一种低碳低合金高强度高低温韧性铸钢件的生产方法

摘要

本发明提供了一种低碳低合金高强度高低温韧性铸钢件的生产方法，用于生产化学成份满足：C：0.16～0.24、Si≤0.60、Mn≤1.20、P≤0.04、S≤0.045，性能满足抗拉强度≥780MPa、屈服强度≥630MPa、延伸率≥13％、断面收缩率≥35％、‑40℃条件下冲击韧性均值Akv≥27J的铸钢件，按铸造工艺浇注形成铸钢件，再对铸钢件进行热处理，将铸钢件加热到AC3+80℃～AC3+120℃的淬火温度，保温4～8小时后，将铸钢件放入盐水中连续冷却。本发明方法显著缩短了生产周期短、降低了生产成本、提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种低碳低合金高强度高低温韧性铸钢件的生产方法，具体涉及获取高强度、高耐低温冲击韧性的铸钢件时所采用的热处理工艺。

背景技术

对于要求化学成分满足：C：0.16～0.24、Si≤0.60、Mn≤1.20、P≤0.04、S≤0.045，性能要求满足抗拉强度≥780MPa、屈服强度≥630MPa、延伸率≥13％、断面收缩率≥35％、-40℃条件下冲击韧性均值Akv≥27J的铸钢件，通常采用淬火+回火的热处理工艺方法，热处理后铸件的力学性能：所得到的抗拉强度：780MPa～820MPa、屈服强度：640MPa～670MPa、延伸率：17％～19％、断面收缩率：57％～64％、-40℃条件下的冲击韧性Akv均值为20J～40J，强度基本都满足要求，但不是很高，冲击韧性较低或不稳定，冲击偏差值为30％～300％。

在材料力学中，金属材料的强度和韧性是一对相互制约的指标，即强度提高，冲击韧性就会下降，尤其是在工作温度低的条件下，脆性断裂倾向会加大。对于低合金铸钢件来说，获得高的强度的同时追求较高的韧性，通常采用添加合金元素及热处理调质工艺实现，但合金元素的添加及配比，影响机理较为复杂，有些既可以提高强度又可以提高韧性，但有些虽然可以提高强度却降低了韧性，因此，在实际生产中，通过成分调配，来提高强度和低温冲击韧性，需要较高的专业技能，需要做大量的试验验证，增加了冶炼成本。

现有技术中提高铸件强度和低温冲击韧性、降低低温冲击韧性偏差值的热处理方法，主要有，一、采用两次淬火+一次回火工艺，二、采用一次正火+一次淬火+一次回火工艺，淬火介质采用水，其中回火通常为高温回火，这两种热处理方法都增大了生产成本，延长了生产周期。

发明内容

为克服现有技术的技术弊端，本发明提供一种同时提高强度和低温冲击韧性的合金元素配比方案，及生产周期短的热处理工艺，实现低成本、高效率生产背景技术中有成份及性能限定的铸钢件。

本发明技术方案为：一种低碳低合金高强度高低温韧性铸钢件的生产方法，用于生产化学成份满足：C：0.16～0.24、Si≤0.60、Mn≤1.20、P≤0.04、S≤0.045，性能满足抗拉强度≥780MPa、屈服强度≥630MPa、延伸率≥13％、断面收缩率≥35％、-40℃条件下冲击韧性均值Akv≥27J的铸钢件，按铸造工艺浇注形成铸钢件，再对铸钢件进行热处理，将铸钢件加热到AC₃+80℃～AC₃+120℃的淬火温度，保温4～8小时后，将铸钢件放入盐水中连续冷却。

进一步地，所述盐水的浓度为5％～10％，此处所述盐水的浓度是指质量百分数。在水中加入适量的食盐，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐的晶体立即爆裂，将蒸汽膜破坏，同时会将铸件表面的氧化皮及粘砂等物炸碎剥落，这样可以提高介质在高温区的冷却能力。所以，盐水淬火可以获得比较高而且均匀的硬度和强度，以及获得更多的马氏体组织，为后续回火获得高的强度、韧性奠定基础。由于盐水淬火冷却均匀，变形开裂的倾向比水小，经过大量的实验证明，当盐水浓度在5％～15％之间时，随着盐水浓度的增加，冷速速度提高，但当浓度提高到20％时，因液体粘度增大，冷却速度反而降低，甚至低于5％的盐水浓度对应的冷却速度。对于本专利所述的铸钢件，尤其是大型铸钢件，考虑铸件内部会有一些铸造缺陷，如果冷速过快，应力较大，铸件容易开裂，以及淬火介质成本和通过大量热处理试验获得所需性能的冷速需求，综合考虑确定本专利采用盐水的浓度为5％～10％。

