢毛坯开箱温度对应为：250℃、300℃、280℃、270℃带温T℃≥220℃切割了浇冒口并打磨；每炉铸钢毛坯分别于：680℃、650℃、690℃、720℃进行了退火，其保温时间：t＝8小时，随炉冷到200℃之后出炉空冷；再按图尺寸单边留3mm进行数控粗车。后分别专炉加热温度对应为：880℃、900℃、930℃、960℃；对应保温时间：均为4小时后均冷；又分别于550℃、630℃、680℃、700℃进行回火，保温时间：均为2.5小时后均冷，同时对同炉试件逐一进行了性能检测和金相分析，检测单位主要有：中船总公司武汉金属材料试验检测中心、武汉钢铁设计研究院试验检测中心等；产品使用效果各用户很满意。

Claims (1)

1.一种高强度耐冲击耐热耐低温的合金钢，其特征在于化学成份重量百分比为：C：0.37；Si：0.75；Mn：1.25；Cr：0.9；Mo：0.5；V：0.32；Nb：0.2；Ti：0.07；Zr：0.09；P：0.015；S：0.015；其余为Fe；

其中，所述高强度耐冲击耐热耐低温的合金钢的制备包括如下步骤：

(1)毛坯的浇铸：出钢温度为1620℃-1580℃，浇铸温度为1570℃-1480℃，铸件应在250℃-300℃开箱进行清砂，切割浇冒口铸件温度应≥230℃；

(2)退火处理：将清整后的毛坯整体进炉加热至650℃-720℃并保温8-12小时随炉冷到≤350℃后，出炉空冷；

(3)机械加工：

①划线和粗加工：将退火后毛坯吊上平台按工件中心线垂直于平台找正按需加工面单边均留2.5mm-3mm进行划线；将已线线好的毛坯按线找正平紧后进行粗加工；

②淬火、回火处理和精加工：将超探合格的半成品进炉加热至880℃-960℃，并保温3-5小时后均冷，再将它重新加热至530℃-700℃，并保温2-4小时均冷；将调质合格的半成品吊上精加工设备，经找正后夹紧，按图纸要求精加工成形。