CN102337458B - 抗拉强度≥1100Mpa的工程机械用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗拉强度大于1100MPa级的工程机械用钢及生产方法。其化学成分及重量百分比为：C：0.09～0.12％，Si：0.50～0.75％，Mn：1.20～1.60％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Nb：0.01～0.03％，Ti：0.030～0.060％，B：0.0010～0.0050％，并满足：Nb+Ti≤0.08％，Ti/B：6～35，其余为Fe和不可避免的杂质；步骤：采用铁水脱硫，转炉顶底复吹，RH真空处理及成分微调，全流程保护浇注成坯；对铸坯加热；粗轧；精轧；热处理。本发明成分简单，工艺简单，成材率及性能合格率高，经热处理后，钢板Rm≥1100MPa，-20℃KV2≥30J，完全满足用户要求；钢板冷弯成型性良好，b＝2a，d＝3a，弯曲180°合格。
Description
技术领域
本发明涉及合金钢生产技术领域，属于工程机械用钢，具体为一种抗拉强度大于1100MPa级的经济型工程机械用钢及其生产方法。
背景技术
钢材高强度化和长寿命化是钢铁发展的趋势之一，其所带来的钢材使用量的减少不仅是节能减排的重要途径之一，还可以显著地提高钢材应用行业装备的使用效率和安全水平，对钢铁行业和国民经济的发展具有重大的意义。
由于高强钢一般应用在煤机、工程机械等行业，其性能要求较高，要求除具备较高的强度外，还必须塑韧性良好，强韧性匹配，且焊接性好，易于加工及焊接。
目前国内外高强钢生产技术发展较快，已形成系统的标准体系和完善的产品系列。如采取EN10025-6生产的S460、S500、S550、S620、S690、S890和S960等；采取美标生产的GR50、GR65和GR70等；武钢的高强度焊接结构用钢HG和HJ系列；舞阳钢厂的Q500、WQ590、WQ690、WQ890和WQ960等。在这些钢种中，为保证良好的综合力学性能，通常采用加入Cr、Mo、V、Ni等贵金属进行合金化的方法，这导致了生产成本的增加和资源的浪费。
本发明的主要技术特点是采用C、Si、Mn为主要强化元素，添加少量Nb、Ti保证钢板性能，添加微量B提高钢板淬透性，钢板生产成本较低。钢板热轧态强度较低，利于进行机械加工。钢板经淬火+低温回火热处理后得到回火马氏体组织，钢板强度、硬度高。同时由于本发明钢碳含量较低，因此强度、塑性匹配好，另由于碳当量低，钢板焊接性能好，可不预热直接焊接，使用性能优异。尽管在公开发表的文献中有接近于本发明的报道，如专利申请号为CN200710303642的专利中公开了一种640～800Mpa高强度工程机械用钢及其生产方法，其抗拉强度为640～800Mpa，成分中含有0.09～0.15％V，最终组织为铁素体+珠光体+贝氏体，而本发明抗拉强度大于1100Mpa，不含V等贵重合金且最终组织为回火马氏体，相比之下更具优势。申请号为CN200910051932公开的900Mpa级屈服强度的工程机械用调质钢板及其生产方法，但与本专利相比，其化学成分中含有Cr、Ni、Mo等贵重金属，经济性差，其热处理工艺采用淬火+高温回火得到回火索氏体组织，抗拉强度1000～1050Mpa，这都与本发明有较大差距。本专利采用转炉+真空处理+连铸+轧制的工艺流程进行一种高强钢的生产，其化学成分简单，经济性好、综合力学性能优良，具有广阔的前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度在1100～1300MPa，布氏硬度在320～400，焊接性、冷弯成型性优良，成本较低廉的经济型工程机械用钢及其生产方法。
实现上述目的的措施：
抗拉强度≥1100MPa的工程机械用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.09～0.12％，Si：0.50～0.75％，Mn：1.20～1.60％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Nb：0.01～0.03％，Ti：0.030～0.060％，B：0.0010～0.0050％，并满足：Nb+Ti≤0.08％，Ti/B：6～35，其余为Fe和不可避免的杂质。
其特征在于：C的重量百分比为0.10～0.12％。
其特征在于：Si的重量百分比为0.50～0.70％。
其特征在于：Mn的重量百分比为1.25～1.55％。
其特征在于：Nb的重量百分比为0.015～0.030％。
其特征在于：Ti的重量百分比为0.030～0.050％。
