專利名稱：一種高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高強(qiáng)度鋼冶金領(lǐng)域，尤其涉及一種高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠及其制造方法，該鋼錠鍛造成多400mm-500mm直徑的鋼棒的縱向力學(xué)性能^彡1800MPa，Rp0.2彡1470MPa，A彡10%，Z彡44%，20°C下Aku彡60J，橫向力學(xué)性能與縱向力學(xué)性能之比達(dá)到92%以上，達(dá)到了高均質(zhì)的要求，其低倍組織中的白斑、暗斑、徑向偏析、年輪狀偏析分別達(dá)到AAAB級，優(yōu)于按ASTMA604-93檢驗(yàn)的低倍組織合格級別。
背景技術(shù)：
超高強(qiáng)度鋼分為低合金超高強(qiáng)度鋼、馬氏體時(shí)效鋼、二次硬化鋼，一般強(qiáng)度大于1400MPa，一般用途的鋼種，其橫向性能(除強(qiáng)度外)延伸率、斷面收縮和沖擊韌性通常是縱向性能的75 85%，如:30CrMnSiNi2A鋼小于β 200mm鋼棒，縱向力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度在1680MPa、沖擊韌性在61J，橫向力學(xué)性能沖擊韌性49J ；30Cr3SiNiMoVA f 300鋼棒，抗拉強(qiáng)度1740MPa，沖擊韌性52J，橫向力學(xué)性能沖擊韌性40J ；00Nil8Co8Mo5TiAl鋼f 200鋼棒，強(qiáng)度在1750 1850MPa，沖擊韌性在55 70J，橫向沖擊韌性41 60J ;多年來數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼的沖擊韌性比較分散，對于大規(guī)格材料其沖擊韌性比小規(guī)格材還要低。常規(guī)用途的材料通常不要求橫向性能，鋼錠鍛軋時(shí)直接拔長，由于縱向變形大，橫向變形小，成品力學(xué)性能延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性只有縱向性能的75 85%，即縱橫向性能差異大，鋼材各向異性明顯，即鋼材均勻性和各向性能一致性不好。均質(zhì)化:產(chǎn)品質(zhì)量均勻即化學(xué)成分、組織、各方向力學(xué)性能均勻并趨于一致，通常把力學(xué)性能橫縱向性能之比大于90%的材料稱為高均質(zhì)材料。用常規(guī)的制造方法不能滿足這種要求，因此，必須進(jìn)行均質(zhì)化制造。隨著高科技產(chǎn)品要求的提高,特別是橫向性能要求高的產(chǎn)品,要求均質(zhì)化。

GB/T3077規(guī)定最大尺寸規(guī)格是直徑# 400_，大于# 400_直徑的材料稱為大規(guī)格材。而生產(chǎn)大規(guī)格鋼棒為了保證成品鋼棒性能需要加大鋼錠尺寸，否則，由于鍛造比低，鋼錠加工過程中因鑄造組織(樹枝晶)不能徹底破碎，影響鋼的性能。如某工程用材料尺寸規(guī)格# 400 # 550mm,要求(縱向)=Rm彡1760MPa,Rp0.2彡1350MPa，A彡8%, Z ^ 40%, Aku彡60J，橫向沖擊韌性要求達(dá)到縱向性能的90%以上，低倍組織按ASTMA604-93檢驗(yàn)，低倍組織合格級別應(yīng)優(yōu)于表I所示的規(guī)定。表I
