CN102345076B

CN102345076B - 抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102345076B
Application number: CN 201110299633
Authority: CN
Inventors: 刘明; 刘锦燕; 王代文; 宁雄显; 刘芳; 谭深; 徐华东; 魏刚; 赵明; 陈东
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-10-08
Also published as: CN102345076A

Abstract

本发明涉及钢铁冶金领域，特别涉及抗拉强度超过1500MPa的履带板用钢及其制造方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢，本发明的履带板用钢强度高，淬火裂纹和内部裂纹少，使用寿命长。本发明抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢，化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.40％、Si：0.15～0.35％、P：0～0.015％、S：0～0.016％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0～0.25％、Cu：0～0.30％、Ti：0.01～0.02％、Al：0.02～0.06％，B：0.0005～0.0035％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明的履带板用钢强度高，淬火裂纹和内部裂纹少，使用寿命长。

Description

抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，特别涉及抗拉强度超过1500MPa的履带板用钢及其制造方法。

背景技术

履带板是履带式推土机或挖掘机等工程机械的行走部件，直接与石块和泥沙的混合物接触，使用工况恶劣。由于轧机直接轧出的热轧态履带板强度和硬度较低不能满足使用要求，所以履带板必须经过热处理来提高钢材的硬度和强度后才能装机使用，因此，履带板的使用寿命即取决于履带板钢的材质，又取决于合理可行的热处理工艺。

我国冶金行业标准YB/T5034-2005《履带用热轧型钢》中规定的履带板钢牌号有40SiMn2、35MnTiB和30MnTiB，可用来制造171和203节距的挖掘机三齿履带板，以及216节距的推土机用单齿履带板钢。但经过热处理后的性能指标不是十分理想。

例如：

1999年3月《钢铁钒钛》杂志的文章“35MnTiB推土机履带板用钢研制”(第22页至第26页)报告了35MnTiB经过860℃水淬和400℃回火后的抗拉强度为1090～1215MPa，40SiMn2经过870℃水淬和550℃回火后的抗拉强度为1040～1150MPa。

2006年4月《工程机械与维修》杂志的文章“履带板热处理工艺”(第145页至第146页)报告了30MnTiB经过890～900℃正火，860～870℃油淬和400～430℃回火抗拉强度为1231～1371MPa。

以上YB/T5034-2005各牌号履带板用钢的碳含量较高，履带板淬火后容易出现细小裂纹，实物履带板在使用过程中可能出现裂纹扩展，从而导致工程机械的使用过程中发生履带板断裂现象，对于提高履带板的使用寿命也是不利的。

因此，履带板用钢提高强度，减少淬火裂纹和内部裂纹，增长使用寿命是目前急需解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢，本发明的履带板用钢强度高，淬火裂纹和内部裂纹少，使用寿命长。

本发明抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢，化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.40％、Si：0.15～0.35％、P：0～0.015％、S：0～0.016％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0～025％、Cu：0～030％、Ti：001～002％、Al：002～006％，B：00005～00035％、其余为Fe和不可避免的杂质元素；金像组织为回火马氏体。

为保证钢中加入硼元素的有效性，最好保证有足够的钛固定钢中的氮，即钢按重量比Ti/[N]≥3.43；为了避免使用过程中大型TiN脆性夹杂所导致的内部裂纹，钢中氮含量不能过高，即[N]≤0.0040％；为保证加入的钛能发挥固定氮的作用，钢中氧含量不能过高，即T[O]≤0.0020％；

在实际钢的冶炼过程中气体元素氧和氮的存在是不可避免的，通常最低氧和氮含量分别为0.0005％和0.0020％。因此，规定本发明钢的T[O]按重量百分比在0.0005％～0.0020％范围内，[N]按重量百分比在0.0020％～0.0040％范围内。

