本發(fā)明涉及金屬冶煉技術(shù)領(lǐng)域，具體的是低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件及其生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工程機(jī)械正向著前沿的方向發(fā)展，這就對材料的性能提出更高的要求。低合金鑄鋼具有合金含量低(合金元素總量≤5％)、來源廣泛，綜合力學(xué)性能好、制造工序簡單，成本低等特點，是一種應(yīng)用前景很好的工程材料。超高強(qiáng)度低合金鑄鋼不僅具有高強(qiáng)度和高硬度，而且具有很好的韌性與耐沖擊性能。cn20141024122.4公開了一種利用電弧爐制備低合金高強(qiáng)鑄鋼，電弧爐具有很強(qiáng)的熔化、氧化和還原能力，冶金能力很強(qiáng)，成分調(diào)整方便，但是電弧爐熔煉對元素的燒損嚴(yán)重，能耗大，工作環(huán)境相對較差；且無法滿足航空航天、軌道交通、國防等重要工業(yè)領(lǐng)域的使用要求。

中頻感應(yīng)爐加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫炭少、節(jié)省材料與成本、延長模具壽命，而且中頻感應(yīng)爐加熱均勻，芯表溫差極小，溫控精度高，工作環(huán)境*，實現(xiàn)低污染、低耗能，從而提高工人勞動環(huán)境和公司形象，符合國家提出的綠色生產(chǎn)，是企業(yè)目前發(fā)展的趨勢。具體制備過程包括：中頻感應(yīng)爐熔煉+高溫靜置精煉，然后通過調(diào)質(zhì)熱處理，獲得高溫回火索氏體，最終制備出低合金超高強(qiáng)度鑄鋼，可以廣泛地應(yīng)用在航空航天、軌道交通、國防等重要工業(yè)領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種綜合力學(xué)性能*、鑄造成型容易、生產(chǎn)工序少的低合金超高強(qiáng)度鋼及其鑄件的生產(chǎn)方法，該低合金超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度不低于1300mpa。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種低合金超高強(qiáng)度鋼，其成分重量百分比包括：

c：0.20%~0.30%；

si：0.50%~0.70%；

mn：0.60%~0.80%；

cr：0.60%~1.10%；

ni：0.40%~0.65%；

mo：0.50%~0.75%；

nb：0.05%~0.15%；

v：0.03%~0.05%；

ti：0.001%~0.003%；

al：0.01%~0.03%；

cu：0.02%~0.05%；

p≤0.010%；

s≤0.010%；

余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。

確定上述主要化學(xué)成分的理由如下：

碳：c含量太高，則會形成較脆的組織，降低鋼的低溫沖擊韌性，在回火過程中，c含量較高的鋼會形成較粗大的碳化物，從而惡化其沖擊性能；另一方面，c含量太低，容易形成鐵素體等強(qiáng)度較低的組織；因此為保證鋼材的低溫沖擊韌性和焊接性，碳含量的優(yōu)選為0.20%～0.30%。

硅：硅可以顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強(qiáng)度，作為鉻當(dāng)量的形成元素，和鉬、鉻等結(jié)合，可以提高鋼的抗腐蝕性和抗氧化性，因此將硅含量控制在0.50%~0.70%。

錳：mn是弱碳化物形成元素，通常固溶在鋼中，起到固溶強(qiáng)化的效果。增加錳含量可以提高鋼的硬度，但錳含量過高，會影響鋼的韌性，因此將錳含量優(yōu)選為0.60%~0.80%。

鉻：鉻為鐵素體形成元素，能顯著提高強(qiáng)度，但同時降低塑性和韌性；因此鉻元素的含量優(yōu)選為0.60%~1.10%。

鎳：鎳為強(qiáng)的奧氏體形成元素，增加鎳含量有助于提高奧氏體組織的穩(wěn)定性，能提高材料的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性；因此優(yōu)選為0.40%~0.65%。

鉬：mo元素在奧氏體化時固溶在鋼中，冷卻過程中通過抑制擴(kuò)散界面運動實現(xiàn)細(xì)化最終組織；mo元素對擴(kuò)散界面拖曳作用耗散的自由能約是mn元素的3倍，通過固溶強(qiáng)化可以提高材料強(qiáng)度，將鉬含量優(yōu)選控制在為0.50%~0.75%。