斑j徑向偏析j環(huán)狀組織 a |a |b |b現(xiàn)有的相關(guān)專利，如中國專利CN102212760A的新型無鈷高強(qiáng)高韌鋼G50，該鋼種的化學(xué)成分(wt.% )為:C:0.26-0.30，Mn:0.40-0.75，S1:1.70-2.10，Cr:0.90-1.20，Ni:4.3-4.86，Mo:0.50-0.70，Nb:0.02-0.04，抗拉強(qiáng)度彡 1680MPa、沖擊韌性達(dá)到彡 60J，但其僅試制了小于多320mm鋼棒，不屬于大規(guī)格鋼棒級別，無法預(yù)料采用該成分生產(chǎn)的大規(guī)格鋼棒的均質(zhì)性。30CrMnSiNi2A鋼淬透性不能滿足> f 400mm鋼棒的要求，強(qiáng)度也達(dá)不到其要求。國外有關(guān)高均質(zhì)鋼未見相關(guān)資料報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠及其制造方法，該鋼錠鍛造成f 400mm 500_直徑的鋼棒的縱向力學(xué)性能=Rm彡1800MPa, Rp0.2彡1470MPa,A彡10%，Z彡44%，20°C下Aku彡60J，橫向力學(xué)性能與縱向力學(xué)性能之比達(dá)到92%以上，達(dá)到了高均質(zhì)的要求，其低倍組織中的白斑、暗斑、徑向偏析、年輪狀偏析分別達(dá)到AAAB級，優(yōu)于按ASTMA604-93檢驗(yàn)的低倍組織合格級別，鋼錠的直徑Φ為760_920mm。本發(fā)明給出了該大型鋼錠及其冶煉制造方法，生產(chǎn)出的大規(guī)格鋼棒，滿足超高純度、低氣體、高低倍組織要求、高橫縱向性能比的冶金質(zhì)量要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠，其化學(xué)成分的重量百分比為:C:0.29-0.36%,Mn:0.50-1.50%,S1:1.20-2.50%,Cr:0.90-1.20%,Ni: 5.00-6.00%,Mo:0.50-1.00%,V 彡 0.35%, Nb ( 0.04%, S ( 0.005%, P ^ 0.01%, O ^ 20PPm, N ^ 25PPm，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；該鋼錠的直徑Φ為760-920_，該鋼錠鍛造成f 400-500_直徑的鋼棒的縱向力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度RmS 1800MPa，屈服強(qiáng)度Rpa2彡1470MPa，延伸率A彡10%，斷面收縮率Z彡44%，20°C下沖擊韌性Aku ^ 60J，橫向力學(xué)性能與縱向力學(xué)性能之比達(dá)到92%以上，達(dá)到了高均質(zhì)的要求，其低倍組織中的白斑、暗斑、徑向偏析、年輪狀偏析分別達(dá)到A、A、A、B級，優(yōu)于按ASTMA604-93檢驗(yàn)的低倍組織合格級別。本發(fā)明的高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠的制造方法如下:為了獲得高均質(zhì)鋼首先要獲得化學(xué)成分和組織均勻的鋼錠，提高橫向性能，鋼錠凝固時(shí)要獲得更多的等軸晶，需要快速凝固，同時(shí)要求低溫澆鑄。

為此，本發(fā)明首先對上述化學(xué)成分的鋼錠的冶煉方法進(jìn)行了選擇:(I)電弧爐+真空脫氣熔煉:該冶煉方法采用高真空、充分?jǐn)嚢韬偷蜏乜刂?，氣體含量可以達(dá)到[O] ( 20PPm，但[N]彡50PPm，不能滿足氮彡30ppm的要求，但是鋼錠凝固時(shí)樹枝晶粗大，橫向性能低，生產(chǎn)大于f 400mm的鋼棒橫向性能難以保證,不能滿足均質(zhì)化要求；低倍組織也很難滿足上述技術(shù)級別要求；(2)電渣重熔冶煉:該冶煉方法有吸氣能力，氮含量不易保證達(dá)到上述技術(shù)要求；(3)真空自耗爐熔煉:真空自耗爐具有超強(qiáng)的脫氣能力，可以達(dá)到氧氮控制要求；真空自耗爐重溶過程由于超高真空度、慢速熔煉、快速冷卻和凝固條件，鋼錠形成大量等軸晶，偏析傾向降低，低倍組織可以達(dá)到技術(shù)要求，并可顯著提高橫向性能；為了確保大規(guī)格材料滿足上述化學(xué)成分要求和低倍組織及力學(xué)性能要求的冶煉方法只有采用真空感應(yīng)爐+真空自耗爐重溶冶煉工藝；本發(fā)明還選擇了鋼錠尺寸規(guī)格:為了保證鍛造比，滿足上述化學(xué)成分的鋼錠尺寸規(guī)格采用直徑Φ810πιπι的鋼錠。