CN113444978B - 一种超高强度钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高强度钢的制备方法，属于金属材料技术领域，解决了现有的双真空冶炼法成本较高，现有的单真空冶炼法得到的钢锭经常容易存在径向偏析和环状花样等问题。上述制备方法包括炉外精炼和真空自耗重熔冶炼，真空自耗重熔冶炼过程中控制平均熔速为4.5～7kg/min；超高强度钢的成分按质量百分比计，包括C：0.38％～0.43％，Mn：0.65％～0.90％，Si：0.15％～0.35％，Cr：0.70％～0.90％，Ni：1.65％～2.0％，Mo：0.20％～0.30％，Al：0.02％～0.30％，Cu：≤0.35％，P≤0.01％，S≤0.01％，O≤0.0010％，N≤0.003％。本发明的制备方法能够制得超纯净的钢，钢的低倍组织中径向偏析级别A级别，环状花样A级别，强韧性匹配良好。

Description

一种超高强度钢的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种超高强度钢的制备方法。
背景技术
随着我国航空航天技术的大力发展，航天飞行器在高速长时间巡航飞行过程中，对飞行器的传动轴等零件的强度、韧性等要求极高。因此，目前的航空传动轴等零件的原材料一般采用双真空冶炼法(真空冶炼+真空自耗重熔)进行制造，然而双真空冶炼法成本较高，经济性较差；目前，如何在保证产品质量的前提下降低成本已经成为钢铁企业亟待解决的问题之一。目前，也有一些针对航空传动轴等零件的制备方法的研究涉及单真空冶炼(即炉外精炼+真空自耗重熔)，然而，目前的单真空冶炼法尚不成熟，得到的钢锭经常容易存在径向偏析和环状花样等缺陷，造成原材料的质量合格率低，生产成本高。
发明内容
鉴于上述分析，本发明旨在提供一种超高强度钢的制备方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有的双真空冶炼法成本较高；(2)现有的单真空冶炼法得到的钢锭经常容易存在径向偏析和环状花样等缺陷，造成原材料的质量合格率低，生产成本高；(3)现有的单真空冶炼法得到的钢锭中O、N含量较高，影响钢的纯净度。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种超高强度钢的制备方法，包括炉外精炼和真空自耗重熔冶炼，真空自耗重熔冶炼过程中控制平均熔速为4.5～7kg/min；超高强度钢的成分按质量百分比计，包括C：0.38％～0.43％，Mn：0.65％～0.90％，Si：0.15％～0.35％，Cr：0.70％～0.90％，Ni：1.65％～2.0％，Mo：0.20％～0.30％，Al：0.02％～0.30％，Cu：≤0.35％，P≤0.01％，S≤0.01％，O≤0.0010％，N≤0.003％。
进一步的，上述制备方法包括：
步骤S1、电炉冶炼；电炉冶炼的出钢条件：P≤0.003％，温度≥1670℃；
步骤S2、LF工艺；LF工艺的出钢条件：S≤0.001％，加入Al 0.03％～0.07％(即加入Al的质量为钢液质量的0.03％～0.07％)；
步骤S3、VD精炼；入VD温度：≥1660℃；抽真空时真空度≤67Pa，保持≥10分钟；抽真空结束后Ar气流量调整到15～30L/min进行软吹，软吹时禁止裸露钢液面，软吹保持时间≥10min；浇注温度为1550～1570℃，采用Ar气保护浇注，得到电极；
步骤S4、电极退火；
步骤S5、真空自耗重熔冶炼得到钢锭；在真空自耗重熔冶炼过程中，熔炼稳定阶段的平均熔速为4.5～7kg/min；
步骤S6、钢锭退火。
进一步的，所述步骤S1中，原料由返回钢、生铁及废钢组成，氧化期采用T≥1530℃进行氧化。
进一步的，所述步骤S4中，电极退火包括：将电极以100℃/h以下的升温速度升温至660～680℃，保温16h以上；然后以50℃/h以下的冷速炉冷至300℃以下，出炉空冷。
