CN107675104A - 铸钢、铸钢的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了铸钢、铸钢的制备方法及其应用。以质量百分含量计，该铸钢包括：碳0.12％～0.22％，硅0.3％～0.6％，锰0.8％～1.1％，磷≤0.020％，硫≤0.020％，铬0.3％～0.5％，镍0.35％～0.5％，铌0.02％～0.06％，余量为铁和不可避免的杂质。通过合理的设置合金添加含量，添加的合金种类与含量均较少，成分容易控制，因此，使得铸钢的生产成本低，将硫和磷的含量控制在上述范围内，能尽可能增加铸钢的低温韧性；且上述含量的铬镍配合使用具有极高的冲击韧性，可用于制造在严寒地区低温环境(‑60℃)下运行的铁路货车的相关零部件。

Description

铸钢、铸钢的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及合金材料领域，具体而言，涉及一种铸钢、铸钢的制备方法及其应用。

背景技术

随着国民经济持续增长，我国铁路运输业及相关产业得到了长足发展，在满足内需的同时，部分产品及相关零部件已进入国际市场，近年来铁路货车及相关零部件的出口量持续增加。

受地理环境的影响，高纬度高寒地区对货车零部件的力学性能特别是低温韧性能提出了更高的要求。例如俄罗斯机车车辆公司的企业标准一般要求货车使用的低碳合金铸钢-60℃冲击吸收功不低于17J。我国铁路铸钢材料沿袭AAR标准开发的B+级钢对-60℃冲击吸收功不作要求，而通常B+级钢的-60℃冲击吸收功低于10J，因此无法满足高寒地区的使用要求。

目前国内外对低温钢研究较多的是轧材，对铸造低温钢研究得较少。当前国内外普遍采用的铸造低温钢为铬镍奥氏体不锈钢，这类钢种具有良好的低温韧度，但综合力学性能远远不能完全满足货车零部件的使用要求。奥氏体不锈钢的另一缺点是合金中含有大量Cr、Ni 等贵重元素，成本较高。

关于低合金低温铸钢，公开号为CN 101886223B的中国专利文献公开了一种高强高韧低合金锰系铸钢的制备方法，铸钢中各成分的重量百分比为：C：0.12～0.32wt.％；Mn：1.90～ 3.50wt.％；Si：0.10～0.50wt.％；P：0.01～0.03wt.％；S：0.01～0.03wt.％；Al：0.01～0.05wt.％； Ti：0.01～0.05wt.％；V：0～0.05wt.％；B：0～0.008wt％；Ce：0.05～0.25wt.％；余为Fe。该低合金铸钢以Mn作为主要合金元素，添加少量的Al、Ti、V、B和稀土元素Ce等合金元素，采用常规炼钢工艺冶炼后，用砂型铸造或者精密铸造等工艺铸造成型后，通过水淬和中高温回火热处理，得到回火马氏体组织。该文献公开铸钢力学性能如下：抗拉强度800～ 1100MPa，屈服强度600～900MPa，断后延伸率10～18％，断面收缩率40～60％，V型缺口室温冲击功50～120J，V型缺口-40℃冲击功30～90J。该文献所公开的铸钢为低合金锰系铸钢，添加了多种微合金化元素以细化晶粒尺寸，结合水淬工艺以获得较高的强度。其主要适用于制造对冲击韧性要求高的高强度铸钢结构件，但水淬处理会增大铸件的变形与开裂倾向。

公开号为CN 103194687B的中国专利文献公开了一种低温用低合金高强铸钢及其制备方法，该铸钢的成分及其质量百分比为：碳0.05％、锰0.10％、硅0.10％、磷0.005％、硫0.005％、镍0.50％、铬0.10％、钼0.10％、钒0.01％、铜0.005％、铝0.002％、铁余量。其公开的铸钢抗拉强度达570-590MPa，屈服强度达460-475MPa，延伸率达25-27％，断面收缩率达67-70％，碳当量≤0.45％，在-40℃冲击功达到110J。该文献所公开的铸钢有着较好地综合力学性能，但其对磷与硫含量限制过高，需要精炼炉精炼处理，不便于工业化应用。

