CN103556081A

CN103556081A - 一种高强高韧耐磨挖掘机斗齿用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN103556081A
Application number: CN201310528730.4A
Authority: CN
Inventors: 时振明; 翟正龙; 李小雄; 戈文英; 路礼堂; 郭峰
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103556081B

Abstract

本发明涉及一种高强高韧耐磨挖掘机斗齿用钢及其制造方法。该钢的组成按重量百分数为：C:0.23～0.27%，P:0.001～0.025%，Si:0.90～1.20%,S:0.001～0.025%,Mn:2.20～2.60%,Cr:0.10～0.30%,Mo:0.30～0.40%,Cu:0.10～0.30%,V:0.08～0.12%,Ni:0.10～0.30%,[O]:0～15×10^-4%,Al:0.015～0.040%,其它为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供所述挖掘机斗齿用钢的制造方法。所制得低碳硅锰钼钒合金钢具有高强度、高韧性、高纯净度，用于锻造工作环境恶劣的挖掘机斗齿。

Description

一种高强高韧耐磨挖掘机斗齿用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于合金结构钢技术领域，特别涉及一种高强高韧耐磨挖掘机斗齿锻造用低碳硅锰钼钒高性能合金结构钢及其制造方法。

背景技术

斗齿是挖掘机上的重要耗损部件，其结构形式有两种：整体式和组合式。组合式斗齿是目前市场使用最为广泛的结构形式，斗齿与齿座靠销轴连接。其主要失效形式为磨损和断裂。斗齿工作面与被挖掘物直接接触，当其耐磨性不足时就会导致过度磨损而提前报废。锐利棱角的挖掘物在齿面上滑动，犹如刀具一样对齿面产生切削作用而造成斗齿的切削磨损；较软的挖掘物与斗齿反复推挤碾压过程中，齿面反复经历塑性变形，从而因疲劳而引起剥落；挖掘物与斗齿反复作用造成斗齿强烈的塑性变形引起很高的加工硬化，使其脆性增大，在挖掘物的强烈撞击下，会发生碎裂而形成磨损。斗齿在承受物料的冲击和弯曲应力作用下，还会在斗齿的中上部发生早期断裂现象。这就要求斗齿有足够的刚度和耐磨性，同时必须具备良好的塑性、韧性。随着科学技术的发展，挖掘机斗齿的生产从材料到制造工艺都取得了重大突破。斗齿制造传统上采用精密铸造、锻造等工艺，铸造斗齿由于容易产生增碳、粘砂、皱皮、夹渣等缺陷，斗齿的疲劳寿命偏低，越来越无法满足挖掘机斗齿高疲劳寿命和高经济效益的要求，采用锻造工艺加工斗齿具有成本低、材料质量有保障、疲劳寿命高等优势，引起工程机械行业的高度关注，为进一步提高斗齿的疲劳寿命，选择高质量的锻造用钢材成为斗齿锻造行业最迫切需要解决的问题。

CN102140612A公开了一种多元合金铸钢斗齿,其包含的化学成分及相应的重量百分比分别为:C:0.30～1.00;Cr:1.50～3.00;Mn:0.60～1.00;Si:1.00～2.00;Mo:0.20～1.00;Ni:0.5～1.50;Ti:0.005～0.1;Re:0.15～0.25;P/S:≤0.030;余量为Fe;本发明的多元合金铸钢是一种不同于现有斗齿的新钢种,在砂石工况下提高了材料的耐磨性,延长了使用寿命,其性能达到:抗拉强度Rm≥1700Mpa,硬度HRC52～55,夏比冲击Akv≥15J,具有优异的强韧性和高的硬度。

CN103205638A本发明公开了一种耐磨铸钢斗齿及其制备方法，耐磨铸钢斗齿材料成分按重量百分比为：C：0.9～1.2%，Ti：0.2～0.25%，Al：0.08～0.12%，Mo：2～3%，W：3～5%，P：≤0.02%，S：≤0.02%，余量为Fe。本发明通过选择合理铸造、热处理工艺而制备成一种挖掘机斗齿，其性能达到抗拉强度Rm≥1650MPa，夏比冲击Akv≥17J。