进一步的，所述步骤S6中，钢锭退火包括：以100℃/h以下的升温速度升温至670～680℃保温20h以上后，以50℃/h以下的冷速炉冷至300℃以下，出炉空冷。
进一步的，所述步骤S6中，退火后的钢锭，非金属夹杂物A、B、D类的细系夹杂0.5级以下，低倍组织中径向偏析级别A级别，环状花样A级别，晶粒度级别6级以上。
进一步的，还包括：
步骤S7、钢锭的锻造；锻造过程的始锻温度1200～1220℃，锻造过程中坯料回炉的加热温度控制在1100～1120℃，终锻温度控制在800～900℃；
步骤S8、棒材退火；锻造后的棒材进行退火处理；
步骤S9、棒材热处理：热处理包括正火、淬火和回火。
进一步的，所述步骤S7中，采用阶梯加热法对坯料进行加热至始锻温度；阶梯加热法包括：
第一阶段加热：加热至590～620℃，保温2～3h；
第二阶段加热：加热至800～900℃，保温2～3h；
第三阶段加热：加热至1200～1220℃，保温2～4h。
进一步的，所述步骤S7中，阶梯加热中，每一阶段加热的加热速度均为100℃/h以下。
进一步的，所述步骤S7中，锻造分为3火次，每火次1镦1拔。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
a)本发明提供的低成本、超高强度钢的制备方法中添加了金属Al进行微合金化处理，起到细化晶粒提高强度的作用。
b)本发明对真空自耗重熔的熔速进行了严格控制，解决了低合金结构钢的低倍环状花样的缺陷，低倍组织中径向偏析级别A级别，环状花样A级别。
c)采用本发明的制备方法，能获得超低气体、超纯净的钢，其中O≤0.0010％，N≤0.003％，非金属夹杂物A、B、D类细系夹杂0.5级以下，其余类型夹杂物无；磁粉探伤合格。
d)采用本发明制备的钢热处理后晶粒度级别6级以上，具备了优异的综合性能，包括:(1)纵向：抗拉强度≥1793MPa，屈服强度≥1496MPa，伸长率≥10％，断面收缩率≥30％，冲击韧度≥25J；(2)横向：抗拉强度≥1793MPa，屈服强度≥1496MPa，伸长率≥6％，断面收缩率≥25％，具有更高的强度和冲击韧性，进一步提高了材料的使用寿命。
e)采用本发明的方法的成本与现有的双真空冶炼法相比，成本降低20％～40％，经济效益显著。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以来实现和获得。
具体实施方式
目前的航空传动轴等零件的原材料一般采用双真空冶炼法(真空冶炼+真空自耗重熔)进行制造，然而双真空冶炼法成本较高，经济性较差；也有一些针对航空传动轴等零件的制备方法的研究涉及单真空冶炼(即炉外精炼+真空自耗重熔)，然而，目前的单真空冶炼法尚不成熟，得到的钢锭经常容易存在径向偏析和环状花样，钢锭的缺陷会直接导致热处理后成品的力学性能。因此如何在保证产品质量的前提下降低成本已经成为钢铁企业亟待解决的问题之一。本发明的发明人经过长期深入研究，通过精确控制生产工艺的步骤，实现化学成分的精确控制，实现钢材的超低气体含量及较低的夹杂物含量，减少径向偏析和环状花样；保证钢材具有优良且稳定的力学性能。
本发明提供了一种超高强度钢的制备方法，包括炉外精炼和真空自耗重熔冶炼，真空自耗重熔冶炼过程中控制平均熔速为4.5～7kg/min；保证钢锭中O≤0.0010％，N≤0.003％，非金属夹杂物A、B、D类细系夹杂0.5级以下。
具体的，低成本、超高强度钢的制备方法包括：
步骤S1、电炉冶炼：按照成分配比中的各组分含量确定原料的配比并将原料进行熔炼；出钢条件：P≤0.003％，温度≥1670℃；
步骤S2、LF工艺：LF炉中按钢液质量的0.20％喂Al，采用Si-C粉或SiC脱氧，保持白渣时间≥30min，根据分析结果，调整化学成分，出钢条件：S≤0.001％，加入Al 0.03％～0.07％(即加入的Al的质量占钢液质量的0.03％～0.07％)；