其特征在于：B的重量百分比为0.0010～0.0035％。
其特征在于：Nb+Ti的重量百分比为≤0.07％。
生产抗拉强度≥1100MPa的工程机械用钢的方法，其步骤：
1)采用铁水脱硫技术，转炉顶底复吹，RH真空处理及成分微调，全流程保护浇注成坯；
2)对铸坯进行加热：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，其加热温度控制在1250～1280℃并充分奥氏体化；
当产品规格厚度在＞15～40mm的钢板时，其铸坯经清理分切后进行加热，其加热温度控制在1240～1280℃，其加热速度控制在8～10min/cm；
3)进行粗轧：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，进行连续轧制，其粗轧出口温度控制在1080～1120℃，累计压下率70～80％；
当产品规格厚度在＞15～40mm的钢板时，其进行单张轧制，轧制温度控制在980～1120℃，并进行6～9道次的轧制，控制每道次压下率为12～15％，累计压下率为75～78％；
4)进行精轧：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，其精轧的终轧温度控制在860～900℃，控制末三机架累计压下率35～45％，并进行层流冷却后，在630～670℃条件下进行卷取，堆冷后精整分切；
当产品规格厚度在＞15～40mm的钢板时，在900～950℃条件下进行6～10道次精轧，并控制每道次压下率为12～15％，其终轧温度控制在760～840℃，空冷；
5)进行热处理：控制其淬火温度在860℃～950℃；保温按照1.0～3.5min/mm控制；以20～135℃/s的冷却速度将钢板采用水冷却至Ms转变点以下；进行低温回火，其温度控制在180℃～250℃，保温时间按照2.0～6.0min/mm控制；空冷至室温。
各元素在本发明中的作用及机理：
C：0.09～0.12％，碳是保证钢的强度和硬度等机械性能的基本元素，同时碳和钢中的Nb、Ti等形成的细小碳化物能起到细晶和沉淀强化作用，进一步提高钢的强度及韧性。碳太低，钢的强度、硬度得不到保证，太高则会降低其韧性和焊接性。
Si：0.50～0.75％，硅固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，硅可使C曲线右移，提高钢的淬透性。但过高的Si含量，会恶化钢的塑韧性。
Mn：1.20～1.60％，锰能与铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；锰同时能很好的稳定奥氏体组织，进一步增强钢的淬透性；锰还可使钢在受到冲击而产生变形时，使钢材表面层得到强化而具有高的耐磨性；锰与硫形成熔点较高的MnS，改善钢的热加工性能和降低钢的冷脆倾向。但锰含量太高则会增大珠光体的颗粒尺寸和引起偏析。因此，添加的锰含量控制在为1.00～2.00％。
Nb：0.01～0.03％，铌是强的碳化物、氮化物和碳氮化物的形成元素，铌的化合物可以有效地阻止再结晶、积累应变和保持奥氏体晶粒的变形结构，在相变过程中Nb的析出相能提高铁素体的形核率，对细化晶粒和性能的提高起重要的作用。
Ti：含量为0.03～0.06％，钛与氮、氧、碳具有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮、氧的有效元素，在含硼钢的冶炼中是必不可少的。同时钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大。在高温奥氏体区粗轧时TiN和TiC析出，可有效抑制奥氏体晶粒长大，另外钢板在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板焊接性能。
B：0.0010～0.0050％，加入B的目的主要是增加钢的淬透性，从而省去其他较稀有贵重的金属。微量硼可提高钢的淬透性是因为硼吸附在晶界上，填充了缺陷，降低了晶界能位，在奥氏体冷却过程中抑制了先共析铁素体的形成，延长了奥氏体转变的孕育期，从而提高了钢的淬透性，但是当钢中硼含量超过一定值后，大量硼化物的析出反而为铁素体的形成提供了形核中心，反而降低钢的淬透性。
P、S：≤0.025％：本发明中磷、硫为有害杂质元素，其中磷促进Mn的偏析和自身偏析，易在钢中形成共晶带状组织，增大钢的冷脆性；硫和铁形成低熔点共晶体，偏析于晶界，使钢产生热脆。因此，本发明应尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响，通过对铁水进行深脱硫预处理、真空处理等手段，控制磷、硫含量，从而减轻其不利影响。
