本發明涉及一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼及其制備方法，屬于鋼鐵材料領域。

　　背景技術：

　　因其優良的使用性能和低廉的價格，球墨鑄管被廣泛應用于水、氣、油的運輸，21CrMo10是用量較大的離心球墨鑄管澆注管模用鋼，有著廣闊的市場前景。管模的使用環境惡劣，澆注中鐵水因離心作用而敷在管模內壁上，使管模溫度急劇升高，而外表面通循環水冷卻以降低溫度。溫度的變化引起應力的交替變化，服役一段時間后將出現熱疲勞，最終形成大面積龜裂。國家標準GB/T 25715-2010《離心球墨鑄管管模》中規定：21CrMo10鋼工件的屈服強度Rp0.2≥680MPa，抗拉強度Rm≥780MPa，斷面收縮率Z≥50％，伸長率A≥12％，沖擊功KU2≥50J。用戶更是對管模材料提出了更苛刻的要求，除了更高的力學性能外，還要求有更長的熱疲勞壽命。研究表明，熱疲勞壽命與強度、沖擊功存在對應關系，強度和沖擊功越高，熱疲勞壽命越長。綜上所述，管模用鋼的進一步強韌化和熱疲勞壽命的提高，成為材料工作者亟待解決的問題。

　　根據以往的研究成果，稀土元素可以深度凈化鋼液，降低有害夾雜物的含量并改性夾雜物，固溶在鋼中可以起到部分固溶強化的作用，還可以細化晶粒，提高鋼的強度和韌塑性。但是，以往對稀土在管模用鋼中研究較少，因此，我們提出在管模用鋼中添加稀土元素鈰，提高鋼的屈服強度、抗拉強度和沖擊功，進而提高其熱疲勞壽命，開發出高性能含稀土管模用鋼，滿足用戶需求。

　　我國是鋼鐵生產大國，鋼產量二十余年來一直穩居世界第一位，但是我國還不是鋼鐵強國，高品質的鋼材需要大量進口。同時我國是稀土生產大國，稀土產量在世界上處于絕對領先，但是，我們對稀土在材料中的應用研究不足，大量稀土以低廉的價格向國外出口。同時，稀土礦是不可再生資源，低廉、大量地出口只會損害本國的稀土工業和相關產業，怎樣在國內高效利用稀土元素也成為亟待解決的問題。

　　用戶對管模材質的要求越來越高，要求其具有更高的強韌性并具備更長的熱疲勞壽命，怎樣對21CrMo10進行改良是材料工作者的研究熱點。21CrMo10鋼中Cr元素起到提高鋼的高溫力學性能、耐蝕性和淬透性的作用，Mo元素提高鋼的淬透性和高溫強度并提高鋼的抗回火穩定性，但是Mo元素價格昂貴，對鋼的強韌性提高有限。本發明的創造性在于在21CrMo10鋼中添加鈰元素，并進行成分優化。鈰的添加提高了鉬在鋼中的活度，增強了鉬的作用，起到了復合合金化的作用；鈰本身也可以提高鋼的高溫力學性能和耐蝕性，鈰還可以同時提高鋼的抗高溫氧化性能；鈰可以細化晶粒，進一步提高鋼的強韌性，進而提高鋼的熱疲勞壽命。添加的鈰元素在鋼中含量不大，通過成分優化，降低了鉬的含量，生產成本還略有降低。

　　本發明在21CrMo10管模用鋼中添加鈰元素并進行成分優化，鉬鈰復合對材料進行強韌化，進而提高管模的熱疲勞壽命。在鋼中使用添加稀土元素生產高品質鋼種，為稀土元素在鋼鐵材料中的應用開辟出一條新的途徑。

　　技術實現要素：

　　本發明目的在于提供一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼。21CrMo10是常見的管模用鋼，但是其強韌性和抗熱疲勞壽命有待于進一步提高。本發明以21CrMo10鋼為基礎，首次將稀土元素鈰加入到管模用鋼中并進行成分優化，鈰與鉬等元素起到了復合合金化的作用，細化晶粒，提高了鋼的強韌性和熱疲勞壽命。