本發(fā)明的高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠的制造方法，具體包括如下步驟:(I)真空感應(yīng)爐熔煉，包括熔化和精煉:(a)熔化:按照上述化學(xué)成分的配比進(jìn)行備料，將除金屬M(fèi)n外的原料采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)真空度彡4Pa時(shí)給電熔化，熔化功率為400-1000kW，熔化期控制真空度彡5Pa，如果沸騰降功率；全熔后功率升至1000-2000kW保持7-10分鐘，溫度達(dá)到1580-1600°C，獲得熔化后的鋼水。(b)精煉:將真空感應(yīng)爐內(nèi)充氬氣并將金屬M(fèi)n加入溶化后的鋼水中，在1580_1600°C高溫下進(jìn)行精煉，為了獲得高均質(zhì)化鋼材，鋼水采用電磁攪拌，全程攪拌時(shí)間5 10分鐘，獲得精煉鋼水。(2)澆鑄、冷卻、退火:將精煉鋼水采用上鑄法澆鑄成電極鋼錠，澆鑄溫度控制在1520 1550°C的低溫；澆鑄后的電極鋼錠先進(jìn)行模冷冷卻75-120min，再進(jìn)行退火、保溫，然后爐冷至500°C以下進(jìn)行空冷，獲得退火后的電極鋼錠，退火溫度為640-660°C，保溫時(shí)間為15-25h。(3)修磨:將退火后的電極鋼錠用砂輪磨光，表面清理至金屬本色。(4)真空自耗爐重熔:將修磨后的電極鋼錠采用真空自耗爐重熔，熔煉速度為7 7.5公斤/分鐘；熔畢進(jìn)行模冷冷卻，冷卻時(shí)間為80-120min，冷卻至鋼錠表面溫度在350-500°C熱送退火爐退火、保溫，退火溫度為650-670°C，保溫時(shí)間為15-25h ;然后爐冷至500°C以下進(jìn)行空冷，表面車光后獲得所述高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠。上述步驟(I)的(a)中原料準(zhǔn)備:所用金屬料及合金料如原料鋼、金屬M(fèi)o、金屬N1、金屬Cr、結(jié)晶S1、金屬M(fèi)n、金屬V和金屬Nb、碳粒等應(yīng)潔凈，不得有油污、雜物。進(jìn)一步的，上述步驟(I)的(a)中，原料中的原料鋼按照如下化學(xué)成分的配比采用EAF+LF+VD三步法冶煉，經(jīng)熱軋、切割、磨光后制得，其化學(xué)成分如表2所示。表 權(quán)利要求
1.一種高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠，其化學(xué)成分的重量百分比為:C:0.29-0.36%，Mn:0.50-1.50%, S1:1.20-2.50%, Cr:0.90-1.20%, N1:5.00-6.00%, Mo:0.50-1.00%,V ≤ 0.35%, Nb ≤ 0.04%, S ≤ 0.005%, P ≤ 0.01%, O ≤ 20PPm, N ≤ 25PPm，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；該鋼錠的直徑Φ為760-920mm ;該鋼錠鍛造成400mm-500mm直徑的鋼棒的縱向力學(xué)性能=Rni ≥ 1800MPa，Rptl 2 ≥ 1470MPa，A ≥ 10%, Z ≥ 44%，20°C下 Aku ≥ 60J，橫向力學(xué)性能與縱向力學(xué)性能之比達(dá)到92%以上，其低倍組織中的白斑、暗斑、徑向偏析、年輪狀偏析分別達(dá)到A、A、A、B級。
