CN102634727B - 一种高韧性工程机械用钢采用tmcp生产的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高韧性工程机械用钢及其采用TMCP生产的方法。其组分及重量百分比：C：0.04~0.07%，Si：0.25~0.45%，Mn：1.60~1.90%，Als：0.015~0.050%，P：≤0.015%，S：≤0.008%，Nb+Ti：0.06~0.09%，Mo+Cr：0.20~0.40%，其余为Fe和微量杂质元素；工艺：冶炼并连铸成坯；对铸坯进行加热；分段轧制；层流冷却；自然冷却至室温，待用。本发明与国内外同等强度级别钢种相比，具有更优良的低温冲击韧性，即韧脆转折温度低于-60℃且-60℃冲击功≥200J；采用TMCP生产，工艺简单，生产效率高。

Description

一种高韧性工程机械用钢采用TMCP生产的方法

技术领域

本发明涉及工程机械用钢及其生产方法，具体属于采用TMCP工艺生产的可用于-60℃低温下的工程机械用钢及其生产方法。 

背景技术

高强度工程机械用钢主要用于制造工程机械结构件，受服役条件和焊接工艺的限制，这类用途的钢板不仅需要材料具有足够的强度、塑性和焊接性能，而且还要求具备优良的低温冲击韧性，以适应极端恶劣环境下野外作业。高强度钢板的性能水平对于提高工程机械的能力和效率、延长使用寿命、减轻设备自重、降低能耗、提高整机的档次有着重要作用，对于工程机械行业尤为重要。随着工程机械向大型化和轻型化方向发展，对工程机械用钢板综合性能提出了更高要，市场需求量也在逐年增加。 

传统高强度钢板主要采用调质工艺生产，以获得强韧性优良的马氏体回火组织，不足之处在于能源消耗大、制造成本高、生产周期长，且在淬火工程中易出现裂纹和表面缺陷，降低了成材率。近年来，各国相继开发出一系列不需要调质热处理的机械结构用高强钢，主控组织为铁素体/珠光体或铁素体/贝氏体，但其存在的不足为：要么强度和韧性不能满足工程机械用钢需求，要么由于增加贵重合金导致生产成本高，要么工艺复杂、对设备要求高，不利于组织生产。对于屈服强度为550MPa级高强钢，国家标准GB/T 1591-2008提供了化学成分以及力学和工艺性能要求，但在实际应用中，往往因为使用条件和应用领域的不同，难以满足用户需求，需要在国标基础上调整各元素的含量，有针对性提高特殊性能并控制成本，同时简化生产工艺以提高生产效率。 

CN102162065提供了一种屈服强度550MPa低碳贝氏体工程机械用钢及其制备方法，其化学成分：C：0.05~0.10%，Si：0.20~0.50%，Mn：1.50~1.80%，P：≤0.018%，S：≤0.010%， Nb：≤0.10%，Mo：≤0.10%，Ti：0.010~0.040%，B：0.0010~0.0030%，Cr：0.20~0.50%，Al：0.015~0.050%，其余为Fe和微量杂质元素。TMCP工艺控制为：钢坯出炉温度控制在1180~1250℃，粗轧开轧温度：1100~1200℃，终轧温度：≥1020℃，粗轧后待温空冷，精轧开轧温度：880~980℃，中间坯厚度为成品厚度的3~4倍，精轧终轧温度：800~880℃，开冷温度控制在770~830℃，终冷温度为490~570℃，冷却速度为9~15℃/s。其不足之处在于：贵重合金添加量较多且范围控制严格，不利于生产操作；控轧工艺参数控制空泛，没有给出压下率等关键参数，未能达到TMCP工艺技术利用效果，导致综合性能不够理想，尤其是低温冲击韧性只能满足-20℃的要求。 

