高强韧超细晶合金钢及其制备方法

本发明涉及高强合金钢及加工，具体而言，涉及高强韧超细晶合金钢及其制备方法。

背景技术：

1、风电主轴是风力发电机组中的核心部件，主要承担着将来自风力发电机叶片轮毂的转矩传递到风力涡轮机齿轮箱的功能。因此，风电主轴具有高强度和耐疲劳等显著特点，是保障风力发电机组稳定、安全运行的关键部件。而大兆瓦级风电主轴是制造难度最大的部件代表，不仅要求材料表面有相当高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，同时心部还要有良好的韧性，对钢的纯净度、致密度要求都很高。海上风电主轴用铬钼钢是一种中碳合金钢，因此需要对钢中的氧含量、非金属夹杂物进行严格的控制来实现高质量的海上风电主轴的生产和制造。由于海上风电产品的使用环境一般都比较恶劣，低温高热，昼夜温差较大，以往的研究或产品主要集中在提升材料强度等指标，没有充分考虑熔体高洁净化控制、提高主轴抗疲劳性能，难以满足海上风电主轴的高品质、耐腐蚀、长寿命的服役需求。

2、目前风力发电机主轴常用的钢种为42crmoa和34crnimo6，国内多采用42crmoa，而国外多采用34crnimo6。采用42crmoa作为风电主轴用钢，其低温冲击韧性不足，在-40℃下，冲击功不到20j。若采用34crnimo6作为风电主轴用钢，虽然低温冲击韧性好，在-40℃下，其冲击功可以达到35j，但是由于34crnimo6钢中合金化元素ni的含量较高，致使生产主轴的原材料成本高，不适合当前国内风力发电机主轴的生产。

3、当前主要从两方面来改善金属材料的性能：(1)优化金属材料的热处理工艺；(2)添加各种金属元素使其微合金化。热处理中的新工艺与添加的合金化元素相结合能发生相变反应，在后续的形变热处理后能产生新的析出相，达到改善金属材料性能的目的，从而拓展其在工业中的应用。低合金钢通过热处理后，其微观组织由α固溶体(铁素体)+珠光体或贝氏体+碳化物相组成。钢的热物性的瞬时性和长时性受固溶体的状态、碳化物微观组织形貌的特点以及晶粒与晶粒界面之间的状态的影响比较大。因此低合金钢一般通过固溶体强化、同时通过析出沉淀强化、碳化物相以及晶界强化等方式来提高钢的强韧性。但合金钢中引入的合金元素的种类以及热处理的具体工艺如何配合，以有效提高合金钢的强度和韧性，是目前亟待研究的课题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供高强韧超细晶合金钢及其制备方法，通过晶粒细化同时提高钢铁材料强度和韧性。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种高强韧超细晶合金钢，包括如下质量百分比的组分：c:0.25～0.5wt.％、si:0.2～0.6wt.％、cr:0.6～1.5wt.％、mn:0.5～0.8wt.％、mo:0.1～0.3wt.％、ce:0.1～0.3wt.％、v:0.1～0.3wt.％、ni:0.1～0.5wt.％、s≤0.005wt.％、p≤0.005wt.％，余量为fe和不可避免的杂质。

4、在可选的实施方式中，所述高强韧超细晶合金钢中，[ce％]≤0.15，和/或[v％]≤0.15。

5、在可选的实施方式中，满足以下a-f特征中的至少一项：

6、a.所述高强韧超细晶合金钢的组织包括索氏体和铁素体；

7、b.所述高强韧超细晶合金钢的平均晶粒尺寸3～5μm；

8、c.所述高强韧超细晶合金钢的屈服强度不低于820mpa；

9、d.所述高强韧超细晶合金钢的抗拉强度不低于1100mpa；

10、e.所述高强韧超细晶合金钢的延伸率不小于20％；

11、f.所述高强韧超细晶合金钢的-40℃低温冲击功不小于35j。

12、第二方面，本发明提供一种前述实施方式所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，包括对原料依次进行熔炼、均匀化处理、氧化皮去除、旋锻和热处理，得到所述高强韧超细晶合金钢。

13、在可选的实施方式中，冶炼步骤包括对原料进行熔炼和浇铸，得到铸棒；

14、优选地，冶炼步骤中，用al-fe作为脱氧剂；

15、优选地，冶炼步骤中，以低碳低磷锰铁、硅铁、钼铁、铬铁、镍铁为原料进行合金化；

16、优选地，冶炼步骤中，稀土铈以单质形式加入原料；

17、优选地，冶炼步骤中，钼铁的加入时机为rh精炼过程。

18、在可选的实施方式中，均匀化处理温度为1200～1300℃，保温时间为2～8h。

19、在可选的实施方式中，旋锻的温度为1150～1250℃，保温时间为0～1h，每道次变形量28％-32％。

20、在可选的实施方式中，所述冶炼步骤后得到的所述铸棒的直径为200～300mm；旋锻后的棒材直径为15～50mm。

21、在可选的实施方式中，热处理步骤包括正火和回火，正火温度为900～960℃，保温时间为6～12h；回火温度为600～700℃，保温时间为6～10h，回火后依次进行冷却和空冷。

22、在可选的实施方式中，冷却步骤的冷却速率为15～20℃/s，冷却到600℃时再进行空冷；

23、优选地，空冷的冷却速率为2～5℃/s。

24、本发明具有以下有益效果：

25、本发明相对于传统方法，通过稀土微合金化，实现钢材同时具备高强度、高韧性和耐腐蚀、抗疲劳等性能，能够满足海洋风电、轨道交通等严苛服役环境对高强度、高韧性和耐腐蚀、抗疲劳性能的要求；该方法具有高效率，适用范围广，利于工业化生产与应用。

1.一种高强韧超细晶合金钢，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：c:0.25～0.5wt.％、si:0.2～0.6wt.％、cr:0.6～1.5wt.％、mn:0.5～0.8wt.％、mo:0.1～0.3wt.％、ce:0.1～0.3wt.％、v:0.1～0.3wt.％、ni:0.1～0.5wt.％、s≤0.005wt.％、p≤0.005wt.％，余量为fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强韧超细晶合金钢，其特征在于，所述高强韧超细晶合金钢中，[ce％]≤0.15，和/或[v％]≤0.15。

3.根据权利要求1所述的高强韧超细晶合金钢，其特征在于，满足以下a-f特征中的至少一项：

4.一种权利要求1所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，包括对原料依次进行熔炼、均匀化处理、氧化皮去除、旋锻和热处理，得到所述高强韧超细晶合金钢。

5.根据权利要求4所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，冶炼步骤包括对原料进行熔炼和浇铸，得到铸棒；

6.根据权利要求4所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，均匀化处理温度为1200～1300℃，保温时间为2～8h。

7.根据权利要求4所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，旋锻的温度为1150～1250℃，保温时间为0～1h，每道次变形量28％-32％。

8.根据权利要求4所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，所述冶炼步骤后得到的所述铸棒的直径为200～300mm；旋锻后的棒材直径为15～50mm。

9.根据权利要求4所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，热处理步骤包括正火和回火，正火温度为900～960℃，保温时间为6～12h；回火温度为600～700℃，保温时间为6～10h，回火后依次进行冷却和空冷。

10.根据权利要求9所述的高强韧超细晶合金钢的制备方法，其特征在于，冷却步骤的冷却速率为15～20℃/s，冷却到600℃时再进行空冷；