步骤S3、VD精炼：入罐前扒渣，入VD温度：≥1660℃；抽真空时真空度≤67Pa，保持≥10分钟；抽真空结束后Ar气流量调整到15～30L/min进行软吹，软吹时禁止裸露钢液面，软吹Ar气保持时间≥10min；浇注温度为1550～1570℃，采用Ar气保护浇注得到电极；
步骤S4、电极退火：将电极以100℃/h以下的升温速度升温至660～680℃，保温≥16h；然后以50℃/h以下的冷速炉冷至300℃以下，出炉空冷；
步骤S5、真空自耗重熔冶炼得到钢锭；在真空自耗重熔冶炼过程中，熔炼稳定阶段的平均熔速为4.5～7kg/min；
步骤S6、钢锭退火：以≤100℃/h升温至670～680℃保温≥20h后，以≤50℃/h炉冷至300℃以下，出炉空冷；
步骤S7、钢锭的锻造：锻造过程中坯料回炉的加热温度控制在1100～1120℃，保温1～3h后再锻造，终锻温度控制在800～900℃；
步骤S8、棒材退火：锻造后的棒材直接红送热处理炉进行退火处理；
步骤S9、棒材热处理：热处理包括正火、淬火和回火。
具体的，上述步骤S1中，原料可以由返回钢、生铁及废钢等组成，熔化期做到早期去P；氧化期采用T≥1530℃进行氧化，根据温度和P的情况进行吹氧和分批加矿石及白灰，做到均匀激烈沸腾，自动流渣并适量补加渣料。出钢条件：P≤0.003％，温度≥1670℃。
具体的，上述步骤S4中，电极退火的目的是充分释放电极内应力，降低电极硬度，减少自耗重熔过程波动，确保自耗过程的稳定性。考虑到升温速度过快会增大内外应力，容易产生表面裂纹，升温速度太小，电极退火效率太慢，经济性差。因此，控制升温速度100℃/h以下，示例性的，升温速度为80～100℃/h，例如80℃/h、85℃/h、90℃/h、95℃/h、100℃/h。
具体的，上述步骤S4中，考虑到保温时间过短，电极的硬度下降量小，保温时间过长硬度不会继续降低，退火效率低，经济性差；因此，控制保温时间≥16小时；示例性的，保温时间16～20h。
具体的，上述步骤S4中，考虑到炉冷速度和退火时间综合保证退火后的硬度，保证应力去除，冷速太快硬度降低较少，而且容易开裂，太慢经济性差；因此，控制炉冷速度≤50℃/h。示例性的，炉冷速度为30～50℃/h。
具体的，上述步骤S4中，考虑到300℃以下出炉后，电极的硬度不再变化，同时内应力也不变化了，因此炉冷至300℃以下，出炉空冷。
具体的，上述步骤S5中，考虑到平均熔速过大容易产生径向偏析和粗大的树枝晶，熔速过小会导致熔池太浅，产生环状花样。因此，控制平均熔速为4.5～7kg/min。
具体的，上述步骤S6中，升温速度过快，会增大内外应力，容易产生表面裂纹，升温速度太小，退火效率太慢，经济性差；因此，控制升温速度100℃/h以下，示例性的，升温速度为80～100℃/h，例如80℃/h、85℃/h、90℃/h、95℃/h、100℃/h。
具体的，上述步骤S6中，控制保温时间≥20小时。示例性的，保温时间20～25h。
具体的，上述步骤S6中，考虑到炉冷速度过大，容易开裂，太慢经济性差；因此，控制炉冷速度≤50℃/h。示例性的，炉冷速度为25～50℃/h。
具体的，上述步骤S6中，炉冷至300℃以下出炉空冷。
需要说明的是，上述步骤S6中，退火后的钢锭，按质量百分比计，其成分包括C：0.38％～0.43％，Mn：0.65％～0.90％，Si：0.15％～0.35％，Cr：0.70％～0.90％，Ni：1.65％～2.0％，Mo：0.20％～0.30％，Al：0.02％～0.30％，Cu：≤0.35％，P≤0.01％，S≤0.01％，O≤0.0010％，N≤0.003％；非金属夹杂物A、B、D类细系夹杂0.5级以下，低倍组织中径向偏析级别A级别，环状花样A级别，晶粒度级别6级以上(钢的晶粒度按照ASTM E112对腐蚀的试样磨面评定晶粒度)。