CN102051522提供了贝氏体组织高强韧性结构钢Q550D（E）钢板及其生产方法，其化学成分为：C：0.05~0.15%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.40~1.65%，P：≤0.010%，S：≤0.005%， （Nb+Ti+V+Mo+B）：≤0.30%，Als：≤0.050%，其余为Fe和微量杂质元素。采用TMCP工艺加堆垛缓冷工艺生产。具体工艺为：轧制温度1020~1120℃，一阶段终轧温度在950~1000℃，二阶段开轧温度在880~920℃，二阶段采取下压下轧制，以确保原始板形，终轧温度800~860℃，返红温度560~600℃，冷却速度10~15℃/s，入缓冷坑温度≥300℃，堆冷时间≥24小时。其不足之处在于：合金元素添加种类较多；控轧工艺二阶段必须采用小压下量轧制以保证板形，不能充分发挥控制轧制技术提高性能的优势；为提高性能，采用了较大的冷却速度，易产生相变应力和热应力，必须采取缓冷措施，不利于组织生产；性能方面虽然提到可以达到-60℃水平，但是从实例可以看出，-40℃冲击功最低只有75J。 

CN1786247提供了一种高强韧性贝氏体厚钢板及其生产方法，其成分重量百分比为：C：0.04~0.08%，Si：0.10~0.50%，Mn：1.40~1.85%，Nb：0.015~0.060%，Ti：0.005~0.030%，Ni：0.05~0.60%，Cu：0.10~0.60%，Al：0.015~0.050%，其余为Fe和微量杂质元素。采用TMCP+RPC工艺。不足之处在于，为了提高韧性大量添加了贵重合金Ni元素；TMCP+RPC工艺延长了生产周期，不利于组织生产。 

发明内容

本发明要解决目前在-60℃低温下低温冲击韧性差的不足，提供一种在屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥720MPa，延伸率≥20%条件下，韧脆转折温度在-60℃以下，且-60℃冲击功≥200J，适用于在极端寒冷环境中工作，且生产成本低，工艺简单的一种高韧性工程机械用钢及其生产方法。 

实现上述目的的措施： 

一种高韧性工程机械用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.04~0.07%，Si：0.25~0.45%，Mn：1.60~1.90%，Als：0.015~0.050%，P：≤0.015%，S：≤0.008%， Nb+Ti：0.06~0.09%，Mo+Cr：0.20~0.40%，其余为Fe和微量杂质元素。

其特征在于：Nb与Ti、Mo与Cr以任意比例添加。 

采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢的方法，其步骤： 

1）冶炼并连铸成坯，并控制A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比不超过1.5级，其余杂质重量百分比含量控制在： O≤0.003%，N≤0.004%，H≤0.0002%；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1180~1240℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1050~1120℃，累计压下率不低于55%；控制第二段开轧温度在860~900℃，末三道累计压下率不低于35%，终轧温度在810~850℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在480~540℃，冷却速度控制在5~12℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

本发明中各元素、主要工艺的作用及机理： 

C、Mn是最有效的固溶强化元素，随着钢中的C、Mn含量的增加，其成品的屈服强度和抗拉强度也相应增大，特别是屈服强度上升较为明显。钢中加入Mn能防止在热加工时因硫引起钢的脆化。碳低于0.04%钢的强度达不到目标要求；碳高于0.07%会明显降低焊接性能且大幅降低延伸率和冲击韧性；锰高于1.90%同样会明显降低焊接性能，且大幅降低延伸率和冲击韧性。因此C、Mn含量控制范围分别为：0.04%~0.07%、1.60%~1.90%。

钢中S、P是有害杂质元素，钢中P、S含量越低越好。当钢中S含量较多时，热轧时容易产生热脆等问题；而钢中P含量较多时，钢容易发生冷脆，此外，磷还容易发生偏析。 

钢中Al的加入则会形成酸溶铝（Als）和酸不溶铝，而Als包括固溶铝和AlN，弥散的AlN粒子能阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，因此ALs最低含量控制在0.015%。但对于铝镇静钢来说，随着Als的增加，钢的夹杂物数量增多，夹杂物尺寸也将变大，将导致钢板内部质量的下降，因此ALs最高含量控制在0.050%。 

