专利名称：一种无铬镍高强度高韧性结构钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及冶金行业结构钢的成分设计及其制造方法，尤其是指高强度、高韧性结构钢的成分设计及其制造方法。
背景技术：
结构钢是常见的合金钢。按钢中的铬、镍元素含量，我们姑且可以分为含铬镍结构钢、无铬镍结构钢(无铬镍型结构钢主要分为锰钢、硅锰钢、硼钢、锰硼钢、锰钼硼钢、锰钒硼钢、钒钢、硅锰钼钒钢等8类)二大类。高强度、高韧性结构钢，一般是指强度≥1200Mpa、冲击韧性Aku≥60J的结构钢。
高强度、高韧性结构钢(强度≥1200Mpa、冲击韧性Aku≥60J)是用途广泛的结构钢，如用于内燃机针阀体偶件(针阀体偶件是内燃机车燃油系统一个关键的精密部件，其质量的优劣直接影响到机车的工作特性和使用寿命。针阀体在高达250～270kg/cm2的油压作用下，针阀在阀体内以每分钟上千次上下跳动的频率，来达到供给均匀雾化的燃油目的，同时受到气缸工作温度的影响，针阀体的头部温度可达270～360℃，故要求针阀体用钢应具有高的表面硬度、高耐磨性、良好的抗回火性能、优良的尺寸稳定性和接触疲劳性能；并由于针阀体的制造工艺精细复杂，工艺流程长，也要求材料具有良好的切削性和磨削性能以及一定的耐蚀性。)的高强度铬镍渗碳钢(常见的高强度、高韧性结构钢)。
目前，满足内燃机针阀体偶件使用要求的高强度、高韧性结构钢(强度≥1200Mpa、冲击韧性Aku≥60J)，是含铬镍结构钢，如高强度渗碳钢(Rm≥1200Mpa)，常用牌号为20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo等(见表1、表2成分、性能对比。)。其不足是铬镍含量高使材料价格昂贵，同时机加工性能差，加工效率低，为了减少残余奥氏体量还需实施复杂的热处理工艺，尺寸稳定性差，抗回火稳定性不稳定，一般只在200℃左右回火。因此，尚不能适应内燃机向高速增压，大马力方向发展的需要。
表1几组铬镍渗碳钢成分对比(wt％)
表2几组铬镍渗碳钢性能与热处理工艺对比
从现有的无铬镍型结构钢来看，锰钢、硅锰钢、硼钢、锰硼钢、锰钼硼钢、锰钒硼钢、钒钢等7类无铬镍型结构钢的抗拉强度一般不会超过1200Mpa，即使强度超过1200Mpa，冲击韧性也很低(比如弹簧钢的冲击功一般在20J以下)，因此不属于高强度、高韧性结构钢的范畴。现有的硅锰钼钒类无铬镍型结构钢在强韧性配合方面，虽有不错的表现参见(1)殷瑞钰《钢的质量现代进展-特殊钢》下册，冶金工业出版社，1995年6月；(2)国家标准标准号GB/T3077-1999(3)合金钢手册数据库电子版。发现符合高强度、高韧性结构钢性能指标的无铬镍型结构钢为硅锰钼钒钢，其主要包括20SiMn2MoV、25SiMn2MoV、37SiMn2MoV等，钢种成分、力学性能及热处理工艺的对比数据，详见表1和表2。)，但是，与内燃机针阀体偶件需要的高强度、高韧性结构钢的强韧性(强度≥1200Mpa、冲击韧性Aku≥62J)标准，仍存在差距。
表3无铬镍钢成分对比(wt％)
表4无铬镍钢性能与热处理工艺对比
中国专利申请号CN95104296.3公开了一种适用于提供高强度、高韧性的大截面用结构件及中厚钢板，其化学成分(重量％)为碳0.20～0.25％，硅0.40～0.60％，锰1.80～2.30％，钼0.30～0.50％，钨0.40～0.60％，余为Fe。
但是，上述现有无铬镍型结构钢技术存在如下不足20SiMn2MoV、25SiMn2MoV钢均采用较低的碳含量和相对高的锰含量(2.20～2.60％)，其目的是用锰来弥补强度的不足，但是在渗碳钢中锰含量过高会往往会使奥氏体晶粒粗大，造成韧性的偏低，因此这两种钢只适用于对冲击韧性值要求不高的用途。30SiMn2MoV、37SiMn2MoV钢采用0.27～0.39％的碳含量来保证强度，但是对渗碳钢而言碳含量大于0.30％则不利于渗碳，同时低的硅、锰含量使得上述两钢的强度远远不能达到1280Mpa以上。25SiMnMoV与发明钢有着较为接近的碳、硅含量，但是锰含量过低，不利于提高渗碳钢心部渗透性，该钢相对低的碳、硅、锰含量决定了它较低的强度水平。