具体的，上述步骤S7中，锻造前需要将坯料加热到始锻温度，始锻温度1200～1220℃，考虑到锻造的加热过程中加热速度过快，加热不均匀，易导致裂纹产生，因此，采用阶梯加热法对坯料进行加热，具体的，阶梯加热法包括：
第一阶段加热：以100℃/h以下(例如，50～100℃/h)的加热速度加热至590～620℃，保温2～3h；
第二阶段加热：以100℃/h以下(例如，50～100℃/h)的加热速度加热至800～900℃，保温2～3h；
第三阶段加热：以100℃/h以下(例如，70～100℃/h)的加热速度加热至1200～1220℃，保温2～4h。
具体的，上述阶梯加热法对坯料进行加热时，每一阶段的加热速度均控制在100℃/h以下能够保证钢锭加热的均匀性，保证到温后钢锭内外温度一致，减少因加热产生的内应力；分为3个阶段的等温处理，第一个阶段等温温度590～620℃，低于AC1线，能够均匀组织，为奥氏体化做准备；第二个阶段等温温度800～900℃，高于AC3线，保证材料奥氏体化的充分性，最后加热到锻造温度1200～1220℃保温后开始锻造。
具体的，上述步骤S7中，锻造分为3火次，每火1镦1拔，逐火次降温锻造，首先第1次墩拔为开坯锻造，每火次均破碎枝晶，3火次能保证枝晶破碎均匀彻底，最后1火次拔长至棒材合适尺寸，细化组织。
具体的，上述步骤S8中，退火处理的工艺包括：以≤100℃/h速度升温至890～910℃保温6～8h，空冷至≤100℃；以≤100℃/h速度升温至660～680℃，保温≥20h之后，以≤80℃/h速度炉冷至≤500℃出炉。
具体的，上述步骤S9中，棒材热处理具体包括：
S901、正火，正火温度899±14℃，保温55～65min，空冷；
S902、淬火，淬火温度816±14℃，保温55～65min，油冷；
S903、一级回火，回火温度246±8℃，保温2±0.2h，空冷；
S904、二级回火，回火温度246±8℃，保温2±0.2h，空冷；
具体的，上述步骤S9中，热处理后的棒材的组织为高位错密度的回火马氏体组织，组织中析出部分ε碳化物，晶粒度达到6级以上，材料的强韧性匹配良好。
具体的，上述步骤S9中，热处理后的棒材的机械性能如下：(1)纵向：抗拉强度≥1793MPa，屈服强度≥1496MPa，伸长率≥10％，断面收缩率≥30％，冲击韧度≥25J；(2)横向：抗拉强度≥1793MPa，屈服强度≥1496MPa，伸长率≥6％，断面收缩率≥25％单个，断面收缩率≥30％平均，具有更高的强度和冲击韧性，进一步提高了材料的使用寿命。
与现有技术相比，本发明提供的超高强度钢的制备方法中添加了金属Al进行微合金化处理，起到细化晶粒提高强度的作用。
本发明对真空自耗重熔的熔速进行了严格控制，解决了低合金结构钢的低倍环状花样的缺陷，低倍组织中径向偏析级别A级别，环状花样A级别。
采用本发明的制备方法，能获得超低气体、超纯净的钢，其中O≤0.0010％，N≤0.003％，非金属夹杂物A、B、D类细系夹杂0.5级以下，其余类型夹杂物无；磁粉探伤合格。
采用本发明制备的钢热处理后具备了优异的综合性能，进一步提高了材料的使用寿命。
下面将以具体的实施例与对比例来展示本发明钢的成分和工艺参数精确控制的优势。
实施例1
本实施例提供了一种超高强度钢的制备方法。包括：
(1)电炉冶炼：原材料采用由返回钢、生铁及废钢等组成，熔化期做到早期去P。氧化期：温度1605℃进行氧化，根据温度和P的情况适当吹氧和分批加矿石及白灰，做到均匀激烈沸腾，自动流渣并适量补加渣料。P 0.002％，温度1680℃，出钢。
(2)LF工艺：LF到位按0.20％喂Al。采用SiC脱氧，保持白渣时间40min，根据全分析结果，调整化学成分，当S 0.001％后，喂Al 0.05％，出钢。
(3)VD精炼工艺：入罐前扒渣，入VD温度：1690℃。抽真空时真空度67Pa，保持10分钟。抽真空结束后Ar气流量调整到20L/min进行软吹，软吹时禁止裸露钢液面。软吹保持时间20分钟。浇注温度为1570℃，采用Ar气保护浇注，得到电极。