根据上述内容可知，现有技术中的铸钢的低温韧性均难以满足高寒地区的使用要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铸钢、铸钢的制备方法及其应用，以解决现有技术中铸钢的低温韧性均难以满足高寒地区的使用要求的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铸钢，以质量百分含量计，铸钢包括：碳0.12％～0.22％，硅0.3％～0.6％，锰0.8％～1.1％，磷≤0.020％，硫≤0.020％，铬 0.3％～0.5％，镍0.35％～0.5％，铌0.02％～0.06％，余量为铁和不可避免的杂质。

进一步地，上述铸钢中，镍的质量百分含量为0.36％～0.46％。

进一步地，上述铸钢中，磷和硫的质量百分含量之和≤0.035％。

进一步地，上述铸钢中，碳的质量百分含量为0.19％～0.22％。

进一步地，上述铸钢中，硅的质量百分含量为0.35％～0.48％。

进一步地，上述铸钢中，铬的质量百分含量为0.34％～0.41％。

进一步地，上述铸钢中，铌的质量百分含量为0.02％～0.04％。

进一步地，上述铸钢的抗拉强度大于等于550MPa，优选铸钢的下屈服强度大于等于 360MPa，优选铸钢的断后伸长率大于等于20％；优选铸钢的-60℃的夏比V型冲击吸收能量大于等于20J。

根据本发明的另一方面，提供了一种铸钢的制备方法，该制备方法包括：按照上述任一种铸钢的组成配制金属镍、Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金、Fe-Si合金、碳粉、铁矿石和废钢；将废钢和金属镍进行熔融、氧化处理，得到氧化铁水；利用碳粉对熔融铁水进行还原，得到还原铁水；向还原铁水中加入Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金、Fe-Si合金，得到钢液；以及将钢液依次进行浇注和热处理，得到铸钢。

进一步地，上述将废钢和金属镍进行熔融、氧化处理的步骤包括：将废钢和金属镍置于电弧炉的炉体内后加热电弧炉的熔池温度至1560～1580℃；向炉体内加入铁矿石，并向炉体内通入氧气进行氧化；以及当炉体内物料中碳含量降至0.15％～0.19％、熔池温度升至1590℃～ 1610℃时，扒除氧化渣，得到氧化铁水。

进一步地，上述Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金和Fe-Si合金在加入还原铁水前，烘烤至300℃～500℃待用。

进一步地，将上述钢液依次进行浇注和热处理的步骤包括：在1600℃以上将钢液出钢后，在1550℃～1590℃下浇注在铸型中，冷却后得到浇注铸钢；将浇注铸钢升温至900℃～960℃并保温3～5小时；将保温3～5小时后的浇注铸钢在常温油介质中冷却至80℃～150℃，以进行淬火处理；将淬火处理后的浇注铸钢在600℃～650℃下保温3～5小时，以进行回火处理；以及将回火处理后的浇注铸钢空冷至室温，得到铸钢。

根据本发明的又一方面，提供了一种铸钢，采用上述任一种的制备方法制备而成。

进一步地，上述铸钢的抗拉强度大于等于550MPa，优选铸钢的下屈服强度大于等于 360MPa，优选铸钢的断后伸长率大于等于20％；优选铸钢的-60℃的夏比V型冲击吸收能量大于等于20J。

根据本发明的又一方面，提供了一种铁路货车的零部件，该零部件采用铸钢制备而成，该铸钢为上述任一种的铸钢，优选上述铁路货车为在严寒温度以下环境中运行的铁路货车。

根据本发明的又一方面，提供了一种铁路货车，包括零部件，该零部件为上述的零部件。应用本发明的技术方案，通过合理的设置合金添加含量，添加的合金种类与含量均较少，成分容易控制，因此，使得铸钢的生产成本低。另外，限制了磷与硫元素的含量，磷对铸钢有脆化作用主要是因为磷易偏析于晶界，从而降低晶界的表面能；其次磷还能在晶界上形成磷共晶型非金属夹杂Fe₃P，造成晶界脆化；而硫在钢中溶解度很低，容易生成低熔点的FeS等硫化物，这种非金属夹杂物会引起局部应力集中，从而引起钢的脆化，磷与硫元素均会导致韧脆转变温度的提高，因此将硫和磷的含量控制在上述范围内，能尽可能增加铸钢的低温韧性。镍是降低钢的冷脆转变温度作用最大的元素，因为镍是扩大奥氏体区域的元素，可以强化基体，提高韧性；镍能提高碳的活度，增强碳原子在位错周围的偏聚与沉淀，从而阻碍位错的移动而使钢强化；镍可提高钢材在各种热处理下的塑性，上述含量的铬镍配合使用具有极高的冲击韧性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了采用Observer.A1m型金相显微镜测试得到的本发明实施例1的铸钢的金相组织放大100倍时的金相图；

