本发明属于低碳合金铸钢热处理工艺技术领域，特别涉及一种耐极端环境高强高韧低碳马氏体铸钢及制备方法。
背景技术：
铸钢具有优良力学和物理化学性能，广泛应用于运输、矿山、石油、冶金、船舶等力学制造业中。作为一个铸钢件生产大国，仅2011年，中国全年铸钢件产量达到了1100万吨，涨幅达48％。同时，工业部门中许多关键的零部件由于形状和壁厚的原因，不宜轧制成形，需采用铸造成形的铸钢材料。可见，铸钢行业具有巨大的发展潜力和经济效益。恶劣的使用环境(相关武器装备零件，如某武器装备中叶轮运转时经受低温、重载、冲击等)对铸钢的性能提出了更高要求：在保证较高强度的同时，还要求铸钢具备良好的低温冲击韧性和焊接性。传统铸钢材料，其成分含较高的碳含量，高碳含量能提高钢的强度与硬度，但必然导致塑韧性差、焊接困难等问题，远不能满足铸钢材料的使用要求。
鉴于使用环境对铸钢低温冲击韧性及良好焊接性的苟刻要求，铸钢的设计朝着低碳方向发展成为一种必然趋势。低碳设计给高强高韧铸钢的熔铸带来困难，但熔铸技术的进步为这类铸钢的生产提供了技术基础和发展契机。低碳设计必然引起低碳铸钢的强度、硬度不足，为兼顾铸钢的制造成本因素，需要适当地控制合金元素总量，不能大量地加入合金元素。当低碳合金铸钢的成分一定时，准确控制热处理工艺便成为了设计高强韧铸钢的关键因素。
目前，在铸钢市场上应用的铸件按照组织分可分为三类：(1)铁素体加珠光体型金相组织，如ZG16Mn、ZG22Mn、15MnTi等钢，这类组织的获得主要是由于采用了正火或正火+回火处理。(2)贝氏体加少量珠光体型金相组织，主要有14MnMoVBRe等钢，这类贝氏体铸钢中一般加入了Mn、Mo、Cr等合金元素，以保证在较低冷速下便能获得贝氏体组织，贝氏体铸钢具有中等的强度、良好的塑初性、耐磨性，其研究应用非常广泛。(3)回火马氏体型金相组织，以Cr、Mn、Mo、Ni为主要合金元素。这类铸钢主要是通过快冷淬火或等温淬火处理，再经适当的回火，可以获得较高的综合的力学性能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种耐极端环境高强高韧低碳马氏体铸钢及制备方法，解决了铸钢在苛刻环境条件下仍具有优异的综合力学性能的问题。具体包括优秀的强韧性配合，良好的低温塑性，以及较高的强度以及较低的缺口敏感性。本发明是通过以下技术方案来实现：
一种耐极端环境高强高韧低碳马氏体铸钢，以质量百分比计算，该铸钢的化学成分为：C：0.01％～0.2％，Cr：10.0％～13.0％，Ni：4.5％～6.5％，Mo：3.0％～5.0％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁及不可避免杂质。
该高强韧低碳马氏体铸钢的室温抗拉强度为1500～1600MPa，屈服强度为1200～1300MPa，延伸率为15～20％，断面收缩率为40～60％，冲击韧性aKU＞
50J/cm2，AKU＞40J，低温(-70℃)冲击韧性aKU＞40J/cm2，AKU＞33J。
一种耐极端环境高强高韧低碳马氏体铸钢的制备方法，具体步骤及参数如下：
1、按照以质量百分比计算铸钢的化学成分比例取原料，比例为：C：0.01％～0.2％，Cr：10.0％～13.0％，Ni：4.5％～6.5％，Mo：3.0％～5.0％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁。
其中Fe为纯铁、低硫铁、铬铁、高碳铬铁、钼铁、硅铁和锰铁的一种或几种；
其中Cr为铬铁、金属铬、锦铁铬、低氮锦铁铬和高纯低氧铬的一种或几种；
其中Mo为金属钼、钼铁和钼铬棒的一种或几种；