(4)电极退火:以100℃/h升温至670℃保温16h后以50℃/h炉冷至275℃出炉空冷。
(5)真空自耗炉冶炼：真空自耗炉正常熔炼阶段的平均熔速为6.0kg/min，重熔钢锭的规格为Φ660mm；钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火。退火工艺以100℃/h升温至670℃保温20h后，以50℃/h炉冷至280℃出炉空冷，并对钢锭表面进行车光，随后钢锭进行锻造加工。
(6)锻造加工；钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后；又以100℃/h开始升温，当温度达到900℃时开始保温，保温时间2h；再次以100℃/h升至1210℃保温3h开始锻造。第一火对钢锭锻造采用1镦1拔，开坯到Φ680mm圆后回炉加热，加热温度为1120℃保温2h后锻造，第二火出炉采用1镦1拔开坯至450mm方回炉，加热温度1100℃，第三火直接出炉生产成规格为Φ200mm棒材，终锻温度为850℃。锻造后的棒材直接红送热处理炉进行退火处理；退火处理的工艺包括：以100℃/h速度升温至910℃保温6h，空冷至100℃；以100℃/h速度升温至680℃，保温20h之后，以80℃/h速度炉冷至500℃出炉。
(7)棒材热处理：热处理包括正火、淬火和回火。正火温度900℃，保温60min，空冷；淬火温度816℃，保温60min，油冷；一级回火温度250℃，保温2h，空冷；二级回火温度250℃，保温2h，空冷。
实施例2
本实施例提供了一种超高强度钢的制备方法。包括：
(1)电炉冶炼：原材料采用由返回钢、生铁及废钢等组成，熔化期做到早期去P。氧化期：温度1600℃进行氧化，根据温度和P的情况适当吹氧和分批加矿石及白灰，做到均匀激烈沸腾，自动流渣并适量补加渣料。P 0.002％，温度1675℃，出钢。
(2)LF工艺：LF到位按0.20％喂Al。采用SiC脱氧，保持白渣时间40min，根据全分析结果，调整化学成分，当S 0.001％后，喂Al 0.05％，出钢。
(3)VD精炼工艺：入罐前扒渣，入VD温度：1680℃。抽真空时真空度67Pa，保持10分钟。抽真空结束后Ar气流量调整到20L/min进行软吹，软吹时禁止裸露钢液面。软吹保持时间17分钟。浇注温度为1565℃，采用Ar气保护浇注，得到电极。
(4)电极退火:以95℃/h升温至665℃保温17h后以50℃/h炉冷至280℃出炉空冷。
(5)真空自耗炉冶炼：真空自耗炉正常熔炼阶段的平均熔速为5.8kg/min，重熔钢锭的规格为Φ660mm；钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火。退火工艺以100℃/h升温至670℃保温21h后，以50℃/h炉冷至280℃出炉空冷，并对钢锭表面进行车光，随后钢锭进行锻造加工。
(6)锻造加工；钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后；又以100℃/h开始升温，当温度达到850℃时开始保温，保温时间2.5h；再次以100℃/h升至1210℃保温2.8h开始锻造。第一火对钢锭锻造采用1镦1拔，开坯到Φ680mm圆后回炉加热，加热温度为1120℃保温2h后锻造，第二火出炉采用1镦1拔开坯至450mm方回炉，加热温度1110℃，第三火直接出炉生产成规格为Φ200mm棒材，终锻温度为850℃。锻造后的棒材直接红送热处理炉进行退火处理；退火处理的工艺包括：以90℃/h速度升温至900℃保温7h，空冷至80℃；以90℃/h速度升温至670℃，保温21h之后，以70℃/h速度炉冷至500℃出炉。
(7)棒材热处理：热处理包括正火、淬火和回火。正火温度890℃，保温65min，空冷；淬火温度815℃，保温60min，油冷；一级回火温度245℃，保温2.1h，空冷；二级回火温度245℃，保温2.1h，空冷。
