一种低回火脆性碳钢的制作方法

1.本发明属于黑色冶金生产领域，尤其是一种低回火脆性碳钢。


背景技术：

2.回火脆性是钢铁的共性缺陷，表现为尽管随回火温度的升高，回火后钢的硬度和强度降低，塑性和韧性增加，但在某个温度范围内回火时，冲击值却显著下降。
3.依据回火脆性产生的温度及特性不同，又大致分为两类：在250
°
～400℃范围内出现的回火脆性称第一类回火脆性，又称不可逆回火脆性或低温回火脆性，其特征是沿晶脆性断口，并与回火后的冷却速度无关。在500～650℃范围内出现的回火脆性称第二类回火脆性，具有可逆性，与回火后的冷却速度有关，缓冷出现，快冷不出现，因而出现脆化后可重新加热后快冷消除。
4.第二类回火脆性还受化学成分影响，随杂质元素的增多而增大。sb、sn、p等杂质元素向原a晶界偏聚是产生第二类回火脆性的主要原因，而ni、cr不仅促进杂质元素的偏聚，且本身也偏聚，从而降低了晶界的断裂强度，产生回火脆性。
5.因此，降低或规避第二类回火脆性的常规措施是提高钢材的纯度，尽量减少杂质，或加入适量的mo、w等有益的合金元素。但是，对于碳钢体系，首先添加有益元素mo、w等是不可能的，再者，as、sb、sn、p等有害杂质元素是客观存在的，不可能完全消除，如微量有害元素对钢锭在锻造过程中产生表面热脆的影响文献显示，as、sb、sn等分压低，即使在高真空下，通过延长冶炼时间也无法去除。也就是说只能用不含as、sb、sn等有害元素的高纯度原料冶炼碳钢才能降低或避免碳钢的回火脆性，但其成本是机械、化工等常规国计民生行业无法承受的，即此方式现实性不高。
6.中国专利cn201611094718.7提出一种可替代调质处理的中碳钢热机械处理方法，通过轧制道次数与热处理的优化，产品工艺和力学性能不受回火脆性等影响。
7.中国专利cn106624449公开了一种海洋工程厚板热处理用药芯焊丝及其制备方法和应用，通过合理设计药芯焊丝的成分配比，但不包含as、sb、sn、p等有害元素，抑制第二类回火脆性的产生。
8.日本专利jp201410059352.4提出一种耐腐蚀高碳钢合金材料及其制备方法，是通过使用nb、al等原料组合，合理设置配比和生产工艺，合理设置投放次序，形成的合金材料具有极高的低回火脆性，也未涉及众所周知对回火脆性影响的as、sb、sn、p等有害元素。
9.日本专利jps58221678公开的cr-mo钢的焊接方法中，防止回火脆性的措施涉及到as、sb、sn、p等有害元素，并要求10p+5sb+4sn+as/100＜15，但此经验式是针对cr-mo合金钢提出的，而元素cr、mo并不适用于碳钢，因为加入适量的mo等合金元素能提高耐回火脆性。
10.综上所述，涉及钢铁回火脆性的专利极少，尤其是未见通过控制as、sb、sn、p等有害元素来改善碳钢回火脆性的专利。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于设计一种低回火脆性碳钢，不仅降低了回火脆性敏感性，还更能保证耐低温冲击性，同时兼顾可制造性和经济性。
12.为达到上述目的，本发明的技术方案是：
13.本发明在控制as、sb、sn、p等对回火脆性有害元素各自含量的基础上，通过有害元素的耦合作用，设计回火脆性敏感系数mef，并适当放宽自身尤其是能引起as、sb、sn、p等晶界偏聚的cr和ni残余含量，改善或避免碳钢的回火脆性，从而获得低回火脆性高品质碳钢，降低拉伸性能的波动性和离散度，确保拉伸性能的稳定性和耐低温冲击性。
14.具体的，本发明所述的低回火脆性碳钢，其成分重量百分比为：c≤0.50％，si：0.01～1.00％，mn：0.20～3.50％，cr≤0.40％，ni≤0.45％，p≤0.045％，s≤0.05％，as≤0.030％，sb≤0.01％，sn≤0.02％，其余为fe和其它不可避免的杂质；且需要同时满足：mef≥5.85％，mef＝mn/(c+2.1p+5.0as+7.6sn+7.2sb)。
15.本发明所述低回火脆性碳钢的抗拉强度≥415mpa，屈服强度(0.2％.offset)≥240mpa，断后延伸率el纵向≥24％，-60℃冲击kv2≥50j。
16.在本发明所述低回火脆性碳的成分设计中：
17.c，是钢铁中最常规的固有元素之一，因为其氧化势与元素fe接近，在钢水中部分保留，即c是客观存在和无法完全规避。本发明研究发现，c又是对回火脆性不利的元素，因而尽可能低为原则。另外，c还是保证强度的最经济元素，根据不同用途，钢的含c量从0.02％到2.11％不等。但含碳量高，形成碳化物的倾向和含量势必就高，不仅表现为回火脆性敏感高，还对冲击、耐蚀等性能是不利的。因此，耐回火脆性碳钢的c≤0.50％，优选c≤0.35％。
