低合金鑄鋼及其冶煉、熱處理方法
2023-04-27 12:33:16 3
專利名稱：低合金鑄鋼及其冶煉、熱處理方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金鑄鋼，尤其是一種動車組車鉤用鑄鋼，同時還涉及其冶煉、 熱處理方法，屬於冶金材料技術領域。
背景技術：
隨著鐵路快速發展，需要實現客運高速化、快速化、輕量化，貨運重載化、快捷化。 車鉤作為鐵路動車組連接系統的重要部件，其質量性能直接影響著動車組的各項性能指 標，連接系統的優劣直接影響了動車組的安全性和舒適性。申請號為200610017797. 1的中國專利申請公開了一種超高強度高韌性可焊接鑄 鋼，其化學成分為:c :0. 12 0. 17 ；Si 0. 10 0. 50 ；Mn 0. 8 1. 2 ；S+P ( 0. 025 ；Ni 4. 00 4. 50 ；Cr 0. 7 1. 2 ；Mo 0. 40 0. 50 ；V 0. 04 0. 08 ；Cu 0. 20 0. 40，其餘量為鐵。由於其中合金的添加量多且種類多，計算焊接碳當量較高，且容易出現較明顯的 縮松縮孔傾向，後續的熱處理工藝也較為複雜繁瑣，不能滿足動車組車鉤的要求。可以說， 動車組用車鉤鑄鋼材料一直是研究設計的重點和難點，據申請人了解，至今尚無合適的材 料可以借用。
發明內容
本發明的目的是提供一種低合金鑄鋼，該鋼種能夠滿足動車組用車鉤性能的要 求。同時也可以用於其他鐵路部件和其他工程領域。為達到上述目的，按照本發明的低合金鑄鋼化學成分質量百分比為碳 0. 17-0. 22%、矽 0. 20-0. 60%、錳 0. 90-1. 20%,IfO. 30-0. 50%、釩 0. 13-0. 17%、銅小於等 於0. 30%、磷小於等於0. 030%、硫小於等於0. 030%，餘量為鐵和不可避免的雜質。所述的低合金鑄鋼的冶煉方法，按以下的電弧爐氧化還原法步驟冶煉步驟一、加料——將廢棄的碳素鋼清潔、除鏽後，與鎳同時加入電弧爐內；步驟二、氧化——待電弧爐內熔池溫度達到1560°C時，加入鐵礦石，通入氧氣 氧化，保持均勻沸騰、自動流渣、及時補加渣料；當碳量降至0. 15-0. 19%、熔池溫度達到 1600°C，扒除氧化渣，進入還原期；步驟三、還原一加入碳粉進行還原，並按化學成分質量百分比控制加入鐵-錳、 鐵-釩以及鐵-矽合金；步驟四、出鋼一待化學成分達到要求後，在不低於1600°C時出鋼。所述的低合金鑄鋼的冶煉方法，在所述步驟一中，熔清碳應保證氧化期脫碳量 ^0. 30% (宜控制在0. 30% -0. 60%範圍)，不足時配加碳粉。所述低合金鑄鋼的冶煉方法，在所述步驟三中，加入碳粉的總量為3_4kg/噸鋼。所述低合金鑄鋼的冶煉方法，在所述步驟三，鐵_錳、鐵_釩以及鐵_矽合金溫度 經烘烤(烘烤溫度為300-500°C )後加入。
上述低合金鑄鋼的熱處理方法包括，升溫至900-960°C後保溫3_5小時，然後自然 冷卻或吹風冷卻至常溫，然後再升溫至600-650°C後保溫3-4小時，再冷卻。經正火+回火處 理後，本發明的低合金鑄鋼力學性能至少可以達到抗拉強度大於等於600MPa，屈服強度 大於等於400MPa，延伸率大於等於23%，斷面收縮率不小於35%，布氏硬度為163-250HB。 本發明僅增添了合金元素釩和鎳，總體上合金的添加量較少，因此計算焊接碳當 量很小，具有更出色的焊接性能；縮松縮孔的傾向也較小，具有更好的鑄造工藝性；且熱處 理方法簡便，只需進行簡單的正火+回火即可，十分適合用於鑄造諸如高速動車組用車鉤 等鐵路部件。200610017797. 1不僅加入的合金元素種類比較多(Ni、Cr、Mo、V等)，同時合金元 素添加量也較多，Ni達到了 4. 0-4. 5%, Cr達到了 0. 7-1. 2%, Mo達到了 0. 40-0. 50%，從 而使得其在冶煉過程中的成分控制非常困難、冶煉工藝複雜、生產成本高。