超高强度钢制备工艺的关键技术研究

发布时间：2020-06-29 18:46

【摘要】：超高强度钢抗拉强度高、韧性好,具有高的比强度、比模量,广泛应用于航空、航天及国防等领域,是飞机等主承力关键构件的首选材料,代表了一个国家钢铁材料研究和生产的最高水平,是一个国家科技和国防工业发展水平的重要标志。超高强度钢室温抗拉强度超过1400 MPa、屈服强度大于1300 MPa,其韧性要求也较高,始终在挑战材料的强韧性极限。同时,超高强度钢对裂纹、夹杂、焊缝和表面加工等缺陷也十分敏感,因此,降低超高强度钢的缺陷率、提高钢的韧性始终是国际前沿技术开发的重要研究方向。我国在超高强度钢降低钢中有害杂质元素质量分数、改善夹杂物的形态及提高钢的韧性方面已开展了几十年的研究,并取得了非常大的成绩与进步,但是在超纯净化冶炼、凝固组织控制、热加工和热处理等方面与国外相比还有很大的差距,严重制约了我国航空航天和国防军工等关键材料的配套和发展。本论文以目前我国生产的几个典型的超高强度钢为研究对象,分别针对其洁净度和组织性能控制难题,开展超高强度钢制备工艺的关键技术研究,对于提升我国超高强度钢生产技术水平,补齐航空航天和国防军工的关键材料“短板”具有重要的现实意义。本论文在全面综述国内外超高强度钢研究现状的基础上,通过对国内超高强度钢实际生产工艺及质量水平的深入调研,采用实验室真空感应炉实验、理论计算分析、添加稀土实验、工业试验等方法,利用化学分析、金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、力学性能测试以及X射线衍射分析等表征手段,以300M、A-100和S53等典型的超高强度钢作为研究对象,开展了精钢材纯净化冶炼、真空感应炉(VIM)超纯熔炼、超高强度钢的稀土处理、超高强度钢中非金属夹杂物去除与控制、双真空(真空感应炉-真空自耗炉(VIM-VAR))熔炼的纯净度和凝固组织控制、真空感应炉-电渣重熔-真空自耗炉(VIM-ESR-VAR)三联工艺超纯熔炼、锻造和热处理组织性能控制等关键共性技术研究,在抚钢工业化条件下制备出了超纯净、高性能的超高强度钢,确定了三联工艺是解决超高强度钢上述技术难题的最佳工艺。通过上述研究,论文的创新点及主要结论如下:(1)镧对超高强度钢的纯净化的影响研究结果表明,在真空感应熔炼条件下,冶炼时保证良好的炉况、精确控制温度能够保证稀土镧良好、稳定的脱氧脱硫效果。在真空感应熔炼条件下,冶炼时保证良好的炉况、精确控制温度能够保证稀土镧良好、稳定的脱氧脱硫效果。当钢中的氧和硫的质量分数十分低时,钢中的夹杂物主要为La2O2S,Mg和Al等金属氧化物能够在La2O2S表面析出形成复合夹杂物。(2)单真空、双真空工艺和三联工艺对超高强度钢纯净度的影响研究结果表明,在单真空工艺、双真空工艺和三联工艺中,三联工艺的T.O、P、S等明显低于单真空和双真空工艺,是超高强度钢纯净度控制的最佳工艺。在Si、Mn、Al、Ti等元素质量分数都非常低条件下,达到T.O=0.0004%、w[N]=0.0009%的超纯净水平。三种工艺制备的超高强度钢中夹杂物种类差异不大,典型夹杂物均主要为含镁铝尖晶石的MgO-Al2O3-CaS、MgO-Al2O3-SiO2等。三联工艺夹杂物平均直径和单位面积夹杂物个数均小于单真空和双真空工艺。(3)真空自耗重熔对铸锭凝固组织的影响研究结果表明,真空自耗重熔过程采用高熔化速度生产的钢锭其成品钢棒低倍组织易出现径向偏析缺陷;采用强冷的氦气冷却方式和高水流量生产的钢锭其成品钢棒低倍组织出现环状花样缺陷。因此在不采用氦气冷却的前提下适当降低熔化速度,可以生产出低倍组织合格的棒材。(4)锻造工艺对航空轴承钢G13Cr4Ni4Mo4VA棒材冲击性能的影响研究结果表明,造成G13Cr4Ni4Mo4VA棒材冲击性能偏低的原因是由于沿晶界分布析出的δ铁素体。将锻造温度由1160 K降低至1110 K,可有效地避免δ铁素体的析出,提高棒材的冲击性能。(5)锻造和预备热处理对超高强度钢A-100晶粒度的影响研究结果表明,对于A-100钢,在变形量为30%时,将变形温度控制在1000～1140 K范围内可获得细小的完全再结晶组织,同时改善微观组织均匀性。应用正火工艺进行预备热处理可以提高晶粒度级别,均匀组织。合适的正火温度在900～950 K,且保温时间不宜过长,防止晶粒过分长大。(6)回火热处理对S53超高强度钢组织性能的影响研究结果表明,S53钢二次回火热处理后钢的组织和性能优于一次回火热处理。回火温度为490 K的试样抗拉强度最高达到1955 MPa,屈服强度为1684 MPa,硬度达56(HRC),且均匀延伸率为10%。二次回火490 K处理后,相比较于一次回火505 K,马氏体板条更加细小且板条边界扭曲交错程度比一次回火更深,对位错的运动的阻碍作用更大,强化效果更好。同时,二次回火后更多细小的碳化物在板条马氏体基体上和位错间析出,显著提高了材料的强度。回火温度为490K拉伸断口样品分布较多的韧窝。随着二次回火温度升高,碳化物也会粗化,样品拉伸断口微观形貌也会出现准解理特征。因此,S53钢最佳回火工艺为在505 K×3 h下进行一次回火,再在490 K×12 h下进行二次回火。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF76;TG316
【图文】：

