CN101457326A - 中碳低合金结构钢及其在履带式机械底盘部件中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中碳低合金结构钢，其特征在于所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：C 0.25％～0.55％；Si 0.15％～0.45％；Mn1.2％～1.6％；Cr 0.2％～0.9％；B 0.0005％～0.0035％；Ti/N 0.04％～0.1％；S 0.005％～ 0.035％；P 0.005％～0.025％；以及其余为Fe和不可避免的残留元素。该合金结构钢具有良好的力学性能，有较大范围的抗冲击性，具有较长的使用寿命。可以应用于制备履带式机械底盘部件中支重轮、托带轮及引导轮中。
Description
技术领域
本发明属于低合金结构钢领域，具体涉及了一种高硬度的中碳低合金结构钢；本发明还涉及中碳低合金结构钢的生产工艺和其在履带式机械底盘部件中的应用。
背景技术
履带式机械由于其驱动力大、接比压小；稳定性能好、转弯半径小，灵活性好等优点使得其在液压挖掘、推土机等方面使用较为普遍。
履带式机械行走装置由驱动轮、导向轮、支重轮、托轮、履带、张紧装置和缓冲弹簧，行走机构，行走架等组成。其制造成本高，运行速度低，运行和转向时功率消耗大，零件磨损快，履带式机械长距离运行时需借助于其他运输车辆。履带式机械底盘是履带式机械的一项主要维护成本。
目前履带式机械底盘部件采用40Mn2，50Mn2及37Mn5等锰系中碳低合金钢；锰钢为常用的低合金结构钢；主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况条件，破坏形式以磨损消耗为主，也可以是部分断裂、变形。这些磨损消耗主要是金属构件表面间相互接触并运动的摩擦磨损；其它金属或非金属物料打击金属表面的磨料磨损和流动气体或液体与金属接触导致的冲蚀磨损。锰钢在这些领域得到广泛的应用。
由于锰钢的初始硬度很低，其耐磨性完全依赖于使用过程中的表面加工硬化效应，在冲击强度不足条件下，这种加工硬化效率不能充分发挥，使锰钢的耐磨性较差。奥贝球铁(Austemped Ductile Iron，ADI)韧性低，不适应于有较大冲击的磨损领域，另外奥贝球铁中碳含量基本固定，无法调整，对其硬度的调整只能通过改变热处理工艺来进行，其耐磨性能的调整和改善受到很大的限制。本发明针对现有锰钢不足而来。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种中碳低合金结构钢，解决了现有技术中锰系低合金结构钢耐磨性不足、不能经常用于冲击较大的领域等缺陷。
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供的技术方案如下
一种中碳低合金结构钢，其特征在于所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：
C 0.25％～0.55％；
Si 0.15％～0.45％；
Mn 1.2％～1.6％；
Cr 0.2％～0.9％；
B 0.0005％～0.0035％；
Ti/N 0.04％～0.1％；
S 0.005％～0.035％；
P 0.005％～0.025％；以及
其余为Fe和不可避免的残留元素。
优选的，所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：
C 0.32％～0.50％；
Si 0.2％～0.4％；
Mn 1.25％～1.50％；
Cr 0.25％～0.8％；
B 0.0005％～0.003％；
Ti/N 0.04％～0.1％；
S 0.005％～0.03％；
P 0.005％～0.03％；以及
其余为Fe和不可避免的残留元素。
优选的，所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：
C 0.32％～0.38％；
Si 0.2％～0.3％；
Mn 1.25％～1.50％；
Cr 0.25％～0.75％；
B 0.0005％～0.002％；
Ti/N 0.04％～0.1％；
S 0.005％～0.025％；
P 0.005％～0.025％；以及
其余为Fe和不可避免的残留元素。
本发明的又一目的在于提供一种权利要求1所述的中碳低合金结构钢的生产方法，其特征在于所述的方法包括采用电弧炉、转炉、真空感应炉冶炼；在所述冶炼过程中进行炉外精炼；浇铸或连铸后轧制；进行热处理成型工艺。
优选的，所述方法中还包括在冶炼过程中进行成分调整及真空脱气步骤。
优选的，所述方法中热处理成型步骤包括将轧制后的钢材加热至900～950℃进行奥氏体化，然后置于控温模具中热处理，钢材淬火至马氏点缓冷。
本发明的又一目的在于提供一种中碳低合金结构钢在生产工程机械底盘零件中的应用。
优选的，所述的工程机械底盘零件为履带式机械底盘部件。
优选的，所述的履带式机械底盘部件选自支重轮、托带轮及引导轮的轮体；所述履带式机械选自履带式推土机、履带式挖掘机。
本发明技术方案得到的中碳低合金结构钢具有更深的硬化层及提高心部硬度，提高产品的力学性能和延长了产品的使用寿命；而且由于本发明技术方案中产品中碳及锰含量降低，带来良好的抗冲击性。
由于在本发明技术方案中在原有中碳低合金钢添加Cr，B及Ti等元素，Cr元素能有效提高钢的淬透性和防止高温表面氧化；一般技术文献中报道Cr含量低于0.5％时作用不明显；Cr含量超过1.5％时会恶化钢的加工性能。但本发明中利用Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，但同时降低塑性和韧性，所以本发明中加入的Cr含量较低。