在钢中加入Nb，可以通过Nb(CN)未溶质点及应变诱导析出抑制高温变形过程的再结晶，扩大未再结晶区范围，以便TMCP工艺的施行，从而达到细化铁素体晶粒的目的；Ti的添加，可起到抑制加热过程中奥氏体晶粒的长大作用，同时，微合金低温区析出物也能起到析出强化的作用。因此Nb、Ti的最低含量控制在0.06%。Nb、Ti含量过高可能会导致析出相过分长大，析出强化作用将减弱且冲击韧性会恶化，因此控制Nb、Ti的最高含量控制在0.09%。 

Mo、Cr具有固溶强化作用，且不损害钢板冲击韧性，钢中Mo、Cr元素能显著推迟珠光体转变，而对贝氏体转变的影响却很小，同时强烈阻止多边形铁素体析出，保证了厚钢板在较宽冷速范围内获得均匀的贝氏体组织，因此Mo、Cr的最低含量控制在0.20%。Mo、 Cr大量固溶会导致冲击韧性下降，且Mo、Cr属于贵重合金，大量添加会导致资源浪费、生产成本增加，因此Mo、Cr最高含量控制在0.40%。 

在金相组织上，采用低碳贝氏体为主控组织。通过控制TMCP工艺及其他有利于贝氏体组织形成的因素，达到铁素体/贝氏体组织细化及组织均匀目标。针对较厚钢板钢中加入Mo元素，显著推迟珠光体转变，而对贝氏体转变的影响却很小，同时强烈阻止多边形铁素体析出，保证了钢板在较宽冷速范围内获得均匀的贝氏体组织。通过TMCP工艺，充分细晶强化、析出强化作用，并获得均匀的贝氏体/铁素体组织，以达到力学性能要求，尤其提高低温冲击韧性。 

之所以在冶炼工序控制钢坯内部A、B、C、D类夹杂物总量不超过1.5级，其中不允许出现A、B两类夹杂，气体含量严格控制，[O]≤0.003%、[N]≤0.004%、[H]≤0.0002%；中心偏析C类1.5级及以下，中心疏松0.5级及以下；在冶炼工艺中，喂入CaSi线使夹杂物钙化处理及采用心部质量控制的方法，以降低夹杂物对低温冲击韧性损害。 

本发明从提高铸坯质量、合金元素对强韧性作用机理、TMCP工艺对强韧性提高机理、组织控制方面综合利用，达到强韧性要求，尤其提高了低温冲击韧性。 

本发明与国内外同等强度级别钢种相比，在屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥720MPa，延伸率≥20%条件下，具有更优良的低温冲击韧性，即韧脆转折温度低于-60℃且-60℃冲击功≥200J，其适用于制造在极端寒冷环境中工作的工程机械，并且由于不含Ni且Cr、Mo和其它微合金含量相对较低，成本大幅降低；采用TMCP工艺，不需要热处理、RPC、堆垛缓冷等其它复杂加工工艺，生产工艺简单，生产效率高。 

附图说明

附图为本发明钢的金相组织结构图。 

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述： 

实施例1

一种高韧性工程机械用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.04%，Si：0.31%，Mn：1.75%，Als：0.015%，P：0.0145%，S：0.008%，以任意比例的混合的Nb+Ti：0.06%，以任意比例的混合的Mo+Cr：0.40%，其余为Fe和微量杂质元素。

采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢，其步骤： 

1）冶炼并连铸成坯，A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比在1.5级，其余杂质重量百分比含量控制在： O：0.00286%，N：0.004%，H：0.00019%；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1180~1190℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1050~1055℃，累计压下率在70%；控制第二段开轧温度在860~865℃，末三道累计压下率在42%，终轧温度在810~815℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在480~485℃，冷却速度控制在5℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

实施例2 

一种高韧性工程机械用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.048%，Si：0.25%，Mn：1.9%，Als：0.026%，P：0.014%，S：0.0075%，以任意比例的混合的Nb+Ti：0.075%，以任意比例的混合的Mo+Cr：0.20%，其余为Fe和微量杂质元素。

