一种高强韧性微合金结构钢及其制备方法与流程

本发明涉及合金结构钢领域，具体公开了一种高强韧性微合金结构钢及其制备方法。

背景技术：

1、微合金结构钢性能良好，广泛应用于桥梁、高层建筑、发电设备、各类管线等领域。其中钢基体中合金元素的添加量很少，但能使性能明显提高。微合金在钢基体内，起到晶粒细化、减少夹杂物、减少裂纹、提高淬透性等作用，可根据具体的需求来确定合适的合金元素种类和含量。

2、在微合金结构钢表面渗碳可以进一步提升其强度，但常规渗碳工艺会导致晶粒粗大，先进行预渗碳的步骤又存在时间过长的问题，以上问题均会导致微合金结构钢的强度或韧性出现一定程度的下降；因此，研究一种高强韧性微合金结构钢及其制备方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强韧性微合金结构钢及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高强韧性微合金结构钢的制备方法：包括以下步骤：

3、s1：在铁水中加入精炼剂，精炼扒渣；加入变质剂，变质处理；依次进行真空脱气、连铸、轧制，得基础结构钢；

4、s2：将基础结构钢经清洗，进行电镀，得表面沉积有改性石墨的结构钢a；

5、s3：取结构钢a，进行高温渗碳、低温渗碳、扩散、淬火冷却、回火，得高强韧性微合金结构钢。

6、较为优化地，s1步骤具体包括：取铁水；在1600～1700℃加入铁水质量1～2％的精炼剂，停20～30min后，扒渣；加入铁水质量1～2％的变质剂，停留20～30min，除渣；进行真空脱气、连铸(温度：1180℃～1220℃)、轧制(1200℃加热5～6h后进行轧制开坯，开坯后坑冷至180℃，之后再次加热至1180℃，保温5～6h，保温结束后进行轧制，初轧温度1100～1180℃，终轧温度850～1000℃，轧后空冷)，得基础结构钢。

7、较为优化地，s1步骤具体包括：取铁水；在1600℃加入铁水质量1％的精炼剂，停20min后，扒渣；加入铁水质量1％的变质剂，停留25min，除渣；进行真空脱气、连铸(温度：1220℃)、轧制(1200℃加热6h后进行轧制开坯，开坯后坑冷至180℃，之后再次加热至1180℃，保温6h，保温结束后进行轧制，初轧温度1100℃，终轧温度950℃，轧后空冷)，得基础结构钢。

8、较为优化地，所述铁水包括如下质量百分比的各组分：c：0.7～0.85％，si：0.15～0.35％，mn：0.70～0.90％，p：≤0.025％，s：≤0.025％，cr：0.16～0.25％，v：0.068～0.08％，cu：≤0.001％，ni：≤0.001％，ti：≤0.001％，其余为fe及不可避免杂质。

9、较为优化地，所述铁水包括如下质量百分比的各组分：c：0.75％，si：0.2％，mn：0.75％，p：0.005％，s：0.015％，cr：0.22％，v：0.071％，cu：0.001％，ni：0.001％，ti：0.001％，其余为fe及不可避免杂质。

10、较为优化地，s2步骤中清洗的工艺为：将基础结构钢经80℃的水清洗30s，浸入5％的硫酸中10min，再经水洗净。

11、较为优化地，s2步骤中电镀的具体工艺为：控制温度为50～60℃，ph＝7～8，电流密度4～6a/dm3，在电镀液中进行电镀10～15min；

12、所述电镀液包括以下原料：六水硫酸镍30～40g/l、六水氯化镍5～15g/l、硫酸锌5～10g/l、硫酸氧钛3.5～10.5g/l、柠檬酸三钠50～60g/l、5～10g/l添加剂、5～10g/l改性石墨，其余为水。

13、较为优化地，所述改性石墨的制备包括以下步骤：步骤一：取环氧基硅烷偶联剂、二(羟乙基)甲基十二烷基氯化铵、3-氨基-5-氟吡啶、dmso，升温至130～140℃，搅拌4～6h，除去溶剂，得改性剂a；

14、步骤二：取纳米石墨、乙醇、水，加入改性剂a，40～50℃搅拌5～6h，过滤，干燥，得改性石墨；

15、所述改性剂a包括以下原料，按质量份数计：10～15份环氧基硅烷偶联剂、5～8份二(羟乙基)甲基十二烷基氯化铵、2～4份3-氨基-5-氟吡啶、150～200份dmso；

16、所述改性石墨包括以下原料，按质量份数计：10～15份纳米石墨、40～60份乙醇、40～60份水、3～5份改性剂a。

17、较为优化地，所述添加剂的制备包括以下步骤：步骤一：取份超支化聚丙烯酸、柠檬酸酯、6-羟基-2-吡啶羧酸、异辛酸亚锡、对甲苯磺酸一水合物，混合均匀，升温至130～140℃搅拌1～2h，升温至150～160℃搅拌4～6h，降温至130～140℃，加入环氧基硅烷偶联剂，搅拌4～6h，除去溶剂，得改性剂b；

