本發(fā)明屬于合金材料，涉及一種連鑄圓坯及其制備方法和應用，尤其涉及一種海上風電齒輪箱齒輪用連鑄圓坯及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、風電齒輪箱是風電機組中的核心部件，其主要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動能傳遞給發(fā)電機，是大扭矩低轉(zhuǎn)速向小扭矩高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；風電齒輪箱主要由太陽輪、行星輪等組成，其主要采用18crnimo7-6鋼。鑒于風電齒輪工作環(huán)境的復雜性，機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規(guī)律的變向變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環(huán)境交通不便，一旦出現(xiàn)故障，修復非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求，其對于齒輪原材料的要求很高，因此，加強對風電齒輪箱用鋼的研究顯得尤為重要。

2、目前，陸地的風電齒輪箱齒輪用連鑄圓坯，因其成分的制約性及連鑄圓坯的內(nèi)部成分偏析，通過鍛造及熱處理后，抗拉強度基本控制在1200-1400mpa，屈服強度基本控制在900-1000mpa，-40℃(kv2)的沖擊功平均值基本控制在20～35j，鍛件的橫截面整體性能差異較大；制約了風電齒輪箱的應用前景。

3、cn107201482a公開了一種風電用齒輪鋼及其制備方法，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％、余量為fe和不可避免的雜質(zhì)；其拉伸強度僅為1150mpa、屈服強度僅為918mpa，還有很大的提升空間，仍然無法滿足海上風電變速箱在苛刻環(huán)境中的運行要求；而且其中金屬元素的添加量較高，生產(chǎn)成本較高。

4、cn116695022a公開了一種風電用高強韌齒輪圓鋼及其制備方法，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％和余量為fe，該齒輪圓鋼的拉伸強度為1130～1170mpa，屈服強度900～940mpa，仍然有較大的提升空間，還不能滿足上風電變速箱在苛刻環(huán)境中的運行要求。

5、因此，人們急需開發(fā)一種高強度和高韌性的連鑄圓坯及其制備方法，能夠細化鋼中晶粒組織，顯著改善橫截面成分偏析現(xiàn)象，滿足海上風電機組用變速箱齒輪的要求，對風力發(fā)電領(lǐng)域具有重要研究意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種連鑄圓坯及其制備方法和應用，通過對所述連鑄圓坯的元素組成及含量配比進行優(yōu)化，使其抗拉強度高達1450～1550mpa，屈服強度高達1050～1150mpa、-40℃(kv2)的沖擊功高達45～55j，同時改善了橫截面成分偏析現(xiàn)象，橫截面碳偏析極差≤0.040％；且其制備工序簡單可控；所述連鑄圓坯能夠滿足海上風電機組用變速箱齒輪的要求。

2、為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種連鑄圓坯，所述連鑄圓坯包括以下組分：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，各元素的的含量分別可進行如下選擇，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、本發(fā)明對所述連鑄圓坯化學成分中c、mn、cr、mo和ni等元素進行了優(yōu)化設計，并加入特定含量的nb、al和n元素，并調(diào)控al和n元素的比例，各元素復配共同作用，細化了連鑄圓坯的晶粒組織，同時改善了連鑄圓坯內(nèi)部成分偏析；同時提高了所述連鑄圓坯的抗拉強度、屈服強度及其在-40℃(kv2)的沖擊功，達到了海上風電機組用變速箱齒輪的要求。

6、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中c含量為0.175～0.190wt％。

7、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中mn含量為0.63～0.65wt％。

8、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中cr含量為1.64～1.66wt％。

9、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中mo的含量為0.29～0.30wt％。

10、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中ni的含量為1.54～1.57wt％。

11、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中nb的含量為0.020～0.023wt％。

12、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中al的含量為0.022～0.027wt％。

13、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中n的含量為0.0085～0.0095wt％。

14、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中c和mn的含量之和為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、本發(fā)明進一步優(yōu)選所述連鑄圓坯中c和mn的含量之和為0.805～0.840wt％，有利于提高產(chǎn)品的強度和硬度，同時穩(wěn)定產(chǎn)品的塑性和韌性；若c和mn的含量之和偏低，可導致產(chǎn)品強度和硬度降低，長時間使用后變形以及影響使用壽命；若c和mn的含量之和偏高，將導致可導致產(chǎn)品脆性增加、韌性降低、易斷裂以及影響使用性能。

16、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中cr和mo的含量之和為1.93～1.95wt％，例如可以是1.93wt％、1.935wt％、1.94wt％、1.945wt％或1.95wt％。