2.如權(quán)利要求1所述的高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠的制造方法，包括如下步驟: (1)真空感應(yīng)爐熔煉，包括熔化和精煉: (a)熔化:按照上述化學(xué)成分的配比進(jìn)行備料，將除金屬M(fèi)n外的原料采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)真空度< 4Pa時(shí)給電熔化，熔化功率為400-1000kW，熔化期控制真空度< 5Pa，如果沸騰降功率；全熔后功率升至1000-2000kW保持7-10分鐘，溫度達(dá)到1580-1600°C，獲得熔化后的鋼水； (b)精煉:將真空感應(yīng)爐內(nèi)充氬氣并將金屬M(fèi)n加入溶化后的鋼水中，在1580-1600°C高溫下進(jìn)行精煉，為了獲得高均質(zhì)化鋼材，鋼水采用電磁攪拌，全程攪拌時(shí)間5 10分鐘，獲得精煉鋼水； (2)燒鑄、冷卻、退火: 將精煉鋼水采用上注法澆鑄成電極鋼錠，澆鑄溫度控制在1520 1550°C的低溫；燒鑄后的電極鋼錠先進(jìn)行模冷冷卻75-120min，再進(jìn)行退火、保溫，然后爐冷至500°C以下進(jìn)行空冷，獲得退火后的電極鋼錠，退火溫度為640-660°C，保溫時(shí)間為15-25h ； (3)修磨: 將退火后的電極鋼錠用砂輪磨光，表面清理至金屬本色； (4)真空自耗爐重熔: 將修磨后的電極鋼錠采用真空自耗爐重熔，熔煉速度為7 8公斤/分鐘；熔畢進(jìn)行模冷冷卻，冷卻時(shí)間為80-120min，冷卻至鋼錠表面溫度在350-500°C熱送退火爐退火、保溫，退火溫度為650-670°C，保溫時(shí)間為15-25h ;然后爐冷至500°C以下進(jìn)行空冷，表面車光后獲得直徑Φ為760-920mm的所述高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠。
3.如權(quán)利要求2所述的高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠的制造方法，其特征在于，步驟(I)的(a)中，原料中的原料鋼按照如下化學(xué)成分的配比采用EAF+LF+VD三步法冶煉，經(jīng)熱軋、切割、磨光后制得，化學(xué)成分的重量百分比為:C:0.20-0.35%,S ≤ 0.002%,P ≤ 0.006%,Si≤0.30%, Mn ≤ 0.60%, Al≤ 0.050%, Cu ≤0.20%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠的制造方法，其特征在于，真空自耗爐重熔的電壓為22 25V，電流為13 13.5KA。
全文摘要
一種高均質(zhì)大規(guī)格超高強(qiáng)度鋼錠及其制造方法，其化學(xué)成分的重量百分比為C0.29-0.36%，Mn0.50-1.50%，Si1.20-2.50%，Cr0.90-1.20%，Ni5.00-6.00%，Mo0.50-1.00%，V≤0.35%，Nb≤0.04%，S≤0.005%，P≤0.01%，O≤20PPm，N≤25PPm，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；該鋼錠鍛造成400mm-500mm直徑的鋼棒的縱向力學(xué)性能Rm≥1800MPa，Rp0.2≥1470MPa，A≥10%，Z≥44%，20℃下Aku≥60J，橫向力學(xué)性能與縱向力學(xué)性能之比達(dá)到92%以上，達(dá)到了高均質(zhì)的要求，其低倍組織中的白斑、暗斑、徑向偏析、年輪狀偏析分別達(dá)到AAAB級,優(yōu)于按ASTMA604-93檢驗(yàn)的低倍組織合格級別；該鋼錠的直徑Ф為760-920mm。
文檔編號C22C38/44GK103255351SQ20131013068
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者張景海, 郭軍霞, 田玉新, 陳杰 申請人:寶鋼特種材料有限公司