超高强度高韧性合金结构钢及其冶炼工艺

技术领域

本发明属于一种新材料开发及其冶炼技术领域，尤其涉及一种冶炼方式更经济环保、生产效率更高的超高强度高韧性合金结构钢及其冶炼工艺。

背景技术

目前国内传统的超高强度高韧性合金结构钢的冶炼方式采用真空感应+真空自耗。由于真空感应炉对原材料要求高、炉子吨位小、生产效率低等缺点造成材料存在供货紧张、交货期长、价格高等问题。随着科研产品更批量化，市场供需更趋于紧张；而传统的超高强高韧性合金结构钢Mf转变点在35℃以下，造成淬火必须在低温段缓慢冷却且停留时间较长，以此来保证组织转变充分，且要求淬火液温度≤35℃。鉴于以上特性在实际生产中只能采用油冷的方式，不仅污染环境，尤其炎热的夏季因油温不能满足工艺要求造成难以组织生产；同时传统的超高强高韧性合金结构钢的抗拉强度只能达到1600Mp，冲击韧性AKU只能在60J左右，不能更好的满足现在市场对超高强度高韧性钢的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种可以将Mf点提升至90℃左右，在实际生产中不仅可以采用油冷，将油温的限制放宽至≤70℃，而且可以采用更环保的水基液方式淬火的超高强度高韧性合金结构钢及其冶炼工艺，保证强度级别控制在1700Mpa以上，冲击韧性AKU不低于64J。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超高强度高韧性合金结构钢，其特征在于：所述超高强度高韧性合金结构钢包括的化学成分质量百分比为C:0.26-0.36％，Mn：0.90-1.70％，Si：1.50-2.20％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni：5.00-6.60％，Cr:0.90-1.20％，Mo：0.45-0.95％，V：0.07-0.15％，Nb：0.01-0.03％，Cu：≤0.15％，气体H≤2.0ppm，O≤15ppm，N≤30ppm，五害元素As≤0.006％，Sn≤0.006％，Pb≤0.001％，Sb≤0.006％，Bi≤0.001％，余量为铁。

一种超高强度高韧性合金结构钢的冶炼工艺，其特征在于：采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+真空自耗的冶炼方式，控制P≤0.015％；S≤0.005％，气体含量[O]≤10ppm、[H]≤2ppm、[N]≤30ppm,材料强度级别在1700Mpa以上，冲击韧性AKU不低于64J，淬火方式为水基液或油冷，且将油温限制放宽至≤70℃。其工艺步骤如下：

步骤1)、精选配料，控制有害元素含量：选用优质废钢或钢屑、低五害元素优质生铁、海绵铁，控制原材料的五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.05％，提高钢水纯净度，钼铁随炉料一起放入电炉中，以尽早去除有害P元素；

步骤2)、采用碱性偏心底电弧炉冶炼：按常规方法脱磷、升温、脱碳、去气去夹杂，碱性偏心底电炉出钢，只出钢不出渣，防止了后道工序回磷，[P]≤0.003％，温度≥1640℃；碱性偏心底电弧炉出钢前，在钢包中或出钢过程中随钢流加入复合脱氧剂2.0～3.0公斤/吨钢、造渣材料4.0～6.0公斤/吨钢、硅铁10.0～15.0公斤/吨钢、金属锰铁5.0～8.0公斤/吨钢、金属铬铁5.0～8.0公斤/吨钢，成分接近目标成分下限；

步骤3)、进行钢包炉精炼：钢包炉精炼时升温，调整温度≥1550℃，加石灰200～300公斤、萤石10～20公斤调整渣量，调整炉渣碱度(R)2.0～3.0，微调合金，使成分达到目标成分内，真空脱气时间≥20min，温度1500℃～1550℃吊包浇注成电极坯或钢锭锻制成自耗坯，冶炼成的钢化学成分：C:0.26-0.36％；Mn：0.90-1.70％；Si：1.50-2.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni：5.00-6.60％；Cr:0.90-1.20％；Mo：0.45-0.95％；V：0.07-0.15％；Nb：0.01-0.03％；Cu：≤0.15％；五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％。

步骤4)、模铸成电极坯或钢锭锻制成自耗坯，真空自耗前电极坯或锻制中坯表面车光，进行真空自耗，自耗过程通过控制电流10000-15000A,电压20-30V达到控制熔速的目的，设备控制真空度1Pa以下，以去除夹杂和气体，控制气体含量[O]≤10ppm、[H]≤2ppm、[N]≤30ppm,从而控制自耗锭成分偏析。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明通过化学成分的合理设计、经济的冶炼方式、工艺参数的合理设计等降低生产成本的同时保证材料的综合力学性能不低于甚至稍高于传统的超高强高韧性合金结构钢，并命名为ZY17的超高强高韧性材料。应用在超高强高韧材料领域，如航空航天。

1)、材料配方设计及其冶炼工艺更加经济(如下表3)，克服了目前国内超高强度钢真空感应+真空自耗，造成供货紧张的难题，而且由于Mf转变点高于传统该类型材料，淬火冷却更加环保、经济。如下表1。

表1材料相变点

2)、材料的淬透性好(如下表2)，抗拉强度、冲击功稳定，抗拉强度较传统材料提升10％左右。

表2材料试样的硬度梯度，HRC

具体实施方式：

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此，对于采用本材料生产的其他规格产品同样适用。

本发明材料的冶炼方式为电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+真空自耗冶炼，冶炼方式更经济合理，生产效率更高。设计化学成分满足C:0.26-0.36％；Mn：0.90-1.70％；Si：1.50-2.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni：5.00-6.60％；Cr:0.90-1.20％；Mo：0.45-0.95％；V：0.07-0.15％；Nb：0.01-0.03％；Cu：≤0.15％；气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤30ppm；五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％。