　　上述管模用鋼，其化學成分按照質量百分數計算為：C 0.17％～0.25％，Mn0.20％～0.40％，Si 0.20％～0.50％，Ni≤0.50％，Cr 2.40％～2.70％，Ce 0.05％，Mo 0.25％～0.30％，P≤0.030％，S≤0.015％，余量為Fe。

　　上述管模用鋼的制備方法，其特征在于：

　　a)所用冶煉設備真空感應爐，坩堝材質為MgO，可在真空室內進行鋼錠澆注，具備真空狀態下三次加合金的功能。為了保證不受坩堝殘余冷鋼的影響，冶煉前采用工業純鐵洗爐兩次。

　　將稱好的工業純鐵、金屬鉬、廢石墨電極、金屬鉻裝入真空感應爐的坩堝內，抽真空，通電冶煉，熔清20min后加入硅鐵、金屬錳，然后加入鋁脫氧，提高爐溫至出鋼溫度，添加稀土金屬鈰后出鋼，在真空室內完成鋼錠澆注，澆注完后破真空。

　　進一步地，為了防止真空下C-O反應劇烈導致的噴濺，從裝料到爐料全部熔清5min，真空度控制在200Pa。

　　進一步地，爐料熔清5min后，將真空度提高至30Pa并保持15min，然后充氬氣使爐內壓力增至0.04MPa，添加硅鐵、金屬錳，2min后添加鋁脫氧。

　　進一步地，提高爐溫至出鋼溫度至1570℃，添加稀土金屬鈰，1min后出鋼，在真空室內完成鋼錠澆注，澆注完5min后破真空，開罐將鋼錠模吊出，脫模取出鋼錠。

　　b)合金加料順序。開始裝爐時加入廢石墨電極塊、金屬鉻、金屬鉬和工業純鐵至坩堝內，熔清20min后加入硅鐵、金屬錳，然后加入鋁脫氧，澆注鋼錠前1min加入金屬鈰。

　　c)真空操作制度。為防止噴濺，一開始裝爐至熔清后5min，真空度保持在200Pa；為了保證脫氧需求，熔清5min后將真空度提高至30Pa保持15min，后充0.04MPa的氬氣；澆注完5min后破空。

　　發明的該鋼種，將鈰加入到管模用鋼21CrMo10中，其優勢是顯而易見的。鈰與鉬等元素起到復合合金化的作用，可以細化晶粒，提高鋼的強度和韌塑性，還可以提高熱作模具鋼的熱疲勞壽命，滿足用戶需求。

　　具體實施方式

　　實施例1

　　采用25kg真空感應爐冶煉，感應爐坩堝材質為MgO，在真空室內可進行鋼錠澆注，感應爐具備真空狀態下三次加合金料裝置。冶煉的原料有工業純鐵、金屬錳、金屬鉬、金屬鈰、鋁、硅鐵和廢石墨電極(用作C的成分調整)等。為了防止前期冶煉的不同鋼種殘留在坩堝內的冷鋼對本試驗鋼成分帶來干擾，冶煉前用工業純鐵“洗爐”兩次。冶煉前，按照鋼錠21kg精確稱取合金，精確配料，確保冶煉成分在控制范圍內。

　　將稱好的工業純鐵、金屬鎳、金屬鉬、廢石墨電極裝入坩堝內，抽真空，通電冶煉，為了防止真空下C-O反應劇烈導致的噴濺，從裝料至爐料全部熔清后5min，真空度控制在200Pa。隨后，將真空度提高至30Pa并保持15min進行精煉。然后充氬氣至0.04MPa，添加硅鐵、金屬錳，2min后添加鋁脫氧。提高爐溫至出鋼溫度1570℃，添加稀土金屬鈰，1min后出鋼，在真空室內完成鋼錠澆注，澆鑄成21kg的鋼錠，澆注完5min后破真空，開罐將鋼錠模吊出，脫模取出鋼錠。