Nb+Ti≤0.08％：本发明中Ti的主要作用在于固定加入钢中的B元素，使其充分发挥提高钢的淬透性作用。钢中Ti含量过高，容易形成大颗粒的TiN脆性不变形夹杂物，对钢的性能产生不利影响；同时Ti含量过高，钢水粘度增加，浇注过程中容易在水口部位积瘤，严重时甚至造成断流。微量的合金元素Nb，可细化钢的晶粒，使组织中保持高密度位错，从而提高钢的强度及韧性，并改善钢的焊接性能。但Nb含量过高，钢材焊接韧性会下降。考虑到上述因素以及成本原因，本发明中Nb+Ti元素的总含量控制在0.08％以下。
Ti/B：6～35：钛在1300℃上能吸收钢中氮生成稳定的TiN，从而防止形成了一般淬火加热时不能溶解的BN，保护了硼对提高淬透性的有益作用。有研究表明，钢中钛含量较低，不能保护钢中的硼，使钢中酸溶硼含量过低，其淬透性不能保证，因此本发明在限定Ti、B含量的前提下，对Ti/B进行了限定以确保钢中有效硼的作用。
本发明与现有技术相比，其优点在于：1、合金成分简单，除加入少量Nb元素外，其他贵重合金元素加入较少，同时生产工艺简单，成材率和性能合格率高，使得生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益；2、经热处理后，钢力学性能优良，强度、硬度高，韧性、淬透性良好，钢板Rm≥1100MPa，-20℃KV2≥30J，完全满足用户使用要求；3、焊接性能较好，焊接接头性能较好，完全满足产品焊接使用要求；4、钢板冷弯成型性良好，b＝2a，d＝3a，弯曲180°合格。
具体实施方式
下面对本发明做进一步描述：
本发明实施例化学成分见表1所示；
其生产工艺按照以下步骤进行：
1)采用铁水脱硫技术，转炉顶底复吹，RH真空处理及成分微调，全流程保护浇注成坯；
2)对铸坯进行加热：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，其加热温度控制在1250～1280℃并充分奥氏体化；
当产品规格厚度在＞15～40mm的钢板时，其铸坯经清理分切后进行加热，其加热温度控制在1240～1280℃，其加热速度控制在8～10min/cm；
3)进行粗轧：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，进行连续轧制，其粗轧出口温度控制在1080～1120℃，累计压下率70～80％；
当产品规格厚度在＞15～40mm的钢板时，其进行单张轧制，轧制温度控制在980～1120℃，并进行6～9道次的轧制，控制每道次压下率为12～15％，累计压下率为75～78％；
4)进行精轧：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，其精轧的终轧温度控制在860～900℃，控制末三机架累计压下率35～45％，并进行层流冷却后，在630～670℃条件下进行卷取，堆冷后精整分切；
当产品规格厚度在＞15～40mm的钢板时，在900～950℃条件下进行6～10道次精轧，并控制每道次压下率为12～15％，其终轧温度控制在760～840℃，空冷；
5)进行热处理：控制其淬火温度在860℃～950℃；保温按照1.0～3.5min/mm控制；以20～135℃/s的冷却速度将钢板采用水冷却至Ms转变点以下；进行低温回火，其温度控制在180℃～250℃，保温时间按照4.0～6.0min/mm控制；空冷至室温。
对于本发明钢不同厚度规格的轧制工艺如表2、表3，热处理工艺如表4所示。
本发明钢拉力及硬度试验结果、不同温度下冲击韧性试验结果、热处理态冷弯试验结果分别如表4、表5、表6所示。
表1各实施例化学成分(Wt％)
| 序号 | C | Si | Mn | P | S | Nb | Ti | B |
| 1 | 0.116 | 0.52 | 1.33 | 0.013 | 0.007 | 0.025 | 0.031 | 0.0021 |
| 2 | 0.096 | 0.67 | 1.39 | 0.012 | 0.006 | 0.012 | 0.038 | 0.0024 |
| 3 | 0.106 | 0.61 | 1.42 | 0.012 | 0.007 | 0.027 | 0.040 | 0.0039 |
| 4 | 0.091 | 0.75 | 1.60 | 0.007 | 0.002 | 0.011 | 0.060 | 0.0023 |
| 5 | 0.090 | 0.72 | 1.34 | 0.012 | 0.005 | 0.026 | 0.035 | 0.0023 |
