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CN111286680A - 低磷、锆微合金化的抗裂钢合金组合物及由其制成的制品 - Google Patents

低磷、锆微合金化的抗裂钢合金组合物及由其制成的制品 Download PDF

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CN111286680A
CN111286680A CN201911259798.0A CN201911259798A CN111286680A CN 111286680 A CN111286680 A CN 111286680A CN 201911259798 A CN201911259798 A CN 201911259798A CN 111286680 A CN111286680 A CN 111286680A
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steel alloy
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phosphorus
weight
zirconium
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阿尔吉尔达斯·安塔纳斯·恩德斯
本杰明·温菲尔德·里奇
杰西·波普·亚当森
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Finkl A and Sons Co
Original Assignee
Finkl A and Sons Co
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Abstract

本发明公开了一种低磷、锆微合金化的抗裂钢合金组合物及由其制成的制品。所述钢合金组合物可以包含0.36重量％至0.60重量％的碳、0.30重量％至0.70重量％的锰、0.001重量％至0.017重量％的磷、0.15重量％至0.60重量％的硅和1.40重量％至2.25重量％的镍、0.85重量％至1.60重量％的铬、0.70重量％至1.10重量％的钼、0.010重量％至0.030重量％的铝、0.001重量％至0.050重量％的锆和余量的铁。

Description

低磷、锆微合金化的抗裂钢合金组合物及由其制成的制品
技术领域
本公开总体上涉及钢合金，更具体地涉及具有低磷、含锆添加剂的钢合金组合物，以及由其制成的制品。
背景技术
许多行业如闭口模锻行业、工具行业和液压压裂行业都依赖于在实践中适合苛刻要求的零件。为了满足这种苛刻要求，期望由具有如高抗疲劳性、高抗断裂性、高强度、高硬度、高耐磨性、优异的贯穿硬度(through hardness)、高温稳定性和良好的机械加工性等性质的材料来制造这类零件。本申请涉及表现出这样性能的新型钢合金组合物。
发明内容
根据本公开的一个方面，公开了一种钢合金组合物。该钢合金组合物可以包含0.36重量％至0.60重量％的碳、0.30重量％至0.70重量％的锰、0.001重量％至0.017重量％的磷、0.15重量％至0.60重量％的硅和1.40重量％至2.25重量％的镍。该钢合金组合物还可包含0.85重量％至1.60重量％的铬、0.70重量％至1.10重量％的钼、0.010重量％至0.030重量％的铝、0.001重量％至0.050重量％的锆和余量的铁。
根据本公开的另一个方面，公开了一种用于横截面厚度为20英寸或更大的制品的钢合金组合物。该钢合金组合物可以包含0.36重量％至0.46重量％的碳、0.30重量％至0.50重量％的锰、0.001重量％至0.012重量％的磷、0.15重量％至0.30重量％的硅和1.75重量％至2.25重量％的镍。该钢合金组合物还可以包含1.40重量％至1.60重量％的铬、0.90重量％至1.10重量％的钼、0.015重量％至0.025重量％的铝、0.001重量％至0.050重量％的锆和余量的铁。