图2示出了采用Observer.A1m型金相显微镜测试得到的根据本发明实施例1的铸钢的金相组织放大500倍时的金相图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的，现有技术中铸钢的低温韧性均难以满足高寒地区的使用要求，为了解决该问题，本申请提供了一种铸钢及该铸钢的制备方法。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种铸钢，以质量百分含量计，该铸钢包括：碳0.12％～0.22％，硅0.3％～0.6％，锰0.8％～1.1％，磷≤0.020％，硫≤0.020％，铬0.3％～0.5％，镍0.35％～0.5％，铌0.02％～0.06％，余量为铁和不可避免的杂质。

通过合理的设置合金添加含量，添加的合金种类与含量均较少，成分容易控制，因此，使得铸钢的生产成本低。另外，限制了磷与硫元素的含量，磷对铸钢有脆化作用主要是因为磷易偏析于晶界，从而降低晶界的表面能；其次磷还能在晶界上形成磷共晶型非金属夹杂 Fe₃P，造成晶界脆化；而硫在钢中溶解度很低，容易生成低熔点的FeS等硫化物，这种非金属夹杂物会引起局部应力集中，从而引起钢的脆化，磷与硫元素均会导致韧脆转变温度的提高，因此将硫和磷的含量控制在上述范围内，能尽可能增加铸钢的低温韧性。镍是降低钢的冷脆转变温度作用最大的元素，因为镍是扩大奥氏体区域的元素，可以强化基体，提高韧性；镍能提高碳的活度，增强碳原子在位错周围的偏聚与沉淀，从而阻碍位错的移动而使钢强化；镍可提高钢材在各种热处理下的塑性，上述含量的铬镍配合使用具有极高的冲击韧性。

在本申请一种优选的实施例中，为了在降低铸钢成本的基础上，进一步发挥镍在低合金钢中对低温韧性的作用，优选上述铸钢中，镍的质量百分含量为0.36％～0.46％。

另外，为了尽可能降低硫磷对提高铸钢低温韧性的负面影响，优选上述铸钢中，磷和硫的质量百分含量之和≤0.035％。

碳在铸钢中的主要作用是形成珠光体或弥散析出的合金碳化物从而使铸钢得到强化，但碳会急剧降低钢的低温韧性，使钢的冷脆性转变温度提高，为了使铸钢保持良好的可焊性和低的韧脆转变温度，优选上述铸钢中，碳的质量百分含量为0.19％～0.22％。

硅在铸钢中的主要作用是提高铸钢的强度和硬度，硅的加入不但可以与锰配合提高淬透性，还能够有效地抑制回火时碳化物从马氏体中析出与偏聚，使之在较高温度下仍然能够保持高的硬度，并可以降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性，为了发挥硅的强化作用而又不损害铸钢的低温韧性，优选上述铸钢中，硅的质量百分含量为0.35％～0.48％。

锰在铸钢中的主要作用是增加铸钢组织中奥氏体的稳定性，细化珠光体，提高钢的淬透性，降低奥氏体向铁素体转变的相变温度，有研究表明，随着钢中Mn/C比值的增加，韧脆性转变温度直线下降，为了充分发挥锰的有效作用，优选上述铸钢中，硅的质量百分含量为 0.84％～1.08％。

铬在铸钢中的主要作用是使铸钢具有良好的淬透性，含量在2％以下的铬能完全固溶于铁素体中，提高其强度，而不降低其塑性，为了提高铸钢的强度，保持回火后的韧性，优选上述铸钢中，铬的质量百分含量为0.34％～0.41％。

铌在铸钢中的主要作用是通过细晶强化来提高铸钢的强度，Nb可以与C、N或O等形成碳化物或氮化物，这些形成的碳化物或者氮化物可以阻碍晶粒长大，使晶粒细化，增加了总的晶界面积，增大显微裂纹扩展阻力，从而使断裂应变加大；其次晶粒细化，同时开动的位错和位错增殖率都高，塑性变形均匀，塑性优良；此外晶粒细化，裂纹穿过晶粒消耗能量的增大，韧性提升；晶界总面积增大，晶界周围杂质减少，沿晶断裂倾向降低，最后也最为关键的是晶粒细化可以降低韧脆转变温度，为了改善铸钢的低温性能，优选上述铸钢中，铌的质量百分含量为0.02％～0.04％。

