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一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢及热处理工艺
申请号	CN202311751091.8	申请日	2023-12-19	公开(公告)号	CN117721381A	公开(公告)日	2024-03-19
申请人	浙江正达新材料科技有限公司;			发明人	吕侃; 应宗霖; 应和添;
摘要	一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢及热处理工艺，其特征在于，合金元素含量为：C 0.36～0.42wt%、Si 0.30～0.80wt%、Mn 2.40～3.80wt%、Cr 1.20～1.60 wt%、Ni0.3~0.6wt%、S 0.05～0.10wt%、P0.05～0.10wt%、B 0.001～0.003wt%余量为Fe。该材料冶炼时利用喷射成型快速凝固特点，消除合金钢铁中的宏观偏析，使合金元素均匀分布。同时采用分体式中间包冶炼，提高喷钢前期浇注液钢水纯净度，克服整体式中间包浇注一次后不可重复使用，且出渣液多，流动性不好等问题，达到均匀钢液温度并去除夹杂物，改善钢沉积坯易疏松部位的凝固，从而制备出高质量高密度喷射高强钢。还有能够有效建立钢水液位，从而促进开浇过程和浇铸过程中夹杂物的上浮，减少夹杂物堵塞导液管和进入最终锭坯的几率。通过在钢中加入Ni、B等微合金化元素，形成细小的Fe2B颗粒，限制奥氏体晶粒内部树枝晶界的生长，进而阻止晶粒长大。
权利要求	1.一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于，合金元素含量为：C 0.36～0.42wt%、Si 0.30～0.80wt%、Mn 2.40～3.80wt%、Cr 1.20～1.60 wt%、Ni0.3～ 0.6wt%、S 0.05～0.10wt%、P 0.05～0.10wt%、B 0.001～0.003wt%，余量为Fe。 2.根据权利要求1所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于，合金成分为：C 0.40wt%、Si 0.55wt%、Mn 3.10wt%、Cr 1.4 wt%、Ni 0.4wt%、S 0.08wt%、P 0.08wt%、B 0.002wt%，余量为Fe。 3.根据权利要求1所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于，合金成分为：C 0.42wt%、Si 0.80wt%、Mn 3.80wt%、Cr 1.6wt%、Ni 0.6wt%、S 0.10wt%、P 0.1wt%、B 0.003wt%，余量为Fe。 4.根据权利要求1所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于，合金成分为C 0.36wt%、Si 0.30wt%、Mn 2.40wt%、Cr 1.2 wt%、Ni 0.3wt%、S 0.05wt%、P 0.05wt%、B 0.001wt%，余量为Fe。 5.根据权利要求1或2或3或4所述一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于，该材料冶炼时加入0.001 0.003wt% B阻止晶粒长大，添加Cr、Mn、Ni元素提高材料~ 强韧性，加入S、B合金元素改善切削性能，并弥补降低碳、提高Mn对军用爆轰条件下弹体材料破碎性的影响。 6.权利要求5所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于，喷射沉积中间包结构采用分体式，包体的包壁外层为钢板层，钢板层自外到内依次设置保温层、永久层及工作层，内装档渣板对应保温层、永久层、工作层处设置断面，可拆卸。 7.根据权利要求6所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，其特征在于：档渣板材料为45#钢，流钢口形状为“2”形。 8.根据权利要求5所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢热处理工艺，其特征在于：喷射硼钢钢坯锻造后的棒材经860℃±10℃，保温30～50min，油冷或水冷至室温；再加热至350℃～700℃，保温120～180min，水冷或油冷至室温，材料具有高强韧性能。 9.根据权利要求8所述的一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢热处理工艺，其特征在于：作为优选的热处理方法为：锻造后的棒材或板材加热至860℃，保温45min，油冷至室温；再加热至400℃，保温150min，水冷至室温。