根据本公开的另一方面，公开了一种用于横截面厚度为20英寸或更小的制品的钢合金组合物。该钢合金组合物可以包含0.50重量％至0.60重量％的碳、0.50重量％至0.70重量％的锰、0.001重量％至0.017重量％的磷、0.40重量％至0.60重量％的硅和1.40重量％至1.75重量％的镍。该钢合金组合物还可以包含0.85重量％至1.15重量％的铬、0.70重量％至0.90重量％的钼、0.010重量％至0.030重量％的铝、0.001重量％至0.050重量％的锆和余量的铁。
当结合附图阅读时，将更容易理解本公开的这些方面和特征以及其他方面和特征。
附图说明
图1是由本申请公开的钢合金组合物制成的制品。
图2是分别对磷含量为0.005重量％、0.017重量％和0.031重量％的钢的最大应力与循环次数的比较。
图3是所述三种钢中平均断裂韧性相对于体相磷含量的函数关系图。
图4是示出了添加少量但有效量的Ni的情况下以及与之相反不存在Ni或仅存在痕量Ni的情况下的断口形貌转变温度(FATT)曲线变化的概念曲线。
图5是由本公开的钢合金组合物制造制品的方法。
图6A是块1在宽度上的布氏硬度变化示意图。
图6B是块1在厚度上的布氏硬度变化示意图。
图7A是块2在宽度上的布氏硬度变化示意图。
图7B是块2在厚度上的布氏硬度变化示意图。
具体实施方式
现在将参考本文公开的附图和表格来描述本公开的各个方面。本发明由钢合金组合物(和由其形成的制品)组成，该钢合金组合物包含具有适于高温和室温操作条件的氮化锆或碳氮化锆固定的奥氏体晶粒结构的铝脱氧钢。由本文公开的钢合金组合物制成的制品表现出高抗疲劳性、高抗断裂性、源自对脱氧元素铝和锆的严格控制以及还对磷的严格控制而产生的细晶粒。本文公开的钢合金组合物适用于闭式模锻工业的苛刻要求以及机械零件工业的不同但同样苛刻的要求，所述钢合金组合物仅需要适量(即小于7.25％)的合金组合物，因此制造商生产起来经济并且消费者易于使用。铝脱氧钢合金组合物和由其制成的部件，除了具有优异的耐疲劳性和抗断裂性之外，还具有高强度、高硬度、高耐磨性、优异的贯通硬度、良好的可加工性，尤其是用氮化锆和碳氮化锆固定的前奥氏体晶界。
参考图1，示出了由本公开的钢合金组合物制成的制品1。制品1可以具有横截面厚度(T)。作为非限制性实例，制品1可以是模块(die block)、机器零件、工具或包含内部部件的泵体(pump block)。这样，将理解的是，制品1在实践中可根据其预期的应用而具有各种形状和尺寸。
下面的表1-4列出了用于制造制品1的示例性钢合金组合物。组合物A具有较宽的元素含量范围，并且组合物D具有较低的磷含量。组合物B适用于制造横截面厚度(T)为20英寸或更小的制品，并且组合物C适用于制造横截面厚度(T)为20英寸或更大的制品。
表1：组合物A(宽)
元素 最小(重量％) 最大(重量％)
C 0.36 0.60
Mn 0.30 0.70
P 0.001 0.017
S 0.025
Si 0.15 0.60
Ni 1.40 2.25
Cr 0.85 1.60
Mo 0.70 1.10
V 0.02 0.10
Cu 0.35
Al 0.010 0.030
Ti 0.020
Zr 0.001 0.050
铁(余量)
表2：组合物B(横截面厚度(T)为20英寸或更小)
元素 最小(重量％) 最大(重量％)
C 0.50 0.60
Mn 0.50 0.70
P 0.001 0.017
S 0.025
Si 0.40 0.60
Ni 1.40 1.75
Cr 0.85 1.15
Mo 0.70 0.90
V 0.02 0.10
Cu 0.35
Al 0.010 0.030
Ti 0.020
Zr 0.001 0.050
铁(余量)
表3：组合物C(横截面厚度(T)为20英寸或更大)