上述铸钢的抗拉强度大于等于550MPa，优选铸钢的下屈服强度大于等于360MPa，优选铸钢的断后伸长率大于等于20％；优选铸钢的-60℃的夏比V型冲击吸收能量大于等于20J。在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种铸钢的制备方法，该制备方法包括：按照上述任一种的铸钢的组成配制金属镍、Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金、Fe-Si合金、碳粉、铁矿石和废钢；将废钢和金属镍进行熔融、氧化处理，得到氧化铁水；利用碳粉对熔融铁水进行还原，得到还原铁水；向还原铁水中加入Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金、Fe-Si合金，得到钢液；以及将钢液依次进行浇注和热处理，得到铸钢。

本申请的制备方法添加的合金种类与含量均较少，成分容易控制，因此，使得铸钢的生产成本低；采用上述制备方法对形成铸钢的原料进行处理，实现了各成分作用的充分发挥。且通过热处理进一步增加了铸钢的低温韧性。

上述制备方法不仅采用电弧炉氧化还原法或中频感应炉熔炼可实施，且由于采用的冶炼工艺简单，因此普通电弧炉冶炼也可实施，无需采用AOD精炼炉精炼处理，因而更便于工业化应用，而且冶炼时可以废钢利用，有利于进一步降本增效。

在本申请一种优选的实施例中，优选将废钢和金属镍进行熔融、氧化处理的步骤包括：将废钢和金属镍置于电弧炉的炉体内后加热电弧炉的熔池温度至1560℃～1580℃，向炉体内加入铁矿石，并向炉体内通入氧气进行氧化，在氧化过程中保持铁水的均匀沸腾、自动流渣，在沸腾剧烈时补加渣料；当炉体内物料中碳含量降至0.15％～0.19％、熔池温度升至1590℃～ 1610℃时，扒除氧化渣，得到氧化铁水。

另外，为了缓冲所加入的合金和高温钢水之间的温差，防止高温钢水温差波动太大及湿气的带入，优选上述Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金和Fe-Si合金在加入还原铁水前，烘烤至300℃～500℃待用。

在本申请又一种优选的实施例中，将钢液依次进行浇注和热处理的步骤包括：在1600℃以上将钢液出钢后，在1550℃～1590℃下浇注在铸型中，冷却后得到浇注铸钢；将浇注铸钢升温至900℃～960℃并保温3～5小时；将保温3～5小时后的浇注铸钢在常温油介质中冷却至 80℃～150℃，以进行淬火处理；将淬火处理后的浇注铸钢在600℃～650℃下保温3～5小时，以进行回火处理；以及将回火处理后的浇注铸钢空冷至室温，得到铸钢。

根据本发明的又一方面，提供了一种铸钢，采用上述任一种的制备方法制备而成。

经上述的淬火+回火热处理后，铸钢的力学性能达到：抗拉强度大于等于550MPa，屈服强度大于等于360MPa，断后伸长率大于等于20％，断面收缩率不小于35％，-60℃的夏比V 型冲击吸收能量大于等于20J，完全可用于制造在严寒地区低温环境(比如-60℃)下运行的铁路货车的相关零部件。

在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种铁路货车的零部件，该零部件采用铸钢制备而成，该铸钢为上述任一种的铸钢，优选上述铁路货车为在严寒温度以下环境中运行的铁路货车。在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种铁路货车，包括零部件，该零部件为上述的零部件。由于本申请的铸钢具有上述优异的力学性能，因此利用其制作的零部件也具有优异的力学性能，满足严寒地区的铁路货车的使用要求。以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

实施例1

本实施例的低合金中强度低温铸钢的化学成分(质量百分含量)为：碳0.22％、硅0.41％、锰0.80％、磷0.015％、硫0.016％、铬0.36％、镍0.36％、铌0.03％，余量为铁及其他不可避免的杂质，不可避免的杂质含量低于0.1％；本实施例的铸钢中磷+硫的总含量为0.031％。

