CN109161650B

CN109161650B - 一种低合金铸钢、制造方法及其应用

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Publication number: CN109161650B
Application number: CN201811280538.7A
Authority: CN
Inventors: 张俊新; 文超; 孙轶山; 杨明华; 高红梅
Original assignee: CRRC Qishuyan Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Qishuyan Institute Co Ltd
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: CN109161650A

Abstract

本发明涉及冶金领域，公开了一种低合金铸钢、制造方法及其应用。低合金铸钢按重量百分比计包括碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％；此外还含钨0.11％～0.21％，且须满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明的低合金铸钢能有效地抑制加热过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时强化基体和提高了低温冲击韧性，并且低合金铸钢的强度和淬透性较好。本发明的低合金铸钢的制造方法用于制造上述的低合金铸钢。本发明的低合金铸钢能够用于制造铁路机车零部件。

Description

一种低合金铸钢、制造方法及其应用

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体而言，涉及一种低合金铸钢、制造方法及其应用。

背景技术

为了促进铁道行业绿色节能技术的发展，尽量挖掘材料的性能极限以使得铁路机车铸钢零部件的轻量化，是人们一直追求的技术趋势。美国铁路协会(AAR)于2005年修订发布的M-201-05的标准，其中提出了各个等级钢的化学成分范围和机械性能要求，其中屈服强度最高为700MPa级，碳当量最大容许量为0.88。众所周知，在相同热处理条件下，为了提高铸钢件的强度，必然要提高含碳量和合金含量，而增加铸钢件的碳当量会影响焊接性能。

因此，为了满足M-201-05标准碳当量最大容许的范围内，尽量提高屈服强度的等级，同时应具有优越的塑性和韧性性能，长久以来人们需要寻找合适的铸钢成分。一些现有的研究成果中，为了达到900MPa级屈服强度，其成分碳当量最低已经达到了0.94以上。由此可见，目前的技术在匹配强度和碳当量的关系，提高屈服强度和节约合金元素的添加，还需要进一步成分设计。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的包括提供一种低合金铸钢及其制造方法，可得到在较低的碳当量情况下，具有较高的屈服强度，且具有优越的塑性和韧性性能。本发明的另一目的在于提供上述的低合金铸钢在制造铁路机车零部件中的应用。

本发明的实施例是这样实现的：

一种低合金铸钢，其按质量百分比计包括：

碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％、钨0.11％～0.21％，余量为铁及其他不可避免的元素；

其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％。

在本发明的一种实施例中，低合金铸钢按质量百分比计包括：

碳0.25％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.015％、硫≤0.010％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％、钨0.11％～0.21％，余量为铁及其他不可避免的元素；

其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％。

在本发明的一种实施例中，低合金铸钢的碳当量CE在0.75％～0.95％之间，碳当量CE满足以下公式：

CE＝C％+(Mn％+Si％)/6+(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％+Cu％)/15

其中，C％表示碳的质量百分比，Mn％表示锰的质量百分比，Si％表示硅的质量百分比，Cr％表示铬的质量百分比，Mo％表示钼的质量百分比，V％表示钒的质量百分比，Ni％表示镍的质量百分比，Cu％表示铜的质量百分比。

在本发明的一种实施例中，碳当量CE在0.83％～0.88％之间。

一种低合金铸钢的制造方法，其包括：

炼钢步骤：利用电炉将炉料冶炼为钢水；

精炼步骤：利用精炼炉对炼钢步骤得到的钢水进行脱氧以及合金化处理，将钢水成分调整为按质量百分比计包括碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％、钨0.11％～0.21％，余量为铁及其他不可避免的元素，其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％；

浇铸步骤：将精炼步骤所得的钢水进行浇铸成型。

在本发明的一种实施例中，对浇铸步骤之后得到的铸钢件进行正火处理和调质处理。

在本发明的一种实施例中，正火处理包括将铸钢件加热到920℃～950℃保温2～6小时，然后空冷到室温。

在本发明的一种实施例中，调质处理包括淬火处理和回火处理。

在本发明的一种实施例中，淬火处理包括将铸钢件加热到890℃～920℃保温2～5小时，然后出炉在冷却介质中冷却，铸钢件整体冷却速度控制为0.3℃/s～16℃/s；

回火处理包括将淬火处理后的铸钢件加热到520℃～580℃保温2～7小时，然后出炉在空气、油、水或水溶性介质中冷却到室温。

本发明还提供了上述的低合金铸钢或者上述制造方法所制造得到的低合金铸钢在制造铁路机车零部件中的应用。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的低合金铸钢，其按重量百分比计包括碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％；此外还含钨0.11％～0.21％，且须满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明的低合金铸钢采用了镍的添加，且复合添加合金元素铝和铌，则能有效地抑制加热过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时强化基体和提高了铸钢件的低温冲击韧性。采用低锰的添加方法，配合铬、镍、钼的匹配，从而保证了低合金铸钢的强度和淬透性。本发明实施例的低合金铸钢的制造方法用于制造上述的低合金铸钢。本发明实施例的低合金铸钢能够用于制造铁路机车零部件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的低合金铸钢经正火+调质处理后的金相组织放大100倍的图片；

