本發(fā)明屬于合金材料，涉及一種連鑄圓坯及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種海上輪船發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用連鑄圓坯及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、大型船用低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，要推動(dòng)大船在海洋中航行，需要巨大的動(dòng)力，因此其曲軸一般十分巨大，有幾十米長、幾百噸重，這就造成曲軸制造十分困難。發(fā)動(dòng)機(jī)主要受力零件曲軸，其主要采用34crnimo6鋼，其常見疲勞破壞是金屬疲勞破壞，即彎曲疲勞破壞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，大多數(shù)為彎曲疲勞破壞；其中，彎曲疲勞破壞首先產(chǎn)生在連桿軸頸(曲柄銷)或主軸頸圓角處，然后向曲柄臂發(fā)展；扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋產(chǎn)生于加工不良的油孔或圓角處，然后向與軸線成方向發(fā)展。

2、而且，由于曲軸運(yùn)行在嚴(yán)寒、酷暑等各種苛刻環(huán)境下，加之所處自然環(huán)境交通不便，安裝維護(hù)不方便，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械高得多的要求，尤其對材料的抗疲勞強(qiáng)度、低溫韌性等性能要求極為嚴(yán)格；因此加強(qiáng)對海上輪船發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼的研究顯得尤為重要。

3、cn115058658a公開了一種曲軸、曲軸用鋼及其制備方法，其由如下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的化學(xué)組分組成：c：0.39～0.45％；si：0.17～0.37％；mn：0.6～0.8％；cr：1.05～1.20％，mo：0.18-0.25％，v：0.05～0.12％，al：0.015～0.040％，t.[o]≤0.0015％，p≤0.015％，s≤0.015％；ni≤0.1％，cu≤0.1％，n：0.0050-0.0070％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)；然而其室溫沖擊功為68～70j，在-40℃低溫下的沖擊功顯然要低得多，而且其未研究橫截面的偏析程度，不能滿足海上輪船發(fā)電機(jī)對曲軸的要求。

4、cn111101056a公開了一種曲軸用鋼和制造曲軸的方法，該曲軸用鋼包括0.37wt％～0.42wt％的碳(c)、0.55wt％至0.70wt％的硅(si)、1.45wt％至1.65wt％的錳(mn)、0.025wt％或更少(不包括0wt％)的磷(p)、0.020wt％至0.035wt％的硫(s)、0.15wt％至0.30wt％的鉻(cr)、0.035wt％至0.055％的釩(v)，剩余的是鐵和其他不可避免的雜質(zhì)；其拉伸強(qiáng)度為900mpa以上，屈服強(qiáng)度為600mpa以上；仍有很大提升空間，而且其未研究在-40℃低溫下的沖擊功，同時(shí)橫截面偏析現(xiàn)象也未得到改善。

5、因此，人們急需開發(fā)一種高強(qiáng)度和高低溫韌性的連鑄圓坯及其制備方法，能夠細(xì)化鋼中晶粒組織，顯著改善橫截面成分偏析現(xiàn)象，滿足海上輪船用發(fā)動(dòng)機(jī)對曲軸的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種連鑄圓坯及其制備方法和應(yīng)用，通過在所述連鑄圓坯中摻雜特定含量的nb和v元素，并對c、mn、cr、mo、ni等元素的含量配比進(jìn)行優(yōu)化，提高了其抗拉強(qiáng)度和低溫韌性，細(xì)化鋼粒組織，同時(shí)改善了橫截面成分偏析現(xiàn)象；且其制備工序簡單可控；所述連鑄圓坯能夠滿足海上輪船用發(fā)電機(jī)用曲軸的要求。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種連鑄圓坯，所述連鑄圓坯包括以下組分：c：0.30～0.38wt％，mn：0.50～0.80wt％，cr：1.30～1.70wt％，mo：0.15～0.30wt％，ni：1.30～1.70wt％，nb：0.05～0.10wt％，v：0.05～0.08wt％，si≤0.40wt％，p≤0.030wt％，s≤0.030wt％和余量fe。

4、其中，各元素的的含量分別可進(jìn)行如下選擇，c：0.30～0.38wt％，例如可以是0.30wt％、0.32wt％、0.34wt％、0.36wt％或0.38wt％等；mn：0.50～0.80wt％，例如可以是0.50wt％、0.55wt％、0.60wt％、0.65wt％、0.70wt％、0.75wt％或0.80wt％等；cr：1.30～1.70wt％，例如可以是1.30wt％、1.40wt％、1.50wt％、1.60wt％或1.70wt％等；mo：0.15～0.30wt％，例如可以是0.15wt％、0.18wt％、0.20wt％、0.23wt％、0.25wt％、0.28wt％或0.30wt％等；ni：1.30～1.70wt％，例如可以是1.30wt％、1.35wt％、1.40wt％、1.45wt％、1.50wt％、1.55wt％、1.60wt％、1.65wt％或1.70wt％等；nb：0.05～0.10wt％，例如可以是0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％或0.10wt％等；v：0.05～0.08wt％，例如可以是0.05wt％、0.055wt％、0.06wt％、0.065wt％、0.070wt％、0.075wt％或0.08wt％等；si≤0.40wt％，例如可以是0.40wt％、0.35wt％、0.30wt％、0.25wt％或0.20wt％等；p≤0.030wt％，例如可以是0.030wt％、0.025wt％、0.020wt％、0.015wt％或0.010wt％等；s≤0.030wt％，例如可以是0.030wt％、0.025wt％、0.020wt％、0.015wt％或0.010wt％等。