| 6 | 0.120 | 0.54 | 1.35 | 0.011 | 0.006 | 0.015 | 0.030 | 0.0010 |
| 7 | 0.118 | 0.58 | 1.20 | 0.014 | 0.003 | 0.020 | 0.030 | 0.0050 |
| 8 | 0.108 | 0.63 | 1.56 | 0.013 | 0.003 | 0.021 | 0.045 | 0.0032 |
| 9 | 0.105 | 0.68 | 1.29 | 0.015 | 0.004 | 0.020 | 0.060 | 0.0018 |
表2产品规格厚度2～15mm各实施例热连轧工艺
表3产品规格厚度＞15～40mm各实施例单张轧制工艺
表4各实施例热处理工艺
注：淬火采用水冷。
表5各实施例拉力及硬度试验结果
| 序号 | ReL/MPa | Rm/MPa | A5/％ | Z/％ | HBW2.5mm/187.5KN |
| 1 | 1080 | 1300 | 11.5 | - | 391 |
| 2 | 960 | 1290 | 11.0 | - | 372 |
| 3 | 1020 | 1300 | 12.0 | - | 380 |
| 4 | 950 | 1150 | 11.5 | 50.0 | 370 |
| 5 | 1090 | 1280 | 10.5 | 46.5 | 388 |
| 6 | 1040 | 1240 | 11.5 | 53.0 | 370 |
| 7 | 980 | 1230 | 12.0 | 43.5 | 371 |
| 8 | 970 | 1170 | 11.5 | 45.0 | 366 |
| 9 | 950 | 1130 | 12.5 | 44.5 | 358 |
注：实施例1、2、3采用板拉样
表6各实施例再不同温度下冲击韧性试验结果
注：实施例1与实施例2由于厚度规格分别为2mm、4mm，无法进行冲击试验；实施例3、4采用7.5*10*10mm冲击样，其余采用标准冲击样
表6各实施例热处理态冷弯性能
Claims (1)
1.一种生产抗拉强度≥1100MPa的工程机械用钢的方法，其步骤：
1）采用铁水脱硫技术，转炉顶底复吹，RH真空处理及成分微调，全流程保护浇注成坯；钢液的终点成分化学及重量百分比为：C：0.09～0.12%，Si：0.50～0.75%，Mn：1.20～1.60%，P：≤0.025%，S：≤0.025%，Nb：0.01～0.03%，Ti：0.030～0.060%，B：0.0010～0.0050%，并满足：Nb+Ti≤0.08%， Ti/B：6～35，其余为Fe和不可避免的杂质；
2）对铸坯进行加热：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，其加热温度控制在1250～1280℃并充分奥氏体化；
当产品规格厚度在大于15mm而小于等于40mm的钢板时，其铸坯经清理分切后进行加热，其加热温度控制在1240～1280℃，其加热速度控制在8～10℃/s；
3）进行粗轧：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，进行连续轧制，其粗轧出口温度控制在1080～1120℃，累计压下率70～80%；
当产品规格厚度在大于15mm而小于等于40mm的钢板时，其进行单张轧制，轧制温度控制在980～1120℃，并进行6～9道次的轧制，控制每道次压下率为12～15%，累计压下率为75～78%；
4）进行精轧：当产品规格厚度为2～15mm的钢板时，其精轧的终轧温度控制在860～900℃，控制末三机架累计压下率35～45%，并进行层流冷却后，在630～670℃条件下进行卷取；堆冷后精整分切；
当产品规格厚度在大于15mm而小于等于40mm的钢板时，在900～950℃条件下进行6～10道次精轧，并控制每道次压下率为12～15%，其终轧温度控制在760～840℃，空冷；
5）进行热处理：控制其淬火温度在860℃～950℃；保温按照1.0～3.5min/mm控制；以20～135℃/s的冷却速度将钢板采用水冷却至Ms转变点以下；进行低温回火，其温度控制在180℃～250℃，保温时间按照4.0～6.0min/mm控制；空冷至室温。
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Granted publication date: 20130403 Termination date: 20171017 |
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