Figure BDA0002311309050000041
Figure BDA0002311309050000051
表4：组合物D(较低的磷)
元素 最小(重量％) 最大(重量％)
C 0.36 0.60
Mn 0.30 0.70
P 0.001 0.005
S 0.025
Si 0.15 0.60
Ni 1.40 2.25
Cr 0.85 1.60
Mo 0.70 1.10
V 0.02 0.10
Cu 0.35
Al 0.010 0.030
Ti 0.020
Zr 0.001 0.050
铁(余量)
碳含量不断增加，降低了开始转变为马氏体的温度。然而，随着温度降低，形成了数量增加的不希望的转化产物如贝氏体和珠光体。然而，从要达到的目标的广泛角度来看，应降低碳(强力合金)以提高延展性，因此碳的含量应在0.36～0.60的范围内。碳倾向于偏析并集中至铸锭的中心，并且这种趋势随着铸锭的尺寸增加而增加。因为较大厚度的产品通常需要较大的铸锭，所以碳含量对于小于20英寸的厚度而言允许在0.50～0.60范围内，但对于较大的横截面而言必须减少。然而，降低碳含量具有不利的作用，因为碳对于为闭模锻造中的钢的热加工应用提供必要的强度和硬度是不可少的。碳还会极大地影响淬透性，即，硬度会如何深刻渗透给定的横截面。因此，如果要在闭口模锻应用中保持令人满意的性能，同时必须提供一种具有较高室温延展性(对于机械零件应用至关重要)的产品，则必须以某种方式对降低的碳进行补偿。如果可以实现这种补偿，则对于厚度大于20英寸的产品可以允许碳含量在0.36～0.46的范围内。
锰(温和的脱氧剂)的含量应在0.30～0.70的范围内。将锰降低至低于指示水平将增加由硫引起的红脆性(red shortness)的可能性。同样，降低锰含量会减少钢的淬透性。将锰含量增加至高于指示水平将降低马氏体的转变温度，从而降低延展性。锰也容易在大的铸锭中偏析。对于小于20英寸的厚度，优选0.50～0.70的范围。对于厚度大于20英寸的产品，如果可以弥补淬透性的损失，则优选将锰含量降低至0.30～0.50。
磷是重要的元素，迄今为止其对所需性能的贡献尚未得到充分认识。磷在钢的耐久性极限和断裂韧性方面特别重要。磷在奥氏体化热处理期间偏析并且似乎刺激渗碳体的形成，并因而刺激在淬火期间使碳沉淀到晶界。此外，磷的偏析程度取决于钢的磷和碳含量。当磷偏析过多并且伴有碳沉淀发生时，会达到严重影响耐疲劳性和耐断裂性的程度，以致钢作为闭式锻造工具或机械零件的双重用途的实用性损害到不可接受的程度。在对类似的低合金钢并且特别是对仅在磷含量上有所不同的稍微改性的4320钢进行的测试中，分别对磷含量为0.005、0.017和0.031的样品获得如图1所示的结果。曲线示出了：耐久性极限随磷含量的增加而降低；此外，疲劳寿命在0.005试样和0.017试样中非常相似，而在0.031试样中则显著降低。
在对所述三种变化的样品的断裂韧性测试中，获得了图2所示的结果，该结果清楚地表明磷降低了抗断裂性。同样，0.005磷钢和0.017磷钢具有相似的韧性特性，而0.005磷钢稍好一些，但0.031磷钢则低得多。
应当指出，磷对这种合金钢的微结构和性能也有重要影响。下面的表5示出了磷和碳对奥氏体晶界共偏析具有很强的亲合力，这由晶间磷和碳随体相磷浓度的增加而同时增加所表明。
表5
Figure BDA0002311309050000071
应当指出，相互作用越强，抗疲劳和抗断裂性越低：0.005磷和0.017磷之间的差异也很小，且0.005磷稍好一些，但一方面的0.005/0.017与另一方面的0.031磷之间的差异显著。
应当指出，随着磷含量的增加，碳在奥氏体中的溶解度降低；因此随着钢的磷含量的增加和磷浓度在奥氏体晶界处聚集，渗碳体的形成会增强，并且与渗碳体平衡的碳的溶解度降低。其结果是，渗碳体对晶界的覆盖越完整，抗疲劳性和抗断裂性越低。