图2为本发明的低合金铸钢经正火+调质处理后的金相组织放大500倍的图片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施例的低合金铸钢，其按质量百分比计包括：

其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％。

可选的，低合金铸钢的碳当量CE可选在0.75％～0.95％之间，碳当量CE满足以下公式：

CE＝C％+(Mn％+Si％)/6+(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％+Cu％)/15

其中，C％表示碳的重量百分比，Mn％表示锰的重量百分比，Si％表示硅的重量百分比，Cr％表示铬的重量百分比，Mo％表示钼的重量百分比，V％表示钒的重量百分比，Ni％表示镍的重量百分比，Cu％表示铜的重量百分比。

本发明实施例的低合金铸钢采用了镍的添加，且复合添加合金元素铝和铌，则能有效地抑制加热过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时强化基体和提高了铸钢件的低温冲击韧性。采用低锰的添加方法，配合铬、镍、钼的匹配，从而保证了低合金铸钢的强度和淬透性，并使得所获得的铸钢件在热处理后能够形成回火索氏体。采用钨和钼的复合添加，保证了铸钢件的抗回火稳定性和较高的塑性。

下面详细描述本发明的低合金铸钢所含的各化学成分在铸钢冶炼中所起的作用、含量范围。

碳：碳主要用来提高合金铸钢的淬硬性，过高的碳会降低塑性、韧性，过低的碳会导致回火温度过低同样会降低塑性和韧性。从性能和工艺的匹配角度，碳含量一般为0.22％～0.29％。为了提高塑性和韧性，碳的含量最好控制在0.25％～0.29％。

硅:硅在本发明中的作用主要是用于炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂进行使用。但过高的硅会对奥氏体和铁素体固溶强化，导致韧性降低。为此，硅的含量为0.20％～0.40％

锰：锰是提高合金铸钢淬透性的有效元素，但过高的锰添加会增加铸造过程中化学成分偏析导致塑性和韧性降低，但过低的锰则会导致强度和淬透性不足。为此，锰的含量为0.61％～0.79％。

磷和硫：在本合金铸钢中，磷和硫都是有害元素，影响钢的纯净性，过高的磷和硫会降低低温韧性，但控制太低，会增加较大的生产成本，通常，磷和硫控制的含量为磷≤0.020％、硫≤0.015％。如需提高冲击韧性，尤其是低温冲击韧性，磷和硫控制的含量为磷≤0.015％、硫≤0.010％。

铬：铬为提升强度、冲击韧性、淬透性的有效元素，且铬、镍、钼的组合作用，更加增强了钢的淬透性和强度。过高的铬的添加会导致碳当量的增加，过低的铬则会无法达到合适的屈服强度。为此，铬的含量为1.00％～1.10％。

镍：镍是低温冲击韧性控制的关键元素之一，镍能降低相变点使得合金铸钢的奥氏体晶粒的细化，本合金铸钢中通过镍、铝、铌的复合添加，进一步细化晶粒和保证了冲击韧性。过高的镍增加了合金铸钢的制造成本，过低添加效果不明显。为此，镍的含量为1.10％～1.20％。

钼：钼是提高回火温度和塑性、韧性的关键元素之一，同时钼也是提高淬透性的有效元素，过高的钼会降低韧性，过低则会无法保证铸钢件获得回火索氏体的能力。为此，钼的含量为0.61％～0.81％。

钨：钨主要是配合钼来使用，钨和钼的复合添加，能更加有效的发挥钼的作用同时还能调控焊接碳当量。过高的钨会降低韧性，过低的钨无法和钼复合使用。为此，钨的含量为0.11％～0.21％。另外，为了有效保证复合效果，钨和钼还应满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％的要求。

铝：铝在本合金铸钢作为有效的脱氧剂，但其还有细化晶粒的作用。过高的铝会增加非金属夹杂物缺陷和开裂倾向，过低的铝则无法细化晶粒，为此，铝的含量为0.02％～0.06％。

铌：铌主要是细化晶粒的有效元素，配合铝的添加，更进一步保证了奥氏体晶粒细化。铌的添加还可以减少奥氏体混晶的存在，但过高的铌会严重降低低温冲击韧性，过低的铌则无法和铝复合。为此，铌的含量为0.02％～0.05％。