说明书全文	一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢及热处理工艺技术领域 [0001] 本发明属于喷射沉积高合金结构钢技术领域，涉及一种分体式中间包喷射成型高强合金钢及热处理工艺。技术背景 [0002] 合金结构钢拥有比碳素钢更好的淬透性和综合力学性能，被广泛用于船舶、车辆、弹药、兵器等军民两用各个领域。军用方面，随着武器装备的发展，军用弹药行业中弹体材料所选用合金结构钢逐渐向高性能方向发展；目前弹体用钢主要有50SiMnVB(823)、40CrMnSiB等，年需求量为3‑5万吨/年，其中40CrMnSiB钢主要采用：电炉或转炉熔炼→LF→VD/RH→锻造或轧制(棒材)→热处理→性能检测→产品加工工艺流程进行产业化试制，材料性能可达到热处理后抗拉强度Rm≥1050MPa，延伸率A50≥12％，断面收缩率Z≥45％，K1c≥50MPam1/2，其强韧匹配性能可保证材料构件做为支撑体满足一定承载和形成破片毁伤元功能，仅适用低载荷环境条件下使用；但是，该钢如在高冲击载荷环境中应用，还存在因断裂韧性差、抗高冲击能力不足问题，通过改善其冶炼工艺，改善材料晶粒度，提高材料耐冲击性能，将对材料在军用高冲击载荷结构件中应用具有显著地军事意义。同时该材料也可在民用方面，取代一些高速钢或对耐冲击性要求高的刀、刃具用钢等，能够为民用高强钢发展创造良好的社会效益和经济效益。 [0003] 喷射沉积也就是喷射成形技术作为一种短流程快速凝固材料制备技术，具备高冷却速度和大过冷度下高界面生长速率的凝固特性，在提高钢铁材料性能方面具有极大潜力，可克服合金钢碳化物偏析和晶粒粗化问题，使碳保持固溶态或细小弥散状态，合金钢晶粒细小、组织均匀，从而使材料具备良好力学性能。经查国内外专利标准，未见CrMnSiB成分体系钢采用喷射沉积冶炼、应用相关报道；因此本技术所涉及的国内研发喷射沉积军民两用高强硼钢是一个有益尝试。发明内容 [0004] 本发明的目的在于：满足高冲击载荷下提供一种室温力学性能：Rp0.2≥1350MPa，A≥9％，Z≥40％，KIC≥90MPam1/2的高强韧耐冲击军民两用高强硼钢，即可用于军用大口径榴弹弹体构件，同时也可用于民用高寿命刀具用钢、轴承、塑料模具和齿轮等。 [0005] 本发明解决上述问题采用的技术方案是： [0006] 一种分体式中间包喷射成型军民两用高强硼钢，合金元素含量为：C 0.36～0.42wt％、Si0.30～0.80wt％、Mn 2.40～3.80wt％、Cr 1.20～1.60wt％、Ni0.3～0.6wt％、S 0.05～0.10wt％、P 0.05～0.10wt％、B 0.001～0.003wt％，余量为Fe。 [0007] 该材料冶炼时加入0.001～0.003wt％B阻止晶粒长大，添加Cr、Mn、Ni元素提高材料强韧性，加入S、B合金元素改善切削性能，并弥补降低碳、提高Mn对军用爆轰条件下弹体材料破碎性的影响。 [0008] 采用分体式中间包转运熔融金属，熔融金属雾化后经喷射沉积形成沉积锭坯。 [0009] 喷射沉积中间包结构采用分体式，包体的包壁外层为钢板层，钢板层自外到内依次设置保温层、永久层及工作层，内装档渣板对应保温层、永久层、工作层处设置断面，可拆卸。 [0010] 热处理方法，喷射硼钢钢坯锻造后的棒材经860℃±10℃，保温30～50min，油冷或水冷至室温；再加热至350℃～700℃，保温120～180min，水冷或油冷至室温，材料具有高强韧性能。 [0011] 作为优选的热处理方法为：锻造后的棒材或板材加热至860℃，保温45min，油冷至室温；再加热至400℃，保温150min，水冷至室温。这种热处理效果最佳，最适合本发明产品。 [0012] 档渣板材料为45#钢，流钢口形状为“2”形。 [0013] 本发明的有益效果： [0014] 利用喷射成型快速凝固特点，消除合金钢铁中的宏观偏析，使合金元素均匀分布。同时采用分体式中间包冶炼，提高喷钢前期浇注液钢水纯净度，克服整体式中间包浇注一次后不可重复使用，且出渣液多，流动性不好等问题，达到均匀钢液温度并去除夹杂物，改善钢沉积坯易疏松部位的凝固，从而制备出高质量高密度喷射高强钢。