超高强度40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯的制备方法 |
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| 申请号 | CN202311780998.7 | 申请日 | 2023-12-21 | 公开(公告)号 | CN117867361A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 抚顺特殊钢股份有限公司; 钢铁研究总院有限公司; | 发明人 | 李建新; 庞学东; 王春旭; 韩顺; 厉勇; 孙勇; 翟羽佳; 郝锡秀; 黄雨; 刘学卉; 罗文; 王瑞; 王珺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种超高强度40CrMnS i2N i2MoVA超大规格锻坯的制备方法，实现超大规格锻坯的全方位 冶金 质量 完全达到小规格圆棒的技术规范要求。 真空 感应 冶炼 通过精确控制 钢 中 碳 、锰、硫、 钛 含量，减少夹杂物的产生和集聚；精炼采用低真空搅拌方式，不断提高钢液的纯净度；浇注过程中，采用低温、低偏析保护浇注技术，实现超大规格 电极 坯化学成分均匀一致；实现一锭二材、提高了钢锭使用率；对钢锭采用采用高‑扩‑低‑低‑低控制技术，获得均匀的细晶组织。本发明有益效果：解决了大锭型大规格锻坯低倍组织均匀性、化学成分和夹杂物偏析；具有纵向、横向、高向全方位优异冶金质量，完全达到小规格棒材技术指标要求，同时锻坯的使用寿命大幅度提高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.超高强度40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括真空感应炉冶炼+真空自耗炉重熔+钢锭锻造； |
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| 说明书全文 | 超高强度40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯的制备方法技术领域[0001] 本发明属于金属材料制造领域，具体涉及超高强度40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯的制备方法。 背景技术[0002] 随着我国国防工业快速发展，航空装备向着大型化、远程化发展，要求飞行器用原材料向大规格、大尺寸发展，对承重结构件要求不仅具有超高强度、高韧性的同时结构超大化，承重结构件要承载重量超过200吨，因此目前我国飞行器承重结构件40CrMnSi2Ni2MoVA，采用真空感应+真空自耗生产的Φ660mm、Φ920mm钢锭生产的Φ300mm、Φ400mm钢棒已经无法满足大型飞行器承重结构件的制造要求。面临飞行器承重结构件大型化的需求，要求原材料的规格尺寸也大幅度增加，同时为了减少锻件生产难度，将原材料由原来的圆形钢棒设计为超大规格锻坯。因此40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯(300mm～ 700mm×600mm～1200mm×Lmm)需要采用目前国内最大尺寸的Φ1050mm真空自耗钢锭，生产 2 出横截面积大于840000mm 的超大规格锻坯；生产Φ1050mm真空自耗钢锭的真空感应冶炼和自耗重熔及锻造生产尚无成熟工艺。由于钢锭尺寸大，夹杂物、化学成分偏析严重，从而影响超大规格锻坯的各项性能指标，因此要达到Φ300mm、Φ400mm小规格化学成分、性能标准要求存在相当难度，超高强度40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯的生产是目前亟待解决的问题。 发明内容[0004] 具体技术方案： [0005] ⑴采用真空感应炉冶炼+真空自耗炉重熔 [0006] ①真空感应炉冶炼: [0007] 配料：真空感应炉用原材料为本钢种钢专用超纯净精钢材；合金料：硅‑铁、钒‑铁等；金属料：金属锰、金属铬、镍板、金属钼等；原材料化学成分准确、表面无锈无油无污；炉料配料化学成分按质量百分比：碳：0.41％、锰：1.75％、硅：1.70％、硫不大于0.001％、磷不大于0.005％、铬：0.80％、镍：1.80％、钼：0.40％、钒：0.08％、铜不大于0.20％、铝不大于0.03％、钛不大于0.005％。 [0009] 精炼过程：炉料全熔后抽空进行精炼，精炼温度1560℃～1590℃，真空度不高于5Pa； [0010] 合金化过程：炉料熔化、精炼后取样分析，其中控制点成分碳：0.41％、锰：1.75％、硅：1.70％、铬：0.80％、镍：1.80％、钼：0.40％、钒：0.08％； [0011] 浇注过程：化学成分符合要求后进行浇注，浇注温度1560℃～1585℃； [0013] 电极坯冷却过程：电极坯模内冷却时间1h～5h(电极棒上部加盖三层保温毡)，脱模后转移至坑冷56h； [0016] ③真空自耗炉重熔： [0018] 熔炼阶段:熔速R:7.65kg/min，真空度0.65Pa； [0019] 热封顶阶段:起始重量：2500Kg、结束重量：160Kg； [0020] 真空自耗钢锭化学成分应符合真空感应炉炉料配料化学成分； [0021] 钢锭进行二次退火：钢锭升温速度不大于100℃/h，保温温度700℃±10℃，保温时间不短于60h，降温速度不大于50℃/h，不高于300℃出炉。 [0022] ⑵钢锭锻造 [0023] ①钢锭加热：钢锭分阶段加热，加热温度1200℃～1220℃、保温时间不短于10h(见图1)； [0024] ②锻造过程：钢锭(冒口端)头部压钳把，钢锭进行五镦五拔，钢锭变形量(第2火次～5火次)大于50％、开锻温度不低于1000℃，终锻温度不低于850℃； [0025] ③锻坯热处理：锻造后锻坯在空气中冷却至300℃之后，立即红送进行退火热处理，退火保温温度710℃、保温时间不短于50h，炉冷至300℃空冷； [0026] 正火温度925℃±10℃，保温时间6h～6.5h；回火温度700℃±10℃，保温时间不短于50h，炉冷至300℃，空冷。 [0027] 对本发明创新点说明： [0028] ⑴本发明针对国内最大的Φ920mm真空感应电极采用低偏析保护浇注技术，实现超大规格电极棒化学成分均匀一致。20吨真空感应炉是目前国内最大吨位的真空感应炉，Φ920mm电极坯是目前国内最大规格尺寸的真空感应电极坯。电极坯尺寸越大，钢中化学元素偏析越大，夹杂物越容易偏聚，对超大规格锻坯最终的各项性能均匀性影响就越严重。因此在真空感应冶炼过程中通过精准配料、计算，精确控制钢中碳、锰、硫、钛含量，减少钢中MnS、TiNC夹杂物的产生和集聚；精炼采用低真空搅拌方式，去除钢中氧、氮，不断提高钢液的纯净度；浇注过程中，采用低温浇注，同时在电极模上部加装保温冒口、覆盖保温毡，减少超大规格电极坯的缩孔，使化学成分偏析区域上移，从而实现了超大规格电极坯化学成分均匀一致性。 [0029] ⑵本发明针对二支Φ920mm真空感应电极坯采用炉内真空焊接技术，实现一锭二材、提高了钢锭使用率、大幅降低了生产制造成本。超大规格锻坯不仅长度、高度和宽度尺寸要求大，而且单件重量也非常重，一支Φ920mm真空感应电极坯经过真空自耗重熔后的钢锭仅能生产出一件锻坯，钢锭使用率低，生产制造成本高。因此采用化学成分基本一致的二支Φ920mm真空感应电极坯，通过对电极二端平头、端车，在真空自耗炉内对中完成真空焊接，焊缝经过炉外清理打磨，实现了超长电极的制备；电极在真空自耗重熔过程，稳定控制熔化速度,提高了超大规格锻坯低倍组织均匀性，实现了真空自耗钢锭超大重量，完成了一锭二材、大幅降低了生产制造成本。 [0030] ⑶本发明Φ1050mm超大规格钢锭采用高‑扩‑低‑低‑低的加热控制技术，超大规格2 锻坯获得了均匀的细晶组织。超大规格锻坯的横截面积为450000mm，而Φ1050mm真空自耗 2 钢锭的横截面积为753914mm ,钢锭直接锻造生产成品，加工比仅为1.67，远远达不到常规锻造加工要求，且超大规格锻坯的纵向、横向、高向性能和晶粒度均不能达到小规格钢棒的要求。因此钢锭在锻造过程中采用分阶段加热控制技术，尤其是在第一火镦拔之后，进行高温扩散热处理，降低钢锭化学成分偏析，进一步提高钢锭成分组织均匀性，从而提高了超大规格锻坯组织均匀性；钢锭锻造生产过程中，采用高‑扩‑低‑低‑低控制技术，五火次生产，每火次钢锭变形量不小于50％，不仅提高了超大规格锻坯纵向、横向、高向机械性能，而且锻坯晶粒度优于6.0级。 [0031] 与现有双真空技术相比，本发明有益效果： [0032] 首次提供了目前国内最大规格Φ1050mm钢锭的真空冶炼技术；真空自耗炉重熔过程的严格控制，解决了大锭型大规格锻坯低倍组织均匀性、化学成分和夹杂物偏析；能够获得超纯净、超高强度的超高强度40CrMnSi2Ni2MoVA超大规格锻坯，钢中非金属夹杂物A、B、C、D类的细系均为0.5级以下，且三者之和不大于8格视场，磁粉探伤合格；通过阶梯加热、降温及高温扩散的方法，超大规格锻坯晶粒度优于6.0级，具有纵向、横向、高向全方位优异冶金质量(低倍组织、非金属夹杂物、晶粒度、力学性能、断裂韧性)，完全达到小规格棒材技术指标要求，同时锻坯的使用寿命大幅度提高。附图说明 [0033] 图1为钢锭分阶段加热曲线。 具体实施方式[0034] 实施例1、实施例2、实施例3共同执行： [0035] ⑴真空感应炉冶炼 [0036] ①配料：真空感应炉用原材料为本钢种钢专用超纯净精钢材；合金料：硅‑铁、钒‑铁等；金属料：金属锰、金属铬、镍板、金属钼等；原材料化学成分准确、表面无锈无油无污；配料化学成分符合表1； [0037] ⑥电极坯冷却过程：电极坯模内冷却时间2h(电极坯上部加盖三层保温毡)，脱模后转移至坑冷56h； [0038] ⑧电极坯表面质量控制过程:表面车光、平头、端车、对中、焊接、清理、打磨焊缝； [0039] ⑵真空自耗重熔 [0040] ③热封顶阶段:起始重量2500kg、结束重量160kg。 [0041] 实施例1 [0042] ⑴真空感应炉冶炼 [0043] ②熔化过程：原材料分批次加入坩埚，给电熔化，全熔温度T＝1545℃； [0044] ③精炼过程：炉料全熔后抽空进行精炼，精炼温度控制为1575℃、真空度3.5Pa； [0045] ④合金化过程：炉料熔化、精炼后取样分析，其中21240420146炉碳：0.387％、锰：0.69％、硅：1.61％、铬：0.80％、镍：1.78％、钼：0.38％、钒：0.08％；21240420147炉碳： 0.385％、锰：0.65％、硅：1.58％、铬：0.78％、镍：1.75％、钼：0.36％、钒：0.078％；按照化学成分要求控制点分别进行精确计算并调整，完成合金化过程； [0046] ⑤浇注过程：化学成分符合要求后进行浇注，浇注温度为1585℃； [0047] ⑦电极坯热处理过程:进行二次退火，电极坯升温速度60℃/h，保温温度700℃，保温时间60h，降温速度50℃/h，300℃出炉。 [0048] ⑨电极坯成品化学成分见表2。 [0049] 表2 [0050] [0051] ⑵真空自耗重熔 [0052] ①开始阶段:电压在24.2V～21.0V范围内、电流在6KA～21KA范围内； [0053] ②熔炼阶段:熔速R:7.65kg/min，真空度0.65Pa； [0054] ④钢锭进行二次退火：钢锭升温速度100℃/h，保温温度700℃，保温时间60h，降温速度50℃/h，300℃出炉。 [0055] ⑶钢锭锻造 [0056] ①钢锭加热过程：钢锭分阶段加热，钢锭加热温度1220℃、保温时间11h； [0057] ②钢锭锻造过程：钢锭(冒口端)头部压钳把，钢锭进行五镦五拔，钢锭锻造过程参数如表3，锻后空冷至300℃后，红送退火； [0058] 表3 [0059] [0060] ③成品锻坯热处理控制：正火温度925℃，保温时间6h；回火温度700℃，保温时间50h，炉冷至300℃，空冷。 [0061] ⑷超大规格钢坯各项性能检测数据 [0062] ①钢锭化学成分见表4,化学成分均匀性见表5； [0063] 表4 [0064] [0065] 表5 [0066] [0067] ②低倍组织检验结果见表6； [0068] 表6 [0069] [0070] ③力学性能检验结果见表7； [0071] 表7 [0072] [0073] [0074] ④非金属夹杂物和晶粒度检验结果见表8。 [0075] 表8 [0076] [0077] (注：表中数值为A、B、C、D类夹杂物对应的0.5级别下的视场个数) [0078] 实施例2 [0079] ⑴真空感应炉冶炼 [0080] ②熔化过程：原材料分批次加入坩埚，给电熔化，全熔温度1550℃； [0081] ③精炼过程：炉料全熔后抽空进行精炼，精炼温度控制为1583℃、真空度3.6Pa； [0082] ④合金化过程：炉料熔化、精炼后取样分析，其中21242420173炉碳：0.385％、锰：0.69％、硅：1.59％、铬：0.81％、镍：1.78％、钼：0.39％、钒：0.08％；21240420147炉碳： 0.380％、锰：0.65％、硅：1.61％、铬：0.83％、镍：1.81％、钼：0.36％、钒：0.078％；按照化学成分要求控制点分别进行精确计算并调整，完成合金化过程； [0083] ⑤浇注过程：化学成分符合要求后进行浇注，浇注温度为1583℃。 [0084] ⑦电极坯热处理过程:进行二次退火，电极坯升温速度60℃/h，保温温度700℃，保温时间60h，降温速度50℃/h，300℃出炉； [0085] ⑨电极坯成品化学成分见表9。 [0086] 表9 [0087] [0088] ⑵真空自耗重熔 [0089] ①开始阶段:电压在24.2V～21.0V范围内、电流在6KA～21KA范围内； [0090] ②熔炼阶段:熔速R:7.65kg/min，真空度0.65Pa； [0091] ④钢锭进行二次退火：钢锭升温速度100℃/h，保温温度700℃，保温时间60h，降温速度50℃/h，300℃出炉。 [0092] ⑶钢锭锻造 [0093] ①钢锭加热过程：钢锭分阶段加热，钢锭加热温度1220℃、保温时间10h； [0094] ②钢锭锻造过程：钢锭(冒口端)头部压钳把，钢锭进行五镦五拔，钢锭锻造过程参数如表10，锻后空冷至300℃后，红送退火； [0095] 表10 [0096] [0097] ③成品锻坯热处理控制：正火温度925℃，保温时间6h；回火温度700℃，保温时间50h，炉冷至300℃，空冷。 [0098] ⑷超大规格钢坯各项性能检测数据 [0099] ①钢锭化学成分见表11,化学成分均匀性见表12； [0100] 表11 [0101] [0102] 表12 [0103] [0104] ②低倍组织检验结果见表13； [0105] 表13 [0106] [0107] ③力学性能检验结果见表14； [0108] 表14 [0109] [0110] [0111] ④非金属夹杂物和晶粒度检验结果见表15。 [0112] 表15 [0113] [0114] (注：表中数值为A、B、C、D类夹杂物对应的0.5级别下的视场个数) [0115] 实施例3 [0116] ⑴真空感应炉冶炼 [0117] ②熔化过程：原材料分批次加入坩埚，给电熔化，全熔温度1550℃； [0118] ③精炼过程：炉料全熔后抽空进行精炼，精炼温度控制为1573℃、真空度3.7Pa； [0119] ④合金化过程：炉料熔化、精炼后取样分析，其中22242420256炉碳：0.381％、锰：0.71％、硅：1.53％、铬：0.81％、镍：1.79％、钼：0.49％、钒：0.078％；22242420257炉碳： 0.378％、锰：0.69％、硅：1.56％、铬：0.84％、镍：1.81％、钼：0.39％、钒：0.073％；按照化学成分要求控制点分别进行精确计算并调整，完成合金化过程； [0120] ⑤浇注过程：化学成分符合要求后进行浇注，浇注温度为1582℃； [0121] ⑦电极坯热处理过程:进行二次退火，电极坯升温速度60℃/h，保温温度700℃，保温时间60h，降温速度50℃/h，300℃出炉；⑨电极坯成品化学成分见表16。 [0122] 表16 [0123] [0124] ⑵空自耗重熔 [0125] ①开始阶段:电压在24.2V～23.0V范围内、电流在6KA～21KA范围内； [0126] ②熔炼阶段:熔速R:7.65kg/min，真空度0.63Pa； [0127] ④钢锭进行二次退火：钢锭升温速度100℃/h，保温温度700℃，保温时间60h，降温速度50℃/h，300℃出炉。 [0128] ⑶钢锭锻造 [0129] ①钢锭加热过程：钢锭分阶段加热，钢锭加热温度1220℃、保温时间10h； [0130] ②钢锭锻造过程：钢锭(冒口端)头部压钳把，钢锭进行五镦五拔，钢锭锻造过程参数如表17，锻后空冷至300℃后，红送退火； [0131] 表17 [0132] [0133] ③成品锻坯热处理控制：正火温度925℃ [0134] ，保温时间6h；回火温度700℃，保温时间50h，炉冷至300℃，空冷。 [0135] ⑷超大规格钢坯各项性能检测数据 [0136] ①钢锭化学成分见表18,化学成分均匀性见表19； [0137] 表18 [0138] [0139] 表19 [0140] [0141] ②低倍组织检验结果见表20； [0142] 表20 [0143] [0144] ③力学性能检验结果见表21； [0145] 表21 [0146] [0147] [0148] ④非金属夹杂物和晶粒度检验结果见表22。 [0149] 表22 [0150] [0151] (注：表中数值为A、B、C、D类夹杂物对应的0.5级别下的视场个数)。 |
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