优选的，本发明抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢，化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.38％、Si：0.16～0.35％、P：0.009～0.015％、S：0.006～0.015％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0.02～0.25％、Cu：0.05～0.30％、Ti：0.01～0.02％、Al：0.02～0.06％、B：0.0006～0.0029％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，具体为履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以16～37℃/分钟的速度从室温加热到860～900℃，保温5～10分钟，以18～37℃/秒钟的速度水冷淬火至38～62℃，然后以8～22℃/分钟的速度加热到208～232℃，保温48～77分钟后用水冷以15～27℃/分钟的速度冷却到33～62℃；履带板用钢化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.40％、Si：0.15～0.35％、P：0～0.015％、S：0～0.016％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0～0.25％、Cu：0～0.30％、Ti：0.01～0.02％、Al：0.02～0.06％，B：0.0005～0.0035％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以18～35℃/分钟的速度从室温加热到860～890℃，保温6～9分钟后以20～35℃/秒钟的速度水冷淬火至40～60℃，然后以10～20℃/分钟的速度加热到210～230℃，保温50～75分钟后用水冷以15～25℃/分钟的速度冷却到35～60℃。

优选的，履带板用钢化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.38％、Si：0.16～0.35％、P：0.009～0.015％、S：0.006～0.015％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0.02～0.25％、Cu：0.05～0.30％、Ti：0.01～0.02％、Al：0.02～0.06％、B：0.0006～0.0029％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明方法制得的履带板用钢抗拉强度(Rm)达到1500MPa以上、断后伸长率(A)低于11％；履带板用钢的“U”型缺口冲击吸收功大于71J。

附图说明

图1是本发明钢的金像组织：回火马氏体。

图2是单齿履带板断面图，“a”为板宽，“b”为齿高，“c”为板部厚度。

图3是三齿履带板断面图，“a”为板宽，“b”为齿高，“c”为板部厚度。

具体实施方式

现结合实施例和附图进一步描述本发明。

本发明抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢，化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.40％、Si：0.15～0.35％、P：0～0.015％、S：0～0.016％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0～0.25％、Cu：0～0.30％、Ti：0.01～0.02％、Al：0.02～0.06％，B：0.0005～0.0035％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

下面进一步说明化学组分中各元素的作用：

0.20％以上的碳含量很容易在水冷条件下得到全马氏体组织，马氏体又大致分为板条马氏体(也叫位错马氏体)和片状马氏体(也叫孪晶马氏体)，当碳含量在0.20～0.30％范围内基本可得到全板条马氏体组织，当碳含量超过0.30％时可能出现少量片状马氏体得到板条马氏体和片状马氏体的混合组织，且随着碳含量的增加片状马氏体所占份额愈多。板条马氏体在具有较高硬度和强度的同时，还具有相当高的塑性和韧性，片状马氏体具有高强度和硬度，但韧性很差。另外，碳含量超过0.30％后容易出现细小裂纹，实物履带板在使用过程中可能出现裂纹扩展，从而导致工程机械的使用过程中发生履带板断裂现象，对于提高履带板的使用寿命也是不利的。因此本发明规定履带板钢的碳含量范围为0.20～0.30％。

锰能显著地降低钢的Arl温度和增加钢的淬透性，可使截面较大的钢材获得均匀的组织，履带板钢通常厚度在10mm左右，0.80％以上的锰含量是保证履带板钢完全淬透的条件之一。但锰又是强烈地降低钢马氏体转变温度之一的元素，过高的锰促使马氏体转变温度(Ms)升高，不利于得到板条马氏体，因此，本发明设计最大的锰含量为1.40％。

微量的硼(0.001％左右)可以吸附在奥氏体晶界，降低晶界能量，阻抑铁素体晶核的形成，成倍地提高中低碳钢的淬透性，为了保证碳含量0.20～0.30％和锰含量0.80～1.40％的钢在一般水淬的条件获得马氏体组织，添加0.0005～0.0035％的硼十分关键地。但是硼是极活泼的元素之一，能与钢中的残余氧和氮形成稳定的夹杂物，而失去有益作用，只有以固溶形式存在的硼才能起到有益的作用。为保证硼提高淬透性的作用，必须在钢的冶炼过程中首先采用铝脱去钢液的自由氧，并用钛固定钢液中的氮，才能保证加入硼的有效作用。

要发挥硼提高淬透性的作用，控制钢中气体元素氧不大于0.002％，同时钢中还必须存在有0.02～0.06％的铝，能保证硼不与氧结合。控制气体元素氮不大于0.004％，并添加0.01～0.02％的钛，且保证Ti/[N]在不低于3.43的条件下，能保证硼不与氮结合。钢中过高的钛和氮很容易在钢内部出现尺寸大(超过40μm)外形为方框型的TiN脆性夹杂，个别TiN夹杂甚至超过70μm。这些大型TiN脆性夹杂在履带板使用过程中容易划伤钢基体，形成内部裂纹，严重影响履带板的疲劳寿命。