还有能够有效建立钢水液位，从而促进开浇过程和浇铸过程中夹杂物的上浮，减少夹杂物堵塞导液管和进入最终锭坯的几率。通过在钢中加入Ni、B等微合金化元素，形成细小的Fe2B颗粒，限制奥氏体晶粒内部树枝晶界的生长，进而阻止晶粒长大。奥氏体晶粒细化后有利于最终碳钢中形成细小的α铁素体，而不影响钢的热塑性，使材料拥有更高强度和塑韧性性能，应用面更广。作为军用弹体用钢棒材直径在80mm～200mm，可用于大口径榴弹弹体用钢，与传统大口径榴弹材料的破碎性相当，可以满足大口径榴弹高冲击侵彻的要求。同时用于耐冲击刀具、塑料模具等民用产品中，本发明的材料制作的刀、模具寿命比M35高速钢制作的刀、模具寿命提高 47％以上。附图说明 [0015] 表1实施例一下限成分锻造态材料性能 [0016] 表2实施例二上限成分锻造态材料性能 [0017] 表3实施例三中限成分锻造态材料性能 [0018] 表4实施例三中限成分锻造态材料破碎性实验结果(结合122大口径榴弹与50SiMnVB材料对比) [0019] 表5实施例三中限成分切削性能试验结果 [0020] 图1实施例一下限成分锻造态晶相图 [0021] 图2实施例二上限成分锻造态晶相图 [0022] 图3实施例三中限成分锻造态晶相图 [0023] 图4实施例一、实施例二、实施例三经870℃淬火不同温度回火屈服强度[0024] 图5实施例一、实施例二、实施例三经870℃淬火不同温度回火延伸率[0025] 图6实施例一、实施例二、实施例三经870℃淬火不同温度回火断面收缩率[0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 [0027] 实施例一：合金成分为C 0.36wt％、Si 0.30wt％、Mn 2.40wt％、Cr 1.2wt％、Ni 0.3wt％、S 0.05wt％、P 0.05wt％、B 0.001wt％，余量为Fe。经87合金成分为C0.36wt％、Si 0.30wt％、Mn 2.40wt％、Cr 1.2wt％、Ni 0.3wt％、S 0.05wt％、P0.05wt％、B 0.001wt％，余量为Fe。0℃×50min，油冷至室温；再经650℃回火，保温180min，锻态棒材Rp0.2、A、Z等性能见表1，其晶粒度晶相图见图1。 [0028] 实施例二具体实施方式 [0029] 合金成分为：C 0.42wt％、Si 0.80wt％、Mn 3.80wt％、Cr 1.6wt％、Ni 0.6wt％、S 0.10wt％、P 0.1wt％、B 0.003wt％，余量为Fe。经870℃×50min，油冷至室温；再经650℃回火，保温180min，锻态棒材Rp0.2、A、Z等性能见表见表2，其晶粒度晶相图见图2。 [0030] 实施例三 [0031] 合金成分为：C 0.40wt％、Si 0.55wt％、Mn 3.10wt％、Cr 1.4wt％、Ni 0.4wt％、S 0.08wt％、P 0.08wt％、B 0.002wt％，余量为Fe。经870℃×50min，油冷至室温；再经650℃回火，保温180min，锻态棒材Rp0.2、A、Z等性能见表见表3，其晶粒度晶相图见图3，破碎性实验结果见表4，切削性能试验结果见表5。 [0032] 上、中、下限成分经870℃淬火不同温度回火后的屈服强度、延伸率和断面收缩率分别如图4、5和6所示。 [0033] 包体的包壁外层为钢板层，钢板层自外到内依次设置保温层、永久层及工作层，内装档渣板对应保温层、永久层、工作层处设置断面，可拆卸。档渣板材料为45#钢，流钢口形状为“2”形，有一个缓冲力，当渣效果也明显。 [0034] 以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可依据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。 [0038] 表1实施例一下限成分锻造态材料性能 [0039] [0040] 表2实施例二上限成分锻造态材料性能 [0041] [0042] 表3实施例三中限成分锻造态材料性能 [0043] [0044] 表4实施例三中限成分锻造态材料破碎性实验结果 [0045] [0046] 表5实施例三中限成分切削性能试验结果 [0047]

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