一种GS24Mn6铸钢件 【技术领域】
本发明涉及一种通过添加微合元素V、Ti以及对部分残余元素的调整来优化GS24Mn6的化学成分，从而达到改善和优化铸件综合性能的一种GS24Mn6铸钢件，属铸钢件制造领域。
背景技术
GS24Mn6材质的特点：从机械性能要求可以看出，该材质要求铸件不仅要有高的强度性能，而且要求在低温下有较高的冲击性能。但由于该铸件同时用于焊接，因此要求铸件必须具有良好的可焊性。
根据SEW 520标准的规定，GS24Mn6的化学成分和调质状态的力学性能要求如下：
化学成分-C：0.20～0.25％，Mn：1.50～1.80％，Si≤0.60％，S≤0.015％，P≤0.020。
力学性能-ReH≥400MPa，Rm：600～750MPa，A5≥18％，Akv(-20℃)≥6(厚度≤150mm)。
从图8、图9可以看出，不管是零件的成形尺寸，还是零件的工艺尺寸其厚度都大大超过了150mm。厚度的增加，不仅增加热处理加热过程中奥氏体晶粒粗化的倾向，同时降低了热处理淬火时的淬透性，不利于铸件强度性能的提高。同时由于冲击试验温度要求在-20℃低温下进行，这就对铸件的韧性提出了更高的要求，从温度对冲击值的影响(图10)可以看出，当温度降至脆性转变温度以下时，其冲击值往往降至很低数值，从我们实际的试验数据可以看出，按标准要求的化学成分所能达到的-20℃冲击值在11～21J之间。
其不足之处：根据材质要求我们对10组试样进行化学成分和力学性能的试验分析，其中：
C：0.201～0.248％，Si：0.3920.582％，Mn：1.511～1.769％，P≤0.018％，S≤0.012％；
抗拉强度Rm分布在635～885MPa，屈服强度ReH在465～560Mpa，延伸率A5在15～22％，断面收缩Z在35～42％，冲击功Akv(-20℃)值分布在：11～22J之间。
从结果来看，这样的成分控制能够达到力学性能的强度要求，但是对于冲击韧性要求却很难达到；从金相分析的结果看，按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体+部分珠光体，究其主要原因是由于碳、锰含量偏高，在热处理加热过程中奥氏体晶粒的长大使部分淬火组织在高温回火后晶粒无法达到回火索氏体的晶粒度要求，从而导致整体冲击韧性下降。
【发明内容】
设计目的：避免背景技术中的不足之处，通过加入部分微量合金元素来细化晶粒，从而达到提高铸件强度和韧性的目的。
设计方案：本发明从提高铸件的可焊性和冲击韧性两方面考虑，采用降低钢水中的含碳量和调整硅锰含量为主要手段。碳含量控制在0.23％以下，硅含量控制在：0.30～0.45％，锰对钢的晶粒度会有粗化倾向，同时考虑到Mn/C当量，锰含量控制在1.50～1.65％，考虑碳含量的降低会造成强度下降，为了保证强度不受影响，通过加入部分微量合金元素来细化晶粒，从而达到提高铸件强度和韧性的目的。表一为常见合金元素对铸钢晶粒度的影响：
表一 常见合金元素对铸钢晶粒度的影响
元素 Mn Si Cr Ni Cu Co W Mo V Al Ti 影响 有所 粗化 影响 不大 细化 影响 不大 影响 不大 影响 不大 细化 细 化 显著 细化 细 化 强烈 细化
从上表中可以看出：Cr、W、Mo、V、Al、Ti都能对钢起到细化晶粒的作用.由于Cr、Mo两种元素在分析焊接性时往往作为残余元素考虑；由于V元素在含量0.05％～0.10％时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20％，形成V4C3碳化物，会提高钢的热强性，因此将其含量控制在0.05～0.08％；Ti在钢中形成强碳化物，能够起到阻止奥氏体晶粒长大的作用，从而达到细化晶粒的目的；图7为1300℃时Ti对奥氏体晶粒度的作用，根据图表分析，当Ti元素含量控制在0.005～0.02％区间，对于奥氏体晶粒的细化较为显著，因此将其含量控制在0.005～0.01％。
技术方案：一种GS24Mn6铸钢件，C≤0.23％，Mn为1.50～1.65％，Si为0.30～0.45％，S≤0.015％，P≤0.020，Cr为0.20～0.30％。，Ti为0.005～0.01％，Mo为0.10～0.15％，V为0.05～0.08％。
本发明与背景技术相比，不仅大大改善了铸件的焊接性能，而且其材质的综合性能达到甚至超过了部分低合金钢的要求，因此在工业上对于代替一些高强度、高韧性的钢材具有广阔的发展前景。
【附图说明】
图1含碳量对钢机械性能的影响示意图。
图2硅、锰含量对钢强度性能的影响示意图。
图3含碳量与韧性-脆性转变温度关系示意图。
图4硅、锰含量对钢韧性的影响示意图。
图5硅含量与韧性-脆性转变温度关系示意图。
图6焊接性和Ceq的关系示意图。