实施例3
本实施例提供了一种超高强度钢的制备方法。包括：
(1)电炉冶炼：原材料采用由返回钢、生铁及废钢等组成，熔化期做到早期去P。氧化期：温度1610℃进行氧化，根据温度和P的情况适当吹氧和分批加矿石及白灰，做到均匀激烈沸腾，自动流渣并适量补加渣料。P 0.002％，温度1680℃，出钢。
(2)LF工艺：LF到位按0.20％喂Al。采用SiC脱氧，保持白渣时间40min，根据全分析结果，调整化学成分，当S 0.001％后，喂Al 0.05％，出钢。
(3)VD精炼工艺：入罐前扒渣，入VD温度：1675℃。抽真空时真空度67Pa，保持10分钟。抽真空结束后Ar气流量调整到20L/min进行软吹，软吹时禁止裸露钢液面。软吹保持时间15分钟。浇注温度为1560℃，采用Ar气保护浇注，得到电极。
(4)电极退火:以100℃/h升温至665℃保温17h后以50℃/h炉冷至285℃出炉空冷。
(5)真空自耗炉冶炼：真空自耗炉正常熔炼阶段的平均熔速为6.5kg/min，重熔钢锭的规格为Φ660mm；钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火。退火工艺以100℃/h升温至670℃保温21h后，以50℃/h炉冷至280℃出炉空冷，并对钢锭表面进行车光，随后钢锭进行锻造加工。
(6)锻造加工；钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后；又以100℃/h开始升温，当温度达到880℃时开始保温，保温时间2.2h；再次以100℃/h升至1210℃保温2.5h开始锻造。第一火对钢锭锻造采用1镦1拔，开坯到Φ680mm圆后回炉加热，加热温度为1120℃保温2h后锻造，第二火出炉采用1镦1拔开坯至450mm方回炉，加热温度1110℃，第三火直接出炉生产成规格为Φ200mm棒材，终锻温度为850℃。锻造后的棒材直接红送热处理炉进行退火处理；退火处理的工艺包括：以100℃/h速度升温至890℃保温8h，空冷至100℃；以100℃/h速度升温至680℃，保温21h之后，以70℃/h速度炉冷至500℃出炉。
(7)棒材热处理：热处理包括正火、淬火和回火。正火温度895℃，保温60min，空冷；淬火温度815℃，保温60min，油冷；一级回火温度245℃，保温2.1h，空冷；二级回火温度245℃，保温2.1h，空冷。
对比例1
本对比例提供了一种合金钢的制备方法。包括：
(1)电炉冶炼：原材料采用由返回钢、生铁及废钢等组成，熔化期做到早期去P。氧化期：温度1600℃进行氧化，根据温度和P的情况适当吹氧和分批加矿石及白灰，做到均匀激烈沸腾，自动流渣并适量补加渣料。P 0.002％，温度1675℃，出钢。
(2)LF工艺：LF到位按0.20％喂Al。采用SiC脱氧，保持白渣时间40min，根据全分析结果，调整化学成分，当S 0.001％后，喂Al 0.05％，出钢。
(3)VD精炼工艺：入罐前扒渣，入VD温度：1680℃。抽真空时真空度67Pa，保持10分钟。抽真空结束后Ar气流量调整到20L/min，软吹时禁止裸露钢液面。软吹保持时间17分钟。浇注温度为1565℃，采用Ar气保护浇注，得到电极。
(4)电极退火:以95℃/h升温至665℃保温17h后以50℃/h炉冷至280℃出炉空冷。
(5)真空自耗炉冶炼：真空自耗炉正常熔炼阶段的平均熔速为8.3kg/min，重熔钢锭的规格为Φ660mm；钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火。退火工艺以100℃/h升温至670℃保温21h后，以50℃/h炉冷至280℃出炉空冷，并对钢锭表面进行车光，随后钢锭进行锻造加工。锻造后的棒材直接红送热处理炉进行退火处理；退火处理的工艺包括：以100℃/h速度升温至910℃保温6h，空冷至100℃；以100℃/h速度升温至680℃，保温20h之后，以80℃/h速度炉冷至500℃出炉。
