一种含铈的离心球墨铸管管模用钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含铈的离心球墨铸管管模用钢及其制备方法，属于钢铁材料领域。本发明专利技术在21CrMo10钢中添加铈元素，并进行成分优化。铈的添加提高了钼在钢中的活度，增强了钼的作用，起到了复合合金化的作用；铈本身也可以提高钢的高温力学性能和耐蚀性，铈还可以同时提高钢的抗高温氧化性能；铈可以细化晶粒，进一步提高钢的强韧性，进而提高钢的热疲劳寿命。添加的铈元素在钢中含量不大，通过成分优化，降低了钼的含量，生产成本还略有降低。 1

【技术实现步骤摘要】
一种含铈的离心球墨铸管管模用钢及其制备方法
本专利技术涉及一种含铈的离心球墨铸管管模用钢及其制备方法，属于钢铁材料领域。
技术介绍
因其优良的使用性能和低廉的价格，球墨铸管被广泛应用于水、气、油的运输，21CrMo10是用量较大的离心球墨铸管浇注管模用钢，有着广阔的市场前景。管模的使用环境恶劣，浇注中铁水因离心作用而敷在管模内壁上，使管模温度急剧升高，而外表面通循环水冷却以降低温度。温度的变化引起应力的交替变化，服役一段时间后将出现热疲劳，最终形成大面积龟裂。国家标准GB/T25715-2010《离心球墨铸管管模》中规定：21CrMo10钢工件的屈服强度Rp0.2≥680MPa，抗拉强度Rm≥780MPa，断面收缩率Z≥50％，伸长率A≥12％，冲击功KU2≥50J。用户更是对管模材料提出了更苛刻的要求，除了更高的力学性能外，还要求有更长的热疲劳寿命。研究表明，热疲劳寿命与强度、冲击功存在对应关系，强度和冲击功越高，热疲劳寿命越长。综上所述，管模用钢的进一步强韧化和热疲劳寿命的提高，成为材料工作者亟待解决的问题。根据以往的研究成果，稀土元素可以深度净化钢液，降低有害夹杂物的含量并改性夹杂物，固溶在钢中可以起到部分固溶强化的作用，还可以细化晶粒，提高钢的强度和韧塑性。但是，以往对稀土在管模用钢中研究较少，因此，我们提出在管模用钢中添加稀土元素铈，提高钢的屈服强度、抗拉强度和冲击功，进而提高其热疲劳寿命，开发出高性能含稀土管模用钢，满足用户需求。我国是钢铁生产大国，钢产量二十余年来一直稳居世界第一位，但是我国还不是钢铁强国，高品质的钢材需要大量进口。同时我国是稀土生产大国，稀土产量在世界上处于绝对领先，但是，我们对稀土在材料中的应用研究不足，大量稀土以低廉的价格向国外出口。同时，稀土矿是不可再生资源，低廉、大量地出口只会损害本国的稀土工业和相关产业，怎样在国内高效利用稀土元素也成为亟待解决的问题。用户对管模材质的要求越来越高，要求其具有更高的强韧性并具备更长的热疲劳寿命，怎样对21CrMo10进行改良是材料工作者的研究热点。21CrMo10钢中Cr元素起到提高钢的高温力学性能、耐蚀性和淬透性的作用，Mo元素提高钢的淬透性和高温强度并提高钢的抗回火稳定性，但是Mo元素价格昂贵，对钢的强韧性提高有限。本专利技术的创造性在于在21CrMo10钢中添加铈元素，并进行成分优化。铈的添加提高了钼在钢中的活度，增强了钼的作用，起到了复合合金化的作用；铈本身也可以提高钢的高温力学性能和耐蚀性，铈还可以同时提高钢的抗高温氧化性能；铈可以细化晶粒，进一步提高钢的强韧性，进而提高钢的热疲劳寿命。添加的铈元素在钢中含量不大，通过成分优化，降低了钼的含量，生产成本还略有降低。本专利技术在21CrMo10管模用钢中添加铈元素并进行成分优化，钼铈复合对材料进行强韧化，进而提高管模的热疲劳寿命。在钢中使用添加稀土元素生产高品质钢种，为稀土元素在钢铁材料中的应用开辟出一条新的途径。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种含铈的离心球墨铸管管模用钢。21CrMo10是常见的管模用钢，但是其强韧性和抗热疲劳寿命有待于进一步提高。本专利技术以21CrMo10钢为基础，首次将稀土元素铈加入到管模用钢中并进行成分优化，铈与钼等元素起到了复合合金化的作用，细化晶粒，提高了钢的强韧性和热疲劳寿命。上述管模用钢，其化学成分按照质量百分数计算为：C0.17％～0.25％，Mn0.20％～0.40％，Si0.20％～0.50％，Ni≤0.50％，Cr2.40％～2.70％，Ce0.05％，Mo0.25％～0.30％，P≤0.030％，S≤0.015％，余量为Fe。上述管模用钢的制备方法，其特征在于：a)所用冶炼设备真空感应炉，坩埚材质为MgO，可在真空室内进行钢锭浇注，具备真空状态下三次加合金的功能。为了保证不受坩埚残余冷钢的影响，冶炼前采用工业纯铁洗炉两次。