示意图,真空自耗炉,示意图

图２．１真空自耗炉及工作示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｖａｃｕｕｍ邋ａｒｃ邋ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ邋ｆｕｒｎａｃｅ邋ａｎｄ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑１）真空自耗炉的基本原理逡逑空电弧熔炼炉的主要特征是利用电弧热来熔化金属的一种特种冶炼在低压状态下、或者在惰性气体保护气氛中进行的。逡逑空自耗熔炼采用大电流、低电压的供电方式，电极接负极，结晶器极接触起弧。电弧的温度很高，使金属蒸发、电离，也使气体电离的挥发电离。这样在电弧区存在大量的正、负离子，它们各向相反电质，使电弧稳定。电弧的热量使电极加热，直至熔化，并滴入结的熔池，同时由于电弧的加热，熔池被过热，随着熔池量的增加，的作用下逐渐凝固，形成铸锭。所以，真空自耗炉熔炼是电极加热培池过热一冷却凝固一铸锭，这样一个连续不断的过程，直至电极一理。逡逑

氧平衡,元素,浓度

图３．１不同元素脱氧时氧平衡浓度逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｏｘｙｇｅｎ邋ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｄｅｏｘｉｄｉｚｅｄ邋ｂｙ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ逡逑从图３．１可以看出，金属元素脱氧能力从强到弱的顺序为：Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ。当溶逡逑解硅和锰质量分数均为０．０５％，与其平衡的氧质量分数分别为０．０６６邋％、３．３８°／。，远不逡逑能满足钢种氧质量分数要求。若要求氧平衡浓度为０．０００６邋％，当采用铝脱氧时，则溶解逡逑铝质量分数至少为０．０６９邋％；当采用钙脱氧时，则溶解钙质量分数只要高于４．６１５Ｍ０－７逡逑即可。逡逑精２２钢中含有一定量的硅和极少量的铝，下面计算采用ＳｉＡｌ复合脱氧是否可行。逡逑在３Ａｌ２０＿ｖ２Ｓｉ０２体系中存在如下反应：逡逑［Ｓｉ］＋２［０］＝（Ｓｉ０２），邋ＡＧｅ＝邋－邋５７６４４０＋２１８．２７邋Ｊ－ｍｏｌ＇１逦（３．１１）逡逑２［Ａｌ］＋３［０］＝（Ａｌ２0３）．邋ＡＧｅ＝－邋１２２５０００＋３９３．８ｒｊ－ｍ0ｒ＇逦（３．１２）逡逑（２Ｓｉ0２）＋（３Ａｌ２0３）＝（３Ａｌ２0３－２Ｓｉ０２），邋ＡＧｅ＝邋－邋４３５１－１０．５ｒ邋Ｊ－ｍｏＫ１逦（３．１３）逡逑利用线性组合法，可以得到如下反应：逡逑２［Ｓｉ］＋６［Ａｌ］＋］３［０］＝（３Ａｌ２０３．２Ｓｉ０２）

【参考文献】