CN111850380B - 一种低温碳钢阀门铸件材料及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铁素体低温钢的合金化复合碳钢材料及其制备方法，以及利用该材料制备低温阀门铸件的方法；所述复合碳钢材料由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得，所述合金添加材料包括至少一种选自铌锰铁合金、稀土铁合金的子合金材料。另外，本发明结合特定的热处理方法，解决了阀门铸件在中低温尤其是极端低温情况下低温冲击韧性值较低的问题。

Description

一种低温碳钢阀门铸件材料及其制造工艺

技术领域

本发明涉及低温碳钢阀门铸件材料，具体地讲，涉及一种在中低温环境中应用的合金化碳钢阀门铸件材料及其制造方法。

背景技术

近些年来，机械制造行业尤其是石化工业对于低温阀门的需求越来越多，越来越严格。目前，国内对于低温阀门的温度需求主要存在于低温(0至-60℃条件)和超低温(低于-100℃)两大范围。通常来说，用于超低温条件下使用的阀门材料大多采用不锈钢锻件，较为常用的采用高镍高铬的合金钢作为阀体铸件材料。尽管高镍铬的合金钢在耐低温性能方面效果显著，但是，由于高镍铬合金钢的成本很高，对于较低温(0至-30℃)和中低温(-30℃至-60℃)环境使用的大量阀门铸件来说难以普遍推广。

目前，工业上对于中低温环境使用的阀门，通常采用碳钢材料，并对碳钢材料组分及性能做了一定程度的要求，产生了一系列可用于低温阀门铸件的碳钢材料。例如，LCB和LCC钢是常见的用于低温阀门的碳钢材料，属于铁素体类低温钢,按ASTM A352/A352M的规范要求，最低可适用于-46℃的环境中。例如，LCB钢是ASTMA352标准中的低温用钢，可使用在-38℃以下温度，材料成本低，韧性好，但C含量在0.3％以下，属于亚共析钢，组织中珠光体的比例较少，因此其力学强度较低，如果需要提高强度同时满足韧性要求，则需要针对特定的用途和使用温度进行添加合金元素进行改性。

又例如，石化行业阀门选用标准规范SH/T 3064—2003对阀门的选用、检验及验收做了规定，所用的材料必须具有能在规定介质温度和压力作用下所达到的力学性能。否则，由于铸造碳钢有冷脆现象，在低温下韧性急剧下降，脆性上升，会突然脆性断裂，出现安全事故。

如上所述，由于碳钢在低温工况下冷脆现象突出，这种冷脆现象在低温下导致韧性急剧下降，脆性上升，甚至会突然脆性断裂。以该种材料制作的阀门铸件在低温工况中机械性能也会明显下降,因此，即使LCB或LCC钢能够在-46℃时勉强达到ASTM标准的要求,但性能冗余量不大，以其为材料制作的阀门铸件在极端低温工况尤其是-50℃左右或以下时，机械性能尤其是在耐低温冲击韧性方面往往难以达到实际使用要求，甚至会脆性断裂，出现安全事故。

因此，对低温用阀门材料的要求是在低温下保持较好的塑性和韧性，实际应用时主要以低温冲击值(Ak)为验收依据。

研究发现，低温冲击值除了受材料本身影响之外，还与铸件的热处理工艺密切相关。

现有技术经过大量试验证明,奥氏体是钢组织中比容最小的相组织，其冲击韧性、耐磨性和塑性都极好。而热处理工艺可以改变铸件内部组织形态，优化机械性能。目前，对碳钢的热处理通常采用正火-回火或者淬火-回火方式，温度约在910±10℃。但是限于碳钢材料本身特性所限，热处理过的试样低温冲击韧性和强度只能勉强合格，在低于-46℃时环境下低温冲击韧性往往不符合实际使用要求。

因此，针对特定的碳钢材料，选取合适的热处理工艺对于铸件的机械性能及低温韧性具有直接影响。

现有的低温阀门材料技术中，CN106893945A提供了一种低温用奥氏体不锈钢及其铸件和铸件的制造方法，该奥氏体不锈钢含有C:0.08％以下，Mn：1.0-1.6％，Si：0.6-1.2％，Cr：17.0-20.0％，Ni：10.0-13.0％，Mo：2.0-3.0％，N：0.04-0.12％，其余为Fe和杂质；杂质中P≤0.04％，S≤0.02％，Sn≤0.015％，As≤0.01％，Pb≤0.01％，Sb≤0.01％，其中Sn+As+Pb+Sb≤0.035％。尽管该申请通过调整化学成分，以及热处理温度的控制等确保铸造组织具有良好的机械性能，但是该合金材料主要用于超低温环境，对于中低温环境使用的阀门来说并不适用。

