一种结构用Cu时效型高强铸钢及其制备方法技术

一种结构用Cu时效型高强铸钢，该铸钢由以下质量百分比的化学成分构成：0.05～0.08%的C，0.5～1%的Mn，0.2～0.4%的Si，1.2～1.8%的Cu，0.2～0.6%的Cr，1.5～2%的Ni以及0.04

【技术实现步骤摘要】
一种结构用Cu时效型高强铸钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料
，具体的说是一种结构用Cu时效型500MPa级高强铸钢及其制造方法。

技术介绍

[0002]微合金化低碳高强钢（HSLA）占世界钢产量的15%左右，与通过淬火+回火型热处理形成马氏体回火组织（回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体）获得的高强钢相比，微合金钢的强化主要依赖于第二相析出而非提高淬透性和淬硬性。当轧制工艺合适时，可获得细小铁素体或贝氏体晶粒及高密度纳米第二相，钢的屈服强度最高可超过1200MPa，其合金元素含量大大低于同强度级别淬火+回火类钢，有利于焊接性的改善及成本的降低，因此许多行业和工况中采用控轧控冷实现沉淀强化的HSLA钢已经替代传统淬火+回火型钢。
[0003]对于船舶、石化、海工、建工等领域，大刚性结构部位往往需要采用大壁厚铸钢，这些铸钢对强韧性、焊接性等综合性能要求较高。为保证高强度和淬透性，淬火+回火型铸钢需要提高C和合金元素含量，但对韧性和焊接性产生不利影响。因存在这一矛盾，大壁厚铸钢难以同时兼顾材料的强韧性、热处理和焊接工艺性。与控轧控冷成型的钢板相比，铸钢内部位错密度少，且没有形变诱发细晶和第二相粒子形核过程，单纯依靠成分设计和热处理工艺调节，实现高密度纳米第二相析出强化难度很大。正因为微合金低碳铸钢性能调控手段有限，目前相关研究较HSLA钢板少得多。国内现有公开的技术中显示，结构用非淬火+回火型微合金铸钢件屈服强度一般不超过450MPa，其韧性水平较低，通常只考察U型夏比低温冲击韧性或者室温V型夏比冲击韧性。由于铸钢内位错密度低，提高非淬火+回火型微合金铸钢强度可行路线有细晶强化和沉淀强化。但即使采用多种工艺措施，砂型铸造的成品铸件晶粒度也很难达到9级以上；微合金铸钢主要采用单一类型的碳氮化物或硼化物作为强化相，这些相硬脆性较大，且与基体为半共格或非共格关系，由于析出强化效果与第二相的体积分数的二分之一次方成正比，与第二相颗粒的尺寸成反比，而这些强化相的尺寸容易超过临界半径，因此，微合金铸钢的析出强化通常为位错绕过机制，其强化效果较位错切过机制大大降低，而通过增加体积分数则需要添加更多的C和微合金元素，损害韧性和焊接性。目前450MPa以上级别的微合金铸钢件有相当比例的热处理方式为淬火+回火，形成回火马氏体或者回火屈氏体获得高强度而非依赖沉淀强化，这种组织的铸钢通常尺寸较小，大部分用于机械结构中，其添加微合金元素的主要目的是在保证铸件淬透性和强韧性的同时细化晶粒、降低成本。
[0004]作为钢的一种合金元素，Cu可提高耐蚀性，另外由于Cu在γ
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Fe和α
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Fe中的溶解度差异大，故易于时效析出形成单质相。理论上Cu稳态基体为FCC型，与α
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Fe基体满足KS关系，但对富Cu相Thermocalc计算和试验结果表明FCC结构Cu单质析出时倾向于先析出亚稳相，随后转变为KS关系。大量APT试验结果表明过饱和Cu固溶后，在450
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650℃的时效过程中会有球形的亚稳含Cu时效相从基体析出，时效相晶体结构为BCC，当时效相直径达到4
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12nm的临界值时BCC结构的Cu时效相会发生马氏体转变，依次形成3R和9R孪晶相，并最终形成杆状
的具有FCC晶体结构的ε
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Cu相。由于10nm以下纳米相具有很强的沉淀强化效果，且Cu质软，位错容易切过，因此时效Cu是一种能兼顾强韧性的良好强化相。美国在20世纪80年代起就相继改进研制成功了HSLA系列铜时效硬化钢，强度级别从440MPa到780MPa，其可焊接性能好，广泛应用于美军水面舰艇结构中；美军BA
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160抗爆钢也大量使用Cu元素，其强度超过1200MPa。此外美国US4634476公开了一种含Cu铸钢，其元素质量百分数为C：0.07
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0.12%；Si：0.20
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0.60%；Mn：0.90
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1.20%；Mo：0.3
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0.5；Ni：1.5～1.8；Cr≤0.35%；Cu≤0.35%；V：0.05
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0.1%的铸钢，其屈服强度为450
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655MPa；抗拉强度为620
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795MPa；
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40℃KV2可达54J至95J，根据专利文本，该材料主要用于美国军舰制造，目的就是用来替代HY80和HY100铸钢，但从其成分热力学计算结果看，其含Cu相并非是主强化相，而是为了替代部分碳化物以降低其对韧性的危害。
[0005]总结国内含Cu钢发展情况以及论文专利情况。目前国内含Cu钢主要也以高强船板为主，此外CN102776449B公布了一种大壁厚含Cu铸钢ZG10MnNiCu，其化学成分质量百分比为：C：0.07～0.12；Si：0.15～0.40；Mn：0.6～1.0；S≤0.015；P≤0.020；Ni：1.5～1.8；Cr≤0.30；Cu：0.8～1.2；余量为Fe和不可避免的杂质，主要是用于船舶结构的建造。该材料虽然添加了较多的C以保证强度，但其Rp0.2指标不算高，只有370MPa，
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40℃夏比冲击指标值27J，一般在27J至110J左右。除上述外，未见国内有其它含Cu钢专利报导。
[0006]为将Cu时效型铸钢屈服强度等级进一步提高，并保证有较高的低温韧性以适应较大尺寸结构铸件常规工艺下的低成本制造，需要对铸钢材料进行成分和热处理工艺的重新设计。本专利所涉铸钢Rp0.2≥500MPa，
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40℃KV2值至少64J，热处理工艺合适时可达到150J以上。强韧性水平高于现有论文及专利中的Cu时效型铸钢。