将称好的工业纯铁、金属钼、废石墨电极、金属铬装入真空感应炉的坩埚内，抽真空，通电冶炼，熔清20min后加入硅铁、金属锰，然后加入铝脱氧，提高炉温至出钢温度，添加稀土金属铈后出钢，在真空室内完成钢锭浇注，浇注完后破真空。进一步地，为了防止真空下C-O反应剧烈导致的喷溅，从装料到炉料全部熔清5min，真空度控制在200Pa。进一步地，炉料熔清5min后，将真空度提高至30Pa并保持15min，然后充氩气使炉内压力增至0.04MPa，添加硅铁、金属锰，2min后添加铝脱氧。进一步地，提高炉温至出钢温度至1570℃，添加稀土金属铈，1min后出钢，在真空室内完成钢锭浇注，浇注完5min后破真空，开罐将钢锭模吊出，脱模取出钢锭。b)合金加料顺序。开始装炉时加入废石墨电极块、金属铬、金属钼和工业纯铁至坩埚内，熔清20min后加入硅铁、金属锰，然后加入铝脱氧，浇注钢锭前1min加入金属铈。c)真空操作制度。为防止喷溅，一开始装炉至熔清后5min，真空度保持在200Pa；为了保证脱氧需求，熔清5min后将真空度提高至30Pa保持15min，后充0.04MPa的氩气；浇注完5min后破空。专利技术的该钢种，将铈加入到管模用钢21CrMo10中，其优势是显而易见的。铈与钼等元素起到复合合金化的作用，可以细化晶粒，提高钢的强度和韧塑性，还可以提高热作模具钢的热疲劳寿命，满足用户需求。具体实施方式实施例1采用25kg真空感应炉冶炼，感应炉坩埚材质为MgO，在真空室内可进行钢锭浇注，感应炉具备真空状态下三次加合金料装置。冶炼的原料有工业纯铁、金属锰、金属钼、金属铈、铝、硅铁和废石墨电极(用作C的成分调整)等。为了防止前期冶炼的不同钢种残留在坩埚内的冷钢对本试验钢成分带来干扰，冶炼前用工业纯铁“洗炉”两次。冶炼前，按照钢锭21kg精确称取合金，精确配料，确保冶炼成分在控制范围内。将称好的工业纯铁、金属镍、金属钼、废石墨电极装入坩埚内，抽真空，通电冶炼，为了防止真空下C-O反应剧烈导致的喷溅，从装料至炉料全部熔清后5min，真空度控制在200Pa。随后，将真空度提高至30Pa并保持15min进行精炼。然后充氩气至0.04MPa，添加硅铁、金属锰，2min后添加铝脱氧。提高炉温至出钢温度1570℃，添加稀土金属铈，1min后出钢，在真空室内完成钢锭浇注，浇铸成21kg的钢锭，浇注完5min后破真空，开罐将钢锭模吊出，脱模取出钢锭。材料锻造成2cm厚、15cm宽的钢板，进行一系列的热处理并最终正火，加工力学性能测试试样和热疲劳试验试样。根据后期测试结果，本专利技术的管模用钢，屈服强度达到858MPa，抗拉强度达到964MPa，冲击功达到203J，延伸率19％，断面收缩率69％，均超过国家标准。与未添加铈的试验钢相比较，在塑性指标未降低的情况下，屈服强度和抗拉强度均提高了15％以上，起到了进一步强韧化的目的。钢的晶粒度达到8～9级，较未添加稀土的晶粒度提高了1～2级；热疲劳寿命较未添加稀土的管模用钢提高了30％以上；同时注意Ce必须控制0.05％，高于或低于0.05％，热疲劳寿命不能提高，屈服强度和抗拉强度最高也只能提高到10％。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含铈的离心球墨铸管管模用钢，其特征在于，在21CrMo10钢中添加铈元素，并进

【技术特征摘要】
1.一种含铈的离心球墨铸管管模用钢，其特征在于，在21CrMo10钢中添加铈元素，并进行成分优化；铈的添加提高了钼在钢中的活度，增强了钼的作用，起到了复合合金化的作用；铈本身也可以提高钢的高温力学性能和耐蚀性，铈还可以同时提高钢的抗高温氧化性能；铈可以细化晶粒，进一步提高钢的强韧性，进而提高钢的热疲劳寿命；添加的铈元素按照质量百分数计算控制在5％，通过成分优化，降低了钼的含量，Mo控制在0.25％～0.30％，生产成本降低。2.如权利要求1所述的一种含铈的离心球墨铸管管模用钢，其特征在于，所述含铈的离心球墨铸管管模用钢，其化学成分按照质量百分数计算为：C0.17％～0.25％，Mn0.20％～0.40％，Si0.20％～0.50％，Ni≤0.50％，Cr2.40％～2.70％，Ce0.05％，Mo0.25％～0.30％，P≤0.030％，S≤0.015％，余量为Fe。3.如权利要求1所述的一种含铈的离心球墨铸管管模用钢的制备方法，其特征在于，将称好的工业纯铁、金属钼、废石墨电极、金属铬装入真空感应炉的坩埚内，抽真空，通电冶炼，熔清20min后...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚波，赵继朋，孙国辉，王董浩，郭愚，于超，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32