18.si，其氧化势高于fe，在钢水中极少保留，但也是钢铁中最常规的固有元素之一，钢的含si量常规是0.01～1.00％，优选si：0.05～0.80％。
19.mn，有利于提高碳钢耐回火脆性，但其氧化势与fe接近，在钢水中部分保留，也是钢铁中最常规的固有元素之一。mn有利于强度、冲击等机械性能，但过高对可制造性不利。本发明研究发现，mn能提高碳钢的耐回火脆性，因此mn：0.20～3.50％，优选mn：1.25～3.2％。
20.p，引起回火脆性不利，但其氧化势与fe接近，在钢水中部分保留，也是常规钢铁中固有的有害残余元素之一，越低越好。本发明研究发现，mn可抑制p对回火脆性的不良作用，因此尽管常规要求p≤0.035％，而本发明p≤0.045％，优选p≤0.040％。
21.s，引起回火脆性不利，但其氧化势与fe接近，在钢水中部分保留，也是常规钢铁中固有的有害残余元素之一，越低越好，本发明s≤0.050％，优选s≤0.045％。
22.as，引起回火脆性不利，但其比fe的氧化势小，在钢水中完全保留，因此是钢中固有的有害残留元素之一，越低越好，本发明as≤0.030％，优选as≤0.020％。
23.sb，引起回火脆性不利，但其比素fe的氧化势小，在钢水中完全保留，因此是钢中固有的有害残留元素之一，越低越好，本发明sb≤0.01％，优选sb≤0.008％。
24.sn，引起回火脆性不利，但其比fe的氧化势小，在钢水中完全保留，因此是钢中固有的有害残留元素之一，越低越好，本发明sn≤0.02％，优选sn≤0.01％。
25.cr，能引起p、as、sn、sb等回火脆性元素的晶界偏聚，在碳钢中作为残余元素，常规
要求cr≤0.25％，本发明cr≤0.40％，优选cr≤0.35％。
26.ni，能引起p、as、sn、sb等回火脆性元素的晶界偏聚，在碳钢中作为残余元素，常规要求ni≤0.30％，本发明ni≤0.45％，优选ni≤0.40％。
27.至于可抑制回火脆性的mo和w，并不为了抑制回火脆性而特意添加，因此本发明不限定mo和w的含量，只作为残余元素即可。
28.cef＝p+2.4as+3.6sn+8.2sb是目前常用的回火脆性敏感系数经验式，并要求cef≤0.1％，但因其是针对cr-mo合金钢的经验式及判据，并不适用于碳钢。综合考虑碳钢c、si、mn、p、s等主要元素和as、sb、sn等有害残余元素对其机械性能的影响，拟合提出mef＝mn/(c+2.1p+5.0as+7.6sn+7.2sb)，并以mef≥5.85％作为低回火脆性判据。
29.本发明研究发现，c引起回火脆性，而mn能抑制回火脆性，mn虽然不能抑制as、sb、sn、p等回火脆性有害元素在晶界的偏聚，但可以抵消as、sb、sn、p等在晶界偏聚有害元素对回火脆性的不利影响，即通过mn、c、as、sb、sn、p等元素的耦合作用，因此用mn抑制c、p、as、sn、sb等对回火脆性的不利影响，并提高耐低温冲击性。本发明拟合提出mef，确保降低回火脆性对性能的影响，如拉伸、冲击等机械性能的波动性和离散性。
30.本发明的有益效果：
31.本发明所述低回火脆性碳钢，基于化学元素对钢铁尤其是碳钢回火脆性的作用，在不添加mo、w等对回火脆性有益合金元素的前提下，仅从控制as、sb、sn、p等有害元素各自含量以及限定彼此不利元素的耦合作用出发，即使含有一定量的能引起as、sb、sn、p等富集的元素cr和ni，也可降低甚至避免碳钢的回火脆性，本发明提出的回火脆性敏感系数mef，不仅只局限于常规的as、sb、sn、p等元素及其耦合作用，更包括元素mn和c及其与as、sb、sn、p等元素的耦合作用，不仅有利于降低回火脆性敏感性，还更能保证耐低温冲击性；而且兼顾可行性和经济性。
具体实施方式
32.下面将通过实施例对本发明做出进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。
33.本发明实施例1～13的成分及其mef系数如表1所示，成分中余量为fe和其它不可避免杂质。690℃*2h回火后的产品机械性能如表2所示，当mef≥5.85％时，机械性能达标，无回火脆性。
34.对比例1～13的成分及其mef系数如表3所示，其回火后的产品机械性能如表4所示，尽管对比例产品的cef≤0.1％，但当其mef＜5.85％时，机械性能未达标，有回火脆性。