针对上述低合金铸钢的组织和性能要求的特点，利用各熔炼设备的合金化原理深入分析了上述低合金铸钢中合金元素的控制方法，研究了冶炼工艺，本发明实施例提供了一种低合金铸钢的制造方法用以制造上述的低合金铸钢。该制造方法采用电炉+钢包精炼炉(LF)的双联冶炼工艺方案的工艺思路。包括以下步骤：

装料步骤：为保证微量有害元素如Sn、Sb和As等控制在尽可能低的范围，采用优质生铁及大块优质废钢作为炉料。按配料单将相应的炉料投入电弧炉内，其中炉料包括熔点高且高温氧化性差的钼铁、钨铁和镍板。

炼钢步骤：在碱性电弧炉的炉底加入适量的石灰及氧化铁皮，以利于早期形成高碱度高氧化铁的炉渣，为脱磷创造有利条件。通过大渣量并多次换渣操作，将磷降到0.008wt％以下，检验相关元素的化学成分，成分合格后测温，当温度合格后进行初炼钢水出钢操作。

精炼步骤：利用精炼炉对炼钢步骤得到的钢水进行脱氧以及合金化处理以调整钢水成分。将炼钢步骤得到的钢水快速转入精炼炉时应严禁带入电弧炉中的初炼钢水表面的熔渣，添加造渣材料，以碳粉、硅粉及铝粉进行扩散脱氧。补加合金使成分规格达到要求。将精炼炉炉内的钢水进行吹氩除气及喂丝处理，然后精确调整钢水化学成分到目标成分，按照低合金铸钢的重量百分比向所述钢包精炼炉炉内至少加入铌铁合金，检验所有要求成分，成分合格后测温。

精炼步骤后的钢水按质量百分比计应该包括碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％、钨0.11％～0.21％，余量为铁及其他不可避免的元素，其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％。

浇铸步骤：将精炼步骤所得的钢水进行浇铸成型。

本发明的低合金铸钢经冶炼铸造成型后，其预备热处理采用正火处理，最终热处理采用调质处理。正火处理即通常将铸钢件加热到920℃～950℃保温2～6小时，然后出炉空冷到室温。调质处理即淬火处理+回火处理。淬火即通常将铸钢件加热到890℃～920℃保温2～5小时，然后出炉在冷却介质中冷却，铸钢件整体冷却速度控制为0.3℃/s～16℃/s。回火即通常将淬火的铸钢件加热到520℃～580℃保温2～7小时，然后出炉在空气、油、水或水溶性介质中冷却到室温。

本发明的低合金铸钢经过所规定的热处理工艺以后，所获得的金相组织为回火索氏体。本发明的低合金铸钢机械性能指标如下：抗拉强度≥1241Mpa，屈服强度≥1103Mpa，伸长率≥12％，断面收缩率≥30％，-40℃的夏比V型冲击功≥30J,-50℃的夏比V型冲击功≥27J，-60℃的夏比V型冲击功≥27J，硬度范围为365HBW～435HBW，进一步优化其硬度范围为370HBW～410HBW。

本发明的低合金铸钢通常可用于铁路机车零部件的制备。尤其是重载货车的牵引缓冲装置的关键零部件，如货车车钩、钩舌、钩尾框、星盘等。另外，也可用于其他同等机械性能要求的零部件，或于需要轻量化和超高强度的其他领域零部件。

以下通过具体实施例来对本发明的低合金铸钢及其制造方法进行进一步详细阐述。

实施例1

本实施例提供一种低合金铸钢及其制造方法，其各组分及其质量百分比如下：碳0.27％、硅0.25％、锰0.71％、磷0.013％、硫0.009％、铬1.05％、镍1.12％、钼0.70％、铝0.02％、钨0.13％、铌0.04％，钼+0.26×钨为0.73％，余量为铁及其他不可避免的元素，碳当量为0.85％。

上述的低合金铸钢采用电炉+钢包精炼炉(LF)的双联冶炼工艺方案。其制造方法包括以下步骤：

装料步骤：为保证微量有害元素如Sn、Sb和As等控制在尽可能低的范围，采用优质生铁及大块优质废钢作为冶炼炉料。按配料单将相应的炉料投入所述电弧炉内，其中炉料包括熔点高且高温氧化性差的钼铁、钨铁和镍板。

炼钢步骤：在碱性电弧炉的炉底加入适量的石灰及氧化铁皮，以利于早期形成高碱度高氧化铁的炉渣，为脱磷创造有利条件。通过大渣量并多次换渣操作，将磷降到0.008％以下，检验相关元素的化学成分，成分合格后测温，当温度合格后进行初炼钢水出钢操作。

精炼步骤：将粗炼钢水快速转入钢包精炼炉时应严禁带入电弧炉中的初炼钢水表面的熔渣，添加造渣材料，以碳粉、硅粉及铝粉进行扩散脱氧。补加合金达到内控规格要求。将钢包精炼炉炉内的钢水进行吹氩除气及喂丝处理，然后精确调整钢水化学成分到目标成分，按照所述低合金铸钢的重量百分比向所述钢包精炼炉炉内至少加入铌铁合金，检验所有要求成分，成分合格后测温。