以废钢为原料，采用电弧炉氧化还原法炼钢，步骤如下：

①装料，将废弃的碳素钢清洁、除锈后，与金属镍同时加入电弧炉的炉体内。

其中加入的碳素钢块粒度约为200x200x200毫米，在电弧炉的炉体内装料密实；另外熔清碳保证氧化期脱碳量≥0.30％，不足时配加碳粉，配加的碳粉粒度控制在20目以下。

②氧化，采用铁矿石、氧气氧化法。

打开对应的各电气开关，待电弧炉内熔池温度达到1560℃时，加入铁矿石，并通入氧气氧化，氧化过程中保持炉内物料均匀沸腾、自动流渣，并及时补加渣料；当碳含量降至0.15％～ 0.19％、熔池温度达到1600℃时，扒除氧化渣，进入还原期。

③还原，向步骤②结束氧化期的炉中物料中加入碳粉(粒度控制在20目以下)进行还原，碳粉总量为3～4kg/吨钢，造白渣；并按化学成分质量百分比控制加入Fe-Mn，Fe-Cr，Fe-Nb 以及Fe-Si合金。

上述Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Nb以及Fe-Si合金在加入钢水前先进行烘烤，烘烤至300℃～500℃待用。

④出钢，将步骤③调整好钢液化学成分的钢液出钢，出钢温度控制在1620℃～1630℃。

⑤终脱氧，钢液出钢时采用铝作脱氧剂进行终脱氧，铝块放置在钢包的底部，出钢时钢液冲击钢包底部的铝块，铝块与钢液中的氧气反应从而脱氧。

⑥浇注，将步骤⑤钢包中的钢水浇注在铸型中，浇注温度控制在1550℃～1590℃，获得钢制件。

对钢制件进行热处理，方法如下：

先在电阻炉中将钢制件升温至940℃，在此温度下保温4小时，然后出炉淬火，在常温油介质中冷却至120℃；在6个小时内将淬火处理后的铸钢送入电阻炉中在620℃进行回火处理，保温4小时，保温结束后出炉进行空冷冷至室温完成热处理，得到实施例1的铸钢。

采用Observer.A1m型金相显微镜检测所得到铸钢的金相结构，检测结果见图1和图2，图1为本实施例的低温铸钢经淬火+回火后金相组织放大100倍时的金相图，图2为本实施例的低温铸钢经淬火+回火后金相组织放大500倍时的金相图，从图中可见，本实施例的低温铸钢经淬火+回火处理后的金相组织为铁素体+索氏体组织。

实施例2至18

实施例2至实施例18的低合金中强度低温铸钢的化学成分如下表1，各实施例的低合金中强度低温铸钢中不可避免的杂质含量低于0.10％。且实施例2至实施例18的低合金铸钢的冶炼方法和热处理方法与实施例1相同。

表1

实施例19

与实施例1的不同之处在于，②氧化，采用矿石、氧气氧化法。

打开对应的各电气开关，待电弧炉内熔池温度达到1580℃时，加入铁矿石，并通入氧气氧化，氧化过程中保持炉内物料均匀沸腾、自动流渣，并及时补加渣料；当碳含量降至0.15％～ 0.19％、熔池温度达到1590℃时，扒除氧化渣，进入还原期。

实施例20

与实施例1的不同之处在于，②氧化，采用矿石、氧气氧化法。

打开对应的各电气开关，待电弧炉内熔池温度达到1560℃时，加入铁矿石，并通入氧气氧化，氧化过程中保持炉内物料均匀沸腾、自动流渣，并及时补加渣料；当碳含量降至0.15％～ 0.19％、熔池温度达到1610℃时，扒除氧化渣，进入还原期。

实施例21

与实施例1的不同之处在于，②氧化，采用矿石、氧气氧化法。

打开对应的各电气开关，待电弧炉内熔池温度达到1555℃时，加入铁矿石，并通入氧气氧化，氧化过程中保持炉内物料均匀沸腾、自动流渣，并及时补加渣料；当碳含量降至0.15％～ 0.19％、熔池温度达到1615℃时，扒除氧化渣，进入还原期。

实施例22

与实施例1的不同之处在于，对钢制件进行热处理，方法如下：

先在电阻炉中将钢制件升温至960℃，在此温度下保温3小时，然后出炉淬火，在常温油介质中冷却至80℃；在6个小时内将淬火处理后的铸钢送入电阻炉中在600℃进行回火处理，保温3小时，保温结束后出炉进行空冷冷至室温完成热处理，得到实施例22的铸钢。

