一种高强高韧性低合金钢环锻件及其制造方法与流程

1.本发明涉及锻件制造技术领域，特别涉及一种高强高韧性低合金钢环锻件及其制造方法。


背景技术：

2.低合金高强度结构钢q460e为gb/t 1591-2018标准中的材料，其力学性根据产品公称厚度需满足标准中表7或表9、表8和表11中的要求。q460e由于是低碳低合金钢，具有良好的加工性能和焊接性能，主要运用在工程机械，造船和钢结构等领域。然而，很多造船厂生产的船上用品都需要经过船级社认证，如ccs、bv、abs、rina、lr，为保证产品高质量，其力学性能不是按公称厚度进行验收，而是按照船级社检验规范进行认证或需方指定的力学性能验收，一般都远高于国家或行业标准，生产难度巨大，其力学性能满足：抗拉强度550-720mpa，屈服强度≥460mpa，延伸率≥17％，断面收缩率≥25％，akv冲击功(-40℃)≥34j。由于国内钢厂是按照需方提供的标准进行炼钢，只负责成分满足订货要求，并不保证产品的机械性能，而gb/t1591-2018中，对q460e的要求只规定了主元素的上限要求，无下限规定，因此，对于高强高韧性低合金钢不能按照标准进行采购，考虑到市场竞争和经济性，如何解决采用低合金高强度结构钢q460e生产的环锻件易出现抗拉强度、屈服强度、低温冲击不合格，不稳定的问题，是本领域研究的重点。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强高韧性低合金钢环锻件及其制造方法。本发明通过微合金设计，采用细晶元素使产品晶粒细化，沉淀强化。通过锻造制坯和辗环，使产品位错强化，最后经性能热处理，满足高强高韧性等性能要求，合格交付。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种高强高韧性低合金钢环锻件，所述高强高韧性低合金钢环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，所述钢水以重量百分比计，包括如下组分：c：0.15～0.18％，mn：1.25～1.50％，p：≤0.012％，s：≤0.008％，si：≤0.15～0.35％，cr：0.1～0.3％，mo：≤0.10％，ni：0.20～0.40％，cu：≤0.20％，v：0.05～0.10％，nb：≤0.050％，ti：≤0.030％，alt：0.02～0.04％，als：≥0.015％，sn：≤0.008％，as：≤0.008％，sb：≤0.003％，bi：≤0.010％，pb：≤0.010％，余量为fe和杂质；
6.所述低合金钢环锻件中气体成分满足：h：≤1.5ppm，o：≤20ppm，n：≤150ppm；
7.所述低合金钢环锻件的碳当量cev≤0.48％；
8.所述钢水的成分满足nb v ti≤0.18％；mo cr≤0.30％。
9.进一步地，所述高强高韧性低合金钢环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，以重量百分比计，所述钢水包括如下成分：c：0.15％，mn：1.35％，p：0.009％，s：0.004％，si：0.25％，cr：0.16％，mo：0.02％，ni：0.31％，cu：0.08％，v：0.058％，nb：0.004％，ti：0.002％，alt：0.024％，als：0.020％，sn：0.005％，as：0.005％，sb：0.001％，bi：0.0010％，
pb：0.001％，余量为fe和杂质；
10.所述高强高韧性低合金钢环锻件中气体成分满足：h：1.1ppm，o：15ppm，n：56ppm。所述低合金环锻件的cev＝0.45％，所述钢水的成分满足nb v ti＝0.064％，mo cr＝0.18％。
11.进一步地，所述高强高韧性低合金钢环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，以重量百分比计，所述钢水包括如下成分：c：0.16％，mn：1.36％，p：0.010％，s：0.004％，si：0.27％，cr：0.16％，mo：0.02％，ni：0.25％，cu：0.06％，v：0.059％，nb：0.005％，ti：0.002％，alt：0.029％，als：0.029％，sn：0.004％，as：0.006％，sb：0.001％，bi：0.0010％，pb：0.001％，余量为fe和杂质；