5、本發(fā)明對所述連鑄圓坯化學(xué)組分中c、mn、cr、mo和ni等元素的含量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加入特定含量的nb和v元素，抑制奧氏體的形變再結(jié)晶并阻止其晶粒的長大，并通過它們的碳氮化合物的應(yīng)變誘導(dǎo)析出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋼的細(xì)化強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化效果，各元素復(fù)配共同作用，細(xì)化了所述連鑄圓坯的晶粒組織，同時(shí)改善了所述連鑄圓坯內(nèi)部成分偏析；同時(shí)提高了所述連鑄圓坯的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及其在-40℃(kv2)的沖擊功，達(dá)到了海上輪船用發(fā)電機(jī)曲軸的要求。

6、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中c含量為0.34～0.36wt％。

7、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中mn含量為0.70～0.78wt％。

8、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中cr含量為1.62～1.70wt％。

9、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中mo的含量為0.23～0.28wt％。

10、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中ni的含量為1.60～1.65wt％。

11、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中si的含量為0.30～0.35wt％。

12、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中p的含量≤0.010wt％。

13、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中s的含量≤0.005wt％。

14、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中nb的含量為0.07～0.09wt％。

15、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中v的含量為0.05～0.07wt％。

16、本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選摻雜的nb的含量為0.07～0.09wt％，優(yōu)選v的含量為0.05～0.07wt％，有利于提高連鑄圓坯的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；若摻雜的nb或v的含量偏低，將導(dǎo)致連鑄圓坯性能較差；若摻雜的nb或v的含量偏高，將導(dǎo)致nb或v析出相在晶界析出而弱化晶界，所述連鑄圓坯存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，且成本較高。

17、第二方面，本發(fā)明提供了一種第一方面所述的連鑄圓坯的制備方法，所述制備方法包括：熔融鋼水依次經(jīng)連鑄和冷卻后得到所述連鑄圓坯。

18、本發(fā)明所述連鑄圓坯采用熔融鋼水直接進(jìn)行連鑄并冷卻后即可制得所述連鑄圓坯，通過調(diào)控熔融鋼水的元素組成以及連鑄工藝的參數(shù)，成功制備了高強(qiáng)度和韌性的連鑄圓坯，同時(shí)細(xì)化了晶粒組織并改善了橫截面成分偏析現(xiàn)象，制備工藝簡單可控，且成本較低。

19、所述熔融鋼水的制備方法包括：按照第一方面所述連鑄圓坯的元素組成配比選擇鋼錠原料，將所述鋼錠原料依次進(jìn)行kr脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、鋼包精煉和真空精煉，得到所述熔融鋼水。

20、優(yōu)選地，所述連鑄在連鑄機(jī)中進(jìn)行。

21、優(yōu)選地，所述連鑄時(shí)的拉速為0.20～0.24m/min，例如可以是0.20m/min、0.21m/min、0.22m/min、0.23m/min或0.24m/min等。

22、優(yōu)選地，所述連鑄時(shí)的過熱度為15～25℃，例如可以是15℃、16℃、17℃18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃等。

23、值得說明的是，過熱度是指：鋼水在過程中的澆注溫度與液相線溫度之差。

24、本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選所述連鑄時(shí)的拉速為0.20～0.24m/min、過熱度為15～25℃，有利于提高所得連鑄圓坯的質(zhì)量；若所述連鑄時(shí)的過熱度偏低，導(dǎo)致所述連鑄圓坯表面有裂紋，甚至造成澆鑄中斷；若所述連鑄時(shí)過熱度偏高，導(dǎo)致漏鋼，從而迫使降低拉速以避免漏鋼，但產(chǎn)量會下降，甚至可能所述連鑄圓坯向柱狀晶發(fā)展，從而導(dǎo)致所述連鑄圓坯中心偏析和疏松。