实施例23

与实施例1的不同之处在于，对钢制件进行热处理，方法如下：

先在电阻炉中将钢制件升温至900℃，在此温度下保温3小时，然后出炉淬火，在常温油介质中冷却至150℃；在6个小时内将淬火处理后的铸钢送入电阻炉中在650℃进行回火处理，保温3小时，保温结束后出炉进行空冷冷至室温完成热处理，得到实施例23的铸钢。

实施例24

与实施例1的不同之处在于，对钢制件进行热处理，方法如下：

先在电阻炉中将钢制件升温至965℃，在此温度下保温3小时，然后出炉淬火，在常温油介质中冷却至160℃；在6个小时内将淬火处理后的铸钢送入电阻炉中在660℃进行回火处理，保温3小时，保温结束后出炉进行空冷冷至室温完成热处理，得到实施例24的铸钢。

实施例25

与实施例1的不同之处在于，

③还原，向步骤②结束氧化期的炉中物料中加入碳粉(粒度控制在20目以下)进行还原，碳粉总量为3～4kg/吨钢，造白渣；并按化学成分质量百分比控制加入常温的Fe-Mn，Fe-Cr， Fe-Nb以及Fe-Si合金。

对比例1至14

对比例1至14的低合金中强度低温铸钢的化学成分如下表2，各实施例的低合金中强度低温铸钢中不可避免的杂质含量低于0.10％。且对比例1至14的低合金铸钢的冶炼方法和热处理方法与实施例1相同。

表1

按照《中华人民共和国铁道行业标准》(TB/T2942-2015)中规定的方法对上述各实施例和对比例的铸钢的力学性能进行测定，所用试样为基尔试块。测得铸钢机械性能见表3，符合 A.A.R标准美国铁道协会标准M-201-05的相关规定。

表3

比较表3中的数据可以看出，实施例4、8和10中的碳元素含量较多，铸钢的抗拉强度、下屈服强度和-60℃的冲击吸收能量均有明显提高；另外，实施例7中各元素含量配比尤为合理，铸钢在-60℃的冲击吸收能量尤为突出。

对于低合金铸钢材料，随着试验温度降低韧性逐渐减小，而在一定的温度范围内韧性显著减小，材料由微孔聚集型韧性断裂逐渐变为穿晶解理型脆性断裂，冲击断口形貌由韧窝状变为结晶状，这种由韧性材料转变为脆性材料的现象称之为低温脆性，转变温度称为韧脆转变温度。本发明中各元素成分的调整均是围绕着降低材料的韧脆转变温度而进行的，本发明要求-60℃夏比V型冲击吸收能量大于等于20J，本发明材料在-60℃温度下的冲击性能越好，韧脆转变温度越低。

另外，根据实施例12和对比例1的对比可以发现，碳元素含量控制在本申请范围内有利于铸钢强度的显著提升；根据实施例13和对比例3的对比可以发现，硅元素含量控制在本申请范围内有利于发挥硅的强化作用而又不损害铸钢的低温韧性；根据实施例14和对比例5的对比可以发现，锰元素含量控制在本申请范围内有利于增加铸钢组织中奥氏体的稳定性，细化珠光体，提高钢的淬透性；根据实施例15和对比例7的对比可以发现，磷元素含量和磷硫含量综合控制在本申请范围内-60℃夏比V型冲击吸收能量增加，说明有利于减少其对铸钢的脆化作用、降低韧脆转变温度；根据实施例16和对比例9的对比可以发现，铬元素含量控制在本申请范围内有利于提高铸钢的抗拉强度，保持回火后的韧性；根据实施例17和对比例11 的对比可以发现，镍元素含量控制在本申请范围内有利于提高铸钢的低温冲击韧性；根据实施例18和对比例13的对比可以发现，铌元素含量控制在本申请范围内有利于铸钢组织的晶粒细化并提高-60℃夏比V型冲击吸收能量，说明有利于降低韧脆转变温度。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过合理的设置合金添加含量，添加的合金种类与含量均较少，成分容易控制，因此，使得铸钢的生产成本低。另外，限制了磷与硫元素的含量，磷对铸钢有脆化作用主要是因为磷易偏析于晶界，从而降低晶界的表面能；其次磷还能在晶界上形成磷共晶型非金属夹杂 Fe₃P，造成晶界脆化；而硫在钢中溶解度很低，容易生成低熔点的FeS等硫化物，这种非金属夹杂物会引起局部应力集中，从而引起钢的脆化，磷与硫元素均会导致韧脆转变温度的提高，因此将硫和磷的含量控制在上述范围内，能尽可能增加铸钢的低温韧性。镍是降低钢的冷脆转变温度作用最大的元素，因为镍是扩大奥氏体区域的元素，可以强化基体，提高韧性；镍能提高碳的活度，增强碳原子在位错周围的偏聚与沉淀，从而阻碍位错的移动而使钢强化；镍可提高钢材在各种热处理下的塑性，上述含量的铬镍配合使用具有极高的冲击韧性。