鈮:可以細(xì)化晶粒和降低材料的過熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，還可改善焊接性能，但nb含量較高會在回火過程中形成較粗大的nbc析出，從而降低材料的低溫沖擊功；因此鈮元素的含量優(yōu)選為0.05%~0.15%。

釩：v是鐵素體化元素，強(qiáng)烈縮小奧氏體區(qū)。高溫溶入奧氏體中的v元素能夠增加鋼的淬透性。鋼中v元素的碳化物v4c3比較穩(wěn)定，可以抑制晶界移動和晶粒長大；因此釩元素的含量優(yōu)選為0.03%~0.05%。

鈦：ti與n在高溫時形成tin，板坯加熱奧氏體化時，tin會抑制奧氏體晶粒長大。ti與c在較低溫度區(qū)間形成tic，細(xì)小的tic顆粒有利于提高材料的低溫沖擊性能。ti含量過高，則會形成粗大的方形tin析出，材料在受力時應(yīng)力會集中在tin顆粒附近，成為微裂紋的形核長大源，降低鋼板的疲勞性能。因此鈦元素的含量優(yōu)選為0.001%~0.003%。

鋁：al元素在高溫時形成細(xì)小的aln析出，可以抑制奧氏體晶粒長大，達(dá)到奧氏體細(xì)化晶粒、提高鋼在低溫下的韌性。al含量過高會導(dǎo)致較大的al的氧化物形成，降低鋼板的低溫沖擊性能、熱加工性能、焊接性能和切削加工性能，因此鋁元素的含量優(yōu)選為0.01%~0.03%。

銅：銅能提高強(qiáng)度和韌性，缺點是在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低；因此將銅元素的含量優(yōu)選為0.02%~0.05%。

硫、磷：合金冶煉過程中的雜質(zhì)元素。

上述低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件的生產(chǎn)方法，包括如下步驟：

a、打開中頻熔煉爐并調(diào)試，加入高純生鐵進(jìn)行熔化，待高純生鐵熔清后加入螢石進(jìn)行除渣2次至3次。

b、除渣完成后，向鐵水中加入配比好的增碳劑進(jìn)行增碳。

c、升高電源電壓對中頻熔煉爐進(jìn)行升溫，按照預(yù)定比例先加入鎳板、微碳鉻鐵、鉬鐵、中碳錳鐵、硅鐵，再加入純銅、鈮鐵、釩鐵并靜置，再加入螢石進(jìn)行除渣3-5次，除渣溫度控制在1650℃±10℃。

d、除渣完成后繼續(xù)升溫至1700℃并保溫靜置精煉，取樣進(jìn)行爐前光譜檢驗，根據(jù)光譜檢驗結(jié)果，調(diào)整鋼液成分，以使鋼液滿足中的合金元素成分滿足c：0.20%~0.30%；si：0.50%~0.70%；mn：0.60%~0.80%；cr：0.60%~1.10%；ni：0.40%~0.65%；mo：0.50%~0.75%；nb：0.05%~0.15%；v：0.03%~0.05%；ti：0.001%~0.003%；al：0.01%~0.03%；cu：0.02%~0.05%；p≤0.010%；s≤0.010%的要求。

e、調(diào)整至滿足上述成分需求后，將鋼液的出爐溫度控制在1610-1650℃，將熔煉好的鋼液全部出爐到鋼包，測溫使溫度控制在1560～1580℃，然后進(jìn)行漏包澆注。

f、澆注成型的鑄件需進(jìn)行成品熱處理，熱處理為正火、淬火+高溫回火，從而得到高溫回火索氏體組織。

進(jìn)一步，所述步驟f中，熱處理工藝為：正火溫度在ac3溫度以上50℃，即880至910℃；淬火溫度控制在880至920℃，回火溫度控制在550至650℃，各個熱處理階段的保溫時間根據(jù)經(jīng)驗公式及實際工件尺寸確定。