硅是和氧的亲和力仅次于铝和钛，为保证钢的质量，0.15～0.35％的硅是作为脱氧元素加入的。

铬、镍和铜为残余元素，要求铬不大于0.30％、镍不大于0.25％、铜不大于0.30％、

磷和硫通常为有害元素，要求磷不大于0.015％、硫不大于0.015％。

同时由于履带板用钢材质的碳、氮和钛含量低，可避免热处理中可能出现的淬火裂纹和使用过程中大型TiN脆性夹杂所导致的内部裂纹，从而达到提高履带板使用寿命的目的。

抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，具体为履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以16～37℃/分钟的速度从室温加热到860～900℃，保温5～10分钟，以18～37℃/秒钟的速度水冷淬火至38～62℃，然后以8～22℃/分钟的速度加热到208～232℃，保温48～77分钟后用水冷以15～27℃/分钟的速度冷却到33～62℃；履带板用钢化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30％、Mn：0.80～1.40％、Si：0.15～0.35％、P：0～0.015％、S：0～0.016％、Cr：0.31～0.60％、Ni：0～0.25％、Cu：0～0.30％、Ti：0.01～0.02％、Al：0.02～0.06％，B：0.0005～0.0035％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

第一次加热履带板用钢测定出的AC3为780℃，也即钢材在加热中先共析铁素体全部溶入奥氏体的温度为780℃，考虑到实际生产中温度控制的准确性，以及工件尺寸及外形对温度均匀性的影响，要使得钢材全部奥氏体化，实际温度设定比780℃约高80℃较为合理，因此，第一次加热的下限温度规定为860℃。另外，本发明履带板用钢加热到850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃和1100℃时，奥氏体晶粒度分别为12级、11级、9级、7级、6.5级和6.0级，说明本发明钢加热到950℃时奥氏体已发生明显粗化，为了得到晶粒细小的钢，第一次加热的温度应该不大于900℃。

为了实际生产的操作方便，第一次加热的上限温度优选为890℃。

50～250℃回火为低温回火，其目的是降低钢中残余应力和脆性，保持钢在淬火后的高硬度与耐磨性，这时的组织称为回火马氏体。由于在200℃以下保温所需要的保温时间很长，因此，第二次加热的回火温度区间优选为208～232℃。

第一次水冷淬火，要求履带板用钢温度下降速度为18～37℃/秒钟。该下降速度极为重要，通过测定本发明钢的马氏体临界冷却速度为每秒15℃左右，如果冷却速度低于每秒15℃，则可能出现贝氏体组织，得不到所需要的全马氏体组织。

实施例1

外型尺寸为图2的单齿216节距履带板用钢，其中a尺寸为252.0mm，b尺寸为72.0mm，c尺寸为14.3mm，其化学组分为0.20％的C、1.39％的Mn、0.17％的Si、0.010的P、0.006％的S、0.60％的Cr、0.12％的Ni、0.28％的Cu、0.02％的Ti、0.02％的Al、0.0006％的B、0.0015％的O，以及0.0040％的N，其余为Fe和不可避免的少量的杂质元素，其Ti/N＝5。

该种化学组分的履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以18℃/分钟的加热速度从室温(30℃)开始加热到870℃，在870℃保温6分钟后以20℃/秒钟的速度进行水冷淬火，淬火后温度为40℃，然后再次以10℃/分钟的加热速度加热到210℃，在210℃保温75分钟，最后再用水冷方法以15℃/分钟的速度冷却到60℃。

产品金像组织见图1，为回火马氏体，目测未见明显淬火裂纹和内部裂纹。

在图2中的a尺寸标注齿高和c尺寸标注的板厚的交汇处取拉力试样，并按照GB/T228-2002的要求加工成标准拉伸试样，在WEW600KN微机液压万能试验机上测定履带板用钢的抗拉强度(Rm)为1505MPa、断后伸长率(A)为11％；在图2中c尺寸标注板厚部位取样，并按照GB/T229-1994的要求加工成标准冲击试样，在RPSW/A示波冲击试验机(最大冲击能量150/300J)测定履带板用钢的“U”型缺口冲击吸收功为75J。