其中Ni为电解镍、金属镍、金川镍和高纯镍的一种或几种；
其中Si为高碳硅、高碳硅铁、高纯多晶硅和金属硅颗粒的一种或几种；
其中Mn为锰铁、金属锰和电解锰片的一种或几种。
2、Fe、C、Cr、Ni原料混合放入坩埚底部，Mo按比例装在坩埚中的上部。抽低真空同时15-30min内加热至完全熔化，随后控制温度在1600℃～1650℃，真空度控制在小于0.1Pa保持10-30min后停止加热，保持5-15min，加入Si、Mn、C；加入的同时向炉内冲氩气至-0.02～-0.1MPa，调整温度在不低于1560℃的条件下出钢进行浇铸。
3、将浇铸所得的铸件由室温加热至1100℃～1200℃，保温2～4h后冷却至室温进行均匀化处理。再由室温升至1050℃～1250℃，保温1～3h后进行冷却至室温。将铸件经过-50℃～-90℃冷冻处理1～3h，空冷至室温，最终进行450℃～550℃回火处理2～4h，制备得到高强高韧低碳马氏体铸钢。
步骤3中所述的冷却为空冷、油冷、压缩空气冷或水冷。
本发明的优点在于：
1、综合力学性能优异，与一般铸钢相比具有极好的强韧性匹配，室温下抗拉强度可达到1500～1600MPa，屈服强度为1200～1300MPa，延伸率为16～20％，断面收缩率为40～60％，具有极好的强韧性配合，极佳的塑性，低的缺口敏感性及残余应力小等特点；
2、室温和低温冲击韧性俱佳，冲击韧性aKU＞50J/cm2，冲击功AKU＞40J，低温(-70℃)冲击韧性aKU＞40J/cm2，冲击功(-70℃)AKU＞33J。说明其韧脆转变温度低于-70℃，完全可以在极端环境下安全服役。
3、具有较低的碳当量，焊接前后组织内应力较小，出现焊接裂纹的倾向小，具有良好的焊接性能。铸钢中含有一定量的钼、铬以及镍元素，因此具有良好的耐蚀性、耐磨性和高淬透性。增加了该铸钢具有极端环境下多用途的属性。
4、制备工艺简单、成本低廉、对设备要求低、生产开发方便、节能效果良好，生产效率较高。浇铸后不需另外进行锻造或轧制，只需要进行简单的淬火、冷冻加回火就可以得到性能优异的低碳马氏体组织，能够节约大量能源。
附图说明
图1为本发明马氏体铸钢热处理前的金相组织图。
图2为本发明马氏体铸钢热处理后的组织图。
图3为本发明马氏体铸钢在-70℃进行夏比冲击实验的试样断口扫描电镜图。
图4为本发明马氏体铸钢室温拉伸实验试样断口扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
将纯铁、金属铬、金属镍混合放入坩埚底部，金属钼、分散装在坩埚中上部。抽低真空同时20min内加热至完全熔化，随后控制温度在1600℃，真空度控制在小于0.1Pa保持30min后停止加热保持15min，加入高碳硅、以及锰铁。加入的同时向炉内冲氩气至-0.02MPa，调整温度在1560℃时进行浇铸。所得铸钢化学成分为C：0.01％，Cr：10.0％，Ni：4.5％，Mo：3.0％，Si：0.2％，Mn：0.3％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁。浇注后所得铸钢的金相组织如图1所示，合金由铁素体、珠光体、少量马氏体和碳化物组成。基体组织是铁素体、珠光体和少量马氏体，由初生奥氏体和共晶奥氏体在凝固冷却过程中转变而成。将浇铸所得的铸件由室温加热至1100℃，保温4h后空冷至室温进行均匀化处理。再由室温升至1050℃，保温3h后油冷至室温。将铸件经过-50℃冷冻处理3h，空冷至室温，最终进行450℃回火处理2h，制备得到高强高韧低碳马氏体铸钢。铸钢的组织如图2所示，该合金组织为回火板条马氏体组织。