采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢，其步骤： 

1）冶炼并连铸成坯，A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比在1.5级，其余杂质重量百分比含量控制在：O：0.0029%，N：0.0035%，H：0.0002%；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1190~1200℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1060~1075℃，累计压下率在65%；控制第二段开轧温度在880~885℃，末三道累计压下率在40%，终轧温度在820~825℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在490~495℃，冷却速度控制在8℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

实施例3 

一种高韧性工程机械用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.052%，Si：0.37%，Mn：1.6%，Als：0.034%，P：0.0141%，S：0.007%，以任意比例的混合的Nb+Ti：0.082%，以任意比例的混合的Mo+Cr： 0.29%，其余为Fe和微量杂质元素。

采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢，其步骤： 

1）冶炼并连铸成坯，A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比在1.5级，其余杂质重量百分比含量控制在： O：0.0022%，N：0.0031%，H：0.000186%；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1195~1205℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1090~1100℃，累计压下率在61%；控制第二段开轧温度在890~895℃，末三道累计压下率在38%，终轧温度在830~835℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在500~505℃，冷却速度控制在10℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

实施例4 

一种高韧性工程机械用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.061%，Si：0.45%，Mn：1.78%，Als：0.041%，P：0.0141%，S：0.0073%， 以任意比例的混合的Nb+Ti：0.09%，以任意比例的混合的Mo+Cr： 0.36%，其余为Fe和微量杂质元素。

采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢，其步骤： 

1）冶炼并连铸成坯，A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比在1.0级，其余杂质重量百分比含量控制在： O：0.00235%，N：0.0033%，H：0.00019%；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1240~1250℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1105~1115℃，累计压下率在60%；控制第二段开轧温度在895~900℃，末三道累计压下率在36%，终轧温度在840~845℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在520~525℃，冷却速度控制在11℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

实施例5 

一种高韧性工程机械用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.07%，Si：0.41%，Mn：1.85%，Als：0.05%，P：0.0132%，S：0.0071%，以任意比例的混合的Nb+Ti：0.079%，以任意比例的混合的Mo+Cr：0.4%，其余为Fe和微量杂质元素。

采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢，其步骤： 

1）冶炼并连铸成坯，A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比在1.0级，其余杂质重量百分比含量控制在： O：0.00235%，N：0.0033%，H：0.00019%；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1225~1235℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1115~1120℃，累计压下率在59%；控制第二段开轧温度在875~880℃，末三道累计压下率在35%，终轧温度在845~850℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在535~540℃，冷却速度控制在12℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

表1为上述各实施例经试验后的力学性能检测结果列表。 

表1各实施例经试验后的力学性能检测结果列表 

从表1可以看出，本发明-60℃冲击功≥200J，最高达225J，其完全适用于制造在极端寒冷环境中工作的工程机械。 

Claims (1)

1.采用TMCP生产一种高韧性工程机械用钢的方法 ，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯，并控制A、B、C及D类夹杂物含量总重量百分比不超过1.5级，其余杂质重量百分比含量控制在： O≤0.003%，N≤0.004%，H≤0.0002%；钢水冶炼终点组分及重量百分比含量为：C：0.04~0.07%，Si：0.25~0.45%，Mn：1.75~1.90%，Als：0.015~0.05%，P：≤0.015%，S：≤0.008%， Nb+Ti：0.06~0.09%，Mo+Cr：0.20~0.40%，其余为Fe和微量杂质元素；Nb与Ti、Mo与Cr以任意比例添加；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1225~ 1240℃；

3）进行分段轧制：控制第一段开轧温度在1050~1120℃，累计压下率不低于55%；控制第二段开轧温度在860~900℃，末三道累计压下率不低于35%，终轧温度在810~850℃；

4）进行层流冷却，终冷温度控制在480~540℃，冷却速度控制在5~12℃/秒；

5）自然冷却至室温，待用。

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