進(jìn)一步，所述步驟e中，采用樹脂砂砂型進(jìn)行漏包澆注，澆注以后鑄件和型砂易于分離，可減少鑄件清理的工作量，且過程中使用的砂子可以再生回收使用，節(jié)能環(huán)保。

本發(fā)明中所述的低合金鑄鋼采用低碳與各種合金元素配比，并且加入較高的微量鈮元素，細(xì)化晶粒，均勻化組織。經(jīng)熱處理后，大大提高其硬度和耐磨性，同時合理地綜合了其強(qiáng)度與韌性，使其具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。本發(fā)明所述的低碳合金鑄鋼的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度1300~1500mpa、屈服強(qiáng)度900mpa~1200mpa、伸長率≥10%、室溫v型缺口夏比擺錘沖擊實驗的沖擊功ak≥40j、布氏硬度390-460hbw。

本發(fā)明的抗拉強(qiáng)度1500mp*的含鈮超高強(qiáng)低合金鑄鋼不僅具有高強(qiáng)度和高硬度，而且具有很好的韌性以及耐沖擊性能。利用中頻感應(yīng)爐熔煉+高溫靜置精煉，然后通過成品熱處理，獲得顯微組織為高溫回火索氏體的低合金超高強(qiáng)度鑄鋼。因為其綜合力學(xué)性能*，鑄造成型容易，生產(chǎn)工序少，成本低，可以取代超高強(qiáng)度鍛鋼產(chǎn)品，在航空航天、軌道交通、國防等重要工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行加熱，速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫炭少、節(jié)省材料與成本、延長模具壽命，而且中頻感應(yīng)爐加熱均勻，芯表溫差極小，溫控精度高，工作環(huán)境*，實現(xiàn)低污染、低耗能，從而提高工人勞動環(huán)境和公司形象，符合國家提出的綠色生產(chǎn)，是企業(yè)目前發(fā)展的趨勢。

具體實施方式

實施例1

本實施例的低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件制造包括如下步驟：

利用中頻感應(yīng)爐制備的低合金高強(qiáng)韌鑄鋼包括以下質(zhì)量百分比的原料：碳0.20%、錳0.70%、硅0.45%、鉻0.65%、鎳0.65%、鉬0.50%、鈮0.015%、釩0.05%、硫≤0.01%、磷≤0.01%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。

以150kg堿性爐襯的中頻感應(yīng)爐熔煉，每一爐熔煉125kg。

熔煉過程：a、打開中頻熔煉爐并進(jìn)行調(diào)試，加入125kg的高純鐵進(jìn)行融化；待高純鐵溶清后，加入適當(dāng)螢石除渣3次。

b、除渣完畢之后，向鐵水中加入配比好的增碳劑進(jìn)行增碳，在此過程中堤防增碳劑的突然燃燒，以免對人和設(shè)備造成傷害。

c、升高電源電壓對中頻熔煉爐升溫，然后依次加入鎳板、微碳鉻鐵、鉬鐵、中碳錳鐵、硅鐵，加入間隔大約30s，兩分鐘后依次加入純銅、鈮鐵、釩鐵，靜置兩分鐘后加入適當(dāng)螢石進(jìn)行再除渣；除渣5次，除渣溫度1650℃。

d、除渣完畢之后，繼續(xù)升溫至1700℃保溫靜置5~10分鐘，進(jìn)行高溫精煉，精煉完成，澆鑄小試塊，進(jìn)行爐前直讀光譜檢驗，若成分合格，澆鑄成基爾試塊；若成分有偏差，通過計算，調(diào)整成分（循環(huán)上述加料、除渣和精煉過程），直至下一次光譜顯示成分合格，然后澆鑄。

e、澆鑄過程：先將熔煉完成的鋼水倒入50kg的小鋼包中，然后采用傾倒式澆注到樹脂砂砂型中，出爐溫度1630℃，澆鑄溫度1580℃（出爐到澆鑄過程降溫40~50℃），一爐的整個澆鑄過程2分鐘。

f、澆注成型的鑄件需進(jìn)行成品熱處理，包括正火溫度在ac3溫度以上30至50℃，實際控制在880至910℃，正火保溫時間為60至90分鐘，然后空冷；淬火溫度控制在890至920℃，淬火保溫時間為60至90分鐘，然后水冷；回火溫度控制在550至600℃，回火保溫時間為90至120分鐘，然后空冷。