图71300℃时钛含量对奥氏体晶粒度作用示意图。
图8GS24Mn6的C-Mn系铸钢件零件结构示意图。
图9GS24Mn6的C-Mn工艺示意图。
图10温度对冲击值影响示意图。
【具体实施方式】
实施例1：从化学成分和力学性能地对应关系来看，强度性能指标正比于碳、硅、锰的含量(见图1、图2)，从图1含碳量对钢强度性能的影响可以看出，碳含量对强度的影响非常大，随着碳含量的增加，抗拉强度和硬度指标明显上升，塑性和韧性指标随之下降，铸件的低温韧性降低，韧性-脆性转变温度升高(见图3)；虽然硅含量小于0.60％时，对于晶粒的影响不大，对于冲击韧性的影响也较小(见图4)，但是随着含硅量的增加，对于韧性-脆性转变温度的影响甚至比碳还大(见图5)；锰在钢中可以起到强化作用，但是当锰含量超过1％时，由于在热处理加热过程中易产生奥氏体晶粒长大而使晶粒粗大，而造成铸件韧性下降。
从化学成分和焊接性分析，该铸件机械性能需通过调质处理达到，根据碳当量适用原则，Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)(％)(当Cu＜0.5％或P＜0.05％时，可不计入)该铸件根据化学成分要求计算得Ceq范围为：0.475～0.575，根据焊接性和Ceq的关系(见图6和表二)，可以看出，该铸件的可焊性并不理想，根据焊接工艺要求，必须采取预热处理。
表二铸件不同条件下的预热要求
焊接性 用普通酸性焊条 用低氢焊条 消除应力 敲击处理 I优良 不需预热 不需预热 不需 不需 II较好 预热40～100℃ -10℃以上不需预热 任意 任意 III尚可 预热150℃ 预热40～100℃ 希望 希望 IV可以 预热150～200℃ 预热100℃ 必要 希望
从提高铸件的可焊性和冲击韧性两方面考虑，采用降低钢水中的含碳量和调整硅锰含量为主要手段。碳含量控制在0.23％以下，硅含量控制在：0.30～0.45％，锰对钢的晶粒度会有粗化倾向，同时考虑到Mn/C当量，锰含量控制在1.50～1.65％，考虑碳含量的降低会造成强度下降，为了保证强度不受影响，通过加入部分微量合金元素来细化晶粒，从而达到提高铸件强度和韧性的目的。由于V元素在含量0.05％～0.10％时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20％，形成V4C3碳化物，会提高钢的热强性，因此将其含量控制在0.05～0.08％。
Ti在钢中形成强碳化物，能够起到阻止奥氏体晶粒长大的作用，从而达到细化晶粒的目的，图7为1300℃时Ti对奥氏体晶粒度的作用。
根据图表分析，当Ti元素含量控制在0.005～0.02％区间，对于奥氏体晶粒的细化较为显著。因此将含量控制在0.005～0.01％。
综合以上分析，得出最终优化后的化学成分如表三.
表三最终优化后的化学成分
元素 C Si Mn S P Cr Ti Mo V 含量 ％ ≤0.23 0.30～ 0.45 1.50～ 1.65 ≤ 0.015 ≤ 0.020 0.20～ 0.30 0.005～ 0.01 0.10～ 0.15 0.05～ 0.08
根据优化后的标准要求实际生产出来的五组GS24Mn6材料，其化学成分和调质处理后的机械性能分别列于表四和表五.
表四GS24Mn6材料优化后化学成分
元素 C Si Mn S P Cr Ti Mo V 1 0.221 0.444 1.532 0.010 0.018 0.284 0.008 0.124 0.062 2 0.192 0.320 1.423 0.012 0.016 0.266 0.007 0.133 0.066 3 0.205 0.395 1.475 0.013 0.019 0.235 0.006 0.142 0.053 4 0.189 0.368 1.556 0.011 0.018 0.275 0.006 0.135 0.071 5 0.214 0.421 1.532 0.014 0.016 0.253 0.008 0.144 0.068
表五GS24Mn6材料调质处理后的机械性能
项目 屈服强度σs (Mpa) 抗拉强度σb (Mpa) 延伸率δ5 ％断面收缩率Ψ％ 冲击吸收功Akv(-20) J 1 520 665 20.048.0 82、84、90 2 545 695 19.056.0 76、85、84 3 525 710 21.046.0 78、85、84 4 455 620 23.057.5 95、60、57 5 570 695 23.556.5 78、53、57
对优化后的材料调质处理后的金相分析结果，其金相组织为：回火索氏体+少量铁素体。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。