以上五个钢的化学成分决定了它的组织，又间接决定着它的机械性能，这种机械性能均不能满足内燃机针阀体偶件的要求。
发明内容
本发明的目的是设计一种不含铬、镍元素的高强度、高韧性结构钢，替代现有的高强度铬镍渗碳钢，它采用廉价的硅锰作为主体元素，通过合金化成份设计以及实施具体的技术方案，使钢材达到内燃机针阀体偶件要求的机械性能屈服强度≥1170MPa，抗拉强度≥1274MPa，延伸率≥9％，断面收缩率≥45％，冲击韧性≥62J。解决铬镍渗碳钢价格昂贵，机加工性能差，加工效率低，抗回火能力差等缺陷，更好地满足内燃机车针阀体钢材的要求。
本发明采用廉价的Si、Mn作为主体元素，不用或少用贵重元素，控制和优化Si、Mn含量，控制奥氏体的均匀性及晶粒度的大小，使成品钢材性能达到匹配良好的强韧性能。同时使发明钢具有较稳定的抗回火能力，良好的机加工性能。
本发明的无铬镍高强度高韧性结构钢，其化学元素成份(重量％)碳0.24～0.30％，硅1.10～1.40％，锰1.30～1.70％，钼0.40～0.60％，钒0.20～0.35％，铝0.015～0.050％，铜≤0.30％，硫≤0.012％，磷≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质。
进一步，该结构钢组织为铁素体+球状珠光体。
其中，碳是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量，但是碳元素对塑性不利，同时大于0.30％的碳含量对渗碳不利，控制0.24～0.30％碳含量较为合理。
锰用锰来代替碳、铬以保持强度。锰是能显著提高淬透性的主要元素，同时锰可以抑制渗碳层中贝氏体的形成；但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点，锰的含量控制在1.30～1.70％能在本发明钢中发挥良好的作用。
硅在钢中硅能降低碳的浓度梯度，在奥氏体状态下促进碳扩散作用，它能抑制碳化物的析出，有利于渗碳层的形成，1.10～1.40％可以起到固溶强化的同时提高韧性。
钼钼的作用在钢中非常显著，它不但可以提高零件渗碳层和心部的淬透性，明显抑制非马氏体的形成，还可以提高零件表面硬度。但是钼元素属于贵重元素，本发明钢加入0.40～0.60％的钼是最经济有效的含量。
钒、铝都属于细化晶粒元素。铝、钒元素与上述元素配合可进一步细化晶粒，增加淬透性，并提高强韧性。但经验表明过多的钒对韧性不利，过多的铝易增加钢中夹杂物产生的机会，因此，0.20～0.35％钒和0.015～0.050％铝是本发明钢适宜的含量。
同时，硫、磷、铅、锑、铋在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，以减少原奥氏体晶界处的偏聚，提高韧性。残余元素和气体含量控制在相当低含量水平，使钢具有相当高的纯净度，溶于奥氏体中的碳元素与各元素之间达到理想的最佳配比含量，从而为提高材质的均匀性和强韧性奠定了基础。
本发明的无铬镍高强度高韧性结构钢的制造方法，其包括如下步骤1)冶炼、浇注锭，按常规电弧炉熔炼、精炼工艺，浇注锭；2)轧制，热轧加热温度1100～1180℃，加热时间1小时50分钟～2小时10分钟，常规硅锰钼钒钢均热时间为大于1小时20分钟，本发明技术方案延长30～50分钟，以保证钢坯加热均匀；终轧温度850～900℃，轧后以40～80℃/h冷却速度冷却；3)轧材退火，退火温度720±10℃，保温时间8～10小时，以不大于30℃/h的冷却速度冷到≤450℃出炉。常规结构钢为消除内应力只需加热到低于AC1(600～700℃)的低温，在均匀热透后炉冷或空冷即可，本技术方案采用较高的退火温度720±10℃，可以缩短退火时间，以获得球状珠光体+铁素体的平衡组织为最佳，同时可降低钢材硬度保证切削性能，还可以进一步细化晶粒。