35.cef＝p+2.4as+3.6sn+8.2sb是目前常用的回火脆性敏感系数经验式，并要求cef≤0.1％，但因其是针对cr-mo合金钢的经验式及判据，并不适用于碳钢。因为如表1和表3的成分为例，如表5所示，表1和表3的cef分别为0.02～0.09％和0.01～0.10％，均不大于上限0.1％，且两者cef存在较大的交集，约为0.02～0.09％，但对应的回火机械性能而言，表1成分的达标即无回火脆性，如表2所示；而表3成分的未达标即有回火脆性为例，如表4所示。因此需要对cef进行修正。综合考虑碳钢c、si、mn、p、s等主要元素和as、sb、sn等有害残余元素对其机械性能的影响，拟合提出mef＝mn/(c+2.1p+5.0as+7.6sn+7.2sb)，按表1和表3成分计算的mef分别为5.85～9.23％和1.20～6.22％，详见表1和表3，并以mef≥5.85％作为低
回火脆性判据。
36.从表1和表3各自对应的机械性能表2和表4来看，尽管各自cef均远≤0.1％，但表3成分对应的表4性能不达标即表3成分有回火脆性，而表1成分则无回火脆性，因此cef≤0.1％并不适用于碳钢。
37.按本发明拟合的mef≥5.85％，则可完全从成分预判碳钢是否有回火脆性，如无回火脆性的表1成分的mef均≥5.85％，而有回火脆性的表3成分的mef均＜5.85％。因此mef≥5.85％可从钢坯甚至可从炼钢源头确保生产的碳钢无回火脆性。
38.39.40.41.42.43.44.
技术特征：
1.一种低回火脆性碳钢，其成分重量百分比为：c≤0.50％，si：0.01～1.00％，mn：0.20～3.50％，cr≤0.40％，ni≤0.45％，p≤0.045％，s≤0.05％，as≤0.030％，sb≤0.01％，sn≤0.01％，其余为fe和其它不可避免的杂质；且需要同时满足：mef≥5.85％，mef＝mn/(c+2.1p+5.0as+7.6sn+7.2sb)。2.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，所述碳钢中残余元素cr和/或ni，其中，cr≤0.40％，优选cr≤0.35％；ni≤0.45％，优选ni≤0.40％，以重量百分比计。3.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，c≤0.35％，以重量百分比计。4.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，si：0.05～0.80％，以重量百分比计。5.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，mn：1.25～3.2％，以重量百分比计。6.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，p≤0.040％，s≤0.045％，以重量百分比计。7.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，as≤0.020％，以重量百分比计。8.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，sb≤0.008％，以重量百分比计。9.如权利要求1所述的低回火脆性碳钢，其特征是，sn≤0.01％，以重量百分比计。10.如权利要求1～9任何一项所述的低回火脆性碳钢，其特征是，所述低回火脆性碳钢的抗拉强度≥415mpa，屈服强度(0.2％.offset)≥240mpa，断后延伸率el纵向≥24％，-60℃冲击kv2≥50j。

技术总结
一种低回火脆性碳钢，其成分重量百分比为：C≤0.50％，Si0.01～1.00％，Mn 0.20～3.50％，Cr≤0.40％，Ni≤0.45％，P≤0.045％，S≤0.05％，As≤0.030％，Sb≤0.01％，Sn≤0.02％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；且需要同时满足：MEF≥5.85％，MEF＝Mn/(C+2.1P+5.0As+7.6Sn+7.2Sb)。本发明在控制As、Sb、Sn、P等对回火脆性有害元素各自含量的基础上，通过有害元素的耦合作用，设计回火脆性敏感系数MEF，并适当放宽自身尤其是能引起As、Sb、Sn、P等晶界偏聚的Cr和Ni残余含量，改善或避免碳钢的回火脆性，从而获得低回火脆性高品质碳钢，降低拉伸性能的波动性和离散度，确保拉伸性能的稳定性和耐低温冲击性。的稳定性和耐低温冲击性。


技术研发人员：张清廉 翟国丽
受保护的技术使用者：宝山钢铁股份有限公司
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2023/10/11