本發(fā)明屬于冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
，主要涉及一種高性能低合金殼體用鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：目前，國內(nèi)外殼體用超高強(qiáng)度鋼大致分成兩類。一類是以低合金超高強(qiáng)度鋼為主，其強(qiáng)度級別在1400mpa以上，斷裂韌性在以上，代表鋼種為d6ac和30si2mncrmova等，該類殼體用鋼由于合金元素含量低，熱加工工藝簡單，因此制造成本相對低廉，但韌性不高是制約此類鋼被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。另一類是以高合金馬氏體時(shí)效鋼為主，其強(qiáng)度級別在1700mpa以上，斷裂韌性在以上，代表鋼種為c250和t250等，該類殼體用鋼雖然具有非常優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合，但由于材料中ni、co等貴重合金元素含量高，因此制造成本很高是制約其廣泛應(yīng)用的主要因素。表1：上表1中列出了現(xiàn)有技術(shù)中三種鋼的化學(xué)成分對比，以下為其具體情況說明：上述表格中，公開號為cn101078088a的專利申請公開了一種低合金超高強(qiáng)度鋼及其熱處理工藝，該鋼的抗拉強(qiáng)度rm高達(dá)2000mpa以上，沖擊韌性aku最高達(dá)30j，但沒有給出斷裂韌性數(shù)據(jù)，該鋼的不足之處是al含量很高，鋼水在澆注時(shí)水口容易結(jié)瘤，且容易將鋼包水口耐火材料帶入鋼水；同時(shí)過高的al會造成鋼中氧化鋁夾雜顯著增多，極有可能使鋼的韌性指標(biāo)顯著降低。上述表格中，公開號為cn1390972a的專利申請公開了一種低合金超高強(qiáng)度鋼，該發(fā)明鋼具有合金元素少，合金含量低，生產(chǎn)工藝簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其抗拉強(qiáng)度只有1000-1300mpa，屈服強(qiáng)度只有860-1200mpa。上述表格中，公開號為cn101481779a的專利申請公開了一種高塑性高韌性超高強(qiáng)度鋼及其制造方法，該發(fā)明鋼主要是通過精確控制淬火馬氏體的回火工藝，充分利用超細(xì)化回火板條馬氏體/納米級沉淀相復(fù)相組織來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化、塑化和韌化效果，但其抗拉強(qiáng)度只有970-1255mpa，屈服強(qiáng)度只有900-1200mpa。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種高性能、低成本的低合金殼體用鋼。其所要解決的技術(shù)問題可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)施。一種高性能低合金殼體用鋼，按重量百分比，其化學(xué)成分配比如下：c：0.28～0.35％si：0.90～1.20％mn：0.45～0.75％cr：2.80～3.20％ni：1.20～1.50％mo：0.85～1.05％v：0.08～0.15％nb：0.08～0.15％p：≤0.010％s：≤0.005％；其余為fe和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素的總量低于0.05wt％。采用上述技術(shù)方案得到的高性能低合金殼體用鋼具有以下特性：其中的c可以保證鋼室溫強(qiáng)度和淬透性。而當(dāng)碳含量低于0.25％時(shí)淬透性和強(qiáng)度不夠，高于0.40％則韌性變壞。本鋼材優(yōu)選的c含量為0.28～0.35％，其能夠保證鋼材具有必要的強(qiáng)度和韌性。其中的si對滲碳體的析出和長大有強(qiáng)烈的抑制作用，能延緩馬氏體的脫溶分解，顯著提高鋼的回火穩(wěn)定性，并能使鋼的低溫回火脆性溫度區(qū)上移。而當(dāng)si含量低于0.85％時(shí)作用不明顯，高于1.30％時(shí)，使脫碳敏感性增加。其中的mn能增加奧氏體的穩(wěn)定性，降低ms點(diǎn)，提高淬透性。