所得材料的组织为低碳回火马氏体，具有极好的强韧性配合，极佳的塑性，低的缺口敏感性及残余应力小等特点，尤其具有优异的低温冲击韧性。高强高韧低碳马氏体铸钢在-70℃进行夏比冲击实验的试样断口组织如图3所示，室温拉伸实验试样断口组织如图4所示。两图中都明显可以看出，断口中存在大量的韧窝，说明拉伸和冲击断裂均为韧性断裂。室温下抗拉强度为1520MPa，屈服强度为1230MPa，延伸率为20％，断面收缩率为60％，冲击韧性aKU为92J/cm2，冲击功AKU为74J，低温(-70℃)冲击韧性aKU为53J/cm2，低温(-70℃)冲击功AKU为43J。
实施例2
将低硫铁、锦铁铬、以及电解镍放入坩埚底部，钼铁分散装在坩埚中上部。抽低真空同时20min内加热至完全熔化，随后控制温度在1650℃，真空度控制在小于0.1Pa保持10min后停止加热保持5min，加入高碳硅铁以及金属锰。加入的同时向炉内冲氩气至-0.1MPa，调整温度在1570℃时进行浇铸。所得铸钢化学成分为C：0.2％，Cr：13.0％，Ni：6.5％，Mo：5.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁。将浇铸所得的铸件由室温加热至1200℃，保温2h后采用压缩空气冷却至室温。再由室温升至1250℃，保温1h后空冷至室温。将铸件经过-90℃冷冻处理1h，空冷至室温，最终进行550℃回火处理2h，制备得到高强高韧低碳马氏体铸钢。
所得材料的组织为低碳回火马氏体。室温下抗拉强度为1600MPa，屈服强度为1300MPa，延伸率为16％，断面收缩率为40％，冲击韧性aKU为51J/cm2，冲击功AKU为41J，低温(-70℃)冲击韧性aKU为41J/cm2，低温(-70℃)冲击功AKU为33J。
实施例3
将高碳铬铁、硅铁、锰铁和低氮锦铁铬以及高纯镍混合放入坩埚底部，钼铬棒分散装在坩埚中上部。抽低真空同时20min内加热至完全熔化，随后控制温度在1630℃，真空度控制在小于0.1Pa保持20min后停止加热保持10min，加入金属硅颗以及电解锰片。加入的同时向炉内冲氩气至-0.05MPa，调整温度在1580℃时进行浇铸。所得铸钢化学成分为C：0.16％，Cr：12.0％，Ni：5.5％，Mo：4.2％，Si：0.3％，Mn：0.4％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁。将浇铸所得的铸件由室温加热至1160℃，保温3h后采用油冷至室温。再由室温升至1100℃，保温2h后水冷至室温。将铸件经过-80℃冷冻处理2h，空冷至室温，最终进行490℃回火处理3h，制备得到高强高韧低碳马氏体铸钢。
所得材料的组织为低碳回火马氏体。室温下抗拉强度为1580MPa，屈服强度为1240MPa，延伸率为18％，断面收缩率为51％，冲击韧性aKU为75J/cm2，冲击功AKU为60.5J，低温(-70℃)冲击韧性aKU为47J/cm2，低温(-70℃)冲击功AKU为38J。
综上所述，通过降低碳含量，适当增加Cr、Ni、Mo合金化元素，解决了现有技术中铸钢在提高抗拉强度时存在的强韧性匹配、焊接性和耐蚀性低之间的矛盾，特别是在极端环境下材料性能的下降问题。从而提供了一种操作简单、成本低廉、铸件综合性能优异的用于环境苛刻的的马氏体铸钢。其应用较为广泛，不仅可以应用于极端环境下服役的这种环境变化大、高载荷、高冲击的铸件，还可以用于其他对低温环境要求以及强韧性匹配严格的坦克、装甲车、大型运输车中叶轮、轮毂和涡轮中，民用范围内还可以应用在高标准的铁道货车车钩、铁路桥梁、大型的结构架、铁路道岔、高精度高速铁路列车用车轮或轮毂等。