12.所述高强高韧性低合金钢环锻件中气体成分满足：h：1.2ppm，o：14ppm，n：58ppm。所述低合金环锻件的cev＝0.46％，所述钢水的成分满足nb v ti＝0.066％，mo cr＝0.18％。
13.进一步地，所述高强高韧性低合金钢环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，以重量百分比计，所述钢水包括如下成分：c：0.17％，mn：1.39％，p：0.008％，s：0.003％，si：0.27％，cr：0.16％，mo：0.01％，ni：0.25％，cu：0.09％，v：0.062％，nb：0.004％，ti：0.001％，alt：0.026％，als：0.020％，sn：0.006％，as：0.005％，sb：0.001％，bi：0.0010％，pb：0.001％，余量为fe和杂质；
14.所述高强高韧性低合金钢环锻件中气体成分满足：h：1.1ppm，o：14ppm，n：55ppm。所述低合金环锻件的cev＝0.47％，所述钢水的成分满足nb v ti＝0.067％，mo cr＝0.17％。
15.一种所述高强高韧性低合金钢环锻件的制造方法，包括如下步骤：
16.(1)将钢锭冷锯水口，水口去除率≥5％；
17.(2)置于燃气炉进行分段式加热处理后，收冒口，去掉冒口；
18.(3)采用三镦两拔方式开坯，冲孔，得到冲孔的钢锭；
19.(4)将步骤(3)冲孔的钢锭通过马架扩孔，碾环得到环锻件粗品；
20.(5)将步骤(4)得到的环锻件粗品进行热处理，冷却得到高强高韧性低合金钢环锻件。
21.进一步地，步骤(2)中，所述分段式加热处理为两段或三段式加热处理；两段式加热处理的过程为：先以≤100℃/h升温至800-900℃，保温3-5h后，再以≤150℃/h升温至1240-1280℃，保温4-5h；所述三段式加热处理的过程为：先以≤150℃/h升温至600-650℃，保温2-4h后，再以≤100℃/h的速度升温至800-900℃，保温4-6h，最后以≤150℃/h升温至1240-1280℃，保温5-8h。
22.进一步地，步骤(3)中，所述三镦两拔的具体过程为：先将钢锭竖立镦粗，镦粗比为1.8-2.2，然后将钢锭旋转90
°
放平进行拔长，拔长比为1.5-1.8；再将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗比为2-2.3，之后将钢锭旋转90
°
放平再次拔长，拔长比为1.6-2.0，最后将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗至钢锭的高度为辗环前钢锭的高度 20mm。
23.进一步地，步骤(4)中，所述马架扩孔是将钢锭的内孔直径扩至800-1500mm。
24.进一步地，步骤(5)中，所述热处理包括正火、冷却、回火。
25.进一步地，所述正火为：先以≤120℃/h升温至890-930℃保温，保温时间为环锻件
粗品的有效公称厚度mm*(1.8-2.0)min/mm；所述冷却为先水冷后空气冷却，空气冷却时的返温温度≤150℃；所述回火是以≤120℃/h升温至560-600℃保温，保温时间为环锻件粗品的有效公称厚度mm*(2.25-2.5)min/mm。
26.进一步地，步骤(2)中，去掉冒口是采用热割垛冒口或冷锯冒口。
27.本发明采用三镦两拔进行开坯锻造，每工步锻比≥1.7，总锻比≥6。
28.进一步地，步骤(3)中，所述冲孔时料损按钢锭重量的1.5-2.0％计算。