而本發明由於添 加合金的種類和含量都較少，只需添加兩種合金元素釩和鎳，因此，冶煉工藝和操作都很簡 便、生產成本低，而且可焊性好。同時，200610017797. 1對雜質元素硫⑶、磷(P)要求控制嚴格，硫⑶和磷(P) 的總含量小於等於0. 025%，這給工業冶煉控制帶來很大難度，需要採用電爐+AOD精煉爐 雙聯工藝冶煉，工業應用範圍相對較窄，而本發明對雜質元素硫(S)、磷(P)要求控制比較 寬鬆，P，S含量只需分別控制小於等於0. 030%即可，普通電弧爐和中頻感應電爐即可生 產，適用面更廣，從而有利於工業化實施和推廣；此外，200610017797. 1的熱處理工藝複雜 繁瑣，推廣面小，適用性差。因此，本發明與現有技術相比，不僅可焊性好、鑄造工藝性能優良，而且具有成分 容易控制、合金增添少、生產成本低、冶煉及熱處理工藝簡單、便於工業化應用等優點。十分 適合用作動車組車鉤用鑄鋼。
圖1為正火溫度對本發明抗拉、屈服強度及布氏硬度關係圖。圖2為正火溫度對本發明塑性的關係圖。圖3為回火溫度對本發明抗拉、屈服強度的關係圖。圖4為回火溫度對本發明塑性的關係圖。圖5為本發明正火+回火後的金相組織放大100倍時的圖片。圖6為本發明正火+回火後的金相組織放大500倍時的圖片。
具體實施例方式本發明實施例1至9的低合金鑄鋼化學成分見表1，相應的熱處理後機械性能見表 2。表1化學成分質量(％ )，其餘為Fe 以上實施例的低合金鑄鋼可採用常規方法冶煉後澆注。也可以以廢鋼為原料，按 以下的電弧爐氧化還原法冶煉澆注(1)加料一將廢棄的碳素鋼清潔、除鏽後，與鎳同時加入電弧爐內，熔清碳應保 證氧化期脫碳量>0. 30%，不足時配加碳粉(粒度控制在20目以下)，碳素鋼塊度宜控制 在約200x200x200毫米、裝料應密實；(2)氧化——採用礦石氧化法或礦石、氧氣氧化法，待電弧爐內熔池溫度達 到1560°C時，通入氧氣氧化(應保持均勻沸騰、自動流渣、及時補加渣料)，當碳量降至 0. 15-0. 19%、熔池溫度達到1600°C時，扒除氧化渣，進入還原期；(3)還原——加入碳粉(粒度宜控制在20目以下)進行還原，(碳粉總量通常為 3-4kg/噸鋼，造白渣)，並按化學成分質量百分比控制加入Fe-Mn，Fe-V以及Fe-Si合金；(4)出鋼——待化學成分達到要求後，在溫度不低於1600°C時出鋼；(5)澆注——鋼水溫度控制在不低於1550°C進行澆注，較好的澆注溫度範圍為 1550-1590°C。Fe-Mn, Fe-V以及Fe-Si合金在加入鋼水前宜進行烘烤，一般烘烤至300-500°C即 可。主要目的是緩衝所加入的合金和高溫鋼水之間的溫差，防止高溫鋼水溫差波動太大及 溼氣的帶入。顯然，相對於200610017797. 1冶煉工藝，本實施例採用的冶煉工藝簡單，所用 的設備也簡單，只需普通電弧爐冶煉，無需採用AOD精煉爐精煉處理，因而更便於工業化應 用。而且採用以上方法可以廢鋼利用，有利於進一步降本增效。表2機械性能 對上述實施例在800-1100°C範圍內進行正火熱處理試驗表明，正火溫度對本低合 金鑄鋼力學性能的影響見圖1和圖2。由圖1、圖2可知，隨正火溫度的提高，上述實施例的強度略有提高，而塑性先升後 降，在900-960°C範圍內正火，上述實施例的力學性能均能滿足車鉤力學性能要求，即抗拉 強度大於等於600MPa，屈服強度大於等於400MPa，延伸率大於等於23 %，斷面收縮率不小 於35%，布氏硬度在163-250HB。因此，選擇此溫度範圍作為正火溫度控制範圍。上述實施例在不同的回火溫度下測定對材料的力學性能的影響如下圖3和圖4所 示，從圖中可以看出隨著回火溫度的升高，其抗拉強度、屈服強度、先升後降，而強度在回火 溫度為600 650°C處於峰值，進一步的升高回火溫度，強度不斷降低。而延伸率和斷面收 縮率隨著回火溫度的升高而不斷提高，在550 600°C回火時延伸率處於23%，處於該材料 塑性下限。進一步提高回火溫度塑性提高不明顯，在溫度到600 650°C時材料塑性達到一 個較優化的狀態。上述實施例經正火+回火處理後的金相組織為鐵素體+珠光體組織，具體形態見 圖5、圖6。