实施例2

外型尺寸为图2的单齿216节距履带板用钢，其中a尺寸为252.0mm，b尺寸为72.0mm，c尺寸为14.3mm，其化学组分为0.30％的C、0.81％的Mn、0.35％的Si、0.015的P、0.014％的S、0.31％的Cr、0.020％的Ni、0.05％的Cu、0.018％的Ti、0.06％的Al、0.0029％的B、0.0005％的O，以及0.0035％的N，其余为Fe和不可避免的少量的杂质元素，其Ti/N＝5.14。

该种化学组分的履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以25℃/分钟的加热速度从室温(0℃)开始加热到890℃，在890℃保温8分钟后以30℃/秒钟的速度进行水冷淬火，淬火后温度为50℃，然后再次以15℃/分钟的加热速度加热到220℃，在220℃保温60分钟，最后再用水冷方法以20℃/分钟的速度冷却到40℃。

产品金像组织与实施例1相同，为回火马氏体，目测未见明显淬火裂纹和内部裂纹。

在图2中的a尺寸标注齿高和c尺寸标注的板厚的交汇处取拉力试样，并按照GB/T228-2002的要求加工成标准拉伸试样，在WEW600KN微机液压万能试验机上测定履带板用钢的抗拉强度(Rm)为1520MPa、断后伸长率(A)为11％；在图2中c尺寸标注板厚部位取样，并按照GB/T229-1994的要求加工成标准冲击试样，在RPSW/A示波冲击试验机(最大冲击能量150/300J)测定履带板用钢的“U”型缺口冲击吸收功为80J。

实施例3

外型尺寸为图2的单齿216节距履带板用钢，其中a尺寸为252.0mm，b尺寸为72.0mm，c尺寸为14.3mm，其化学组分为0.26％的C、1.00％的Mn、0.30％的Si、0.010的P、0.006％的S、0.40％的Cr、0.05％的Ni、0.05％的Cu、0.010％的Ti、0.05％的Al、0.0018％的B、0.0012％的O，以及0.0023％的N，其余为Fe和不可避免的少量的杂质元素，其Ti/N＝4.37。

该种化学组分的履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以35℃/分钟的加热速度从室温(35℃)开始加热到880℃，在880℃保温9分钟后以35℃/秒钟的速度进行水冷淬火，淬火后温度为60℃，然后再次以20℃/分钟的加热速度加热到230℃，在230℃保温50分钟，最后再用水冷方法以25℃/分钟的速度冷却到60℃。

在图2中的a尺寸标注齿高和c尺寸标注的板厚的交汇处取拉力试样，并按照GB/T228-2002的要求加工成标准拉伸试样，在WEW600KN微机液压万能试验机上测定履带板用钢的抗拉强度(Rm)为15150MPa、断后伸长率(A)为12％；在图2中c尺寸标注板厚部位取样，并按照GB/T229-1994的要求加工成标准冲击试样，在RPSW/A示波冲击试验机(最大冲击能量150/300J)测定履带板用钢的“U”型缺口冲击吸收功为72J。

实施例4

外型尺寸为图3的三齿190节距履带板用钢，其中a尺寸为220.0mm，b尺寸为26.0mm，c尺寸为10.0mm，其化学组分为0.23％的C、1.10％的Mn、0.26％的Si、0.009的P、0.016％的S、0.32％的Cr、0.25％的Ni、0.24％的Cu、0.014％的Ti、0.04％的Al、0.0023％的B、0.0020％的O，以及0.0029％的N，其余为Fe和不可避免的少量的杂质元素，其Ti/N＝4.83。

该种化学组分的履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以25℃/分钟的加热速度从室温(25℃)开始加热到880℃，在880℃保温7分钟后以25℃/秒钟的速度进行水冷淬火，淬火后温度为50℃，然后再次以12℃/分钟的加热速度加热到230℃，在230℃保温75分钟，最后再用水冷方法以20℃/分钟的速度冷却到35℃。