从前述内容可以看出，增加钢的磷含量会导致晶界处的磷和碳的偏析随着晶间渗碳体形式的碳而增加。此外，随着磷含量的增加，疲劳性和抗断裂性能(对于闭模锻造和机械零件应用而言必须处于较高水平的两个性能)降低。就强度而言，钢的抗疲劳性和抗断裂性从0.005磷至0.017磷略微降低，但在含0.031磷的钢中则急剧降低。
然而，应当理解的是，尽管在小的熔体上可以达到0.005的最终磷含量，但是目前在高容量电炉炼钢中很难达到如此低的水平。然而，在过去的几年中，磷的控制一直在改善，以至于在大吨位生产中都能始终达到0.012的磷值，并且为达到较低的磷含量而做出进一步的工作还在继续。因此，尽管0.005是理想的研究方向，但是0.012代表了目前有效、技术上进步的大吨位电炉炼钢厂可实现的现实水平。
较低的硫含量将改善钢的延展性。然而，需要硫来保持钢的易加工性。必须存在少量但有效的硫，但最好将硫含量上限保持在低于最大值0.025％。硫也倾向于偏析到大铸锭的中心。厚度大于20英寸的产品中的硫应限制在最大0.003％。
硅应保持在0.15～0.60的范围内。硅由于其脱氧能力而成为该组合物中的重要元素。硅也趋向于偏析到大铸锭的中心。厚度大于20英寸的产品中的硅应限制于0.15～0.30的范围内。锆对氧具有很高的亲和力，并且可用于通过形成氧化锆而使熔体脱氧。然而，这些氧化锆充当有害于物理性质的夹杂物。在添加任何锆之前，必须将熔体彻底脱氧，以实现锆的最大益处。硅的最低含量为0.15确保了在添加任何锆之前可将熔体脱氧，因此不得将硅还原至低于该含量。硅的增加含量大于规定的范围会影响钢的凝固行为，这可能会导致铸锭缺陷，如初级管和次级管(primary and secondary pipe)。
镍应保持在1.40％～2.00％的范围内，因为它有助于提高韧性、淬透性和改进的耐热检查性能。在低温下，材料可能会在冲击力下表现出失效的脆性模式。在高温下，相同的材料将在冲击力下表现出失效的延性模式。材料从脆性转变为韧性的温度被称为断口形貌转变温度(FATT)。模具钢应预热至高于FATT温度，以避免在冲击载荷下的脆性失效。如果FATT曲线可以改变至较低的温度，则可以将因预热不足而导致的脆性失效降至最低。镍由于其改变断口转变温度(即从脆性转变为韧性)的能力而被使用。需要镍的最低浓度为1.40％，以避免由于预热不足而导致的灾难性的模具破裂。
图4显著地示出了由(a)和(b)所示的普通模具钢的FATT曲线的变化：(a)图4的曲线图右侧上的痕量镍曲线，其示出了要求至少130℉的预热温度；以及(b)图4的左侧上的添加镍曲线，其示出不需要预热或只需要室温，即可产生相同的抗冲击性。然而，镍浓度增加会增加钢中残余奥氏体量。如果在用作锻模时残留的奥氏体在模具钢中分解成未回火的马氏体，则可能会形成硬而脆的相，从而导致灾难性的模具失效。镍也是最昂贵的合金之一，因此镍应被限制在上述范围内，以使钢及由其制造的零件具有价格竞争力。
铬以在这些特殊应用中非常重要的量增加，并且应在0.85～1.60的范围内。产品厚度小于20英寸的优选范围为0.85～1.15。然而，如果降低碳以最大程度地减少大铸锭中的偏析，则应将铬含量提高至1.40～1.60，以补偿随着碳含量降低而造成的淬透性损失。还认为铬的添加量通过碳化铬的形成增加而增加了材料的耐磨性。
钼的含量应在0.70～1.10的范围内。钼提高了钢的淬透性，同时减少回火脆化的可能性。钼是提高耐磨性的强碳化物形成剂。然而，它是一种相对昂贵的合金，并且假设与本文描述的其他范围和常规热处理保持一致，则0.70～0.90的范围内的钼可以为厚度小于20英寸的产品提供令人满意的结果。为了通过降低零件厚度大于20英寸的零件中的碳、锰和硅的期望范围来弥补淬透性的降低，优选0.90～1.10的钼范围。
钒必须以少量但有效的量，最高为0.10，但优选在0.02～0.10％的范围内。钒具有三大作用。钒是对其提高淬透性效果而言的重要元素。钒还通过形成碳化钒来提高耐磨性。钒还用于通过与锆的前奥氏体晶粒固定的相同机理来提高细晶粒尺寸。然而，过量的钒会通过形成数量增加的粗碳化物而不利于延展性，因此，对于厚度小于20英寸的钒，最好将钒保持为最大0.10，并且对于厚度大于20英寸的钒，最好将钒保持最大0.07。