(6)锻造加工；钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后；又以100℃/h开始升温，当温度达到850℃时开始保温，保温时间2h；再次以100℃/h升至1210℃保温2.8h开始锻造。第一火对钢锭锻造采用1镦1拔，开坯到Φ680mm圆后回炉加热，加热温度为1120℃保温2h后锻造，第二火出炉采用1镦1拔开坯至450mm方回炉，加热温度1110℃，第三火直接出炉生产成规格为Φ200mm棒材，终锻温度为850℃。
(7)棒材热处理：热处理包括正火、淬火和回火。正火温度890℃，保温65min，空冷；淬火温度815℃，保温60min，油冷；一级回火温度245℃，保温2.1h，空冷；二级回火温度245℃，保温2.1h，空冷。
实施例1-3与对比例1的钢的化学成分见表1，实施例1-3与对比例1的低倍组织及磁粉探伤检测结果见表2；实施例1-3与对比例1的非金属夹杂物及晶粒度检测结果见表3；实施例1-3与对比例1的力学性能检测结果见表5；实施例1-3与对比例1的淬透性检测结果见表6。
表1实施例和对比例的化学成分wt％
Figure BDA0003138858710000141
表2实施例和对比例的低倍组织及磁粉探伤
Figure BDA0003138858710000142
Figure BDA0003138858710000151
注：表2中，每组试样进行了2个试样的检测。
表3实施例和对比例的非金属夹杂物及晶粒度
Figure BDA0003138858710000152
注：表3中，每组试样进行了2个试样的检测。
需要说明的是，非金属夹杂物的技术规范要求如下表4所示。
表4非金属夹杂物的技术规范要求
Figure BDA0003138858710000153
Figure BDA0003138858710000161
注：表中，a-A+B+C≤3，即A的，B的，C的a的数加起来不能大于3；b-A+B+C≤8，即A的，B的，C的b的数加起来不能大于8。
表5实施例和对比例的力学性能
Figure BDA0003138858710000162
Figure BDA0003138858710000171
注：表中，试样的规格为Φ200mm。
表6实施例和对比例的淬透性
序号 J<sub>19mm</sub> J<sub>32mm</sub>
技术标准要求 ≥53HRC ≥50HRC
实施例1-1 55.5 55
实施例1-2 55.5 55
实施例2-1 56 56
实施例2-2 57 56.5
实施例3-1 56.0 54
实施例3-2 56.5 55.5
对比例1 55 54.5
对比实施例1-3和对比例1，可知，采用本发明的超高强度钢的制备方法制备的钢的低倍组织合格，获得了优异的综合性能，强度、韧性均优异，例如：(1)纵向：抗拉强度≥1800MPa，屈服强度≥1513MPa，伸长率≥10％，断面收缩率≥47％，冲击韧度≥41J；(2)横向：抗拉强度≥1810MPa，屈服强度≥1520MPa，伸长率≥10％，断面收缩率≥43％，具有更高的强度和冲击韧性，进一步提高了材料的使用寿命。而对比例1的低倍组织不合格，暗斑和径向偏析严重。
并且，采用本发明的制备方法的成本与现有的双真空冶炼法相比，成本降低20％～40％，经济效益显著。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高强度钢的制备方法，其特征在于，超高强度钢的成分按质量百分比计，包括C：0.38％～0.43％，Mn：0.65％～0.90％，Si：0.15％～0.35％，Cr：0.70％～0.90％，Ni：1.85％～2.0％，Mo：0.20％～0.30％，Al：0.02％～0.30％，Cu：≤0.35％，P≤0.01％，S≤0.01％，O≤0.0010％，N≤0.003％；
所述制备方法包括：
