本發(fā)明涉及金屬冶煉技術領域，具體的是低合金超高強度鋼鑄件及其生產方法。

背景技術：

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工程機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，綜合力學性能好、制造工序簡單，成本低等特點，是一種應用前景很好的工程材料。超高強度低合金鑄鋼不僅具有高強度和高硬度，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鑄鋼，電弧爐具有很強的熔化、氧化和還原能力，冶金能力很強，成分調整方便，但是電弧爐熔煉對元素的燒損嚴重，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)領域的使用要求。

中頻感應爐加熱速度快、生產效率高、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，是企業(yè)目前發(fā)展的趨勢。具體制備過程包括：中頻感應爐熔煉+高溫靜置精煉，然后通過調質熱處理，獲得高溫回火索氏體，最終制備出低合金超高強度鑄鋼，可以廣泛地應用在航空航天、軌道交通、國防等重要工業(yè)領域。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的技術方案是，一種低合金超高強度鋼，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。

確定上述主要化學成分的理由如下：

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，屈服點和抗拉強度，作為鉻當量的形成元素，和鉬、鉻等結合，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散界面運動實現(xiàn)細化最終組織；mo元素對擴散界面拖曳作用耗散的自由能約是mn元素的3倍，通過固溶強化可以提高材料強度，將鉬含量優(yōu)選控制在為0.50%~0.75%。

鈮:可以細化晶粒和降低材料的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，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小的aln析出，可以抑制奧氏體晶粒長大，達到奧氏體細化晶粒、提高鋼在低溫下的韌性。al含量過高會導致較大的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：銅能提高強度和韌性，缺點是在熱加工時容易產生熱脆，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元素。

上述低合金超高強度鋼鑄件的生產方法，包括如下步驟：

a、打開中頻熔煉爐并調試，加入高純生鐵進行熔化，待高純生鐵熔清后加入螢石進行除渣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行增碳。

c、升高電源電壓對中頻熔煉爐進行升溫，按照預定比例先加入鎳板、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，取樣進行爐前光譜檢驗，根據光譜檢驗結果，調整鋼液成分，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℃，然后進行漏包澆注。

f、澆注成型的鑄件需進行成品熱處理，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經驗公式及實際工件尺寸確定。

進一步，所述步驟e中，采用樹脂砂砂型進行漏包澆注，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，細化晶粒，均勻化組織。經熱處理后，大大提高其硬度和耐磨性，同時合理地綜合了其強度與韌性，使其具有良好的綜合力學性能和工藝性能。本發(fā)明所述的低碳合金鑄鋼的力學性能如下：抗拉強度1300~1500mpa、屈服強度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)明的抗拉強度1500mp*的含鈮超高強低合金鑄鋼不僅具有高強度和高硬度，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度鑄鋼。因為其綜合力學性能*，鑄造成型容易，生產工序少，成本低，可以取代超高強度鍛鋼產品，在航空航天、軌道交通、國防等重要工業(yè)領域得到廣泛應用。

采用中頻感應爐進行加熱，速度快、生產效率高、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，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度鋼鑄件制造包括如下步驟：

利用中頻感應爐制備的低合金高強韌鑄鋼包括以下質量百分比的原料：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。

以150kg堿性爐襯的中頻感應爐熔煉，每一爐熔煉125kg。

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

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

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螢石進行再除渣；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，進行高溫精煉，精煉完成，澆鑄小試塊，進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度鑄鋼進行了性能檢驗，其顯微組織為高溫回火索氏體，抗拉強度1450mpa，屈服強度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度鋼鑄件制造包括如下步驟：

利用中頻感應爐制備的低合金高強韌鑄鋼包括以下質量百分比的原料：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。

以150kg堿性爐襯的中頻感應爐熔煉，每一爐熔煉125kg。

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

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

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螢石進行再除渣；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，進行高溫精煉，精煉完成，澆鑄小試塊，進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度鑄鋼進行了性能檢驗，其顯微組織為高溫回火索氏體，抗拉強度1430mpa，屈服強度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爐制備低合金超高強度鑄鋼的方法，選用低硫磷爐料，利用中頻感應爐冶煉鋼液、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度鑄鋼。本方法工序少，效率高，制備的低合金超高強度鋼強度高、塑性和韌性好，并且具有較高的硬度，綜合性能*?？梢杂糜谝蟾邚婍g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。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎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)明的保護范圍中