进一步，步骤1)中采用电渣重熔技术提高钢材纯洁度、改善铸坯的组织；浇注锭后冷却本发明优选是用模冷16～24小时替代退火，防止出现钢锭开裂的倾向，即使钢锭出现微小的开裂也不会影响下一道为电渣重熔工艺。
步骤2)热轧后冷却采用箱冷。
又，棒材经870～920℃油淬+200～350℃回火调质处理，金相组织为回火马氏体，具有优良的机械性能屈服强度≥1170MPa，抗拉强度≥1274MPa，延伸率≥9％，断面收缩率≥45％，冲击韧性≥62J。
在钢锭或钢坯冷却中采用缓冷或退火工艺防止钢锭或钢坯开裂。
本发明的有益效果1.本发明钢不用铬镍和钨贵重元素，降低生产了成本，系资源节约型材料，符合可持续发展的趋势。
2.本发明钢材质均匀，硬度适中，具有良好的机加工性能。
3.本发明钢具有良好的淬透性和抗回火性能，可经受250～350℃低温回火，因此热处理工艺简捷，质量易于控制。
4.本发明钢淬回火后具有良好的综合匹配机械性能屈服强度≥1170MPa，抗拉强度≥1274MPa，延伸率≥9％，断面收缩率≥45％，冲击韧性≥62J。
具体实施例方式
某钢铁公司实施本发明专利，冶炼26个电渣炉号，其制备方法采用四步法工艺流程第一步电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→浇电极锭；第二步电渣重熔；第三步轧钢机(初轧机)热加工轧制成材；第四步轧材退火。
第一步，电弧炉冶炼浇注锭采用白渣法，在20～100吨的电弧炉中进行钢液初炼，冶炼出成分基本合格的钢，在交流式钢包精炼炉(容量与电炉相匹配)上，进行钢液的精炼，去除钢中的有害气体和夹杂物，真空并脱气；浇注电极圆锭，电极圆锭模冷16～24小时(根据钢锭圆锭大小控制模冷时间)，脱模进入下道工序。
对于硅锰钼钒钢一般采用退火工艺钢锭约600℃进炉，不大于100℃/h的升温速度到650℃±10℃保温8小时，不大于50℃/h的降温速度到约450℃出炉。
第二步，电渣重熔1.准备原材料渣料要充分烘烤T≥600℃，烘烤时间T≥4小时。引弧剂按配比Ti02∶CaF2＝1∶1，块度均匀，不易过大。
2.熔炼准备结晶器内壁光滑平整，供水系统正常，放置引锭板和引弧剂。安置结晶器，吊装自耗电极。
3.重熔操作3.1渣系CaF2∶Al2O3＝70∶30，引弧剂、液渣起弧。渣量70Kg。
3.2通电化渣工艺化渣电压56～62V，电流2000～5000A，时间 20分钟电制度电压61～65V，电流12500～13500A封顶电压56～62V，电流 逐步减小，时间≥30分钟3.3正常重熔保持电流稳定，波动范围控制在±200A。
3.4取样、补缩取样时应保留自耗电极的长度保证补缩时间，取杯样时升高电极，切断高电压，取样后先送高电压，后下降电极，取样后补缩开始2～3分钟内保持正常工艺规定功率，然后转入补缩工艺电流。
4.脱模模冷45分钟后脱模，进保温罩缓冷≥48小时后冷送退火炉退火。一般硅锰钼钒钢模棱时间为36小时，本发明工艺根据不同的结晶器尺寸规定模冷时间≥48小时，防止电渣钢锭开裂影响生产。
5.电渣钢锭退火采用250～400℃进炉，以≤50℃/h升温速度升至650～720℃，保温10～12小时，以≤30℃/h降温速度冷却到≤450℃出炉空冷。一般硅锰钼钒钢的退火保温时间为8小时，本发明技术方案增加了2～4小时，同时规定了进炉和出炉温度，以保证为获得稳定均匀的退火组织。
第三步棒材轧制采用轧钢机(初轧机)热加工轧制方法，先将合格钢锭轧制开坯成方钢坯，再将方钢坯热加工轧制至成品棒材，初轧，按常规初轧开坯工艺轧制开坯，初轧机热加工将钢锭轧制成方钢坯1.加热炉加热工艺钢锭入炉温度900℃保温20～40分钟；3小时30分钟升温至1250～1260℃；保温2小时30分钟～3小时；(常规硅锰钼钒钢初轧开坯均热温度为1290℃左右，保温时间1小时50分钟，本发明技术方案同现有技术相比均热温度降低30～40℃，均热时间延长50～80分钟，使钢锭充分均匀扩散)。