进一步地，所述淬火温度≤950℃，避免奥氏体晶粒长大。

进一步地，铸钢件在铸造过程中向低碳钢中加入0.45wt％～0.9wt％的Cr、0.3wt％～0.8wt％的Mo、0.6wt％～1.2wt％的Ni合金元素。铬(Cr)：通常铬能显著提高铸钢件强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。钼(Mo)：钼能使铸钢件的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。还可以抑制铸钢件由于回火而引起的脆性，提高低温冲击韧性。镍(Ni)：镍能提高铸钢的强度，同时又能使铸钢件保持良好的塑性和低温韧性。具体Cr、Mo、Ni的加入量首先是依据低合金钢的分类即低合金钢中各合金元素总量≤5；其次根据原成分下铸钢件的性能情况确定是增加提高强度的元素含量还是增加提高低温韧性的元素含量来进一步改善性能；最后还要根据碳当量计算公式、冷裂纹敏感性指数计算公式和淬透性计算公式综合计算比对，各元素最终加入量以碳当量、冷裂纹敏感性指数相对较小，而淬透性较好来最终确定Cr、Mo、Ni的合适加入量。碳当量、冷裂纹敏感性指数相对较小可有效防止铸件产生裂纹，有利于铸件缺陷的返修焊接。淬透性较好可保证一定壁厚的大型铸件获得高的强度和高的使用性能。本专利通过生产大量的组合试验验证，最终确定Cr含量为0.45％～0.90％、Mo含量为0.30％～0.80％、Ni含量为0.60％～1.20％。

根据上述生产方法生产的低碳低合金高强度高低温韧性铸钢件，各项力学性能指标为：抗拉强度为800MPa～850MPa，屈服强度为680MPa～760MPa，延伸率为18％～20％，断面收缩率：55％～65％，-40℃条件下冲击韧性均值Akv为48J～65J，冲击韧性最小值与最大值偏差为15％～20％。

本发明的技术效果如下：

1.现有技术中通常采用的淬火温度为AC3+(50℃～80℃)，本发明采用的淬火温度为AC3+(80℃～120℃)，高于现有技术的淬火温度，本发明通过提高淬火保温温度，可以促进铁素体熔入奥氏体中，使铁素体弥散分布，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，提高铸件的低温韧性。

2.本发明方法在铸造铸钢件时，向熔炼材料中加入Cr、Mo、Ni合金元素，铸件进行热处理过程中，将铸件加热到淬火温度进行保温时，这些合金元素熔入奥氏体基体组织中，使铸件组织成分更加均匀化，从而提高了铸件的强度和低温冲击韧性。

3.本发明中淬火温度限定为≤950℃，可以避免奥氏体晶粒长大，而细小的原奥氏体晶粒对冲击韧性的提高有利。

4.冷却介质的选择，现有技术通常采用水，本发明采用盐水，既降低了铸件淬火时开裂的风险，又显著提高了铸件的冷却速度，使奥氏体组织的相变避开了珠光体、索氏体、屈氏体的相变区域，淬火冷却过程中奥氏体组织相变转化为马氏体组织，从而显著提高了材料的冲击韧性。

5.采用本发明方法，在保证低碳低合金钢能够获得高的强度的同时，保证了低温冲击韧性能够很大的提高，且冲击的各组值相对较为均匀，偏差值减小；达到了该类型材料在低温环境下使用的综合性能，发掘了材料的潜能，为该材质进入更广阔的使用市场提供了有力的数据支持。

6.现有技术的热处理工艺为两次淬火+一次回火工艺，或一次正火+一次淬火+一次回火工艺，本发明方法和现有技术相比没有回火处理，缩短了工艺流程，操作简单，利于铸件生产，提高了生产效率，降低了生产成本。

具体实施方式

下方列出的3个实施例均选取含碳量为0.22％的铸钢件。

实施以上三个实施例后，铸件的各性能指标如下表，其中冲击韧性是在-40℃条件下测量的，冲击值偏差＝(冲击值最大值-冲击值最小值)/冲击值最小值。