17、本發(fā)明進一步優(yōu)選所述連鑄圓坯中cr和mo的含量之和為1.93～1.95wt％，有利于提高產(chǎn)品的強度、硬度和耐磨性和耐腐蝕性，同時保持良好的塑性和韌性；若cr和mo的含量之和偏低，將導致產(chǎn)品耐磨性和耐腐蝕性降低，影響使用壽命；若cr和mo的含量之和偏高，將導致可導致產(chǎn)品脆性增加、韌性降低，影響使用性能。

18、優(yōu)選地，所述連鑄圓坯中al和n的質(zhì)量比為(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；優(yōu)選為(2.4～3.0):1。

19、本發(fā)明進一步所述連鑄圓坯中al和n的質(zhì)量比為(2～4):1，通過影響奧氏體晶界的釘扎作用，進而影響奧氏體晶粒的長大不均勻性和晶粒度，可以顯著提高產(chǎn)品的抗拉強度、屈服強度和低溫沖擊，從而提高材料的整體性能；若al和n的質(zhì)量比偏高，會導致連鑄圓坯的表面出現(xiàn)碳化現(xiàn)象和氮化現(xiàn)象，從而降低連鑄圓坯的強度和耐腐蝕性，影響產(chǎn)品的整體性能；若al和n的質(zhì)量比偏低，導致產(chǎn)品的強度和塑性降低，使其在受力時容易發(fā)生變形和斷裂。

20、第二方面，本發(fā)明提供了一種第一方面所述的連鑄圓坯的制備方法，所述制備方法包括：熔融鋼水依次經(jīng)連鑄和冷卻后得到所述連鑄圓坯。

21、本發(fā)明所述連鑄圓坯采用熔融鋼水直接進行連鑄并冷卻后即可制得所述連鑄圓坯，通過調(diào)控熔融鋼水的元素組成以及連鑄工藝的參數(shù)，成功制備了高強度和韌性的連鑄圓坯，同時細化了晶粒組織并改善了橫截面成分偏析現(xiàn)象，制備工藝簡單可控，且成本較低。

22、所述熔融鋼水的制備方法包括：按照第一方面所述連鑄圓坯的組成選擇鋼錠原料，將所述鋼錠原料依次進行kr脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、鋼包精煉和真空精煉，得到所述熔融鋼水。

23、優(yōu)選地，所述連鑄在連鑄機中進行。

24、優(yōu)選地，所述連鑄時的拉速為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，優(yōu)選為0.24～0.32m/min。

25、優(yōu)選地，所述連鑄時的過熱度為15～25℃，例如可以是15℃、16℃、17℃18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃。

26、值得說明的是，過熱度是指：鋼水在過程中的澆注溫度與液相線溫度之差。

27、本發(fā)明進一步優(yōu)選所述連鑄時的拉速為0.20～0.33m/min、過熱度為15～25℃，有利于連鑄圓坯在凝固過程中整個坯殼的均勻生長、夾雜物上浮，提高連鑄圓坯表面及心部質(zhì)量，從而改善橫截面偏析現(xiàn)象，而且合理的過熱度有細化晶粒的作用，從而提高產(chǎn)品的強度和硬度；若所述連鑄時的過熱度偏低，導致鋼水相對凝固結(jié)晶過程坯殼不均勻生長，不利于夾雜物上浮，拉速偏低導致在凝固過程中產(chǎn)生表面應力裂紋，導致連鑄圓坯的強度和韌性大幅度下降；若所述連鑄時過熱度偏高，導致連鑄坯表面流動性差，坯殼不均勻生長，最終使連鑄圓坯在凝固過程中產(chǎn)生大量縮孔等質(zhì)量缺陷；拉速偏高，導致坯殼生長的不均勻性，從而容易是鑄坯產(chǎn)生裂紋發(fā)生率，嚴重時發(fā)生漏鋼事故。

28、優(yōu)選地，所述連鑄機中結(jié)晶器電磁攪拌的電流為160～230a，例如可以是160a、170a、180a、190a、200a、210a、220a或230a。

29、優(yōu)選地，所述結(jié)晶器電磁攪拌的頻率為1.5～2hz，例如可以是1.5hz、1.6hz、1.7hz、1.8hz、1.9hz或2hz。

30、本發(fā)明進一步優(yōu)選所述連鑄機中結(jié)晶器電磁攪拌的電流為160～230a、頻率為1.5～2hz；有利于強化鋼水的對流、傳熱和傳質(zhì)過程，控制連鑄圓坯的凝固過程，降低鋼水中的過熱度和夾雜物含量，提高鑄坯的質(zhì)量；若所述結(jié)晶器電磁攪拌的電流或頻率偏低導致連鑄圓坯的質(zhì)量下降，包括皮下氣泡、非金屬夾雜物、中心偏析、縮孔和角部裂紋的質(zhì)量等級降低；若所述結(jié)晶器電磁攪拌的電流或頻率偏高時，將導致導致結(jié)晶器內(nèi)鋼液面波動增強，可能出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象，進而影響連鑄圓坯的質(zhì)量。