CN105385802A公开了一种低温高韧性球墨铸铁蝶阀体的铸造工艺，包括以下步骤：一)熔炼工序：1、备料；2、熔炼；二)球化及孕育工序；三)浇注、拔箱工序；四)热处理工序；该工艺通过原料的严格配比，添加入碳化硅，改变传统的熔融过程，利用坝式球化包结合夯实的孕育剂保护球化剂，使得力学性能表现突出；但是该专利主要在于熔炼工艺的改进，对于材料本身和热处理关键工艺没有进行详细研究。

CN 109943782公开了一种00Cr17Ni14Mo2不锈钢阀块的加工方法，该不锈钢阀块适合在高压、腐蚀环境下使用，尤其可用于制作高渗透腐蚀气氛下使用的高压阀门。该专利采用不锈钢阀块为原料，制造适于高渗透腐蚀气氛下使用的高压阀门的阀体零件，没有对碳钢材料制作铸件进行研究。

目前来看，基于碳钢研发低温阀门铸件新材料，针对使用的特定中低温温度环境(-30℃至-60℃尤其是-46℃至-60℃的极端区间)，设法寻找可以对碳钢进行改性的金属元素与非金属元素并组合使用，不仅研究难度较大，而且费时费力，因此研究较少。

因此，根据低成本且具有较高强度的碳钢材料进行改性以制作阀门铸件，并进行相应的热处理以满足中低温(低于-30℃，不超过-60℃)下使用要求，尤其是在极端温度情况下例如-60℃左右仍具有优异的低温冲击性能指标，具有显著的经济效益以及社会效益。

发明内容

为克服上述现有技术缺陷，本发明提供一种特定的碳钢材料以铸造用于低温环境的阀门铸件，所述铸件在低温度下冲击均值较高。具体地，该阀门铸件在零下低温环境尤其是-46℃±20℃的中低温环境中具有良好的耐低温韧性值，在低温下不易脆裂。

具体地，本发明的主要目的在于提供一种耐低温碳钢阀门铸件材料及其制备方法，该材料所得铸件具有高强度、耐低温冷脆的优点。

为实现上述目的，本发明通过对基于铁素体低温钢的碳钢材料(例如LCB和/或LCC钢等)进行合金化改性从而得到用于制备低温阀门铸件的合金化碳钢材料,并通过特定的热处理方法,解决了基于LCB/LCC钢作为主材的阀门铸件在极端情况下低温冲击韧性较低和不稳定的问题,保证了低温条件下阀门铸件的质量。

本发明第一个方面，提供一种用于低温阀门铸件的复合碳钢材料，由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得，所述合金添加材料包括至少一种选自铌锰铁合金、稀土铁合金的子合金材料；其中，所述合金添加材料的组分相对于低温钢基体材料的质量百分比为：子合金材料0.8-1.5％，以及：镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.2-0.4％、铝0.05-0.1％；其中，所述稀土铁合金选自稀土锰铁合金、稀土硅铁中的一种或两种。

其中，所述铁素体低温钢优选为C-Mn型低碳钢，其中C≤0.3％，Si≤0.80％，且Mn含量不低于0.5％。

其中，优选地，按重量百分比计，所述铌锰铁合金(Mn-Nb-Fe)中组分为：铌20-30％，锰5-10％，其余为铁及不可避免的杂质(优选杂质含量小于0.1％，P、S杂质之和不超过0.05％)。

其中，优选地，按重量百分比计，稀土锰铁合金各组分为：稀土含量为20-40％，锰5-15％，其余为铁及不可避免的杂质(优选杂质含量小于0.1％)。

其中，优选地，按重量百分比计，稀土硅铁合金各组分为：稀土含量为20-40％，硅30-45％，锰5-15％、钙3-10％、钛1-5％，其余为铁及不可避免的杂质(优选杂质含量小于0.1％)。

进一步优选地，所述稀土合金中稀土元素选自Re/Ce，或者至少包括Re和/或Ce。

示例性地，所述稀土硅铁合金中Re/Ce含量为20-40％、硅37-45％、锰5-10％、钙3-8％、钛1-5％，其余为铁。

优选地，所述子合金材料含有稀土铁合金、铌锰铁合金两种组分。进一步优选地，所述稀土铁合金、铌锰铁合金质量比为1-3:1。

优选地，当所述子合金材料不含锰时，即仅选自稀土硅铁合金时，合金添加材料中锰添加含量为0.5-0.8％；反之，为0.3-0.5％。

优选地，所述铁素体低温钢为C≤0.25％的低碳钢。

进一步优选地，所述铁素体低温钢选自至少包含LCB钢(基于ASTM标准)的一种或多种低碳C-Mn钢。可选地，铁素体低温钢也可以选自其他合适的低合金钢，例如含有微量Ni、Cr、Mo的铸造碳钢。

所述低温钢原料可以为工业生产的粗钢原料，也可以为经过除杂处理的回收铸件废钢。

更加优选地,本发明所述铁素体低温钢原料由LCB钢和LCC钢组成，且LCC钢不低于10wt％。

进一步优选地，所述铁素体低温钢中含有50-90wt％LCB钢和10-50wt％LCC钢。更优选地，LCC钢含量为20-40wt％。通过使用较高含量的LCB钢可以有效降低碳钢材料的成产成本。

其中，优选地，所述LCB钢的组成成分为：C≤0.25％，Si≤0.60％，Mn≤1.0％，S≤0.04％，P≤0.03％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，V≤0.030％(Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％)，其余为Fe；抗拉强度不低于500MPa(500-600)；屈服强度不低于250MPa，低温冲击值(-46度)不低于18。进一步优选地，0.15％≤C≤0.20％，0.60％≤Mn≤1.0％，0.30％≤Si≤0.60％，S≤0.03％。

其中，优选地，所述LCC钢的成分为：：C≤0.20％，Si≤0.60％，Mn≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，V≤0.030％(Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％)，余量为Fe；抗拉强度不低于500MPa(优选500-650)；屈服强度不低于275MPa，低温冲击值(-46度)不低于20。进一步优选地，0.12％≤C≤0.18％，0.40％≤Si≤0.60％，0.80％≤Mn≤1.2％，S≤0.02％,P≤0.02％。

第二个方面，本发明还提供所述的用于低温阀门铸件的复合碳钢材料的制备方法，包括如下步骤1)-3)：

1)原料准备：

前处理：

S1-1:准备铁素体低温钢例如比例量的LCB钢与LCC钢作为钢基体材料来源，进行表面清理去除杂质并打磨去除表面氧化层，获得干燥的钢基体材料；

可选地，通过光谱分析仪和密度检测仪测量基体材料中各元素及杂质的含量达到所需标准；其中，所述LCB钢各元素含量如上所述；所述LCC钢各元素含量如上所述。

S1-2:准备合金添加材料:

准备比例量的子合金材料以及高纯度(例如99.9％及以上)的镍、锰、钛、钼、铝作为合金添加材料，所述合金添加材料优选为100-300目的粉末形态。

所述合金添加材料粉末可以由各金属组分熔融冷却后粉碎制得，也可以由粉状的各金属组分混合复配得到。

其中，所述子合金材料选自稀土铁合金、铌锰铁合金中的至少一种，所述稀土铁合金选自稀土锰铁合金、稀土硅铁中的一种或两种。

其中，基于铁素体低温钢原料的质量计，所述合金添加材料各组分用量比例为：子合金材料0.8-1.5％，镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.1-0.2％、铝0.05-0.1％。

其中，采用熔融法制备合金添加材料粉末时，步骤为：

(1)称料，按比例配制各金属组分原料，在无水乙醇中超声处理5-15min除杂，烘干干燥；

(2)将原料按熔点高低放置在真空电弧炉的坩埚中，熔点较低的金属放置在底部，进行真空熔炼，冷却后得到铸锭。

(3)对所得铸锭进行机械粉碎至100-300目，从而获得合金材料粉末。

熔炼时，先将低温钢基体材料投入炉中熔化，必要时进行脱硫、脱氧、精炼进行调质，检测并调整化学元素成分含量至合格；然后分批添加合金粉末成分进行合金化，再进行浇铸处理。

2)原料熔炼：将低温钢基体粗原料放入熔炼设备中熔炼为钢水，将温度控制在1550-1600℃，并保持0.3-1h。

可选地，根据所采用的具体原料进行调质加工处理，包括：使用造渣剂进行造渣，将造渣后的钢水在真空或者惰性气体条件下进行脱氧、脱硫处理，控制杂质含量使其满足所需标准或达到最低。

其中，所述造渣剂为低碳埋弧造渣剂或转炉低碳造渣剂，其组分在本领域中是熟知的，例如低碳埋弧造渣剂的组成成分为：CaO，SiO₂，MgO，Al₂O₃；惰性气体可以为Ar、N₂。脱氧可采用本领域一般的脱氧方法。例如，采用脱氧剂脱氧处理时的脱氧剂优选为碳化钙、硼化镁，在液面界面上进行脱氧，成渣排除。

3)合金化混熔：

合金化过程中，通过喷料口借助气流向炉内均匀地分批投入合金粉末，投料间隔为5-15min，投料过程中维持钢水搅拌状态；投料完毕后，根据实际情况将炉温提高50-150℃，以促进合金化进行。所得合金钢液充分合金化后即制得可用于浇注低温阀门铸件的复合碳钢材料。

进一步地，所得合金液浇注成型后即制得低温阀门铸件。

优选地，所述喷料口向炉内投入合金粉末时借助惰性气体气流吹入，以使得投料操作中合金粉末借助气流而更加分散、投料更加均匀。

优选地，合金粉末投料期间，每隔3-5min通过炉底喷嘴将惰性气体吹入熔炼设备液体中，以促进合金液扰动，使得合金进程更加均匀化。

其中，所述分批投入合金粉末的次数视具体情况而定，例如可以分为3-10次；示例性地，可以为5次，7次，9次等。

进一步地，当制备低温阀门铸件时，还包括相应的浇注步骤。

第三个方面，本发明还提供上述复合碳钢材料在制造低温阀门铸件中的用途，所述低温阀门可用于最低零下66℃的环境。

第四个方面，本发明还提供利用所述的复合碳钢材料制造低温阀门铸件的方法，包括如下步骤：

1)铸件浇注：

将合金液温度调整至1650-1700℃后出炉；镇静处理后，将合金液浇注于模具中，得到阀门铸件，浇注温度1550-1600℃。

进一步地，浇注后进行后处理。所述铸件后处理流程为：

待阀门部件冷却至500℃以下时，使铸件与型砂分离；去除浇、冒口，清除残砂，以及清除铸件表面的粘砂、毛刺、氧化层等。

可选地，浇注后对铸件按技术标准要求进行合格性检测，例如：依据JB/T6440-2008Ⅲ级标准进行X射线探伤；进行水压试验(0.7MPa水压下保持15min)；进行密封面着色渗透探伤等。合格产品表面不得有气孔、疏松及裂纹等铸造缺陷。

示例性地，可采用电弧炉(例如，0.5-1.5吨)冶炼，漏包浇注；出钢温度1650℃，浇注温度1560℃，浇包内测温。

2)热处理：

不同的热处理工艺下，合金钢的铸态组织并不相同，进而表现出较大的机械性能差异。为满足低温阀门铸件技术标准中的性能要求并进行适当提高，必须通过热处理改善铸件的铸态组织。

具体热处理工艺如下。

S1：第一次热处理：先进行梯度升温，再进行风冷-水淬-回火联合处理：

将所得阀门铸件放入电炉中，先由室温以120-150℃/h的较低速率升温至500℃，然后以240-300℃/h的较高速率快速升温至600-650℃，保温30-60min；再以150-200℃/h的中等速率稳定升温至940-950℃，保温2-3h；保温处理后出炉，以50-75℃/h的速率风冷至600-650℃，然后进行水淬使其快速降温；再按照80-120℃/h的恒定速率加热到650℃±10℃，保温3-4h后出炉空冷至室温。

其中，优选地，所述水淬处理为在初始温度50-70℃的水中淬火至200-300℃区间。

S2：第二次热处理：先进行恒定升温，再进行淬火-回火联合处理：

由室温以150-180℃/h的恒定速率升温至900-910℃，保温2-3h后水淬至不超过100℃，然后再次加热到650℃±10℃，保温3-4h后出炉空冷至室温。

S3：去应力后续热处理：

将经过二次热处理的铸件以200-220℃/h速率升温至500±10℃，保温30-60min；然后以300-360℃/h速率加热到600-650℃，保温3-5h后出炉风冷至450-500℃，然后空冷至室温。

其中，第一次热处理时，在加热和冷却时采取较快速率,尤其是在淬火时，需快速通过500-600℃区间；以避免生成的碳化物析出晶面，从而降低材料在低温下的冲击韧性；同时，在低于500℃时，需采用空冷方式缓慢降温以消除内应力，从而提高机械性能。

3)后处理：对退火空冷之后的铸件表面进行脱脂、清洗、镀膜，在放入75-90℃条件下进行烘干处理。

为优化铸态组织，提高低温韧性，本发明在两次热处理调质的基础上额外增加了完全退火热处理步骤即第三次后续热处理步骤，以进一步细化晶粒并降低网状碳化物组织，有效提升了铸件的机械性能。

在优选的实施方式中，经检测试样的抗拉强度在600MPa以上，-46℃低温冲击韧性值达到90J/cm²以上，远远大于LCB钢标准要求的18J/cm²；同时，在-66℃的极值低温条件下，低温冲击韧性值仍能够达到60J/cm²以上。

本发明根据铸件所用的合金材料特性，对热处理温度和保温时间进行了优化，特别是对其中的淬火、回火温度和冷却速度进行了大量试验。通过调低淬火温度,延长保温时间,在控制晶粒均匀细小的情况下,使得合金组分充分熔合,提高了铸件的机械性能,尤其是显著提高了低温下的冲击韧性。

在本发明的热处理工艺下，对合金含量不同的碳钢材料制备的铸件均能显著提高低温冲击韧性值(A_k值)，A_k值高达到80J以上。

具体地，本发明有益的技术效果包括如下几个方面。

1)本发明在低碳钢的基础上使用复合合金、钛、铝、铌等元素进行改性制备得到合金碳钢，通过分次投放原料，合理控制铸后热处理工艺，得到的合金钢具有优异的高强度、耐低温冲击性能，还兼具有耐磨、抗低温冷脆特点；在主体原料上，可使用LCB/LCC等牌号标准的原料或除杂回收料作为原料，经过精炼和合金化处理，使品质更稳定。

2)本发明合金添加料中，具有特定配比的金属组分。添加合金元素是关键的手段之一，这是由于LCB钢这种铁素体型钢虽然韧性较好，但是C含量较低导致机械力学性能偏低，添加合理的元素利于提升铸件的机械性能，例如，适当含量的Mn可以提高珠光体含量，提升抗拉强度，同时又不会降低合金碳钢的韧性。Si可以抑制碳化物析出、稳定和细化奥氏体，提高淬透性以及抗冲击韧性。适量的Mo、Ni等有助于稳定钢组织中的奥氏体，进一步提高低温抗冲击韧性。而少量的铌锰铁合金、稀土铁合金、钛、铝等对钢材料的组织、晶粒结构和热处理产生较大的影响，有助于改善晶粒结构和合金热处理中的淬透性等性能，显著提高强度等机械性能和低温韧性。

3)本发明采用低温韧性较好的低碳钢作为主体钢材，例如LCB和LCC等碳钢，其本身具有微量合金Mn、Ni和Cr等,通过特定的合金化处理，结合特定热处理使得钢组织中奥氏体的含量显著增加，有效改善其低温冲击韧性。另外，LCB和LCC等碳钢杂质较少，熔化后钢水纯净度高，无需复杂的除渣脱硫磷流程，具有良好的低温韧性基础。

4)本发明采用特殊的热处理工艺，针对合金碳钢中含有较多的添加元素特点，为减少各种合金元素在钢组织中的偏析，使组织成分细化、均匀化，将铸件经过三次工艺流程不同的热处理步骤；通过对铸件组织进行特定的多次调质处理，有效了消除铸态组织中的偏析，并快速避开了500-600℃不利区间(这是由于Mn元素可以促碳化物生成，在该温度区间停留时间过长容易导致碳化物破坏晶粒结构从而降低铸件的冲击韧性)，对铸件的机械性能和组织优化具有良好效果，得到了在低温环境下具备高强度、高韧性的合金碳钢材料。

最后，本发明合金碳钢材料不仅适用于阀门铸件，同样适用于低温环境下的泵叶、管道等用途，适用性广。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

制备例1

制备合金化的复合碳钢材料1

(1)原料准备：

S1-1:准备质量比为8:2的市售LCB钢与LCC钢组成的复合钢作为铁素体低温钢基体材料来源，事先进行表面清理去除杂质并打磨去除表面氧化层，清洗干燥后获得干燥的钢体材料约0.5吨；其中，所述LCB钢成分为：C含量为0.18-0.19％，Si含量为0.4-0.5％，Mn含量为0.8-1.0％，S约为0.04％，P≤0.03％，Ni≤0.30％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Cu≤0.20％，V≤0.030％(Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％)，其余为Fe及不可避免的杂质。其中，所述LCC粗钢成分为：C含量为0.15-0.16％，Si含量为0.45-0.5％，Mn含量为1.0％，S约为0.04％，P≤0.03％，Ni≤0.250％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Cu≤0.20％，V≤0.030％(Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％)，余量为Fe及不可避免的杂质。

S1-2:基于上述复合钢基体重量称取如下重量比的合金添加材料：

稀土硅铁合金0.8％(所述稀土为Re、Ce)，铌锰铁合金0.4％，镍1.0％、锰0.8％、钛0.4％、钼0.3％、铝0.06-0.07％；其中，所述稀土硅铁合金组成为：Re、Ce含量共约为30％、硅37-38％、锰5-6％、钙3-4％、钛2-3％，其余为铁及不可避免的杂质；所述铌锰铁合金组成含量为：铌25-26％，锰6-7％，其余为铁及不可避免的杂质。

将上述合金材料在无水乙醇中超声处理10min除杂，烘干干燥；将原料按熔点高低放置在真空电弧炉的坩埚中，熔点较低的金属放置在底部，进行真空熔炼，冷却后将铸锭进行机械粉碎至120-200目，从而获得合金添加材料粉末。

(2)原料熔炼：将低温钢基体粗原料放入熔炼设备中熔炼为钢水，将温度控制在1580-1600℃，调质除渣除杂处理后脱氧出钢。

具体地，采用感应电炉熔炼，在熔炼原料时，使用低碳埋弧造渣剂造渣以提高延韧性能，将造渣后的钢水进行脱氧处理，并加入约为0.6％的硅钙合金(3kg)以降低氧含量与杂质的比例，最终控制硫杂含量低于0.03％，得到纯净的钢水。

(3)合金化处理：合金化过程中，通过喷料口借助惰性气体气流向炉内均匀地分5-6批投入合金粉末，投料间隔为15min，投料过程中维持钢水搅拌状态；投料完毕后，将炉温提高120℃并维持0.5h，以促进合金化进行。所得合金钢液充分合金化后即制得可用于浇注低温阀门铸件的复合碳钢材料。

通常地，将所得合金钢液直接进行浇注。

制备例2

制备合金化的复合碳钢材料2

(1)原料准备：

S1-1:准备质量比为6:4的市售LCB粗钢与LCC粗钢组成的复合钢作为铁素体低温钢基体材料来源，事先进行表面清理去除杂质并打磨去除表面氧化层，清洗干燥后获得干燥的钢体材料约0.5吨；其中，所述LCB钢成分为：C含量为0.18-0.19％，Si含量为0.4-0.6％，Mn含量为0.8-1.0％，S≤0.03％，P≤0.03％，Ni≤0.20％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Cu≤0.20％，V≤0.02％(Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％)，其余为Fe及不可避免的杂质。其中，所述LCC粗钢成分为：C含量为0.14-0.15％，Si含量为0.5-0.6％，Mn含量为1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％，Ni≤0.20％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Cu≤0.20％，V≤0.030％(Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％)，余量为Fe及不可避免的杂质。

S1-2:基于上述复合钢基体重量称取如下重量比的合金添加材料：

稀土锰铁合金0.9％(所述稀土为Ce)，铌锰铁合金0.9％，镍1.2％、锰0.5％、钛0.5％、钼0.2％、铝0.1％；其中，所述稀土锰铁合金组成为：Ce含量约为20％、锰12-13％，其余为铁及不可避免的杂质；所述铌锰铁合金组成含量为：铌25-26％，锰6-7％，其余为铁及不可避免的杂质。

取上述合金的粉末状材料混合后进行乙醇清洗除杂，烘干干燥；从而获得合金添加材料粉末。

(2)原料熔炼：采用感应电炉在1580-1600℃熔炼，在熔炼时，进行脱氧脱硫处理和造渣处理，使用低碳埋弧造渣剂造渣，将造渣后的钢水进行真空脱氧处理，控制硫杂质含量低于0.03％。

(3)合金化处理：合金化过程中，通过喷料口借助惰性气体气流向炉内均匀地分批投入合金粉末，投料间隔为10min，投料过程中维持钢水搅拌状态；投料完毕后，将炉温提高100℃，以促进合金化进行。所得合金钢液充分合金化后即得复合碳钢材料，可直接用于进行后续的浇注。

实施例1

一种制备低温阀门铸件的方法，包括如下步骤：

(1)铸件浇注：

将制备例1中的合金液温度调整至1620-1680℃至稳定后后出炉；镇静处理后，将合金液浇注于模具中，得到阀门铸件，浇注温度1550-1600℃。

该步骤的铸件浇注可根据实际情况采用本领域的常规浇注手段。浇注时，采用硬化水玻璃砂铸造型，炉衬为中性；如果在前步骤未进行造渣脱氧处理时，在该步骤也可采用带有撇渣和紊流的浇注系统进行合金钢水浇筑，出钢温度1620-1680℃，并进行脱氧，脱氧完成后可加入适当硼铁以改善流动性。结合生产实际确定铸件的浇注时间和浇筑温度进行浇筑造型；同时，合理布置铸件冒口的位置以提高铸件无损品质。另外，低温碳钢铸件为高硬度铸件，必要时，在热处理前完成所需的焊补。

优选的浇注温度控制在1550-1580℃。熔炼浇注时每一个炉次至少各浇注若干个ASTM A703规范规定的试样坯。进一步地，浇注后进行铸件后处理。所述铸件后处理流程为：待铸件冷却至500℃以下时，使铸件与型砂分离；去除浇、冒口，清除残砂，以及清除铸件表面的粘砂、毛刺、氧化层等。对铸件按技术标准要求进行合格性检测，依据JB/T6440-2008Ⅲ级标准进行X射线探伤；进行水压试验(0.7MPa水压下保持15min)；进行密封面着色渗透探伤等。选择表面不得有气孔、疏松及裂纹等铸造缺陷的合格产品。

(2)调质热处理：

为满足相关技术标准中的铸件机械性能要求并进行改善提高，必须通过如下特定的热处理改善铸件的铸态组织。

具体的热处理工艺步骤如下。

S1：第一次热处理：先进行梯度升温，再进行风冷-水淬-回火联合处理。具体流程为：

将所得阀门铸件放入电炉中，先由室温以120℃/h的较低速率升温至500℃，然后以240℃/h的较高速率快速升温至600℃，保温60min；再以180℃/h的中等速率稳定升温至945-950℃，保温3h；保温处理后出炉，以60℃/h的速率风冷至650℃，然后进行水淬使其快速降温(在50-60℃的水中淬火至300℃以下)；再按照90-100℃/h的恒定速率加热到650℃±10℃，保温3h后出炉空冷至室温。

S2：第二次热处理：先进行恒定升温，再进行淬火-回火联合处理：

由室温以150℃/h的恒定速率升温至900-905℃，保温3h后水淬至不超过100℃，然后再次加热到650℃±10℃，保温4h后出炉空冷至室温。

S3：后续热处理：将经过二次热处理的铸件以200-210℃/h速率升温至500℃，保温60min；然后以300℃/h速率加热到650℃，保温3h后出炉风冷至450-500℃，然后空冷至室温。

(3)后处理：对退火空冷之后的铸件表面进行脱脂、清洗、镀膜，在放入75-90℃条件下进行烘干处理，得到低温阀门铸件。

采用浇注的符合ASTM A703规范规定的试样坯进行性能试验。

实施例2

一种制备低温阀门铸件的方法，包括如下步骤：

(1)铸件浇注：

将制备例2中的合金液温度调整至1620-1650℃至稳定后后出炉；镇静处理后，将合金液浇注于模具中，得到阀门铸件，浇注温度1550-1580℃。该步骤采用硬化水玻璃砂铸造型。熔炼浇注时每一个炉次至少各浇注若干个ASTM A703规范规定的试样坯。

另外，低温碳钢铸件为高硬度铸件，必要时，在热处理前完成所需的焊补。

浇注后进行铸件后处理。所述铸件后处理流程为：待铸件冷却至500℃以下时，使铸件与型砂分离；去除浇、冒口，清除残砂，以及清除铸件表面的粘砂、毛刺、氧化层。对铸件按技术标准要求进行合格性检测，选择不得有气孔、疏松及裂纹等铸造缺陷的合格产品。

(2)调质热处理：

具体的热处理工艺步骤如下。

S1：第一次热处理：将所得阀门铸件放入电炉中，先由室温以150℃/h的较低速率升温至500℃，然后以240℃/h的较高速率快速升温至650℃，保温60min；再以180℃/h的中等速率稳定升温至940-945℃，保温3h；保温处理后出炉，以60℃/h的速率风冷至约650℃，然后进行水淬使其快速降温；再按照120℃/h的恒定速率加热到650℃±10℃，保温3h后出炉空冷至室温。

S2：第二次热处理：由室温以180℃/h的恒定速率升温至900-910℃，保温3h后水淬至不超过100℃，然后再次加热到650℃±10℃，保温3h后出炉空冷至室温。

S3：后续热处理：将经过上述二次热处理的铸件以200-210℃/h速率升温至约500℃，保温60min；然后以300℃/h速率加热到600℃，保温5h后出炉风冷至450-500℃，然后空冷至室温。

(3)后处理：对退火空冷之后的铸件表面进行脱脂、清洗、镀膜，在放入75-90℃条件下进行烘干处理，得到低温阀门铸件。

采用浇注的符合ASTM A703规范规定的试样坯进行性能试验。

对比实施例1

制备方法同实施例1，区别在于铸件所用碳钢原料不同：该对比实施例中的铁素体低温钢原料中不含有LCC钢，且合金添加材料中不含子合金组分；其余原料与实施例1中的原料相同。

对比实施例2

制备方法同实施例1，区别在于步骤(2)中仅采用S2步骤一次热处理：即该对比实施例中的调质热处理仅含S2步骤、不含S1/S3步骤；其余与实施例1方法相同。

对比实施例3

制备方法同对比实施例1，区别在于步骤(2)中仅采用S2一次热处理：即该对比实施例中的调质热处理仅含S2步骤不含S1/S3步骤；其余与对比实施例1方法相同。

对比实施例4

该对比实施例为实施例1中原料的空白对照，即仅采用实施例1中LCB钢原料熔化浇注成试样样品，不经任何合金化处理和热处理。

效果实施例

样品机械性能试验方法如下。

对浇注好的铸件进行热处理之后，切割取样，每炉至少取样3件(取平均值)。试样机械力学试验方法根据GB/T228和GB/T 229的金属材料室温拉伸试验方法进行，试样的低温韧性性能标准按照ASTM A370《低温受压零件用铁素体和马氏体钢铸件标准规范》进行。拉伸试验在WEW-600型微机万能试验机上进行，冲击试样先在CDW型冲击试验低温仪冷却到-46℃和-66℃(过冷度值取2-3℃)，然后快速在冲击试验机上打断以测量低温冲击韧性值(A_k值，J·cm^-2)，结果见下表1。

表1 铸件试样机械力学性能

综上，本发明采用特定配比的合金碳钢材料制备的阀门铸件，在合适的热处理工艺下，可以得到优良机械性能，在中低温环境尤其是在极端的低温环境下具有显著提高的低温冲击韧性值。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于低温阀门铸件的复合碳钢材料的制备方法，所述复合碳钢材料由铁素体低温钢基体材料和合金添加材料制得；其中，所述合金添加材料组分包括子合金材料、镍、锰、钛、钼、铝，所述子合金材料包括稀土铁合金、铌锰铁合金两种组分，且所述稀土铁合金、铌锰铁合金质量比为1-3:1；所述稀土铁合金选自稀土锰铁合金、稀土硅铁中的一种或两种；

其中，按质量百分数计，所述铌锰铁合金中组分含量为：铌20-30％，锰5-10％，其余为铁及不可避免的杂质；所述稀土锰铁合金组成为：稀土含量为20-40％，锰5-15％，其余为铁及不可避免的杂质；所述稀土硅铁合金组成为：稀土含量为20-40％，硅30-45％，锰5-15％、钙3-10％、钛1-5％，其余为铁及不可避免的杂质；

其中，所述铁素体低温钢基体材料由LCB钢和LCC钢组成，且其中含有50-90wt％ LCB钢和 10-50wt％ LCC钢；

其中，所述LCB钢成分为：C≤0.25％，Si≤0.60％，Mn≤1.0％，S≤0.04％，P≤0.03％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，V≤0.030％，其余为Fe，其中Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％；所述LCC钢成分为：C≤0.20％，Si≤0.60％，Mn≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，V≤0.030％，余量为Fe，其中Ni、Cr、Mo、Cu、V总量小于1％；

其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

1）原料准备：

S1-1:准备铁素体低温钢作为钢基体材料来源，进行表面清理去除杂质并打磨去除表面氧化层，获得干燥的钢基体材料；

S1-2:准备比例量的子合金材料以及高纯度镍、锰、钛、钼、铝作为合金添加材料，所述合金添加材料为粉末形态；

其中，基于铁素体低温钢质量计，所述合金添加材料各组分用量比例为：子合金材料0.8-1.5％，镍0.5-1.5％、锰0.3-0.8％、钛0.3-0.5％、钼0.1-0.2％、铝0.05-0.1％；

2) 原料熔炼：将低温钢基体原料放入熔炼设备中熔炼为钢液，熔炼温度控制在1550-1600℃，并保持0.5-1h；

进行精制调质加工处理，包括：进行造渣处理，以及进行脱氧、脱硫处理，控制硫磷杂质含量；

3) 合金化混熔：合金化过程中，通过喷料口借助惰性气体气流向炉内均匀地分批投入合金粉末，投料间隔为5-15min，投料过程中维持钢水搅拌状态；投料完毕后，根据实际情况将炉温提高50-150℃，以促进合金化进行；所得钢液充分合金化，即得用于浇注低温阀门铸件的复合碳钢材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述合金添加材料粉末采用熔融法制备，步骤如下：

(1) 按比例称取配制各金属组分原料，在无水乙醇中超声处理5-15min除杂，烘干干燥；

(2) 将原料按熔点高低放置在真空电弧炉的坩埚中，熔点较低的金属放置在底部，进行真空熔炼，冷却后得到铸锭；

(3) 对所得铸锭进行机械粉碎至100-300目，从而获得合金材料粉末。

3.根据权利要求1-2任一项制备方法制备得到的复合碳钢材料。

4.一种利用权利要求3所述复合碳钢材料制造低温阀门铸件的方法，包括如下步骤：

(1) 铸件浇注：将合金液温度调整至1650-1700℃后出炉；将合金液浇注于模具中，得到阀门铸件，浇注温度1550-1600℃；

(2) 组合热处理：对所得铸件进行特定组合热处理调质，包括：

S1：第一次热处理：先进行梯度升温，再进行风冷-水淬-回火联合处理；

S2：第二次热处理：先进行恒定升温，再进行淬火-回火联合处理；

S3：去应力热处理；

(3) 后处理：对退火空冷之后的铸件表面进行脱脂、清洗、镀膜，75-90℃条件下进行烘干处理；

其中， 所述组合热处理具体步骤如下：

S1：第一次热处理：

将所得阀门铸件放入电炉中，先由室温以120-150℃/h的较低速率升温至500℃，然后以240-300℃/h的较高速率快速升温至600-650℃，保温30-60min；再以150-200℃/h的中等速率稳定升温至940-950℃，保温2-3h；保温处理后出炉，以50-75℃/h的速率风冷至600-650℃，然后进行水淬使其快速降温；再按照80-120℃/h的恒定速率加热到650℃±10℃，保温3-4h后出炉空冷至室温；

S2：第二次热处理：

由室温以150-180℃/h的恒定速率升温至900-910℃，保温2-3h后水淬至不超过100℃，然后再次加热到650℃±10℃，保温3-4h后出炉空冷至室温；

S3：去应力后续热处理：

将经过二次热处理的铸件以200-220℃/h速率升温至500±10℃，保温30-60min；然后以300-360℃/h速率加热到600-650℃，保温3-5h后出炉风冷至450-500℃，然后空冷至室温。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，铸件浇注后，待铸件冷却至500℃以下时使铸件与型砂分离，去除浇、冒口，清除残砂，以及清除铸件表面的粘砂、毛刺、氧化层，并对铸件进行合格性检测，包括：进行X射线探伤；进行水压试验；进行密封面着色渗透探伤。

6.根据权利要求4-5任一项所述方法制造的阀门铸件。