一种连铸圆坯及其制备方法和应用与流程

本发明属于合金材料，涉及一种连铸圆坯及其制备方法和应用，尤其涉及一种海上风电齿轮箱齿轮用连铸圆坯及其制备方法。

背景技术：

1、风电齿轮箱是风电机组中的核心部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动能传递给发电机，是大扭矩低转速向小扭矩高转速转换的关键环节；风电齿轮箱主要由太阳轮、行星轮等组成，其主要采用18crnimo7-6钢。鉴于风电齿轮工作环境的复杂性，机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求，其对于齿轮原材料的要求很高，因此，加强对风电齿轮箱用钢的研究显得尤为重要。

2、目前，陆地的风电齿轮箱齿轮用连铸圆坯，因其成分的制约性及连铸圆坯的内部成分偏析，通过锻造及热处理后，抗拉强度基本控制在1200-1400mpa，屈服强度基本控制在900-1000mpa，-40℃(kv2)的冲击功平均值基本控制在20～35j，锻件的横截面整体性能差异较大；制约了风电齿轮箱的应用前景。

3、cn107201482a公开了一种风电用齿轮钢及其制备方法，其主要成分包括c：0.12～0.20％、mn：2.6～3.8％、si：0.26～0.35％、ni：0.44～0.56％、mo：1.4～2.5％、cr：1.2～2.0％、ti：0.005～0.010％、w：0.33～0.46％、hf：0.15～0.23％、p≤0.030％、s≤0.030％、余量为fe和不可避免的杂质；其拉伸强度仅为1150mpa、屈服强度仅为918mpa，还有很大的提升空间，仍然无法满足海上风电变速箱在苛刻环境中的运行要求；而且其中金属元素的添加量较高，生产成本较高。

4、cn116695022a公开了一种风电用高强韧齿轮圆钢及其制备方法，其主要成分包括：c：0.15～0.21％、si：0.17～0.40％、mn：0.50～0.90％、p≤0.025％、s≤0.025％、cr：1.50～1.80％、ni：1.40～1.70％、mo：0.25～0.35％、al≤0.030％、cu≤0.015％、o≤0.002％、n≤0.01％、h≤0.00015％、(la+ce)：0.015～0.03％和余量为fe，该齿轮圆钢的拉伸强度为1130～1170mpa，屈服强度900～940mpa，仍然有较大的提升空间，还不能满足上风电变速箱在苛刻环境中的运行要求。

5、因此，人们急需开发一种高强度和高韧性的连铸圆坯及其制备方法，能够细化钢中晶粒组织，显著改善横截面成分偏析现象，满足海上风电机组用变速箱齿轮的要求，对风力发电领域具有重要研究意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连铸圆坯及其制备方法和应用，通过对所述连铸圆坯的元素组成及含量配比进行优化，使其抗拉强度高达1450～1550mpa，屈服强度高达1050～1150mpa、-40℃(kv2)的冲击功高达45～55j，同时改善了横截面成分偏析现象，横截面碳偏析极差≤0.040％；且其制备工序简单可控；所述连铸圆坯能够满足海上风电机组用变速箱齿轮的要求。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种连铸圆坯，所述连铸圆坯包括以下组分：c：0.17～0.19wt％，mn：0.62～0.68wt％，cr：1.62～1.70wt％，mo：0.29～0.31wt％，ni：1.52～1.60wt％，nb：0.017～0.025wt％，al：0.020～0.030wt％，n：0.0075～0.0110wt％，si：0.20～0.28wt％，p≤0.010wt％，s≤0.005wt％和余量fe。