以上专利文件的产品主要面向精密铸造斗齿领域，在成分设计、工艺制造等各方面具有独有特点，材料的耐磨性、强度、硬度等技术指标得到一定程度提高，但其抗冲击能力普遍较低。为提高斗齿的疲劳寿命，满足锻造斗齿用材料技术要求，需要一种成分合理的钢材，使得制成的挖掘机斗齿具有更高的冲击韧性，同时，还需要具有高的硬度、耐磨性。现有技术报道的斗齿合金钢上无法满足环境恶劣的挖掘机斗齿的需要。

发明内容

针对锻造挖掘机斗齿现有技术的不足，本发明提供一种高强高韧耐磨挖掘机斗齿用钢及其制造方法，满足锻造斗齿高疲劳寿命的使用要求。

挖掘机斗齿是挖掘机主要工作部件，采用锻造加工方式加工，对钢材的机械性能、内部质量和表面质量都有严格的要求，针对挖掘机斗齿对钢材高质量、高性能要求，本发明主要解决的技术问题是钢的成分设计、生产工艺参数的优化，使产品钢具有高强度、高耐磨性、高塑性、高韧性、高纯净度的特定。

本发明的技术方案如下：

一种挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢，钢的组成按重量百分数为：

其它为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明优选的，所述挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的组成按重量百分数为：

其它为Fe和不可避免的杂质。

进一步优选的，所述挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的组成按重量百分数为：

其它为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明最优选的，所述挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的组成按重量百分数为：

C：0.25%，Si：1.06%，Mn：2.40%，Mo：0.36%，V：0.11%，P：0.015%，S：0.007%，Cr：0.15%，Cu:0.14%，Ni:0.13%，Al:0.026%，[O]:11×10^-4%，其它为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明，所述的挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，包括冶炼及合金化、连铸、热轧制，根据钢的成分设计要求，包括步骤如下：

（1）冶炼及合金化

采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10%、P≤0.012%，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1620～1680℃出钢；LF炉精炼，精炼渣碱度控制在3.0～3.5；白渣保持时间20～30min；LF出钢前钢中喂入Ca线，控制Ca/Al比0.07～0.14；VD真空脱气处理，真空度小于67Pa，保持时间12～20min，VD后软吹氩时间15～20min。

（2）连铸

连铸采用全保护浇铸，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0HZ，末端电磁搅拌参数150A/12HZ，中间包液面700±50mm，结晶器液面波动≤±2mm，中间包过热度按10～20℃控制，连铸拉坯速度为0.57～0.64m/min。铸坯进拉矫机温度≥920℃。铸坯缓冷时间不少于24小时。

（3）轧制

钢坯在加热炉的均热温度为1100～1200℃，允许温差≤25℃，加热时间为2.5～3h；开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为870～970℃；轧制比控制在12～25轧制圆钢。轧制钢材缓冷时间不少于36小时。为保证钢材组织均匀，控制严重带状组织的出现，应保证加热均匀，适当提高终轧温度，控制合理轧制比。

根据本发明的制备方法，进一步优选的工艺条件如下：

步骤（1）中，精炼渣碱度控制在3.2～3.4；白渣保持时间25min；LF出钢前喂入Φ9mm的Ca线1.0～2.0米/吨钢；

步骤（2）中，铸坯缓冷时间24-36小时；步骤（3）中，轧制钢材缓冷时间36-48小时;

步骤（3）中，开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为950～960℃；轧制比控制在12～25。进一步优选轧制比控制在15-16。