步骤S1、电炉冶炼；电炉冶炼的出钢条件：P≤0.003％，温度≥1670℃；
步骤S2、LF工艺：LF炉中按钢液质量的0.20％喂Al，采用Si-C粉或SiC脱氧，保持白渣时间≥30min，根据分析结果，调整化学成分，出钢条件：S≤0.001％，加入Al 0.03％～0.07％；
步骤S3、VD精炼；入VD温度：≥1660℃；抽真空时真空度≤67Pa，保持≥10分钟；抽真空结束后Ar气流量调整到15～30L/min进行软吹，软吹时禁止裸露钢液面，软吹保持时间≥10min；浇注温度为1550～1570℃，采用Ar气保护浇注，得到电极；
步骤S4、电极退火；
步骤S5、真空自耗重熔冶炼得到钢锭；在真空自耗重熔冶炼过程中，熔炼稳定阶段的平均熔速为4.5～7kg/min；
步骤S6、钢锭退火；
步骤S7、钢锭的锻造；
步骤S8、棒材退火；锻造后的棒材进行退火处理；
步骤S9、棒材热处理：棒材热处理包括：
S901、正火，正火温度899±14℃，保温55～65min，空冷；
S902、淬火，淬火温度816±14℃，保温55～65min，油冷；
S903、一级回火，回火温度246±8℃，保温2±0.2h，空冷；
S904、二级回火，回火温度246±8℃，保温2±0.2h，空冷；
所述步骤S1中，原料由返回钢、生铁及废钢组成；所述步骤S6中，退火后的钢锭，低倍组织中径向偏析级别A级别，环状花样A级别；
所述步骤S8中，退火处理的工艺包括：以≤100℃/h速度升温至890～910℃保温6～8h，空冷至≤100℃；以≤100℃/h速度升温至660～680℃，保温≥20h之后，以≤80℃/h速度炉冷至≤500℃出炉；
所述步骤S9中，热处理后的棒材的组织为高位错密度的回火马氏体组织，组织中析出部分ε碳化物；热处理后的棒材的机械性能如下：抗拉强度≥1793MPa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，氧化期采用T≥1530℃进行氧化。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，电极退火包括：将电极以100℃/h以下的升温速度升温至660～680℃，保温16h以上；然后以50℃/h以下的冷速炉冷至300℃以下，出炉空冷。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，钢锭退火包括：以100℃/h以下的升温速度升温至670～680℃保温20h以上后，以50℃/h以下的冷速炉冷至300℃以下，出炉空冷。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，退火后的钢锭，非金属夹杂物A、B、D类的细系夹杂0.5级以下，晶粒度级别6级以上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述步骤S7中，锻造过程的始锻温度1200～1220℃，锻造过程中坯料回炉的加热温度控制在1100～1120℃，终锻温度控制在800～900℃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中，采用阶梯加热法对坯料进行加热至始锻温度；阶梯加热法包括：
第一阶段加热：加热至590～620℃，保温2～3h；
第二阶段加热：加热至800～900℃，保温2～3h；
第三阶段加热：加热至1200～1220℃，保温2～4h。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中，阶梯加热中，每一阶段加热的加热速度均为100℃/h以下。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中，锻造分为3火次，每火次1镦1拔。
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