而當(dāng)mn含量低于0.40％時(shí)，作用不明顯，高于0.80％以上，晶粒容易粗化且增加裂紋敏感性。其中的cr具有強(qiáng)烈提高淬透性的性能，能阻礙奧氏體的轉(zhuǎn)變，推遲珠光體的形核和長大，促進(jìn)低溫組織貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變，提高鋼的強(qiáng)度。而cr含量低于2.80％時(shí)，淬透性不足，高于3.20％時(shí)，則容易形成大顆粒狀碳化物，降低韌性。而ni的加入則可改變鋼的位錯(cuò)滑移方式，使位錯(cuò)繞過障礙物，避免產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，因而不易產(chǎn)生解理斷裂，同時(shí)可增強(qiáng)基體交叉滑移能力，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，提高韌性。當(dāng)ni低于1.20％時(shí)，對韌性的改善不明顯，ni含量過高則成本明顯增加。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，ni的重量百分比優(yōu)選1.30～1.45％。當(dāng)鋼中同時(shí)存在cr、mn、ni等合金元素時(shí)，會促進(jìn)回火脆性的增加，本發(fā)明通過加入一定量的mo來改善回火脆性，同時(shí)mo也可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性，但大量mo的添加會增加成本，并降低韌性。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，mo的重量百分比優(yōu)選0.90～1.0％。其中的v在鋼中主要起沉淀強(qiáng)化作用，適量的v細(xì)化晶粒組織，可提高鋼的強(qiáng)度和塑性，v太高會顯著降低鋼的塑韌性。其中的nb主要能細(xì)化鋼的晶粒，加入后可增大碳化物的穩(wěn)定性，當(dāng)加熱到較高溫度時(shí)，仍有細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)保留在鋼中，具有較強(qiáng)的阻止奧氏體晶粒長大的作用，因而可細(xì)化馬氏體組織，改善回火回火馬氏體的韌性，提高鋼的解理斷裂應(yīng)力。當(dāng)加入量低于0.08％時(shí)，效果不明顯，超過0.15％時(shí)，由于析出物粗化而使性能惡化。另外，由于p、s在一般鋼中均為有害元素，p、s過高對材料的韌性和塑性均有不利影響，因此本發(fā)明限定p≤0.010％，s≤0.005％。本發(fā)明提供的高性能低合金殼體用鋼克服了現(xiàn)有材料強(qiáng)韌性不高或是強(qiáng)韌性較高但成本很高的缺點(diǎn)，其采用低合金成分設(shè)計(jì)達(dá)到高性能特點(diǎn)，具有顯著的成本優(yōu)勢。通過添加v、nb等元素，依靠細(xì)晶強(qiáng)韌化和沉淀強(qiáng)化作用，極大地提高鋼的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題在于提供一種前述高性能低合金殼體用鋼的制造方法。其所要解決的技術(shù)問題可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)施。一種高性能低合金殼體用鋼的制造方法，包括如下工藝流程：(1)、eaf冶煉；(2)、lf精煉；(3)、vd真空處理；(4)、澆注；(5)、電渣重熔；(6)、鍛造成材；(7)、熱處理。進(jìn)一步，所述eaf冶煉過程包括如下工藝要求：a、eaf氧化期扒渣去p，扒渣要干凈，防止回p，出鋼控制p≤0.005％；b、出鋼前進(jìn)行合金化，確保全熔。例如，所述eaf冶煉包括如下具體工藝條件：a、出渣條件：溫度t≥1650℃，p≤0.004％；b、出渣完畢加脫氧劑0.5-1kg/t預(yù)脫氧，然后加石灰200-300kg、螢石適量，化渣均勻；c、出鋼溫度t≥1640℃。也進(jìn)一步，所述lf精煉過程包括如下工藝要求：a、還原期進(jìn)行脫s和脫氧操作，確保爐渣流動性良好和渣色變白，白渣保持時(shí)間≥30分鐘；b、ar氣流量控制以鋼水不翻出渣面為原則；c、鋼包進(jìn)vd爐抽氣前倒掉鋼包中渣子的70-80％；d、出鋼控制s≤0.003％。