4、其中，各元素的的含量分别可进行如下选择，c：0.17～0.19wt％，例如可以是0.17wt％、0.175wt％、0.18wt％、0.185wt％或0.19wt％；mn：0.62～0.68wt％，例如可以是0.62wt％、0.63wt％、0.64wt％、0.65wt％、0.66wt％、0.67wt％或0.68wt％；cr：1.62～1.70wt％，例如可以是1.62wt％、1.63wt％、1.64wt％、1.65wt％、1.66wt％、1.67wt％、1.68wt％、1.69wt％或1.70wt％；mo：0.29～0.31wt％，例如可以是0.29wt％、0.295wt％、0.30wt％、0.305wt％或0.31wt％；ni：1.52～1.60wt％，例如可以是1.52wt％、1.53wt％、1.54wt％、1.55wt％、1.56wt％、1.57wt％、1.58wt％、1.59wt％或1.60wt％；nb：0.017～0.025wt％，例如可以是0.017wt％、0.018wt％、0.019wt％、0.020wt％、0.021wt％、0.022wt％或0.023wt％、0.024wt％或0.025wt％；al：0.020～0.030wt％，例如可以是0.020wt％、0.022wt％、0.024wt％、0.026wt％、0.028wt％或0.030wt％；n：0.0075～0.0110wt％，例如可以是0.0075wt％、0.0080wt％、0.0085wt％、0.0090wt％、0.0100wt％、0.0105wt％或0.0110wt％；si：0.20～0.28wt％，例如可以是0.20wt％、0.22wt％、0.24wt％、0.26wt％或0.28wt％；p≤0.010wt％，例如可以是0.010wt％、0.009wt％、0.008wt％、0.007wt％或0.006wt％等；s≤0.005wt％，例如可以是0.005wt％、0.004wt％、0.003wt％、0.002wt％或0.001wt％。

5、本发明对所述连铸圆坯化学成分中c、mn、cr、mo和ni等元素进行了优化设计，并加入特定含量的nb、al和n元素，并调控al和n元素的比例，各元素复配共同作用，细化了连铸圆坯的晶粒组织，同时改善了连铸圆坯内部成分偏析；同时提高了所述连铸圆坯的抗拉强度、屈服强度及其在-40℃(kv2)的冲击功，达到了海上风电机组用变速箱齿轮的要求。

6、优选地，所述连铸圆坯中c含量为0.175～0.190wt％。

7、优选地，所述连铸圆坯中mn含量为0.63～0.65wt％。

8、优选地，所述连铸圆坯中cr含量为1.64～1.66wt％。

9、优选地，所述连铸圆坯中mo的含量为0.29～0.30wt％。

10、优选地，所述连铸圆坯中ni的含量为1.54～1.57wt％。

11、优选地，所述连铸圆坯中nb的含量为0.020～0.023wt％。

12、优选地，所述连铸圆坯中al的含量为0.022～0.027wt％。

13、优选地，所述连铸圆坯中n的含量为0.0085～0.0095wt％。

14、优选地，所述连铸圆坯中c和mn的含量之和为0.805～0.840wt％，例如可以是0.805wt％、0.815wt％、0.82wt％、0.825wt％、0.83wt％、0.835wt％和0.840wt％。

15、本发明进一步优选所述连铸圆坯中c和mn的含量之和为0.805～0.840wt％，有利于提高产品的强度和硬度，同时稳定产品的塑性和韧性；若c和mn的含量之和偏低，可导致产品强度和硬度降低，长时间使用后变形以及影响使用寿命；若c和mn的含量之和偏高，将导致可导致产品脆性增加、韧性降低、易断裂以及影响使用性能。

16、优选地，所述连铸圆坯中cr和mo的含量之和为1.93～1.95wt％，例如可以是1.93wt％、1.935wt％、1.94wt％、1.945wt％或1.95wt％。

17、本发明进一步优选所述连铸圆坯中cr和mo的含量之和为1.93～1.95wt％，有利于提高产品的强度、硬度和耐磨性和耐腐蚀性，同时保持良好的塑性和韧性；若cr和mo的含量之和偏低，将导致产品耐磨性和耐腐蚀性降低，影响使用寿命；若cr和mo的含量之和偏高，将导致可导致产品脆性增加、韧性降低，影响使用性能。