　　材料鍛造成2cm厚、15cm寬的鋼板，進行一系列的熱處理并最終正火，加工力學性能測試試樣和熱疲勞試驗試樣。根據后期測試結果，本發明的管模用鋼，屈服強度達到858MPa，抗拉強度達到964MPa，沖擊功達到203J，延伸率19％，斷面收縮率69％，均超過國家標準。與未添加鈰的試驗鋼相比較，在塑性指標未降低的情況下，屈服強度和抗拉強度均提高了15％以上，起到了進一步強韌化的目的。鋼的晶粒度達到8～9級，較未添加稀土的晶粒度提高了1～2級；熱疲勞壽命較未添加稀土的管模用鋼提高了30％以上；同時注意Ce必須控制0.05％，高于或低于0.05％，熱疲勞壽命不能提高，屈服強度和抗拉強度最高也只能提高到10％。

　　技術特征：

　　1.一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼，其特征在于，在21CrMo10鋼中添加鈰元素，并進行成分優化；鈰的添加提高了鉬在鋼中的活度，增強了鉬的作用，起到了復合合金化的作用；鈰本身也可以提高鋼的高溫力學性能和耐蝕性，鈰還可以同時提高鋼的抗高溫氧化性能；鈰可以細化晶粒，進一步提高鋼的強韌性，進而提高鋼的熱疲勞壽命；添加的鈰元素按照質量百分數計算控制在5％，通過成分優化，降低了鉬的含量，Mo控制在0.25％～0.30％，生產成本降低。

　　2.如權利要求1所述的一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼，其特征在于，所述含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼，其化學成分按照質量百分數計算為：C 0.17％～0.25％，Mn 0.20％～0.40％，Si 0.20％～0.50％，Ni≤0.50％，Cr 2.40％～2.70％，Ce 0.05％，Mo 0.25％～0.30％，P≤0.030％，S≤0.015％，余量為Fe。

　　3.如權利要求1所述的一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼的制備方法，其特征在于，將稱好的工業純鐵、金屬鉬、廢石墨電極、金屬鉻裝入真空感應爐的坩堝內，抽真空，通電冶煉，熔清20min后加入硅鐵、金屬錳，然后加入鋁脫氧，提高爐溫至出鋼溫度，添加稀土金屬鈰后出鋼，在真空室內完成鋼錠澆注，澆注完后破真空。

　　4.如權利要求3所述的一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼的制備方法，其特征在于，為了防止真空下C-O反應劇烈導致的噴濺，從裝料到爐料全部熔清5min，真空度控制在200Pa。

　　5.如權利要求3所述的一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼的制備方法，其特征在于，爐料熔清5min后，將真空度提高至30Pa并保持15min，然后充氬氣使爐內壓力增至0.04MPa，添加硅鐵、金屬錳，2min后添加鋁脫氧。

　　6.如權利要求3所述的一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼的制備方法，其特征在于，提高爐溫至出鋼溫度至1570℃，添加稀土金屬鈰，1min后出鋼，在真空室內完成鋼錠澆注，澆注完5min后破真空，開罐將鋼錠模吊出，脫模取出鋼錠。

　　7.如權利要求3所述的一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼的制備方法，其特征在于，所用冶煉設備真空感應爐，坩堝材質為MgO，可在真空室內進行鋼錠澆注，具備真空狀態下三次加合金的功能。為了保證不受坩堝殘余冷鋼的影響，冶煉前采用工業純鐵洗爐兩次。

　　技術總結

　　本發明涉及一種含鈰的離心球墨鑄管管模用鋼及其制備方法，屬于鋼鐵材料領域。本發明在21CrMo10鋼中添加鈰元素，并進行成分優化。鈰的添加提高了鉬在鋼中的活度，增強了鉬的作用，起到了復合合金化的作用；鈰本身也可以提高鋼的高溫力學性能和耐蝕性，鈰還可以同時提高鋼的抗高溫氧化性能；鈰可以細化晶粒，進一步提高鋼的強韌性，進而提高鋼的熱疲勞壽命。添加的鈰元素在鋼中含量不大，通過成分優化，降低了鉬的含量，生產成本還略有降低。 1

　　技術研發人員：李亞波;趙繼朋;孫國輝;王董浩;郭愚;于超

　　受保護的技術使用者：江蘇大學

　　技術研發日：2017.12.14

　　技術公布日：2018.06.15