18、步骤二：取二硫化钼、乙醇、水，加入改性剂b，40～50℃搅拌5～6h，得添加剂；

19、所述改性剂b包括以下原料，按质量份数计：15～20份超支化聚丙烯酸、4～6份柠檬酸酯、1～3份6-羟基-2-吡啶羧酸、0.1～0.2份异辛酸亚锡、0.04～0.05份对甲苯磺酸一水合物、10～15份环氧基硅烷偶联剂；

20、所述添加剂包括以下原料，按质量份数计：5～10份二硫化钼、40～60份乙醇、40～60份水、8～12份改性剂b。

21、较为优化地，s2步骤中，所述高温渗碳的具体工艺：温度为900～950℃，碳势为1.1，时间为3～4h；所述低温渗碳的具体工艺：温度为800～850℃，碳势为1.1，时间为2～3h；所述扩散的具体工艺：温度为800～850℃，碳势为0.8，时间为1～2h。

22、较为优化地，所述精炼剂包括以下原料，按质量百分比：80～90％cao、10～20％al2o3；所述变质剂包括以下原料，按质量百分比：50～60％稀土硅铁、20～30％改性硅铁、10～20％硅钙合金、5～10％微量元素；所述微量元素包括以下原料，按质量百分比：40％zr、25％cu、15％sb、15％bi和5％b。

23、较为优化地，所述精炼剂包括以下原料，按质量百分比：85％cao、15％al2o3。

24、较为优化地，所述改性硅铁的制备包括以下步骤：将质量比(1～2)：1的碳化钛粉末与镍基粉末混合，得混合物；该混合物通过等离子转移弧焊沉积到硅铁表面，得改性硅铁。

25、较为优化地，所述改性硅铁的制备包括以下步骤：将质量比2：1的碳化钛粉末与镍基粉末混合，得混合物；该混合物通过等离子转移弧焊沉积到硅铁表面，得改性硅铁；所述镍基粉末为oerlikon metco公司的metcoclad 625粉末(ni21cr9mo4nb)；沉积设备是具有excalibur焊炬的starweld 400a，沉积参数是：2l/minar中心气流，2l/min ar粉末气流，12l/minar保护气流，电压29v，电流145a，沉积时间0.2s。

26、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：除渣完成后，加入变质剂，使晶粒进一步细化，变质剂中含有改性硅铁，即表面沉积的碳化钛粉末与镍基粉末的硅铁；硅铁为合金变质剂，可以提高基础结构钢的力学性能但综合效果不佳；碳化钛在晶界处富集，起钉扎作用，增加基础结构钢的强韧性，但由于尺寸过小，容易积聚成团，使用效果降低；因此，将碳化钛沉积在硅铁表面再加入，有效提高基础结构钢的强力和韧性；且晶粒细化后，有助于后续步骤渗碳的进行；

27、在基础结构钢表面电镀，镀层一方面提高基础结构钢的耐腐蚀性，另一方面作为过渡层，有利于提高后续步骤渗碳时渗碳层的均匀性；分布在镀层中的改性石墨可作为后续步骤中碳化物的生长核心，提高形核率且有助于得到细小均匀的碳化物颗粒，使渗碳时无需先进行低温渗碳形成预存碳化物颗粒，可以直接高温渗碳，提高了渗碳效率；

28、为了改善石墨在电镀液中的分散性，使用改性剂a；改性剂a中3-氨基-5-氟吡啶中吡啶结构的分子平面性有助于镀层在碳纳米管表面有序吸附，氟可以起到润滑作用，帮助得到平整的镀层；二(羟乙基)甲基十二烷基氯化铵的阳离子结构有效改善石墨的分散性；

29、电镀液中还加入添加剂，添加剂是改性剂b改性的二硫化钼，二硫化钼本身润滑性良好，加入有助于提高镀层的性能；改性剂b中，包括超支化聚丙烯酸、柠檬酸酯、6-羟基-2-吡啶羧酸；超支化聚丙烯酸可提升二硫化钼分散性；柠檬酸酯、6-羟基-2-吡啶羧酸有辅助络合的作用，同时还能作为电镀的光亮剂和整平剂，有助于镀层的均匀性；综上，该添加剂有助于平整均匀的镀层的形成，也有助于分散改性石墨，对后续渗碳步骤有积极效果；

30、渗碳处理后能进一步提高结构钢a表面硬度，且使其内部维持很好的韧性，但常规渗碳工艺存在晶粒粗大影响性能，先进行预渗碳的步骤又存在时间过长的问题；本发明由于结构钢a表层存在改性石墨，可以直接进行高温渗碳，高温渗碳后再降低温度进行低温渗碳，进一步细化碳化物并降低渗碳层内应力，得到均匀的渗碳层。