25、優(yōu)選地，所述連鑄機(jī)中結(jié)晶器電磁攪拌的電流為190～210a，例如可以是190a、195a、200a、205a或210a。

26、優(yōu)選地，所述結(jié)晶器電磁攪拌的頻率為1.5～2hz，例如可以是1.5hz、1.6hz、1.7hz、1.8hz、1.9hz或2hz。

27、本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選所述連鑄機(jī)中結(jié)晶器電磁攪拌的電流為190～210a、頻率為1.5～2hz；有利于改善所述連鑄圓坯皮下到柱狀晶邊緣的成分偏析；若所述結(jié)晶器電磁攪拌的電流或頻率偏低時(shí)，會導(dǎo)致所述連鑄圓坯中心區(qū)域致密度逐漸減小，所述連鑄圓坯中心碳偏析逐漸增大的趨勢，若所述結(jié)晶器電磁攪拌的電流或頻率偏高時(shí)，將導(dǎo)致保護(hù)渣的卷入，反而使夾雜物含量增加，且能耗變大。

28、優(yōu)選地，所述連鑄機(jī)中末端電磁攪拌的電流為850～950a，例如可以是850a、860a、870a、880a、890a、900a、910a、920a、930a、940a或950a。

29、優(yōu)選地，所述末端電磁攪拌的頻率為5～7hz，例如可以是5hz、5.5hz、6hz、6.5hz或7hz。

30、本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選所述連鑄機(jī)中末端電磁攪拌的電流為850～950a、頻率為5～7hz；有利于改善所述連鑄圓坯等軸晶區(qū)域的成分偏析；若所述末端電磁攪拌的電流或頻率偏低時(shí)，導(dǎo)致改善中心疏松或偏析的效果不明顯；若所述末端電磁攪拌的電流或頻率偏高，將導(dǎo)致所述連鑄圓坯出現(xiàn)白亮帶。

31、優(yōu)選地，所述冷卻的方式包括入坑緩冷。

32、優(yōu)選地，所述入坑緩冷的入坑溫度≥500℃，例如可以是500℃、550℃、600℃、650℃或700℃等。

33、優(yōu)選地，所述入坑緩冷的時(shí)間為≥120h，例如可以是120h、130h或150h等。

34、優(yōu)選地，所述入坑緩冷的出坑溫度為≤200℃，例如可以是200℃、180℃、150℃或120℃等。

35、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述制備方法包括如下步驟：

36、將熔融鋼水在連鑄機(jī)中進(jìn)行連鑄，所述連鑄時(shí)的拉速為0.20～0.24m/min，過熱度為15～25℃，所述連鑄機(jī)中結(jié)晶器電磁攪拌的電流為190～210a，頻率為1.5～2hz，所述連鑄機(jī)中末端電磁攪拌的電流為850～950a，頻率為5～7hz；然后采用入坑緩冷的方式進(jìn)行冷卻，所述入坑緩冷的入坑溫度為≥500℃，時(shí)間為≥120h，出坑溫度為≤200℃，最終得到所述連鑄圓坯。

37、第三方面，本發(fā)明提供了一種第一方面所述的連鑄圓坯的應(yīng)用，所述連鑄圓坯用于制備曲軸，優(yōu)選用于海上輪船發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸。

38、本發(fā)明提供的所述連鑄圓坯可用于制備海上輪船發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，其強(qiáng)度和韌性能夠滿足海上輪船發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的要求，且使用壽命較長。

39、本發(fā)明所述的數(shù)值范圍不僅包括上述列舉的點(diǎn)值，還包括沒有列舉出的上述數(shù)值范圍之間的任意的點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點(diǎn)值。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

41、(1)本發(fā)明提供的連鑄圓坯，通過對c、mn、cr、mo和ni元素的含量配比進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)加入特定含量的nb和v元素進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，各元素復(fù)配共同作用，強(qiáng)化了所得連鑄圓坯的強(qiáng)度和韌性，細(xì)化了晶粒組織并改善了橫截面偏析現(xiàn)象，其抗拉強(qiáng)度優(yōu)選高達(dá)1076mpa以上，屈服強(qiáng)度優(yōu)選高達(dá)766mpa以上、-40℃(kv2)的沖擊功優(yōu)選高達(dá)62j以上，同時(shí)改善了橫截面成分偏析現(xiàn)象，橫截面碳偏析極差≤0.035％。

42、(2)本發(fā)明提供的連鑄圓坯的制備方法，所述制備方法通過對連鑄時(shí)的拉速、過熱度、結(jié)晶器電磁攪拌的電流和頻率以及末端電磁攪拌的電流和頻率的調(diào)控，使制得的連鑄圓坯具有高強(qiáng)度和高韌性，并有效改善了橫截面偏析現(xiàn)象，能夠滿足海上輪船用發(fā)電機(jī)曲軸的使用環(huán)境和壽命的要求，而且所述制備方法工序簡單、條件易控且成本低。

43、(3)本發(fā)明提供的連鑄圓坯的應(yīng)用，所述連鑄圓坯可用于制備海上輪船發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，能夠滿足其在-40℃的低溫環(huán)境中使用，強(qiáng)度和韌性高，且使用壽命較長。