29.本发明通过c元素和钢中的合金元素形成的碳化物，是钢中最主要的强化项，能显著提高强度，而且价格低廉，因此将c元素含量控制在本领域所用含量的中上限。mn元素对奥氏体和铁素体都有较强的固溶强化作用，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，提高钢的淬透性、强度。si是钢在冶炼中常用的脱氧剂，将si控制太低，会增加冶炼成本；同时，si具有提高钢的淬透性和抗回火性；si含量较高时会影响钢的焊接性能，甚至导致冷脆。cr元素增加钢的淬透性并有二次硬化作用，所以在残余元素含量的要求范围内添加一些，且cr元素价格便宜，对总体成本影响较少。ni能提高钢的淬透性，同时能组织晶粒长大而细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，提高了钢的塑性和韧性，尤其是低温韧性。但由于ni元素价格贵，所以少许添加。nb元素能显著提高钢的淬透性，微量nb可以在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度，由于nb元素细化晶粒的作用，可以提高钢的冲击韧性和降低其脆性转变温度。v元素固溶于奥氏体中能提高钢的淬透性，提高钢的耐回火性并有强烈的二次硬化作用；有细化晶粒的作用，对低温冲击韧性有利。al元素作为脱氧剂加入钢水中，由于钢水中含有残余的氮，会生产aln，生成的aln有阻碍晶粒长大的作用；al元素对淬透性影响不显著。p元素具有较强的冷作硬化强度，能提高耐大气腐蚀能力，改善钢的切削性能。但在钢中会导致偏析严重，增加钢的回火脆性和冷脆敏感性，同时p元素可以促进晶粒的长大，所以p元素含量尽量控制低。s元素可以改善钢的切削性能，但在钢中偏析严重，恶化钢的性能，如以低熔点的fes形式存在时，导致钢的热脆现象发生，因此，为了防止因s元素导致的热脆，需要较高的mn，而mn在钢中与s元素生成的mns夹杂物，通常被认为是有害的。因此，s元素含量尽量控制低。五大危害元素为pb(铅)、sn(锡)、as(砷)、sb(锑)、bi(铋)。首先，它们的熔点与钢的熔点相比较低，是低熔元素，当钢水凝固了，其还是液态，几乎都不溶于基体，而分布在晶界上；其次，当它们含量超过一定限度，都会明显降低高温机械性能，增加钢的高温脆性，降低钢的强度和韧性，使钢变脆；再次，五大危害元素往往共生于一体，造成严重的偏析，使钢变脆，因此，五大危害元素的含量尽量低。本发明中控制的五大危害元素范围由于现在钢厂设备先进，能够满足。
30.本发明有益的技术效果在于：
31.(1)本发明根据原料中成分的作用不同，通过微合金成分的控制设计，降低了生产成本，具有非常强的市场竞争优势；本发明所用原料是低合金高强度结构钢，主要成分是c、si、mn和冶炼时带来的残余元素，如p、s等，即通过控制各元素的合金成分，既保证了材料的强度，又保证了材料的低温韧性。
32.(2)本发明通过设计锻造开坯工艺，匹配合适的热处理工艺，保障了所制备的环锻件的质量，使产品一次校验率达到100％，避免了返工返修带来的能源浪费，缩短了生产周期和制造成本。
33.(3)本发明通过三镦两拔进行开坯锻造，材料在高温下变形，变形中产生的位错能
够在热加工过程中通过滑移和攀移等方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，奥氏体出现回复。变形量超过临界变形量时发生动态再结晶。因此，圆环状毛坯锻件锻后需冷至350℃以下再装炉做热处理。晶粒粗大对力学性能的影响表现在降低塑性，尤其是降低冲击韧性，对低温冲击韧性的不良影响尤为显著。
34.(4)本发明结合低合金高强度钢主要的强化机制中的固溶强化、珠光体相对量的增加，晶粒细化、位错强化来实现高强高韧性低合金钢环锻件。将钢加热至完全奥氏体化后，p、si、mn、ni、mo、v、cr能固溶于铁素体，能提高强度。nb、v对晶粒细化，al与n结合既细化晶粒又将大部分n去除形成aln，这些细小弥散分布的碳化物、氮化物能够有效的阻碍位错运动，起到弥散强化的作用。回火可以降低和消除正火入水快冷引起的残余内应力，回火温度过高，所添加的合金元素强化作用不足以满足强度要求，因此，本发明结合实际生产中数据的积累，确定了适宜的回火温度范围。
附图说明
35.图1为本发明高强高韧性低合金钢环锻件制造流程图。
36.图2为本发明高强高韧性低合金钢环锻件热处理工艺图。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
38.实施例1