例如，所述lf精煉過程包括如下具體工藝條件：a、通電加熱，按規(guī)格要求進(jìn)行合金化，分批補(bǔ)加石灰100-300kg/批，共加2-3批，渣面加sife粉和c粉進(jìn)行脫氧操作；b、ar氣流量控制為40-60nl/min；c、鋼包進(jìn)后續(xù)vd爐抽氣前倒掉鋼包中渣子的70-80％。還進(jìn)一步，所述vd真空處理過程包括如下工藝要求：a、控制vd爐內(nèi)真空度≤66.7pa，保持時(shí)間≥20分鐘；b、真空結(jié)束后底吹ar弱攪拌時(shí)間≥10分鐘；c、吊包前嚴(yán)格控制供氬強(qiáng)度，不使鋼液暴露在空氣中；d、通過真空處理盡可能降低鋼中的氣體含量。例如，所述vd真空處理過程包括如下具體工藝條件：a、控制vd爐內(nèi)真空度時(shí)ar流量≥70nl/min；b、真空結(jié)束后底吹ar流量控制40-60nl/min；c、吊包溫度為1540-1550℃。也進(jìn)一步，所述澆注過程包括如下工藝要求：a、使用大氬氣保護(hù)澆注電極棒，防止鋼水被二次污染；b、澆注溫度控制在液相線溫度以上50-60℃，以確保低的凝固偏析。其中，所述澆注溫度優(yōu)選控制在1530-1540℃。同樣的，所述電渣重熔過程可以包括如下工藝要求：a、將電極棒重熔成鋼錠；b、采用二元渣系caf2∶al2o3＝70％∶30％(重量百分比)，進(jìn)一步脫s和去除夾雜物，并使鑄態(tài)組織均勻致密。更進(jìn)一步，所述電渣重熔過程包括如下具體工藝條件：a、冶煉電壓為56-65v，冶煉電流為9000-12000a；b、渣量控制在100-130kg。類似的，所述鍛造過程可以包括如下工藝要求：a、鍛造采用鐓拔分段式操作工藝，根據(jù)鋼錠尺寸和殼體坯料尺寸確定中間坯料的尺寸；b、鍛造前將鋼錠加熱至1190-1210℃，保證奧氏體均勻化；c、鍛造時(shí)先將鋼錠拔長，然后下料段，隨后將料段回爐加熱，加熱溫度按1130-1150℃控制，保溫時(shí)間根據(jù)中間坯料尺寸而定，將料段鐓粗至原高度的1/4-1/2，然后再徑向鍛造至最終坯料規(guī)格，控制停鍛溫度≥820℃，通過控制變形量和停鍛溫度來獲得細(xì)晶組織。更進(jìn)一步，所述鍛造前的鋼錠加熱為先在600℃保溫1-1.5h，然后以≤100℃/h升溫至1190-1210℃，保溫2-4h。同樣，所述熱處理可以包括淬火和回火，其中淬火溫度為910-930℃油淬，回火溫度為240-260℃空冷。優(yōu)選的，所述淬火保溫0.5-1h，所述回火保溫3-5h。采用上述技術(shù)制造方法得到的高性能低合金殼體用鋼具有較好的強(qiáng)韌性配合及更高的經(jīng)濟(jì)性，特別是通過真空精煉加電渣重熔工藝，提高鋼的純凈度和組織均勻性，達(dá)到高純度高均勻性的要求，實(shí)現(xiàn)了鋼高韌化的前提和基礎(chǔ)。再通過鐓粗增大鍛造比及低的終鍛溫度，保證獲得細(xì)小均勻的組織，即達(dá)到高強(qiáng)度、高韌性的良好配合，能保證材料的性能得到明顯改善，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足高性能殼體用鋼的要求，在航空航天等國防尖端領(lǐng)域存在著廣泛而迫切的應(yīng)用需求前景。本發(fā)明通過成分設(shè)計(jì)、真空精煉和電渣重熔等高純度冶煉技術(shù)及特殊的鍛造成形技術(shù)，使鋼獲得高純度和優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合。該鋼的研制成功，不僅滿足在研和現(xiàn)有航空和航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊?，也為今后殼體用鋼向高性能低成本發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對推動航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。具體實(shí)施方式通過試驗(yàn)，在40噸eaf+lf+vd→4噸電渣重熔→2000噸快鍛機(jī)生產(chǎn)線上生產(chǎn)了10爐合金，具體工藝過程如下：1、eaf冶煉工藝：eaf氧化期扒渣去p，扒渣要干凈，出渣條件：溫度t≥1650℃，p≤0.004％。