本发明的制造方法中未特别限定的均按现有技术。

本发明的低碳硅锰钼钒合金钢具有高强度，高韧性、高纯净度，特别适用于锻造工作环境恶劣的挖掘机斗齿。

本发明制备的的低碳硅锰钼钒合金钢的应用，用于锻造挖掘机斗齿。

本发明的技术特点在于成分和生产工艺的优化设计。为适应挖掘机斗齿的工作要求，其综合力学性能要求具备相当高的强度、硬度，又须具备高的塑性、韧性，经热处理须获得板条状马氏体组织，因此将成分C特别选定在0.23～0.27%；Mn含量限定在2.20～2.50%；Si能显著提高钢的强度，提高过冷奥氏体稳定性，提高钢的回火抗力，选定Si含量在0.90～1.20%；加入一定量的合金V能在很大程度上细化晶粒，提高强度和韧性，Mo为中强碳化物形成元素，起固溶强化作用，在细化晶粒的同时能够抑制钢的回火脆性，特别设计V：0.08～0.12%，Mo：0.30～0.40%；为了保证钢的纯净度，磷、硫都设计在较低的水平，Al控制在0.020～0.030%，同时钢中喂入Ca线对降低D类、DS类夹杂物起到积极作用；保证钢的各项性能。

与现有技术相比，本发明的技术特点及突出效果主要包括以下几个方面：

1.本发明钢是一种低碳硅锰钼钒合金钢，成分设计成分C选定在0.23～0.27%，采用Si、Mn、Mo、V搭配合金化提高钢的强度、塑性、韧性，特别适合用于锻造在恶劣环境下工作的挖掘机斗齿产品。其性能达到：抗拉强度Rm≥1490MPa，硬度HRC53～56，冲击韧度A_kv2≥42J。本发明低碳硅锰钼钒合金钢制成的挖掘机斗齿抗冲击能力显著高于现有的各种斗齿用合金钢。

2.本发明通过生产工艺参数的优化设计，钢材氧含量严格控制在15×10^-4%以下,热顶锻、显微组织和钢材内部质量优良，满足了钢材锻造的技术要求。

3.为保证钢材纯净度，控制夹杂物水平，对本发明的低碳硅锰钼钒合金钢，特别优选精炼碱度渣度控制在3.0～3.5，白渣保持时间20～30min；VD后软吹氩时间15～20min,有利于夹杂物数量的下降及其所占比列的下降。参见实施例表4。

4.全保护浇铸，采用低过热度，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0HZ，末端电磁搅拌参数150A/12HZ，中间包液面700±50mm，结晶器液面波动≤±2mm，中间包过热度按10～20℃控制，保证铸坯质量。为保证轧制钢材质量，铸坯缓冷时间≥24小时；轧制钢材缓冷时间≥36小时。

具体实施方式

下面结合具体实施例来说明本发明的技术方案，但不限于此。

实施例：

本发明低碳硅锰钼钒合金钢是采用UHP（超高功率电炉），LF（炉外精炼），VD真空脱气处理工艺冶炼，通过全保护浇铸连铸，热轧制成材。实施例是以Φ80mm规格圆钢成材的生产来具体说明本发明是如何实施的。

挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，钢的成分如表1所述，步骤如下：

（1）冶炼及合金化，采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10%、P≤0.012%，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1630～1660℃出钢；LF炉外精炼，精炼渣碱度控制在3.0～3.4；白渣保持时间25min；LF出钢前喂入Ca线1.2米/吨钢（Φ9mm）；VD真空脱气处理，真空度小于67Pa，保持时间16min，VD后软吹氩时间17min。

（2）连铸，采用全保护浇铸连铸，中间包液面730mm±30mm，结晶器液面波动≤±2mm，中间包过热度控制在12±2℃，控制连铸中间包钢水温度为1516±2℃，连铸拉坯速度为0.60±0.02m/min。铸坯进拉矫机温度950±5℃。铸坯缓冷时间30小时。

（3）轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1100～1150℃，温差≤20℃，加热时间为2.5～3h；开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为950～960℃；轧制比控制在15.5。轧制钢材缓冷时间48小时。