18、优选地，所述连铸圆坯中al和n的质量比为(2～4):1，例如可以是2:1、2.2:1、2.4:1、2.6:1、2.8:1、3:1、3.2:1、3.4:1、3.6:1、3.8:1或4:1；优选为(2.4～3.0):1。

19、本发明进一步所述连铸圆坯中al和n的质量比为(2～4):1，通过影响奥氏体晶界的钉扎作用，进而影响奥氏体晶粒的长大不均匀性和晶粒度，可以显著提高产品的抗拉强度、屈服强度和低温冲击，从而提高材料的整体性能；若al和n的质量比偏高，会导致连铸圆坯的表面出现碳化现象和氮化现象，从而降低连铸圆坯的强度和耐腐蚀性，影响产品的整体性能；若al和n的质量比偏低，导致产品的强度和塑性降低，使其在受力时容易发生变形和断裂。

20、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的连铸圆坯的制备方法，所述制备方法包括：熔融钢水依次经连铸和冷却后得到所述连铸圆坯。

21、本发明所述连铸圆坯采用熔融钢水直接进行连铸并冷却后即可制得所述连铸圆坯，通过调控熔融钢水的元素组成以及连铸工艺的参数，成功制备了高强度和韧性的连铸圆坯，同时细化了晶粒组织并改善了横截面成分偏析现象，制备工艺简单可控，且成本较低。

22、所述熔融钢水的制备方法包括：按照第一方面所述连铸圆坯的组成选择钢锭原料，将所述钢锭原料依次进行kr脱硫、转炉冶炼、钢包精炼和真空精炼，得到所述熔融钢水。

23、优选地，所述连铸在连铸机中进行。

24、优选地，所述连铸时的拉速为0.20～0.33m/min，例如可以是0.20m/min、0.22m/min、0.24m/min、0.26m/min、0.28m/min、0.30m/min、0.32m/min或0.33m/min，优选为0.24～0.32m/min。

25、优选地，所述连铸时的过热度为15～25℃，例如可以是15℃、16℃、17℃18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃。

26、值得说明的是，过热度是指：钢水在过程中的浇注温度与液相线温度之差。

27、本发明进一步优选所述连铸时的拉速为0.20～0.33m/min、过热度为15～25℃，有利于连铸圆坯在凝固过程中整个坯壳的均匀生长、夹杂物上浮，提高连铸圆坯表面及心部质量，从而改善横截面偏析现象，而且合理的过热度有细化晶粒的作用，从而提高产品的强度和硬度；若所述连铸时的过热度偏低，导致钢水相对凝固结晶过程坯壳不均匀生长，不利于夹杂物上浮，拉速偏低导致在凝固过程中产生表面应力裂纹，导致连铸圆坯的强度和韧性大幅度下降；若所述连铸时过热度偏高，导致连铸坯表面流动性差，坯壳不均匀生长，最终使连铸圆坯在凝固过程中产生大量缩孔等质量缺陷；拉速偏高，导致坯壳生长的不均匀性，从而容易是铸坯产生裂纹发生率，严重时发生漏钢事故。

28、优选地，所述连铸机中结晶器电磁搅拌的电流为160～230a，例如可以是160a、170a、180a、190a、200a、210a、220a或230a。

29、优选地，所述结晶器电磁搅拌的频率为1.5～2hz，例如可以是1.5hz、1.6hz、1.7hz、1.8hz、1.9hz或2hz。

30、本发明进一步优选所述连铸机中结晶器电磁搅拌的电流为160～230a、频率为1.5～2hz；有利于强化钢水的对流、传热和传质过程，控制连铸圆坯的凝固过程，降低钢水中的过热度和夹杂物含量，提高铸坯的质量；若所述结晶器电磁搅拌的电流或频率偏低导致连铸圆坯的质量下降，包括皮下气泡、非金属夹杂物、中心偏析、缩孔和角部裂纹的质量等级降低；若所述结晶器电磁搅拌的电流或频率偏高时，将导致导致结晶器内钢液面波动增强，可能出现卷渣现象，进而影响连铸圆坯的质量。