B元素(硼元素)，微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。显著提高钢的淬透性和净化晶界，降低氢致延迟断裂敏感性。含量低于0.005％时作用不明星；含量高于0.05％时作用增加不明显。为了得到有效硼，在冶炼过程中添加适量的钛(Ti)来固定钢中的氮(N)，抑制粗大BN的形成。其中Ti以细小的碳(氮)化物形式存在，这样能细化晶粒，降低钢的氢致延迟断裂敏感性。限定Ti含量在0.04～0.1％之间，当高于0.1％时容易形成块状氮化物，降低钢的韧塑性。
本发明的技术方案中由于碳及锰含量较现有技术中的锰钢大大降低，降低了淬火的裂纹敏感性及脆性。为了对这些成分进行有效的控制和保持钢的纯净度，本发明技术方案中钢的冶炼工艺除了采用电弧炉、转炉、真空感应炉等方式冶炼，还在冶炼过程中增加了炉外精炼，成分调整及真空脱气工序，在热处理阶段时合理进行调整，这样使得本发明技术方案得到的合金结构钢心部硬度大大增加；硬化层较深，给钢材制备的产品带来良好的力学性能，大大延长了产品的使用寿命。
本发明得到的合金结构钢具有良好的力学性能，有较大范围的抗冲击性，具有较长的使用寿命，可以应用于履带式机械底盘部件中支重轮、托带轮及引导轮中，特别是中小型工程机械，建筑机械、农业机械、特种机械底盘部件中的支重轮、托带轮及引导轮。由本发明的合金结构钢制造的履带式机械底盘部件，可以显著提高履带式机械底盘部件中的支重轮、托带轮及引导轮的轮体的热处理性能，降低了生产成本，提高了生产效率，提高了产品质量。
附图说明
图1为本发明实施例低合金结构钢的淬透性曲线。
具体实施方式
为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来明技术效果；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
实施例1～3各种钢材的对比试验
其中合金结构钢化学成分设计如表1：
表1 本发明中合金结构钢的化学成分控制
按表1的成分含量设计，在500kg真空感应炉上如表11～3组每组冶炼5批本发明钢，采用市面上常用的40锰钢和50锰钢为对比钢。钢水浇铸成锭，锻造成棒材。试样加工前经900℃，30分钟正火处理，然后试样由热轧棒材加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm)，冲击试样(10mm×10mm×55mm)和疲劳试样的毛坯。上述试样经900～950℃淬火和回火后加工至最终尺寸。试样在室温下进行拉伸、冲击、疲劳试验。
拉伸试验按照国家标准GB/T 228的规定进行；冲击试验按照国家标准GB/T 229的规定进行；疲劳试验按照国家标准GB4337-84进行旋转弯曲疲劳试验。试验速度为5000转/分钟，试验循环特征为R＝-1，试验一直进行到试样失效或者达到107为止。采用升降法测定材料的疲劳极限，有效的试样数量控制在13根以上。经上述实验得到表2的本发明试样与对比试样调质状态下的结果和淬透性曲线(如图1)。
表2 本发明试样与对比试样的试验结果
从淬透性曲线中对比可以看出本发明试样硬度的下降趋势最慢。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种中碳低合金结构钢，其特征在于所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：
C 0.25％～0.55％；
Si 0.15％～0.45％；
Mn 1.2％～1.6％；
Cr 0.2％～0.9％；
B 0.0005％～0.0035％；
Ti 0.04％～0.1％；
S 0.005％～0.035％；
P 0.005％～0.025％；以及
其余为Fe和不可避免的残留元素。
2、根据权利要求1所述的中碳低合金结构钢，其特征在于所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：
C 0.32％～0.50％；
Si 0.2％～0.4％；
Mn 1.25％～1.50％；
Cr 0.25％～0.8％；
B 0.0005％～0.003％；
Ti 0.04％～0.1％；
S 0.005％～0.03％；
P 0.005％～0.03％；以及
其余为Fe和不可避免的残留元素。
3、根据权利要求1所述的中碳低合金结构钢，其特征在于所述的低合金钢的化学组成按其质量分数计为：
C 0.32％～0.38％；
Si 0.2％～0.3％；
Mn 1.25％～1.50％；
Cr 0.25％～0.75％；
B 0.0005％～0.002％；
Ti 0.04％～0.1％；
S 0.005％～0.025％；
P 0.005％～0.025％；以及
其余为Fe和不可避免的残留元素。
4、一种权利要求1所述的中碳低合金结构钢的生产方法，其特征在于所述的方法包括采用电弧炉、转炉、真空感应炉冶炼；在所述冶炼过程中进行炉外精炼；浇铸或连铸后轧制；进行热处理成型工艺。
5、根据权利要求4的生产方法，其特征在于所述方法中还包括在冶炼过程中进行成分调整及真空脱气步骤。
6、根据权利要求4的生产方法，其特征在于所述方法中热处理成型步骤包括将轧制后的钢材加热至900～950℃进行奥氏体化，然后置于控温模具中热处理，钢材淬火至马氏点缓冷。
7、权利要求1所述的中碳低合金结构钢在生产工程机械底盘零件中的应用。
8、根据权利要求7的应用，其特征在于所述的工程机械底盘零件为履带式机械底盘部件。
9、根据权利要求8的应用，其特征在于所述的履带式机械底盘部件选自支重轮、托带轮及引导轮的轮体；所述履带式机械选自履带式推土机、履带式挖掘机。
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