採用上述實施例製造的動車組密接車鉤，對其實物進行了實物拉伸和壓縮試驗， 其結果如下所示動車組用車鉤實物承受最大拉力為1679KN，在凸起部位尾端發生斷裂。符合300KM/h及以上動車組用密接式車鉤的拉伸性能要求。動車組用車鉤實物承受最大壓力為3298KN，銷子發生斷裂，試樣未斷裂。符合300KM/h及以上動車組用密接式車鉤的壓縮 性能要求。 上述實施例由於添加了合金元素釩及鎳，使得晶粒細化，珠光體含量增加，強度等 級大大提高，而塑性沒有降低，具有優良的綜合力學性能；由於上述實施例添加的合金元素 種類、數量都較少，焊接碳當量較低，具有優良的可焊性和鑄造工藝性能，便於該材料在鐵 路工業以及其他工程領域的應用；上述實施例僅添加了合金元素V和Ni，製造成本比較低， 幾乎與普通碳素鋼相差無幾，便於工業應用時降低生產成本，可以進一步擴大其應用領域。 本採用正火+回火熱處理之後具有更好的綜合機械性能，特別適合用於鑄造諸如高速動車 組用車鉤等鐵路部件。
權利要求
一種低合金鑄鋼，其化學成分質量百分比為碳0.17-0.22％、矽0.20-0.60％、錳0.90-1.20％、鎳0.30-0.50％、釩0.13-0.17％、銅小於等於0.30％、磷小於等於0.030％、硫小於等於0.030％，餘量為鐵和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述低合金鑄鋼的冶煉方法，其特徵在於按以下的電弧爐氧化還原 法步驟冶煉步驟一、加料——將廢棄的碳素鋼清潔、除鏽後，與鎳同時加入電弧爐內；步驟二、氧化——待電弧爐內熔池溫度達到1560°C時，加入鐵礦石，通入氧氣氧化，保 持均勻沸騰、自動流渣、及時補加渣料；當碳量降至0. 15-0. 19%、熔池溫度達到1600°C，扒 除氧化渣，進入還原期；步驟三、還原——加入碳粉進行還原，並按化學成分質量百分比控制加入鐵-錳、 鐵-釩以及鐵-矽合金；步驟四、出鋼——待化學成分達到要求後，在不低於1600°C時出鋼。
3.根據權利要求2所述的低合金鑄鋼的冶煉方法，其特徵在於所述步驟一中，熔清碳 應保證氧化期脫碳量> 0. 30%，不足時配加碳粉。
4.根據權利要求3所述低合金鑄鋼的冶煉方法，其特徵在於所述步驟三中，加入碳粉 的總量為3-4kg/噸鋼。
5.根據權利要求4所述低合金鑄鋼的冶煉方法，其特徵在於所述步驟三，鐵-錳、 鐵_釩以及鐵_矽合金經烘烤後加入。
6.根據權利要求5所述低合金鑄鋼的冶煉方法，其特徵在於所述烘烤溫度為 300-500 "C。
7.根據權利要求1所述低合金鑄鋼的熱處理方法，其特徵在於將其升溫至900-960°C 後保溫3-5小時，然後自然冷卻或吹風冷卻至常溫，然後再升溫至600-650°C後保溫3_4小 時，再冷卻。
全文摘要
本發明涉及一種低合金鑄鋼，低合金鑄鋼具有如下的化學成分碳0.17-0.22％、矽0.20-0.60％、錳0.90-1.20％、鎳0.30-0.50％，釩0.13-0.17％，銅小於等於0.30％，磷小於等於0.030％、硫小於等於0.030％，餘量為鐵和不可避免的雜質。該鑄鋼採用電弧爐氧化還原法或感應爐重熔法進行冶煉澆注，經正火+回火熱處理後力學性能達到抗拉強度大於等於600MPa，屈服強度大於等於400MPa，延伸率大於等於23％，斷面收縮率不小於35％，布氏硬度為163-250HB。具有比普通碳素鋼更好的綜合機械性能。並且具有成分容易控制、合金增添少、生產成本低、冶煉工藝簡單、可焊性好、鑄造工藝性能優良，從而更有利於工業化應用等優點。
文檔編號C22C38/16GK101845592SQ20101017432
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者徐貴寶, 曹建峰, 朱正鋒, 杜利清, 田國明, 陳小華 申請人:南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司