對制備得到的低合金超高強(qiáng)度鑄鋼進(jìn)行了性能檢驗，其顯微組織為高溫回火索氏體，抗拉強(qiáng)度1450mpa，屈服強(qiáng)度1125mpa；伸長率12%、室溫v型缺口夏比擺錘沖擊實驗的沖擊功ak46j、布氏硬度429hbw。

實施例2

本實施例的低合金超高強(qiáng)度鋼鑄件制造包括如下步驟：

利用中頻感應(yīng)爐制備的低合金高強(qiáng)韌鑄鋼包括以下質(zhì)量百分比的原料：碳0.26%、錳0.60%、硅0.60%、鉻0.65%、鎳0.45%、鉬0.70%、鈮0.10%、釩0.04%、硫≤0.01%、磷≤0.01%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。

以150kg堿性爐襯的中頻感應(yīng)爐熔煉，每一爐熔煉125kg。

熔煉過程：a、打開中頻熔煉爐并進(jìn)行調(diào)試，加入125kg的高純鐵進(jìn)行融化；待高純鐵溶清后，加入適當(dāng)螢石除渣2次。

b、除渣完畢之后，向鐵水中加入配比好的增碳劑進(jìn)行增碳，在此過程中堤防增碳劑的突然燃燒，以免對人和設(shè)備造成傷害。

c、升高電源電壓對中頻熔煉爐升溫，然后依次加入鎳板、微碳鉻鐵、鉬鐵、中碳錳鐵、硅鐵，加入間隔大約30s，兩分鐘后依次加入純銅、鈮鐵、釩鐵，靜置兩分鐘后加入適當(dāng)螢石進(jìn)行再除渣；除渣45次，除渣溫度1640℃。

d、除渣完畢之后，繼續(xù)升溫至1700℃保溫靜置5~10分鐘，進(jìn)行高溫精煉，精煉完成，澆鑄小試塊，進(jìn)行爐前直讀光譜檢驗，若成分合格，澆鑄成基爾試塊；若成分有偏差，通過計算，調(diào)整成分（循環(huán)上述加料、除渣和精煉過程），直至下一次光譜顯示成分合格，然后澆鑄。

e、澆鑄過程：先將熔煉完成的鋼水倒入50kg的小鋼包中，然后采用傾倒式澆注到樹脂砂砂型中，出爐溫度1640℃，澆鑄溫度1590℃（出爐到澆鑄過程降溫40~50℃），一爐的整個澆鑄過程2分鐘。

f、澆注成型的鑄件需進(jìn)行成品熱處理，包括正火溫度在ac3溫度以上30至50℃，實際控制在880至910℃，正火保溫時間為60至90分鐘，然后空冷；淬火溫度控制在890至920℃，淬火保溫時間為60至90分鐘，然后水冷；回火溫度控制在550至600℃，回火保溫時間為90至120分鐘，然后空冷。

對制備得到的低合金超高強(qiáng)度鑄鋼進(jìn)行了性能檢驗，其顯微組織為高溫回火索氏體，抗拉強(qiáng)度1430mpa，屈服強(qiáng)度1165mpa；伸長率12%、室溫v型缺口夏比擺錘沖擊實驗的沖擊功ak42j、布氏硬度428hbw。

本發(fā)明提供一種利用中頻感應(yīng)爐制備低合金超高強(qiáng)度鑄鋼的方法，選用低硫磷爐料，利用中頻感應(yīng)爐冶煉鋼液、高溫靜置精煉，正火、淬火+高溫回火的成品熱處理，最終制備出低合金超高強(qiáng)度鑄鋼。本方法工序少，效率高，制備的低合金超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度高、塑性和韌性好，并且具有較高的硬度，綜合性能*。可以用于要求高強(qiáng)韌耐磨工況條件下使用的工件，而且合金元素少，成本相對較低，是目前企業(yè)熔煉超高強(qiáng)度鋼鐵件的發(fā)展趨勢。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍中