CN113186465A - 低合金铸钢及其冶炼方法、热处理方法和铁路机车零部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低合金铸钢及其冶炼方法、热处理方法和铁路机车零部件，属于合金钢技术领域。本发明公开的低合金铸钢的各组分及其相对于所述低合金铸钢总重的重量百分比为：碳0.23%～0.28%、硅0.20%～0.40%、锰0.80%～1.00%、磷≤0.020%、硫≤0.020%、铬0.45%～0.55%、镍0.50%～0.60%、钼0.15%～0.25%、铝0.02%～0.06%，以及钨0.02%～0.10%、铌0.01%～0.05%，且必须满足0.04%≤钨+铌≤0.12%；以及余量为铁和其他不可避免的元素。本发明的低合金铸钢含有按一定配比使用的钨和铌，在经过热处理后，可以作为E级钢使用，并且，具有优越的可焊性、良好的塑性和冲击韧性，且机械性能稳定性好。
Description
本申请是申请日为2016年6月30日的申请号为 201610502598.3的题为“低合金铸钢及其冶炼方法、热处理方法和铁路机车零部件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明属于合金钢技术领域，涉及一种低合金铸钢，特别涉及一种含钨铌的低合金铸钢、该低合金铸钢的冶炼方法和热处理方法、热处理后获得的E级钢、以及主要应用该E级钢制备的铁路机车零部件。
背景技术
美国铁路协会（AAR）于2005年修订并发布了M-201-05标准，以满足诸如铁道行业铸造零部件的材质需求，其中对合金铸钢进行了分级定义，其被分为A级钢、B级钢、B+级钢、C级钢和E级钢，并且相应地定义它们的主要化学成分范围和机械性能等。
E级钢是美国铁路协会（AAR）M-201-05的标准中最高等级的低合金铸钢。目前，广泛使用的E级钢的组分及其相应的重量百分比为：碳0.22%～0.28%、硅0.20%～0.40%、锰1.20%～1.50%、磷≤0.020%、硫≤0.020%、铬0.40%～0.60%、镍0.35%～0.55%、钼0.20%～0.30%、铝0.02%～0.06%。E级钢可以广泛用于制造铁路机车中相应强度等级要求的铸钢件，如车钩钩体、钩舌等零部件。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新型的低合金铸钢，其能够对应至少满足E级钢的机械性能要求。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。
按照本发明的第一方面，提供一种低合金铸钢，其各组分及其相对于所述低合金铸钢总重的重量百分比为：
碳0.23%～0.28%、硅0.20%～0.40%、锰0.80%～1.00%、磷≤0.020%、硫≤0.020%、铬0.45%～0.55%、镍0.50%～0.60%、钼0.15%～0.25%、铝0.02%～0.06%，以及钨0.02%～0.10%、铌0.01%～0.05%，且必须满足0.04% ≤钨+铌≤0.12%；以及余量为铁和其他不可避免的元素。
按照本发明的第二方面，提供一种上述低合金铸钢的热处理方法，其包括步骤：
提供所述低合金铸钢的铸钢件；
对所述铸钢件进行正火处理，其中，所述正火处理为：将铸钢件加热到920℃～940℃保温2～5小时，然后出炉空冷到室温；
对正火处理后的铸钢件进行包括淬火处理和回火处理的调质处理，其中，所述淬火处理为：将铸钢件加热到890℃～910℃保温2～5小时，然后出炉在水中冷却，其中水的温度为20℃～40℃；所述回火处理为将淬火处理后的铸钢件加热到580℃～600℃保温3～5小时，然后出炉空冷到室温。
按照本发明的第三方面，提供一种上述低合金铸钢通过上述热处理方法处理后获得的E级钢。
按照本发明的第四方面，提供一种上述低合金铸钢的冶炼方法，其中采用电弧炉氧化法进行冶炼，包括以下步骤：
装料步骤：按配料单将相应的炉料投入所述电弧炉内，其中炉料包括钼铁、钨铁和镍板；
对炉料进行熔化的熔化期步骤；
氧化期步骤：在熔池温度大于或等于1560℃时，向所述电弧炉内加入铁矿石以脱碳，并进行脱磷操作；
还原期步骤：向所述电弧炉内加入铬铁合金，并且根据取样分析化学成分操作的结果，并按照所述低合金铸钢的重量百分比向所述电弧炉内至少加入铌铁合金；以及
出钢步骤和浇注步骤。
按照本发明的第五方面，提供一种上述低合金铸钢的冶炼方法，其中采用中频感应炉进行冶炼，包括以下步骤：
装料步骤：按配料单将相应的炉料投入所述中频感应炉内，其中炉料包括钼铁、钨铁和镍板；
对炉料进行熔化的熔化期步骤：炉料全部熔化后温度达到1500℃±20℃时，向所述中频感应炉内加入铌铁合金；
预脱氧步骤；以及
出钢步骤和浇注步骤。
按照本发明的第六方面，提供一种铁路机车零部件，其采用以上所述的E级钢制备形成。
本发明的低合金铸钢为了克服使用较高锰含量，主要通过多元复合添加的方法来进行成分配比，其中主要用于强化元素的是碳、硅、锰、铬、镍、钼，并选择其合适的配比，可以提高低合金铸钢的硬度和淬透性，并使得所获得的铸钢件在热处理后的组织为回火索氏体；尤其地，复合添加合金元素钨和铌，并选择其合适的配比，则能有效地抑制铸造过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时强化基体和提高铸钢件的淬透性。因此，本发明的低合金铸钢在经过正火和调质热处理后，可以作为E级钢使用，并且，具有优越的可焊性、良好的塑性和冲击韧性，且稳定性好。
并且，进一步地，本发明的低合金铸钢的碳当量可以在0.55%～0.73%的范围内，并且进一步可以优化为0.63%～0.66%的范围内。
并且，本发明的低合金铸钢经过本发明的热处理工艺以后，所获得低合金铸钢的金相组织主要为回火索氏体，且其机械性能指标满足AAR的 M-201-05标准中E级钢的要求，进一步地，其伸长率可以优化提高到≥15%，-40℃的夏比V型冲击功可以优化提高到≥40J，可以在提高J13处的硬度保持在大于或等于33HRC的前提下，碳当量不增加，可焊性较好。
附图说明
图1是按照本发明一实施例的低合金铸钢经正火处理和调质处理后获得放大100倍的金相组织图片。
图2是按照本发明一实施例的低合金铸钢经正火处理和调质处理后获得放大500倍的金相组织图片。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
在本申请中，“低合金铸钢”是指铸钢中合金元素含量小于5%（重量百分比）的合金钢，E级钢是按照美国铁路协会（AAR）于2005年修订并发布了M-201-05标准对合金钢分级定义的钢种。
本申请发明人发现，目前随着生产E级钢所需原材料成本的提高，行业对控制E级钢的成本提出了更高要求，并致力于降低E级钢的成本。诸如中国专利公开号为CN1995429A、CN101701325A的相关专利中，主要都是通过提高铸钢中锰（Mn）的含量、并降低或不使用贵重元素镍（Ni）和/或钼（Mo），从而降低E级钢的成本。但是，在实际使用中，这种技术方案存在两个较为明显的问题：第一，采用高含量的锰而少量或不使用钼或镍，使得铸钢的淬透性明显变差，仔细分析发现，其中获得铸钢有很多是无法满足M-201-05标准中规定的端淬试验中J13处硬度≥33HRC的要求；第二，这种铸钢中高锰、少钼镍的合金元素组合，使得铸钢的韧性和塑性的不足，并且其稳定性较差。
本发明中，机械性能的测定依据的是AAR的M-201-05标准的相关规定进行的，机械性能的测定所用的试样为基尔试块。其中碳当量CE的计算公式为:CE=C+(Mn+Si)/6+ (Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，其中，以上公式中的某些合金元素，有可能是不可避免的余量元素。淬透性测定依据ASTM标准A255的要求，其中J13处的硬度表示距离水淬端面13mm处的硬度。
本申请提供以下技术方案：
技术方案1，一种低合金铸钢，其中，各组分及其相对于所述低合金铸钢总重的重量百分比为：
碳0.23%～0.28%、硅0.20%～0.40%、锰0.80%～1.00%、磷≤0.020%、硫≤0.020%、铬0.45%～0.55%、镍0.50%～0.60%、钼0.15%～0.25%、铝0.02%～0.06%，以及钨0.02%～0.10%、铌0.01%～0.05%，且必须满足0.04% ≤钨+铌≤0.12%；以及余量为铁和其他不可避免的元素。
技术方案2，如技术方案1所述的低合金铸钢，其中，所述低合金铸钢的碳当量CE在0.55%～0.73%之间，所述碳当量CE按照以下公式计算：
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。
技术方案3，如技术方案1至2中任一所述的低合金铸钢，其中，所述碳当量CE在0.55%～0.73%之间，或者在0.63%～0.66%之间，或者在0.64%～0.66%之间。
技术方案4，如技术方案1至3中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，碳的重量百分比为碳的重量百分比为0.23%～0.27%，0.24%~0.27%，或者0.24%~0.28%。
技术方案5，如技术方案1至4中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，硅的重量百分比为0.29%~0.36%，或者0.25%~0.36%。
技术方案6，如技术方案1至5中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，锰的重量百分比为0.96%~1.04%，或者0.96%~1.02%，或者0.98%~1.01%，或者0.97%，或者0.99%，或者1.00%。
技术方案7，如技术方案1至6中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，磷的重量百分比≤0.015%，或者≤0.012%。
技术方案8，如技术方案1至7中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，硫的重量百分比≤0.015%，或者≤0.010%。
技术方案9，如技术方案1至8中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，铬的重量百分比为0.46%~0.54%，或者0.47%~0.51%，或者0.48%~0.50%。
技术方案10，如技术方案1至9中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，镍的重量百分比为0.52%~0.59%，或者0.53%~0.57%，或者0.54%~0.58%，或者0.55%~0.56%。
技术方案11，如技术方案1至10中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，钼的重量百分比为0.36%~0.44%，或者0.37%~0.43%，或者0.37%~0.42%，或者0.39%~0.41%。
技术方案12，如技术方案1至11中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，铝的重量百分比为0.02%~0.04%，或者0.03%~0.05%。
技术方案13，如技术方案1至12中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，铌的重量百分比为0.01%~0.04%，或者0.02%~0.05%。
技术方案14，如技术方案1至14中任一所述的低合金铸钢，其中，相对于所述低合金铸钢总重，钨的重量百分比为0.02%~0.09%，或者0.04%~0.09%。
技术方案15，如技术方案1至14中任一所述的低合金铸钢，其中，所述低合金铸钢为经过正火处理和调质处理得到的E级钢。
技术方案16，如技术方案15所述的低合金铸钢，其中，所述正火处理为：将铸钢件加热到920℃～940℃保温2～5小时，然后出炉空冷到室温。
技术方案17，如技术方案16所述的低合金铸钢，其中，所述调质处理包括淬火处理和回火处理；
所述淬火处理为：将铸钢件加热到890℃～910℃保温2～5小时，然后出炉在水中冷却，其中水的温度为20℃～40℃；
所述回火处理为：将淬火处理后的铸钢件加热到580℃～600℃保温3～5小时，然后出炉空冷到室温。
技术方案18，如技术方案17所述的低合金铸钢，其中，其伸长率≥15%。
技术方案19，如技术方案17所述的低合金铸钢，其中，其-40℃的夏比V型冲击功≥40J。
技术方案20，一种如技术方案1至19中任一项所述低合金铸钢的热处理方法，其中，包括步骤：
提供所述低合金铸钢的铸钢件；
对所述铸钢件进行正火处理，其中，所述正火处理为：将铸钢件加热到920℃～940℃保温2～5小时，然后出炉空冷到室温；
对正火处理后的铸钢件进行包括淬火处理和回火处理的调质处理，其中，所述淬火处理为：将铸钢件加热到890℃～910℃保温2～5小时，然后出炉在水中冷却，其中水的温度为20℃～40℃；所述回火处理为将淬火处理后的铸钢件加热到580℃～600℃保温3～5小时，然后出炉空冷到室温。
技术方案21，如技术方案20所述的热处理方法，其中，在所述热处理后，所述低合金铸钢的金相组织主要为回火索氏体。
技术方案22，一种如技术方案1至14中任一所述的低合金铸钢通过如技术方案20至21中任一项所述的热处理方法处理后获得的E级钢。
技术方案23，一种如技术方案1至19中任一项所述低合金铸钢的冶炼方法，其中采用电弧炉氧化法进行冶炼，其中，包括以下步骤：
装料步骤：按配料单将相应的炉料投入所述电弧炉内，其中炉料包括钼铁、钨铁和镍板；
对炉料进行熔化的熔化期步骤；
氧化期步骤：在熔池温度大于或等于1560℃时，向所述电弧炉内加入铁矿石以脱碳，并进行脱磷操作；
还原期步骤：向所述电弧炉内加入铬铁合金，并且根据取样分析化学成分操作的结果，并按照所述低合金铸钢的重量百分比向所述电弧炉内至少加入铌铁合金；以及
出钢步骤和浇注步骤。
技术方案24，如技术方案23所述的冶炼方法，其中，在所述装料步骤中，所述钨铁的牌号为FeW75，其中，W的重量百分比含量为75%。
技术方案25，如技术方案23所述的冶炼方法，其中，在所述熔化期步骤中，进行炉料熔化及造渣先期脱磷处理，其中，当炉料熔化25%～45%以上时,进行吹氧助熔以加速炉料熔化。
技术方案26，如技术方案23或25所述的冶炼方法，其中，在所述氧化期步骤中，在所述脱碳后，进行大渣量流渣脱磷操作。
技术方案27，如技术方案26所述的冶炼方法，其中，在所述还原期步骤中，在稀薄渣形成后加入所述铬铁合金，然后在渣面加入碳粉或碳化硅，造还原渣，在所述还原渣变白色后，搅拌、进行所述取样分析化学成分操作。
技术方案28，如技术方案27所述的冶炼方法，其中，所述还原期步骤中，依次加入铝块、硅铁合金、锰铁合金和所述铌铁合金。
技术方案29，如技术方案23所述的冶炼方法，其中，在所述出钢步骤中，当熔池温度在1620～1650℃范围时，进一步取样分析化学成分，在成分合格后，实施出钢、钢渣混冲脱硫操作。
技术方案30，一种如技术方案1至3中任一项所述低合金铸钢的冶炼方法，其中采用中频感应炉进行冶炼，其中，包括以下步骤：
装料步骤：按配料单将相应的炉料投入所述中频感应炉内，其中炉料包括钼铁、钨铁和镍板；
对炉料进行熔化的熔化期步骤：炉料全部熔化后温度达到1500℃±20℃时，向所述中频感应炉内加入铌铁合金；
预脱氧步骤；以及
出钢步骤和浇注步骤。
技术方案31，如技术方案30所述的冶炼方法，其中，在所述装料步骤中，所述钨铁的牌号为FeW75，其中，W的重量百分比含量为75%。
技术方案32，如技术方案30所述的冶炼方法，其中，在所述预脱氧步骤中，当熔池温度达到出钢温度时向炉内依次加入规定量的铝块、锰铁合金、硅铁合金进行预脱氧。
技术方案33，如技术方案30或32所述的冶炼方法，其中，在所述出钢步骤中，在出钢温度下保温并进行取样分析化学成分操作，根据分析化学成分结果确定是否进行出钢；并且，出钢前，在钢包内加入规定量的纯铝。
技术方案34，一种铁路机车零部件，其中，其采用如技术方案1至19、22任一项所述的E级钢制备形成。
技术方案35，如技术方案34所述的铁路机车零部件，其中，所述铁路机车零部件为车钩钩体、钩舌、钩尾框或具有同等机械性能要求的其他零部件。
以下实施例中，组分含量均以其重量百分含量计。
实施例1
该实施例1的含钨铌的低合金铸钢中，其各组分及其重量百分比如下：碳0.26%、硅0.27%、锰0.91%、磷0.013%、硫0.014%、铬0.52%、镍0.56%、钼0.23%、铝0.05%、铜0.07%、钨0.08%、铌0.03%,其中钨+铌为0.11%，余量为铁及其他不可避免的元素。其中，基于以上碳当量的计算公式，确定在该实施例1的低合金铸钢中的碳当量具体为0.65，碳当量相对传统的E级钢较小，因此具有优越的可焊性。
实施例1 的含钨铌的低合金铸钢可以但不限于通过以下示例的冶炼方法制备得到。
在示例1中，采用电弧炉大渣量氧化法进行冶炼，具体包括以下步骤：
Ⅰ装料：基于配料单按正常情况一次性投入炉料，其中,炉料加入了合适量的钼铁、钨铁、镍板，其中，钨铁具体采用牌号为FeW75的钨铁，其表示W的重量百分比为75%左右。
Ⅱ熔化期：以电弧炉能匹配的最大功率进行炉料熔化及造渣先期脱磷处理，当炉料熔化25%～45%以上时，可吹氧助熔，加速炉内炉料熔化。
Ⅲ氧化期：当熔池温度大于或等于1560℃时，加铁矿石脱碳，在该温度条件下，铁矿石相对容易发生脱碳反应；并进行大渣量流渣脱磷操作。
Ⅳ还原期：在稀薄渣形成后，加入铬铁合金，然后在渣面上加入碳粉或加碳化硅，造还原渣；当还原渣基本变为白色后，搅拌、进行取样分析化学成分操作，并且根据化验报告结果，基于以上实施例1的低合金铸钢的化学成分重量百分比要求，依次控制加入纯铝块、硅铁合金、锰铁合金和铌铁合金。本实施例选择在还原期步骤加入铌铁合金，避免了铌在钢液中较早地发生氧化反应，减少了铌的损失，有利于保证形成后的低合金铸钢中的铌元素的百分比含量和相应的作用。
Ⅴ出钢：当熔池温度在1620～1650℃范围时，进行取样分析化学成分操作；在成分合格后，当温度达到出钢温度时，实施出钢、钢渣混冲脱硫操作。
Ⅵ浇注：钢水在钢包内完成规定的镇静时间后，实施铸件成型浇注操作。
在示例2中，采用中频感应炉进行冶炼，该冶炼方面具体包括以下步骤：
Ⅰ装料：按配料单将准备好的炉料投入中频感应炉内，其中炉料例如可以包括废钢、生铁、合金、回炉料，它们依次加入炉内，其中合金主要包括铬铁、钼铁、钨铁、镍板，钨铁的牌号为FeW75，其中，W的重量百分比含量为75%左右。在该步骤中，采用炉膛下部紧、上部松的方式装料，从而使得炉料容易顺利下行，减少炉料架空概率。
Ⅱ熔化：以中频感应炉最大功率进行炉料熔化；当炉料全部熔化后温度达到1500℃±20℃时，加铌铁合金。本实施例选择在熔化完成加入铌铁合金，减少了铌的氧化损失，有利于保证形成后的低合金铸钢中的铌元素的百分比含量和相应的作用。
Ⅲ预脱氧：继续进行中频炉能匹配的最大功率地送电以对熔池升温，当温度达到出钢温度时，向炉内按顺序加入规定量的纯铝、锰铁合金、硅铁合金以进行预脱氧操作。
Ⅳ出钢：在预定的出钢温度下进行保温，并进行取样分析化学成分操作，当成分合格后，实施出钢；其中，出钢前，在钢包内加入规定量的纯铝。
Ⅴ浇注：钢水在钢包内完成规定的镇静时间后，实施铸件成型浇注操作。
以上实施例1的低合金铸钢经以上示例1或示例2的冶炼方法冶炼铸造成型获得铸钢件后，可以进行热处理获得性能较好的E级钢，在该实施例中，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，水温35℃，随后重新将淬火处理后的铸钢件加热到590℃保温3.5小时，再出炉在空气中冷却到室温。
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，这是由于低合金铸钢中钨和铌按一定重量百分比复合添加时，能有效抑制铸造过程中奥氏体晶粒长大，有利于细化铸钢的晶粒，在正火和调质处理后得到的低合金铸钢的回火索氏体晶粒也相对较细。并且，钨和铌按一定重量百分比的复合添加，同时有利于强化基体提高低合金铸钢的淬透性。
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906MPa，屈服强度771MPa，伸长率17.5%，断面收缩率49%，-40℃的夏比V型冲击功（平均值）67J，硬度271HBW，J13处的硬度为36HRC。
基于AAR的M-201-05标准可以看到，基于以上实施例1的低合金铸钢能够获得满足美国铁道协会标准M-201-05的E级铸钢机械性能要求的E级钢，并且在塑性（例如从伸长率来看）和冲击韧性方面（从夏比V型冲击功来看）尤其表现良好，从J13处的硬度性能指令来看，低合金铸钢的淬透性也明显得到提升，抗拉强度和屈服强度等性能指标也可以反映低合金铸钢的基体得到强化。
因此，以上实施例1的低合金铸钢在经过以上示例的正火和调质热处理后，可以作为E级钢使用，并且，具有优越的可焊性、良好的塑性和冲击韧性。
实施例2～12
与实施例1基本相同，实施例2～12的低合金铸钢中的具体组分及含量、碳当量见表1。相对应的机械性能和J13处的硬度如下表2所示：
表1 实施例2～12的低合金铸钢的组成（重量百分比%）及碳当量
实施例2～12的含钨铌的低合金铸钢可以但不限于通过以上示例1和示例2的冶炼方法制备得到相应的铸钢件。
以上实施例2～12的低合金铸钢经冶炼铸造成型获得铸钢件后，可以进行热处理获得性能较好的E级钢，在该实施例中，热处理过程采用正火和调质处理；具体地，正火处理即通常将铸钢件加热到920℃～940℃保温2～5小时，然后出炉空冷到室温；调质处理即淬火处理+回火处理，淬火处理即通常将铸钢件加热到890℃～910℃保温2～5小时，然后出炉在水中冷却，水的温度为20℃～40℃，回火处理即通常将淬火的铸钢件加热到580℃～600℃保温3～5小时，然后出炉空冷到室温。
以上实施例2～12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，具体金相组织图样类似如图1和图2所示。
对以上实施例2～12的低合金铸钢（经过上述热处理后）进行机械性能测定，获得以下表2所示的测试结果：
表2 实施例2～12的低合金铸钢的机械性能和J13处的硬度数据
从以上表2的机械性能数据可以看出，基于以上实施例2～12的低合金铸钢能够获得满足美国铁道协会标准M-201-05的E级铸钢机械性能要求的E级钢，并且在塑性（例如从伸长率来看其能够大于或等于15.5%）和冲击韧性方面（从夏比V型冲击功来看其能够大于或等于40J）尤其表现良好，从J13处的硬度性能数据来看，低合金铸钢的淬透性也明显得到提升，抗拉强度和屈服强度等性能指标也可以反映低合金铸钢的基体得到强化。
因此，以上实施例2～12的低合金铸钢在经过以上示例的正火和调质热处理后，可以作为E级钢使用，并且，具有优越的可焊性、良好的塑性和冲击韧性。
需要说明的是，以上实施例1～12的低合金铸钢具有良好的机械性能表现的主要原因在于，克服使用较高含量的锰，主要通过多元复合添加的方法来进行成分配比，尤其地，复合添加合金元素钨和铌，并选择了合适的配比（钨0.02%～0.10%、铌0.01%～0.05%，且必须满足0.04% ≤钨+铌≤0.12%），能有效地抑制铸造过程和正火过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时强化基体和提高铸钢件的淬透性；因此，在经过本申请实施例的为该低合金铸钢设计的热处理工艺后，低合金铸钢的韧性和塑性方面明显提升，并且性能稳定性好，反映淬透性的J13处的硬度也得到明显提升，整体满足E级钢的机械性能要求，且在韧性、塑性和可焊性方面相比传统E级钢提升。
需要说明的是，以上实施例1～12的含钨铌的低合金铸钢中，锰的百分比范围为0.80%～1.00%，其相对传统的E级钢中的锰的含量下降，材料偏析减少，并且钼的百分比范围为0.15%～0.25%（例如，0.15%～0.19%），也相对下降，有利于降低该低合金铸钢的成本。
以上实施例1至12的低合金铸钢在经过正火和调质热处理后，可以用来制备铁路机车上的厚大零部件，例如，重载货车的牵引缓冲装置的关键零部件，如车钩钩体、钩舌、钩尾框等。应当理解到，以上实施例的低合金铸钢具体应用并不限于以上实施例，本领域技术人员也可以将其用于具有基本同等机械性能要求的铁路机上或其他设备上的零部件，例如，液压油缸中的缸头零部件。
以上例子主要说明了本发明的低合金铸钢及各种冶炼方法和热处理方法、热处理后得到的E级钢及其应用。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (24)
1.一种低合金铸钢，其特征在于，各组分及其相对于所述低合金铸钢总重的重量百分比为：
碳0.23%～0.28%、硅0.20%～0.40%、锰0.80%～1.00%、磷≤0.020%、硫≤0.020%、铬0.45%～0.55%、镍0.50%～0.60%、钼0.15%～0.25%、铝0.02%～0.06%，以及钨0.02%～0.10%、铌0.01%～0.05%，且必须满足0.04% ≤钨+铌≤0.12%；以及余量为铁和其他不可避免的元素。
2.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，碳的重量百分比为0.24%～0.27%。
3.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，硅的重量百分比为0.29%～0.36%。
4.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，锰的重量百分比为0.89%～1.00%。
5.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，铬的重量百分比为0.49%～0.53%。
6.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，镍的重量百分比为0.52%～0.58%。
7.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，钼的重量百分比为0.15%～0.22%。
8.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，铝的重量百分比为0.03%～0.05%。
9.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，铌的重量百分比为0.01%～0.04%，或者0.02%～0.05%。
10.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，相对于所述低合金铸钢总重，钨的重量百分比为0.04%～0.09%。
11.如权利要求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0.55%～0.73%之间，所述碳当量CE按照以下公式计算：
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。
12.如权利要求11所述的低合金铸钢，其特征在于，所述碳当量CE在0.63%～0.66%之间。
13.如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，所述低合金铸钢经过正火处理和调质处理。
14.如权利要求13所述的低合金铸钢，其特征在于，所述正火处理为：将铸钢件加热到920℃～940℃保温2～5小时，然后出炉空冷到室温。
15.如权利要求14所述的低合金铸钢，其特征在于，所述调质处理包括淬火处理和回火处理；
所述淬火处理为：将铸钢件加热到890℃～910℃保温2～5小时，然后出炉在水中冷却，其中水的温度为20℃～40℃；
所述回火处理为：将淬火处理后的铸钢件加热到580℃～600℃保温3～5小时，然后出炉空冷到室温。
16.如权利要求15所述的低合金铸钢，其特征在于，其伸长率≥15%。
17.如权利要求15所述的低合金铸钢，其特征在于，其-40℃的夏比V型冲击功≥40J。
18.一种如权利要求1至17中任一项所述低合金铸钢的热处理方法，其特征在于，包括步骤：
提供所述低合金铸钢的铸钢件；
对所述铸钢件进行正火处理，其中，所述正火处理为：将铸钢件加热到920℃～940℃保温2～5小时，然后出炉空冷到室温；
对正火处理后的铸钢件进行包括淬火处理和回火处理的调质处理，其中，所述淬火处理为：将铸钢件加热到890℃～910℃保温2～5小时，然后出炉在水中冷却，其中水的温度为20℃～40℃；所述回火处理为将淬火处理后的铸钢件加热到580℃～600℃保温3～5小时，然后出炉空冷到室温。
19.如权利要求18所述的热处理方法，其特征在于，在所述热处理后，所述低合金铸钢的金相组织主要为回火索氏体。
20.一种如权利要求1所述的低合金铸钢通过如权利要求18至19中任一项所述的热处理方法处理后获得的E级钢。
21.一种如权利要求1至12中任一项所述低合金铸钢的冶炼方法，其中采用电弧炉氧化法进行冶炼，其特征在于，包括以下步骤：
装料步骤：按配料单将相应的炉料投入所述电弧炉内，其中炉料包括钼铁、钨铁和镍板；
对炉料进行熔化的熔化期步骤；
氧化期步骤：在熔池温度大于或等于1560℃时，向所述电弧炉内加入铁矿石以脱碳，并进行脱磷操作；
还原期步骤：向所述电弧炉内加入铬铁合金，并且根据取样分析化学成分操作的结果，并按照所述低合金铸钢的重量百分比向所述电弧炉内至少加入铌铁合金；以及
出钢步骤和浇注步骤。
22.一种如权利要求1至12中任一项所述低合金铸钢的冶炼方法，其中采用中频感应炉进行冶炼，其特征在于，包括以下步骤：
装料步骤：按配料单将相应的炉料投入所述中频感应炉内，其中炉料包括钼铁、钨铁和镍板；
对炉料进行熔化的熔化期步骤：炉料全部熔化后温度达到1500℃±20℃时，向所述中频感应炉内加入铌铁合金；
预脱氧步骤；以及
出钢步骤和浇注步骤。
23.一种铁路机车零部件，其特征在于，其采用如权利要求20所述的E级钢制备形成。
24.如权利要求23所述的铁路机车零部件，其特征在于，所述铁路机车零部件为车钩钩体、钩舌、钩尾框或具有同等机械性能要求的其他零部件。
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