技术实现思路

[0007]本专利技术的技术目的为：通过微合金低碳铸钢中化学成分的调整，以及热处理工艺方法的改进，制备并提供一种屈服强度Rp0.2≥500MPa；0℃KV2≥150J；
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40℃KV2≥64J，韧性和焊接性能优异，可满足船舶工业、海洋工程、矿山、电力及机械工程等领域使用要求的Cu时效型高强铸钢。
[0008]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种结构用Cu时效型高强铸钢，该铸钢由以下质量百分比的化学成分构成：0.05～0.08%的C，0.5～1%的Mn，0.2～0.4%的Si，1.2～1.8%的Cu，0.2～0.6%的Cr，1.5～2%的Ni以及0.04
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0.08%的Nb或0.03
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0.06%的V，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
[0009]一种结构用Cu时效型高强铸钢的制备方法，包括以下步骤：步骤一、取合金原料置于电弧炉或感应炉中进行冶炼，使冶炼后所得钢液的化学成分与成品高强铸钢中的各化学成分相比，既满足铸钢化学成分要求，又满足GB 222中关于化学成分允许偏差的要求；步骤二、对步骤一制得的钢液进行砂型浇注，控制浇注温度为1540
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构用Cu时效型高强铸钢，其特征在于，该铸钢由以下质量百分比的化学成分构成：0.05～0.08%的C，0.5～1%的Mn，0.2～0.4%的Si，1.2～1.8%的Cu，0.2～0.6%的Cr，1.5～2%的Ni以及0.04
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0.08%的Nb或0.03
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0.06%的V，余量为Fe和不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的一种结构用Cu时效型高强铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、取合金原料置于电弧炉或感应炉中进行冶炼，使冶炼后所得钢液满足铸钢化学成分要求，如需复验铸钢成品化学成分，则与熔炼成分相比，成品化学成分应满足GB 222中关于化学成分允许偏差的要求；步骤二、对步骤一制得的钢液进行砂型浇注，控制浇注温度为1540
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1580℃，制得铸件试样，备用；步骤三、将步骤二制得的铸件试样置于980
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1100℃温度条件下，进行均匀化处理，使铸件试样中的偏析得到消除；步骤四、对完成均匀化处理的铸件试样进行正火处理，设定正火温度为860
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940℃，保温时间为30min+D
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【专利技术属性】
技术研发人员：成应晋，何亮，马晓阳，丁鹏龙，何磊，吴松林，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：