表1为实施例1-3钢的化学成分，表2为实施例1-3的生产工艺参数，表3为实施例1-3的钢材性能检测结果，表4为实施例1-3钢的夹杂物检测结果。测定方法为本领域常规方法。

表1：实施例1-3钢的化学成分（wt%，Fe余量）

表2：连铸及热轧工艺参数

表3：力学性能及热顶锻

用短比例φ10mm标准试样毛坯热处理后，制得试样测定钢材的纵向力学性能，热处理制度：900±15℃淬火（油），保温时间50min，200±10℃回火（水、空），保温时间4小时。

表4：非金属夹杂物

按GB/T10561-2005检验钢材非金属夹杂物，按照夹杂物的的形态和分布检验A类硫化物类型、B类氧化铝类型、C类硅酸盐类型、D类球状氧化物类型；每类夹杂物按照厚度和直径的不同分为粗系和细系两个系列。

本发明的合金钢材料经锻造加工成斗齿后，在矿山、水利、公路建设等领域成功应用，其良好的耐磨性、抗冲击韧性得到了应用实践的验证。其使用寿命比Mn13、Mn13Cr2斗齿提高260%～270%，比18CrNiMo7-6斗齿疲劳寿命高出40%～50%，比35CrMo斗齿疲劳寿命提高50%～70%，本发明虽然添加了少量Mo、V合金，但相比Mn13、Mn13Cr2钢成本降低15%～20%；相比18CrNiMo7-6成本降低20%-30%，工业应用前景好。本发明的合金钢材料，可显著提高挖掘机斗齿疲劳寿命，有利于推动工程机械行业产业升级。

Claims

1.一种挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢，其特征在于钢的组成按重量百分数为：

其它为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的低碳硅锰钼钒合金钢，其特征在于，钢的组成按重量百分数为：

其它为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的低碳硅锰钼钒合金钢，其特征在于，钢的组成按重量百分数为：

其它为Fe和不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的低碳硅锰钼钒合金钢，其特征在于，钢的组成按重量百分数为：

5.一种权利要求1～4任一项所述的挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，包括冶炼及合金化、连铸、热轧制，根据钢的成分要求，包括步骤如下：

（1）冶炼及合金化

采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10%、P≤0.012%，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1620～1680℃出钢；LF炉精炼，精炼渣碱度控制在3.0～3.5；白渣保持时间20～30min；LF出钢前钢中喂入Ca线，控制Ca/Al比0.07～0.14；VD真空脱气处理，真空度小于67Pa，保持时间12～20min，VD后软吹氩时间15～20min；

（2）连铸

连铸采用全保护浇铸，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0HZ，末端电磁搅拌参数150A/12HZ，中间包液面700±50mm，结晶器液面波动≤±2mm，中间包过热度按10～20℃控制，连铸拉坯速度为0.57～0.64m/min。铸坯进拉矫机温度≥920℃。铸坯缓冷时间不少于24小时；

（3）轧制

钢坯在加热炉的均热温度为1100～1200℃，允许温差≤25℃，加热时间为2.5～3h；开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为870～970℃；轧制比控制在12～25轧制圆钢。轧制钢材缓冷时间不少于36小时。

6.如权利要求5所述的挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，其特征在于步骤（1）中，精炼渣碱度控制在3.2～3.4；白渣保持时间25min。

7.如权利要求5所述的挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，其特征在于步骤（1）中，LF出钢前喂入Φ9mm的Ca线1.0～2.0米/吨钢。

8.如权利要求5所述的挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，其特征在于步骤（2）中，铸坯缓冷时间24-36小时；步骤（3）中，轧制钢材缓冷时间36-48小时。

9.如权利要求5所述的挖掘机斗齿用低碳硅锰钼钒合金钢的制备方法，其特征在于步骤（3）中，开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为950～960℃；轧制比控制在12～25；优选轧制比控制在15-16。

10.权利要求1-4任一项制备的低碳硅锰钼钒合金钢的应用，用于锻造挖掘机斗齿。