浇铸步骤：将精炼步骤所得的钢水进行浇铸成型。

在该实施例中，合金铸钢经冶炼铸造成型后热处理过程采用正火和调质处理。具体地，正火处理工艺为加热到930℃保温3小时，然后出炉进行空冷；调质处理工艺为加热到910℃保温2小时，出炉进行水冷冷却到室温，铸钢整体冷却速度为7.5℃/s，随后重新将淬火处理后的铸钢件加热到530℃保温3.5小时，再出炉在水中冷却到室温。

以上实施例1的低合金铸钢经过以上示例的正火和调质处理以后，所获得的金相组织主要为回火索氏体，具体金相组织图样如图1和图2所示，由图1和图2可以看到典型的回火索氏体金相形貌，并且，晶粒尺寸明显细化，组织均匀性非常良好。

对以上实施例1的低合金铸钢(经过上述热处理后)进行机械性能测定，获得以下测试结果：抗拉强度1289MPa，屈服强度1145MPa，伸长率13.0％，断面收缩率34％，-40℃的夏比V型冲击功(平均值)77J,-50℃的夏比V型冲击功(平均值)71J，-60℃的夏比V型冲击功(平均值)64J，硬度385HBW。

实施例2～13

与实施例1的制造方法基本相同，低合金铸钢的具体组分及含量、碳当量见表1。相对应的机械性能如下表2所示：

表1本发明实施例2～13的低合金铸钢的组成(质量百分比，％)

表2本发明实施例2～13的低合金铸钢的机械性能数据

以上各实施例的低合金铸钢均可用于制造铁路机车零部件。

综上所述，本发明实施例的低合金铸钢，其按重量百分比计包括碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％；此外还含钨0.11％～0.21％，且须满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明的低合金铸钢采用了镍的添加，且复合添加合金元素铝和铌，则能有效地抑制加热过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时强化基体和提高了铸钢件的低温冲击韧性。采用低锰的添加方法，配合铬、镍、钼的匹配，从而保证了低合金铸钢的强度和淬透性。本发明实施例的低合金铸钢的制造方法用于制造上述的低合金铸钢。本发明实施例的低合金铸钢能够用于制造铁路机车零部件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低合金铸钢，其特征在于，其按质量百分比计包括：

其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％。

2.根据权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，所述低合金铸钢按质量百分比计包括：

其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％。

3.根据权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，所述低合金铸钢的碳当量CE在0.75％～0.95％之间，所述碳当量CE满足以下公式：

CE＝C％+(Mn％+Si％)/6+(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％+Cu％)/15；

4.根据权利要求3所述的低合金铸钢，其特征在于，所述碳当量CE在0.83％～0.88％之间。

5.一种低合金铸钢的制造方法，其特征在于，其包括：

炼钢步骤：利用电炉将炉料冶炼为钢水；

精炼步骤：利用精炼炉对所述炼钢步骤得到的钢水进行脱氧以及合金化处理，将所述钢水成分调整为按质量百分比计包括碳0.22％～0.29％、硅0.20％～0.40％、锰0.61％～0.79％、磷≤0.020％、硫≤0.015％、铬1.00％～1.10％、镍1.10％～1.20％、钼0.61％～0.81％、铝0.02％～0.06％、铌0.02％～0.05％、钨0.11％～0.21％，余量为铁及其他不可避免的元素，其中，钼与钨的含量满足0.65％≤钼+0.26×钨≤0.90％；

浇铸步骤：将所述精炼步骤所得的钢水进行浇铸成型。

6.根据权利要求5所述的低合金铸钢的制造方法，其特征在于，对所述浇铸步骤之后得到的铸钢件进行正火处理和调质处理。

7.根据权利要求6所述的低合金铸钢的制造方法，其特征在于，所述正火处理包括将所述铸钢件加热到920℃～950℃保温2～6小时，然后空冷到室温。

8.如权利要求6所述的低合金铸钢的制造方法，其特征在于，所述调质处理包括淬火处理和回火处理。

9.如权利要求8所述的低合金铸钢的制造方法，其特征在于：

所述淬火处理包括将所述铸钢件加热到890℃～920℃保温2～5小时，然后出炉在冷却介质中冷却，所述铸钢件整体冷却速度控制为0.3℃/s～16℃/s；

所述回火处理包括将所述淬火处理后的铸钢件加热到520℃～580℃保温2～7小时，然后出炉在空气、油、水或水溶性介质中冷却到室温。

10.权利要求1-4中任一项所述的低合金铸钢或者由权利要求5-9中任一项所述的低合金铸钢的制造方法制造的低合金铸钢在制造铁路机车零部件中的应用。