39.一种高强高韧性低合金钢环锻件，所述环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，以重量百分比计，所述钢水包括如下组分：c：0.15％，mn：1.35％，p：0.009％，s：0.004％，si：0.25％，cr：0.16％，mo：0.02％，ni：0.31％，cu：0.08％，v：0.058％，nb：0.004％，ti：0.002％，alt：0.024％，als：0.020％，sn：0.005％，as：0.005％，sb：0.001％，bi：0.0010％，pb：0.001％，余量为fe和杂质；
40.所述低合金钢环锻件中气体成分满足：h：1.1ppm，o：15ppm，n：56ppm；
41.所述低合金环锻件的cev＝0.45％，所述钢水中各成分满足：nb v ti＝0.064％，mo cr＝0.18％。
42.所述低合金钢环锻件的制备方法包括如下步骤：
43.(1)用锯床，将钢锭冷锯水口，水口去除率5％；
44.(2)将钢锭置于燃气炉进行分段式加热处理，所述分段式加热处理为三段式加热处理：先以100℃/h升温至650℃，保温3h后，再以80℃/h的速度升温至850℃，保温4h，最后以150℃/h升温至1250℃，保温6h。
45.收冒口后，用剁刀去掉冒口；
46.(3)采用三镦两拔方式开坯，所述三镦两拔的具体过程为：先将钢锭竖立镦粗，镦粗比为2.0，然后将钢锭旋转90
°
放平进行拔长，拔长比为1.8；再将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗比为2.2，之后将钢锭旋转90
°
放平再次拔长，拔长比为1.7，最后将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗至钢锭的高度为辗环前钢锭的高度 20mm。冲孔，得到冲孔的钢锭；
47.(4)将冲孔的钢锭进行马架扩孔将钢锭的内孔直径扩至1000mm然后将钢锭放平，平整端面至辗环前钢锭的设计尺寸；1250℃下回炉保温，保温的时间按照有效公称厚度进
行计算，以0.2min/mm进行保温，然后碾环，轧制至所需尺寸；
48.(5)然后按表1的条件进行热处理，冷却得到高强高韧性低合金钢环锻件。
49.实施例2
50.实施例2与实施例1相同，不同仅在于环锻件制备方法的步骤(5)中所用热处理条件，实施例2的热处理条件如表1所示。
51.实施例3
52.一种高强高韧性低合金钢环锻件，所述环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，以重量百分比计，所述钢水包括如下组分：c：0.16％，mn：1.36％，p：0.010％，s：0.004％，si：0.27％，cr：0.16％，mo：0.02％，ni：0.25％，cu：0.06％，v：0.059％，nb：0.005％，ti：0.002％，alt：0.029％，als：0.029％，sn：0.004％，as：0.006％，sb：0.001％，bi：0.0010％，pb：0.001％，余量为fe和杂质；
53.所述低合金钢环锻件中气体成分满足：h：1.2ppm，o：14ppm，n：58ppm；
54.所述低合金环锻件的cev＝0.46％，所述钢水中各成分满足：
55.nb v ti＝0.066％，mo cr＝0.18％。
56.所述低合金钢环锻件的制备方法包括如下步骤：
57.(1)用锯床，将钢锭冷锯水口，水口去除率5.5％；
58.(2)将钢锭置于燃气炉进行分段式加热处理，所述分段式加热处理为两段式加热处理：先以90℃/h升温至850℃，保温3h后，再以120℃/h升温至1250℃，保温4h；收冒口后，用剁刀去掉冒口；
59.(3)采用三镦两拔方式开坯，所述三镦两拔的具体过程为：先将钢锭竖立镦粗，镦粗比为1.8，然后将钢锭旋转90
°
放平进行拔长，拔长比为1.5；再将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗比为2，之后将钢锭旋转90
°
放平再次拔长，拔长比为1.6，最后将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗至钢锭的高度为辗环前钢锭的高度 20mm。冲孔，得到冲孔的钢锭；
60.(4)将冲孔的钢锭进行马架扩孔将钢锭的内孔直径扩至800mm然后将钢锭放平，平整端面至辗环前钢锭的设计尺寸；回炉保温，保温的时间按照有效公称厚度进行计算，以0.15min/mm进行保温，然后碾环，轧制至所需尺寸；
61.(5)然后按表1的条件进行热处理，冷却得到高强高韧性低合金钢环锻件。
62.实施例4
63.实施例4与实施例3相同，不同仅在于环锻件制备方法的步骤(5)中所用热处理条件，实施例4的热处理条件如表1所示。
64.实施例5
65.一种高强高韧性低合金钢环锻件，所述环锻件是以钢水冶炼得到的钢锭为原料，以重量百分比计，所述钢水包括如下组分：c：0.17％，mn：1.39％，p：0.008％，s：0.003％，si：0.27％，cr：0.16％，mo：0.01％，ni：0.25％，cu：0.09％，v：0.062％，nb：0.004％，ti：0.001％，alt：0.026％，als：0.020％，sn：0.006％，as：0.005％，sb：0.001％，bi：0.0010％，pb：0.001％，余量为fe和杂质；
66.所述低合金钢环锻件中气体成分满足：h：1.1ppm，o：14ppm，n：55ppm；
67.所述低合金环锻件的cev＝0.47％，所述钢水中各成分满足：nb v ti＝0.067％，mo cr＝0.17％。
68.所述低合金钢环锻件的制备方法包括如下步骤：
69.(1)用锯床，将钢锭冷锯水口，水口去除率5％；
70.(2)将钢锭置于燃气炉进行分段式加热处理，所述分段式加热处理为三段式加热处理；所述三段式加热处理是先以90℃/h升温至600℃，保温4h后，再以100℃/h的速度升温至850℃，保温5h，最后以130℃/h升温至1250℃，保温8h。
71.收冒口后，用剁刀掉冒口；
72.(3)采用三镦两拔方式开坯，所述三镦两拔的具体过程为：先将钢锭竖立镦粗，镦粗比为2.2，然后将钢锭旋转90
°
放平进行拔长，拔长比为1.5；再将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗比为2.3，之后将钢锭旋转90
°
放平再次拔长，拔长比为2.0，最后将钢锭旋转90
°
竖立并进行镦粗，镦粗至钢锭的高度为辗环前钢锭的高度 20mm。冲孔，得到冲孔的钢锭；
73.(4)将冲孔的钢锭进行马架扩孔将钢锭的内孔直径扩至1500mm然后将钢锭放平，平整端面至辗环前钢锭的设计尺寸；回炉保温，保温的时间按照有效公称厚度进行计算，以0.2min/mm进行保温，然后碾环，轧制至所需尺寸；
74.(5)然后按表1的条件进行热处理，冷却得到高强高韧性低合金钢环锻件。
75.实施例6
76.实施例6与实施例5相同，不同仅在于环锻件制备方法的步骤(5)中所用热处理条件，实施例6的热处理条件如表1所示。
77.表1
78.[0079][0080]
测试例：
[0081]
按照各大船级社船检要求或相关国家标准对实施例1-6制备的低合金环锻件取样后，进行理化性能测试。按照gb/t228用万能试验机测定拉伸强度、测定屈服强度、测定伸长率、测定收缩率；按照gb/t229用冲击试验机测定冲击功；用布氏硬度机测定硬度，测试结果如表2所示，测试合格方可按图施工。
[0082]
表2
[0083][0084]
由表2可知，正火快冷加回火热处理能够满足产品最终的技术要求，其中最适合的正火温度为930℃，回火温度为570℃，即淬火温度高一点，回火温度低一点，稳定性更佳。
[0085]
本发明所述的钢的成分组成，经过匹配的热处理工艺，能够满足产品高强度、高屈服、高冲击韧性的要求。本发明内控成分不会对原材料价格涨幅较大，但后期实际生产产品的一次合格率将大大提升，节约了成本和缩短了产品交付周期，提高了市场竞争力。
[0086]
本发明具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，凡是利用本发明说明书内容所作出的等效结构或等效流程变化，或直接或间接的运用在其他相关
的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。