31、優(yōu)選地，所述連鑄機中末端電磁攪拌的電流為800～850a，例如可以是800a、810a、820a、830a、840a或850a等，優(yōu)選為810～830a。

32、優(yōu)選地，所述末端電磁攪拌的頻率為6～9hz，例如可以是6hz、6.5hz、7hz、7.5hz、8hz、8.5hz或9hz。

33、本發(fā)明進一步優(yōu)選所述連鑄機中末端電磁攪拌的電流為800～850a、頻率為6～9hz；有利于改善連連鑄圓坯的中心偏析、疏松和縮松問題；若所述末端電磁攪拌的電流或頻率偏低，導致連鑄圓坯的質(zhì)量下降，中心碳偏析、中心疏松和縮孔的等級增加，進而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能；若所述末端電磁攪拌的電流或頻率偏高，將導致連鑄圓坯出現(xiàn)白亮帶現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的性能。

34、優(yōu)選地，所述冷卻的方式包括退火。

35、優(yōu)選地，所述退火依次包括入爐、升溫、保溫、降溫和出爐。

36、優(yōu)選地，所述退火包括：在≥450℃條件下入爐，先升溫至650～700℃并保溫20～24h，再降溫至≤250℃后出爐。

37、其中入爐的溫度≥450℃，例如可以是450℃、480℃或500℃等；升溫至650～700℃，例如可以是650℃、680℃或700℃等；保溫的時間為20～24h，例如可以是20h、22h或24h等；降溫至≤250℃，例如可以是250℃、220℃或200℃等。

38、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述制備方法包括如下步驟：

39、將熔融鋼水在連鑄機中進行連鑄，所述連鑄時的拉速為0.20～0.33m/min，過熱度為15～25℃，所述連鑄機中結(jié)晶器電磁攪拌的電流為160～230a，頻率為1.5～2hz，所述連鑄機中末端電磁攪拌的電流為800～850a，頻率為6～9hz；然后采用退火的方式進行冷卻，所述退火包括：在≥450℃條件下入爐，先升溫至650～700℃并保溫20～24h，再降溫至≤250℃后出爐，最終得到所述連鑄圓坯。

40、第三方面，本發(fā)明提供了一種第一方面所述的連鑄圓坯的應用，所述連鑄圓坯用于制備齒輪，優(yōu)選用于海上風電齒輪箱的齒輪。

41、本發(fā)明提供的所述連鑄圓坯可用于制備海上風電齒輪箱的齒輪，其強度和韌性能夠滿足海上風電齒輪箱運行的要求，且使用壽命較長。

42、本發(fā)明所述的數(shù)值范圍不僅包括上述列舉的點值，還包括沒有列舉出的上述數(shù)值范圍之間的任意的點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。

43、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

44、(1)本發(fā)明提供的連鑄圓坯，通過對c、mn、cr、mo和ni元素的含量配比進行優(yōu)化，同時利用nb、al和n元素復合強化原理，加入特定含量的nb、al和n，并調(diào)控al和n的比例，各元素復配共同作用，強化了所得連鑄圓坯的強度和韌性，細化了晶粒組織并改善了橫截面偏析現(xiàn)象，其抗拉強度優(yōu)選高達1520mpa以上，屈服強度優(yōu)選高達1130mpa以上、-40℃(kv2)的沖擊功優(yōu)選高達50j以上，同時改善了橫截面成分偏析現(xiàn)象，橫截面碳偏析極差優(yōu)選低至0.033％以下。

45、(2)本發(fā)明提供的連鑄圓坯的制備方法，所述制備方法通過對連鑄時的拉速、過熱度、結(jié)晶器電磁攪拌的電流和頻率以及末端電磁攪拌的電流和頻率的調(diào)控，使制得的連鑄圓坯具有高強度和高韌性，能夠滿足海上風電齒輪箱齒輪的使用環(huán)境和壽命的要求，而且所述制備方法工序簡單、條件易控且成本低。

46、(3)本發(fā)明提供的連鑄圓坯的應用，所述連鑄圓坯可用于制備海上風電齒輪箱的齒輪，能夠滿足其在-40℃的低溫環(huán)境中使用，強度和韌性高，且使用壽命較長。