铝和锆必须一起考虑，而且，正如在下文中显而易见的那样，锆也必须根据此类钢中存在的氮量进行考虑。换句话说，铝、锆和氮之间存在确定的关系，并且该关系是本发明的制造零件和组合物的理想属性的关键因素。
在这种类型的Cr-Ni-Mo低合金钢中，铝是选择用于生产细晶粒结构的脱氧剂。然而，使用过多的铝会导致过多的夹杂物，因此，铝必须以少量但有效的量存在，最多0.030。然而，为了确保在适中的工作温度下的细晶粒结构，并且同样重要的是考虑到锆的存在，铝的优选范围为0.015～0.025。
锆也是脱氧剂。然而，锆具有独特的特征，即当将其作为合金元素添加到铝脱氧钢中时，它会通过形成氮化锆和碳氮化锆来增强晶粒固定。因此，在闭模锻造操作中，必须存在铝和锆的组合，以确保获得细晶粒结构。如从下文显而易见的，已发现应该存在的锆的量反过来取决于存在的氮量。
锆形成氮化物、碳化物和碳氮化物，所有这些化合物在高的工作温度(例如约2150℉)下在一定程度上稳定。在这些化合物中，氮化锆特别适合于固定奥氏体晶界。以重量百分数计，锆与氮的化学计量比为6.5:1。假设在本发明钢中氮的典型范围为40～90ppm，实现与氮的化学计量组成的最大锆将为0.058重量％。研究表明，化学计量组成对固定晶粒更有效，因此希望最大的锆含量为0.05重量％。关于最小的锆含量，具有相似组成的锻造模具钢在0.002重量％的锆含量下获得了延展性的有益结果。因此，锆的期望范围应在0.001重量％～0.050重量％之间。
工业实用性
通常而言，本公开的教导可以在许多行业中找到实用性，包括，但不限于，模锻、泵制造以及机器零件或工具制造行业。更具体而言，本公开可以适用于需要坚固的钢零件的任何行业，以用于具有高抗疲劳性、高抗断裂性、高强度、高硬度、高耐磨性、优异的贯通硬度、良好的可加工性和耐高温性的苛刻应用。
图5示出了制造制品1可能涉及的一系列步骤。例如，所得制品可以能够满足闭模锻造工艺的严格要求以及机械零件工业的同样苛刻的要求。方法100可以包括以下步骤：(1)在加热单元中形成具有少于全部合金成分的钢熔体(方框102)，(2)将所述熔液转移到容器中从而形成热熔体(方框104)，(3)加热、通过氩气吹扫来精炼所述热熔体，并将合金组合物进一步合金化成规格件(方框106)，(4)通过底部浇铸对所述热熔体进行真空脱气、回火和铸造以形成铸锭(方框108)，以及(5)热加工所述铸锭以将所述钢合金形成制品1(方框110)。
作为本公开的有效性的证据，已经从本发明化学作用的十四个热熔体中收集了物理性质数据。每热熔体都铸出一个大铸锭。所使用的铸锭是尺寸为92英寸直径(90吨)、100英寸直径(100吨)和108英寸直径(140吨)的圆形槽形铸锭。由铸锭锻造的块的尺寸范围为从尺寸为20英寸×77英寸×188英寸(128,235磅)最小的块到尺寸为30英寸×86英寸×200英寸(83,636磅)最大的块。将所有锻造的块都进行热处理，使其表面硬度范围为363～415HBW。所有块的热处理包括四个主要步骤：1：奥氏体化和空冷，2：奥氏体化和水淬，3：第一次回火，4：第二次回火。
该钢表现出出色的冲击强度，并且表现出在硬度和化学成分方面在这些大的横截面中高度的均匀性。
已通过夏比V型缺口法(Charpy V-notch method)(ASTM E23)对所有14个块测量了室温(70℉)的横向冲击强度(横向冲击强度)。对每个块测试了六个独立的夏比杆(Charpy bar)。所有测试均位于该表面下方1英寸处。所有十四个块的平均横向冲击强度为24英尺磅(ft-lb)。
将两个块切片以测试在该块厚度和宽度上的硬度均匀性(横截面硬度均匀性或淬透性)。通过Leeb法(ASTM A956)进行了本研究的核心硬度测量，并且发现如下结果：
块1
成品尺寸：26英寸×77英寸×188英寸