2.初轧机轧制工艺按常规轧制工艺，初轧机将合格钢锭轧制开坯成方钢坯；3.钢坯进缓冷坑冷却36小时以上，冷坯料进行砂剥精整。(常规硅锰钼钒钢轧后一般采用退火工艺，本发明技术方案规定钢坯整桩堆冷后进缓冷坑缓冷36小时以上，防止开裂和降低钢中氢的含量)。轧钢机热加工将钢坯轧制至棒材；4.轧钢机加热炉加热工艺加热温度1100～1180℃，加热时间1小时50分钟～2小时10分钟，方坯料阴阳面温差≤40℃钢坯出炉。
5.常规工艺轧制，终轧温度800～900℃。
6.钢材轧后采用箱冷，冷却速度40～80℃/h。常规硅锰钼钒钢轧后避风堆冷，本发明优选采用箱冷，能有效防止钢材开裂。
第四步轧材退火软化退火温度720±10℃；保温时间≥8～10小时，以不大于30℃/h的冷却速度冷到≤450℃出炉。
表3实施例钢棒的化学成分，wt％
表4实施例钢棒的力学性能
实施本发明生产的钢棒材，经国内某油泵油嘴厂深加工应用于内燃机喷油嘴针阀体，各项性能均符合使用要求。实例试验证明，本发明满足了内燃机喷油嘴针阀体材料的需求。
权利要求
1.一种无铬镍高强度高韧性结构钢，其成分质量百分比碳0.24～0.30％，硅1.10～1.40％，锰1.30～1.70％，钼0.40～0.60％，钒0.20～0.35％，铝0.015～0.050％，铜≤0.30％，硫≤0.012％，磷≤0.020％，余为铁和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的无铬镍高强度高韧性结构钢，其特征是，该结构钢组织为铁素体+球状珠光体。
3.如权利要求1所述的无铬镍高强度高韧性结构钢的制造方法，其包括如下步骤1)冶炼、浇注锭，按常规电弧炉熔炼、精炼工艺，浇注锭；2)轧制，钢锭开坯后热轧加热温度1100～1180℃，加热时间1小时50分钟～2小时10分钟，终轧温度850～900℃，轧后以40～80℃/h冷却速度冷却；3)轧材退火，退火温度720±10℃，保温时间8～10小时，以不大于30℃/h的冷却速度冷到≤450℃出炉。
4.如权利要求3所述的无铬镍高强度高韧性结构钢的制造方法，其特征是，步骤1)中采用电渣重熔技术。
5.如权利要求4所述的无铬镍高强度高韧性结构钢的制造方法，其特征是，步骤1)电渣钢锭退火，采用250～400℃进炉，以≤50℃/h升温速度升至650～720℃，保温10～12小时，以≤30℃/h降温速度冷却到≤450℃出炉空冷。
6.如权利要求3所述的无铬镍高强度高韧性结构钢的制造方法，其特征是，步骤1)浇注锭后冷却采用模冷。
7.如权利要求3所述的无铬镍高强度高韧性结构钢的制造方法，其特征是，步骤2)轧后冷却采用箱冷。
全文摘要
一种无铬镍高强度高韧性结构钢，其成分质量百分比碳0.24～0.30，硅1.10～1.40，锰1.30～1.70，钼0.40～0.60，钒0.20～0.35，铝0.015～0.050％，铜≤0.30，硫≤0.012，磷≤0.020，余为铁和不可避免杂质。其制造方法包括如下步骤1)冶炼、浇注锭；2)轧制，加热温度1100～1180℃，终轧温度850～900℃，40～80℃/h速度冷却；3)退火，退火温度720±10℃，时间8～10小时，以不大于30℃/h的冷却速度冷到≤450℃出炉。本发明采用廉价的硅锰作为主体元素，通过合金化成份设计，使钢材达到屈服强度≥1170MPa，抗拉强度≥1274MPa，延伸率≥9％，断面收缩率≥45％，冲击韧性≥62J。
文档编号C21D8/00GK101082101SQ200610027019
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月29日 优先权日2006年5月29日
发明者刘湘江, 黄泽民, 范文杰 申请人:宝山钢铁股份有限公司