在图3中的a尺寸标注齿高和c尺寸标注的板厚的交汇处取拉力试样，并按照GB/T228-2002的要求加工成标准拉伸试样，在WEW600KN微机液压万能试验机上测定履带板用钢的抗拉强度(Rm)为1510MPa、断后伸长率(A)为10.5％；在图3中c尺寸标注板厚部位取样，并按照GB/T229-1994的要求加工成标准冲击试样，在RPSW/A示波冲击试验机(最大冲击能量150/300J)测定履带板用钢的“U”型缺口冲击吸收功为75J。

实施例5

外型尺寸为图3的三齿190节距履带板用钢，其中a尺寸为220.0mm，b尺寸为26.0mm，c尺寸为10.0mm，其化学组分为0.28％的C、1.20％的Mn、0.16％的Si、0.013的P、0.008％的S、0.50％的Cr、0.10％的Ni、0.12％的Cu、0.018％的Ti、0.03％的Al、0.0016％的B、0.0018％的O，以及0.0032％的N，其余为Fe和不可避免的少量的杂质元素，其Ti/N＝5.63。

该种化学组分的履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以22℃/分钟的加热速度从室温(30℃)开始加热到870℃，在870℃保温8分钟后以22℃/秒钟的速度进行水冷淬火，淬火后温度为40℃，然后再次以16℃/分钟的加热速度加热到220℃，在220℃保温72分钟，最后再用水冷方法以16℃/分钟的速度冷却到40℃。

在图3中的a尺寸标注齿高和c尺寸标注的板厚的交汇处取拉力试样，并按照GB/T228-2002的要求加工成标准拉伸试样，在WEW600KN微机液压万能试验机上测定履带板用钢的抗拉强度(Rm)为1540MPa、断后伸长率(A)为11.0％；在图3中c尺寸标注板厚部位取样，并按照GB/T229-1994的要求加工成标准冲击试样，在RPSW/A示波冲击试验机(最大冲击能量150/300J)测定履带板用钢的“U”型缺口冲击吸收功为71J。

Claims

1.抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：具体为履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以16～37℃/分钟的速度从室温加热到860～900℃，保温5～10分钟，以18～37℃/秒钟的速度水冷淬火至38～62℃，然后以8～22℃/分钟的速度加热到208～232℃，保温48～77分钟后用水冷以13～27℃/分钟的速度冷却到33～62℃；履带板用钢化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30%、Mn：0.80～1.40%、Si：0.15～0.35%、P：0～0.015%、S：0～0.016%、Cr：0.31～0.60%、Ni：0～0.25%、Cu：0～0.30%、Ti：0.01～0.02%、Al：0.02～0.06%，B：0.0005～0.0035%、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢浇注并轧制成型自然冷却后以18～35℃/分钟的速度从室温加热到860～890℃，保温6～9分钟后以20～35℃/秒钟的速度水冷淬火至40～60℃，然后以10～20℃/分钟的速度加热到210～230℃，保温50～75分钟后用水冷以15～25℃/分钟的速度冷却到35～60℃。

3.根据权利要求1或2所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢化学组分按重量百分比为C：0.20～0.30%、Mn：0.80～1.38%、Si：0.16～0.35%、P：0.009～0.015%、S：0.006～0.015%、Cr：0.31～0.60%、Ni：0.02～0.25%、Cu：0.05～0.30%、Ti：0.01～0.02%、Al：0.02～0.06%、B：0.0006～0.0029%、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1或2所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢按重量比Ti/[N]≥3.43。

5.根据权利要求3所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢按重量比Ti/[N]≥3.43。

6.根据权利要求1或2所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢T[O]按重量百分比为0.0005%～0.0020%，[N]按重量百分比为0.0020%～0.0040%。

7.根据权利要求3所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢T[O]按重量百分比为0.0005%～0.0020%，[N]按重量百分比为0.0020%～0.0040%。

8.根据权利要求4所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢T[O]按重量百分比为0.0005%～0.0020%，[N]按重量百分比为0.0020%～0.0040%。

9.根据权利要求5所述的抗拉强度达到1500MPa的履带板用钢的制造方法，其特征在于：履带板用钢T[O]按重量百分比为0.0005%～0.0020%，[N]按重量百分比为0.0020%～0.0040%。