表面硬度：401-415HBW
所述测试平面是从块的末端开始40英寸的横截面。如图6A和图6B所示的，块1分别在宽度和厚度上的布氏硬度变化非常小。
块2：
成品尺寸：26英寸×67英寸×188英寸
表面硬度：363-375HBW
所述测试平面是从块的末端开始20英寸的横截面。如图7A和图7B所示的，块2分别在宽度和厚度上的布氏硬度变化非常小。
化学变化性直接影响块的硬度深度的变化性(淬透性)。将两个块切开以测试化学成分在整个块厚度和宽度上的均匀性。块尺寸为26英寸×77英寸×188英寸和26英寸×67英寸×188英寸。在与两个块的宽度中点、拐角和厚度中点的表面位置处的化学作用相比时，所述化学测试表明两个块的中心的变化很小。

Claims (20)

1.一种钢合金组合物，包含：
0.36重量％至0.60重量％的碳；
0.30重量％至0.70重量％的锰；
0.001重量％至0.017重量％的磷；
0.15重量％至0.60重量％的硅；
1.40重量％至2.25重量％的镍；
0.85重量％至1.60重量％的铬；
0.70重量％至1.10重量％的钼；
0.010重量％至0.030重量％的铝；
0.001重量％至0.050重量％的锆；和
余量的铁。
2.根据权利要求1所述的钢合金组合物，其中，所述钢合金组合物包含0.001重量％至0.012重量％的磷。
3.根据权利要求1所述的钢合金组合物，其中，所述钢合金组合物包含0.001重量％至0.005重量％的磷。
4.根据权利要求1所述的钢合金组合物，还包含最多0.025重量％的硫。
5.根据权利要求4所述的钢合金组合物，还包含0.02重量％至0.10重量％的钒。
6.根据权利要求5所述的钢合金组合物，还包含最多0.35重量％的铜。
7.根据权利要求6所述的钢合金组合物，还包含最多0.020重量％的钛。
8.一种由根据权利要求1所述的钢合金组合物制成的制品。
9.一种用于横截面厚度为20英寸或更大的制品的钢合金组合物，包含：
0.36重量％至0.46重量％的碳；
0.30重量％至0.50重量％的锰；
0.001重量％至0.012重量％的磷；
0.15重量％至0.30重量％的硅；
1.75重量％至2.25重量％的镍；
1.40重量％至1.60重量％的铬；
0.90重量％至1.10重量％的钼；
0.015重量％至0.025重量％的铝；
0.001重量％至0.050重量％的锆；和
余量的铁。
10.根据权利要求9所述的钢合金组合物，还包含最多0.003重量％的硫。
11.根据权利要求11所述的钢合金组合物，还包含0.02重量％至0.07重量％的钒。
12.根据权利要求12所述的钢合金组合物，还包含最多0.35重量％的铜。
13.根据权利要求13所述的钢合金组合物，还包含最多0.020重量％的钛。
14.由根据权利要求9所述的钢合金组合物制成的横截面厚度为20英寸或更大的制品。
15.一种用于横截面厚度为20英寸或更小的制品的钢合金组合物，包含：
0.50重量％至0.60重量％的碳；
0.50重量％至0.70重量％的锰；
0.001重量％至0.017重量％的磷；
0.40重量％至0.60重量％的硅；
1.40重量％至1.75重量％的镍；
0.85重量％至1.15重量％的铬；
0.70重量％至0.90重量％的钼；
0.010重量％至0.030重量％的铝；
0.001重量％至0.050重量％的锆；和
余量的铁。
16.根据权利要求15所述的钢合金组合物，还包含最多0.025重量％的硫。
17.根据权利要求16所述的钢合金组合物，还包含0.02重量％至0.10重量％的钒。
18.根据权利要求17所述的钢合金组合物，还包含最多0.35重量％的铜。
19.根据权利要求18所述的钢合金组合物，还包含最多0.020重量％的钛。
20.由根据权利要求15所述的钢合金组合物制成的横截面厚度为20英寸或更小的制品。
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