出渣畢加脫氧劑0.5-1kg/t預(yù)脫氧，然后加石灰200-300kg，螢石適量，化渣均勻。出鋼前加入合金料，確保全熔。出鋼條件：溫度t≥1640℃，p≤0.005％。2、lf爐冶煉工藝通電加熱，按規(guī)格要求進(jìn)行合金化，分批補(bǔ)加石灰100-300kg/批，共加2-3批，渣面加sife粉和c粉進(jìn)行脫氧操作，確保爐渣流動性良好和渣色變白，白渣保持時(shí)間≥30分鐘。ar流量控制40-60nl/min，不得使鋼水翻出渣面。鋼包進(jìn)vd爐抽氣前倒掉鋼包中渣子的70-80％。3、vd爐冶煉工藝控制vd爐內(nèi)真空度≤66.7pa，ar流量≥70nl/min，保持時(shí)間≥20分鐘。停真空泵后測溫取樣，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整成分至規(guī)格。底吹ar弱攪拌時(shí)間≥10分鐘，ar流量控制40-60nl/min。吊包前嚴(yán)格控制供氬強(qiáng)度，不使鋼水暴露在空氣中，吊包溫度1540-1550℃。4、澆注工藝澆注φ490mm電極棒，使用大氬氣保護(hù)澆注，澆注溫度控制1530-1540℃。5、電渣重熔工藝將φ490mm電極棒重熔成φ600mm鋼錠。冶煉電壓56-65v，冶煉電流9000-12000a，采用二元渣系caf2∶al2o3＝70％∶30％，渣量控制在100-130kg。6、鍛造工藝(1)、鋼錠加熱制度：先在600℃保溫1-1.5h，然后以≤100℃/h升溫至1190-1210℃，保溫2-4h；(2)、出爐鍛造：先將φ600mm鋼錠拔長至φ400mm，下料段長度800mm；(3)、回爐加熱：回爐加熱溫度控制在1130-1150℃，保溫1-1.5h；(4)、二次鍛造：將料段鐓粗至高度為260mm，然后徑向鍛造至φ680mm，停鍛溫度≥820℃。7、熱處理工藝：在坯料上取試樣進(jìn)行熱處理，試樣淬火溫度為910-930℃，保溫0.5-1h，油淬，回火溫度為240-260℃，保溫3-5h，空冷。經(jīng)該熱處理工藝，可以獲得良好的強(qiáng)韌性配合。按上述工藝進(jìn)行控制，所得10爐合金的具體成分如下表2所示，非金屬夾雜物和組織檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。從上述檢測結(jié)果可見，本發(fā)明鋼的夾雜物含量非常少，其純凈度非常高，組織均勻細(xì)小，鋼的抗拉強(qiáng)度均在1730mpa以上，屈服強(qiáng)度在1390mpa以上，斷裂韌性在以上，其力學(xué)性能指標(biāo)完全滿足殼體用鋼高性能低成本的設(shè)計(jì)要求。由此可知，通過上述工藝控制可獲得高純度，組織細(xì)小均勻的殼體坯料，其性能可達(dá)到高強(qiáng)度高韌性的良好配合，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有突出的特點(diǎn)和顯著特性，完全滿足新一代高性能殼體用鋼的要求。本發(fā)明的高性能低合金殼體用鋼可廣泛用于航空航天、艦船制造等領(lǐng)域，它的成功設(shè)計(jì)和開發(fā)將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其市場應(yīng)用前景將非常廣闊。表2所獲得的各爐鋼的化學(xué)成分，wt％序號csimncrnimovnb10.301.120.463.011.320.900.100.1320.281.100.503.131.460.850.120.1030.321.000.703.051.391.020.090.0840.351.200.693.201.200.900.100.1150.340.900.452.961.460.980.080.1260.290.980.752.801.500.850.140.1370.311.050.722.851.210.890.130.1380.311.030.692.901.441.050.110.1590.331.080.582.971.350.880.120.09100.321.160.613.111.350.950.150.10表3所獲得的各爐鋼的組織及夾雜物檢測結(jié)果表4所獲得的各爐鋼的力學(xué)性能當(dāng)前第1頁12