31、优选地，所述连铸机中末端电磁搅拌的电流为800～850a，例如可以是800a、810a、820a、830a、840a或850a等，优选为810～830a。

32、优选地，所述末端电磁搅拌的频率为6～9hz，例如可以是6hz、6.5hz、7hz、7.5hz、8hz、8.5hz或9hz。

33、本发明进一步优选所述连铸机中末端电磁搅拌的电流为800～850a、频率为6～9hz；有利于改善连连铸圆坯的中心偏析、疏松和缩松问题；若所述末端电磁搅拌的电流或频率偏低，导致连铸圆坯的质量下降，中心碳偏析、中心疏松和缩孔的等级增加，进而影响最终产品的质量和性能；若所述末端电磁搅拌的电流或频率偏高，将导致连铸圆坯出现白亮带现象，影响产品的性能。

34、优选地，所述冷却的方式包括退火。

35、优选地，所述退火依次包括入炉、升温、保温、降温和出炉。

36、优选地，所述退火包括：在≥450℃条件下入炉，先升温至650～700℃并保温20～24h，再降温至≤250℃后出炉。

37、其中入炉的温度≥450℃，例如可以是450℃、480℃或500℃等；升温至650～700℃，例如可以是650℃、680℃或700℃等；保温的时间为20～24h，例如可以是20h、22h或24h等；降温至≤250℃，例如可以是250℃、220℃或200℃等。

38、作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

39、将熔融钢水在连铸机中进行连铸，所述连铸时的拉速为0.20～0.33m/min，过热度为15～25℃，所述连铸机中结晶器电磁搅拌的电流为160～230a，频率为1.5～2hz，所述连铸机中末端电磁搅拌的电流为800～850a，频率为6～9hz；然后采用退火的方式进行冷却，所述退火包括：在≥450℃条件下入炉，先升温至650～700℃并保温20～24h，再降温至≤250℃后出炉，最终得到所述连铸圆坯。

40、第三方面，本发明提供了一种第一方面所述的连铸圆坯的应用，所述连铸圆坯用于制备齿轮，优选用于海上风电齿轮箱的齿轮。

41、本发明提供的所述连铸圆坯可用于制备海上风电齿轮箱的齿轮，其强度和韧性能够满足海上风电齿轮箱运行的要求，且使用寿命较长。

42、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

43、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

44、(1)本发明提供的连铸圆坯，通过对c、mn、cr、mo和ni元素的含量配比进行优化，同时利用nb、al和n元素复合强化原理，加入特定含量的nb、al和n，并调控al和n的比例，各元素复配共同作用，强化了所得连铸圆坯的强度和韧性，细化了晶粒组织并改善了横截面偏析现象，其抗拉强度优选高达1520mpa以上，屈服强度优选高达1130mpa以上、-40℃(kv2)的冲击功优选高达50j以上，同时改善了横截面成分偏析现象，横截面碳偏析极差优选低至0.033％以下。

45、(2)本发明提供的连铸圆坯的制备方法，所述制备方法通过对连铸时的拉速、过热度、结晶器电磁搅拌的电流和频率以及末端电磁搅拌的电流和频率的调控，使制得的连铸圆坯具有高强度和高韧性，能够满足海上风电齿轮箱齿轮的使用环境和寿命的要求，而且所述制备方法工序简单、条件易控且成本低。

46、(3)本发明提供的连铸圆坯的应用，所述连铸圆坯可用于制备海上风电齿轮箱的齿轮，能够满足其在-40℃的低温环境中使用，强度和韧性高，且使用寿命较长。