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 (16)

1.一种铸钢，其特征在于，以质量百分含量计，所述铸钢包括：

碳0.12％～0.22％，硅0.3％～0.6％，锰0.8％～1.1％，磷≤0.020％，硫≤0.020％，铬0.3％～0.5％，镍0.35％～0.5％，铌0.02％～0.06％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢中，所述镍的质量百分含量为0.36％～0.46％。

3.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢中，所述磷和所述硫的质量百分含量之和≤0.035％。

4.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢中，所述碳的质量百分含量为0.19％～0.22％。

5.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢中，所述硅的质量百分含量为0.35％～0.48％。

6.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢中，所述铬的质量百分含量为0.34％～0.41％。

7.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢中，所述铌的质量百分含量为0.02％～0.04％。

8.根据权利要求1所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢的抗拉强度大于等于550MPa，优选所述铸钢的下屈服强度大于等于360MPa，优选所述铸钢的断后伸长率大于等于20％；优选所述铸钢的-60℃的夏比V型冲击吸收能量大于等于20J。

9.一种铸钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

按照权利要求1至8中任一项所述的铸钢的组成配制金属镍、Fe-Mn合金、Fe-Cr合金、Fe-Nb合金、Fe-Si合金、碳粉、铁矿石和废钢；

将废钢和金属镍进行熔融、氧化处理，得到氧化铁水；

利用碳粉对熔融铁水进行还原，得到还原铁水；

向所述还原铁水中加入所述Fe-Mn合金、所述Fe-Cr合金、所述Fe-Nb合金、所述Fe-Si合金，得到钢液；以及

将所述钢液依次进行浇注和热处理，得到所述铸钢。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述将废钢和金属镍进行熔融、氧化处理的步骤包括：

将废钢和金属镍置于电弧炉的炉体内后加热所述电弧炉的熔池温度至1560～1580℃；

向所述炉体内加入铁矿石，并向所述炉体内通入氧气进行氧化；以及

当所述炉体内物料中碳含量降至0.15％～0.19％、熔池温度升至1590℃～1610℃时，扒除氧化渣，得到所述氧化铁水。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述Fe-Mn合金、所述Fe-Cr合金、所述Fe-Nb合金和所述Fe-Si合金在加入所述还原铁水前，烘烤至300℃～500℃待用。

12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，将所述钢液依次进行浇注和热处理的步骤包括：

在1600℃以上将所述钢液出钢后，在1550℃～1590℃下浇注在铸型中，冷却后得到浇注铸钢；

将所述浇注铸钢升温至900℃～960℃并保温3～5小时；

将保温3～5小时后的所述浇注铸钢在常温油介质中冷却至80℃～150℃，以进行淬火处理；

将淬火处理后的所述浇注铸钢在600℃～650℃下保温3～5小时，以进行回火处理；以及

将所述回火处理后的所述浇注铸钢空冷至室温，得到所述铸钢。

13.一种铸钢，其特征在于，采用权利要求9至12中任一项所述的制备方法制备而成。

14.根据权利要求13所述的铸钢，其特征在于，所述铸钢的抗拉强度大于等于550MPa，优选所述铸钢的下屈服强度大于等于360MPa，优选所述铸钢的断后伸长率大于等于20％；优选所述铸钢的-60℃的夏比V型冲击吸收能量大于等于20J。

15.一种铁路货车的零部件，所述零部件采用铸钢制备而成，其特征在于，所述铸钢为权利要求1至8、权利要求13至14中任一项所述的铸钢，优选所述铁路货车为在严寒温度以下环境中运行的铁路货车。

16.一种铁路货车，包括零部件，其特征在于，所述零部件为权利要求15所述的零部件。