电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+真空自耗，模铸成电极坯或锻制成自耗坯，真空自耗前电极坯或锻制成自耗坯表面车光，两端锯平齐，冶炼过程通过真空和熔速控制，达到钢锭去除夹杂和气体。

本发明包括如下工序：1)精选配料，控制有害元素含量；2)碱性偏心底电弧炉冶炼，控制碳、磷、温度满足工艺要求，出钢时随钢流加入沉淀脱氧剂、石灰、部分合金；3)钢包炉精炼、升温、脱氧、脱硫、调整合金成分、真空脱气、控制硫含量达到目标成分、出钢；4)模铸成电极坯或钢锭锻制成自耗坯，真空自耗前电极坯表面车光；5)自耗过程通过真空和熔速控制，达到去除夹杂和气体，进一步控制钢锭成分偏析。

碱性偏心底电弧炉冶炼用原材料选用优质废钢或钢屑、低五害元素优质生铁、海绵铁，控制原材料的五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.05％。钼铁随炉料一起放入电炉中，以尽早去除有害P元素；

碱性偏心底电弧炉冶炼时，按常规方法脱磷、升温、脱碳、去气去夹杂，碱性偏心底电炉出钢，只出钢不出渣，[P]≤0.003％，温度≥1640℃；

碱性偏心底电弧炉出钢前在钢包中或出钢过程中随钢流加入复合脱氧剂2.0～3.0公斤/吨钢、造渣材料4.0～6.0公斤/吨钢、硅铁10.0～15.0公斤/吨钢、金属锰铁5.0～8.0公斤/吨钢、金属铬铁5.0～8.0公斤/吨钢，成分接近目标成分下限；

钢包炉精炼时升温，调整温度≥1550℃，加石灰200～300公斤、萤石10～20公斤调整渣量，调整炉渣碱度(R)2.0～3.0，微调合金，使成分达到目标成分内，真空脱气时间≥20min，温度1500℃～1550℃吊包浇注成电极坯或钢锭，电极坯将冒口切除，钢锭锻制成自耗坯，真空自耗前将电极坯或自耗坯表面车光。

本发明在选用配料时用优质废钢或钢屑、低五害元素优质生铁、海绵铁等原材料，特别是控制其中的As、Sn、Pb、Sb、Bi等有害杂质含量，大大提高了钢水纯净度，从而可进一步提高超高强度钢的纯净度；碱性偏心底电弧炉出钢时只出钢不出渣，有效防止了后道工序回磷；碱性电弧炉出钢前在钢包中或者出钢过程中随钢流加入复合脱氧剂、造渣材料、特种硅铁、金属锰铁、金属铬铁合金、镍板，成分接近目标成分下限。在钢包中调整温度、微调合金，加石灰、萤石调整渣量，调整炉渣碱度(R)2.0～3.0，微调合金，使成分达到目标成分内，真空脱气，保证成分、温度均匀，气体含量低。

真空自耗前电极坯表面或钢锭锻制坯车光，进行自空自耗，自耗过程通过控制电流10000-15000A,电压20-30V达到控制熔速的目的，设备真空度控制1Pa以下，以去除夹杂和气体的目的，控制气体含量[O]≤10ppm、[H]≤2ppm、[N]≤30ppm,从而控制自耗锭成分偏析。

实施例：电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+真空自耗。一种超高强高韧新材料产品开发，包括如下工序：

步骤1)、选用优质废钢或钢屑、低五害元素优质生铁、海绵铁，控制原材料的五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.05％。钼铁随炉料一起放入电炉中，以尽早去除有害P元素；

步骤2)、钢包炉精炼时升温，调整温度≥1550℃，加石灰、萤石调整渣量，调整炉渣碱度(R)2.0～3.0，微调合金，使成分达到目标成分内，真空脱气时间≥20min，温度1500℃～1550℃吊包浇注成电极坯或钢锭锻制成自耗坯，真空自耗前电极坯或锻制中坯表面车光；

步骤3)、模铸采用上大下小带绝热板的钢锭模浇铸成锭。冶炼成的钢化学成分见下表3，表中同是列出不同冶炼方法生产的超高强高韧新材料钢的成分对比，结果表明，采用本发明工艺所生产的超高强高韧新材料钢，成分稳定，五害元素低、气体成分低，冶炼成本低，性能稳定，合格率不低于95％。

表3化学成分对比表

对实施例的成品试料进行了理化检测，检测结果见表4、表5：

表4：实施例的淬火油冷后力学性能

表5：实施例的淬火水基液冷却后力学性能

从表4、表5的数据结果可以看出，无论采用油淬火还是水基液淬火其性能都能满足材料设计要求，抗拉强度均在1800Mpa以上，富裕量大，冲击功均在64J以上，综合性能良好。淬火采用水基液冷却的抗拉强度稍高于油冷20-50Mpa，冲击功稍低于油冷4-10J，因为水基液高温段冷却强度大于油，这也符合材料淬火特性，属正常现象。

以上所有实验数据表明，本发明通过材料的化学成分设计，经济性的冶炼方式等生产工艺方案，保证了超高强高韧新材料良好的综合性能。经客户使用，达到材料设计指标，反馈较好。较传统的超高强高韧性钢，该产品具有生产成本低，环保，经济、产品质量稳定等诸多优点。