CN104831187A - 一种筑路工程机械用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种筑路工程机械用钢及其制造方法，所述机械用钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％，所述机械用钢质量百分比包括：C：0.16～0.22％、Si：0.15～0.35％、Mn：1.35～1.58％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al:0.02～0.05％、Mo:0.30～0.50％、Nb:0.030～0.055％，以及Ni和Cr中的一种或两种的混合，Ni:0.15～0.30％，Cr:0.35～0.60％，其余为Fe及不可避免的夹杂。上述机械用钢具有屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％的特性，因此，能够满足筑路工程机械设备部件中的齿轮服役要求，解决了或部分解决了现有技术中的钢锻件的拉伸性能中强度偏高而塑性偏低，在小于-10℃以下的温度或100～400℃中高温下，材料的冲击韧性不能保证，不能满足用于筑路机械设备的服役要求的技术问题。

Description

一种筑路工程机械用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢材料技术领域，尤其涉及一种筑路工程机械用钢及其制造方法。

背景技术

筑路工程机械中的路面机械设备的合金齿轮部件常在中高温(100～400℃)下工作且为受力构件，要求钢板具有耐热稳定性和强韧性，而且齿轮在啮合时在中高温度下，齿轮表面在高温和磨损的共同作用下易导致齿轮啮合面的氧化磨损，降低该类设备构件的使用寿命。为满足建造筑路工程机械设备的需要，提高机械受力受热构件的强度和可靠性基础上，逐步提高钢板在中高温环境下的耐磨性和冲击韧性，发明了此类钢种，此类钢种可应用于各种大中小型筑路工程机械设备的路面机械设备构建的制造，设计温度为-30～350℃，以及一般类工程机械领域内合金齿轮等受力受热构件的制造。

现有的20MnMoNb钢锻件的化学成分组成如下：C：0.17～0.23％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.30～1.60％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr＜0.30％，Ni＜0.30％，Mo：0.45～0.65％，Nb：0.025～0.050％，Cu≤0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。该钢采用锻造方法生产出成品钢锻件。钢锻件经调质后的力学性能为屈服强度ReL≥470MPa、Rm：620～790MPa，A≥16％、-10℃KV2≥41J。因此，该钢锻件的拉伸性能中强度偏高而塑性偏低，低温韧性仅在-10℃下具有一定的优势，小于-10℃以下的温度或100～400℃中高温下，材料的冲击韧性不能保证，不能满足该钢种用于筑路工程机械中的路面机械设备的合金齿轮部件的服役要求。

发明内容

本申请提供一种筑路工程机械用钢及其制造方法，解决了或部分解决了现有技术中的钢锻件的拉伸性能中强度偏高而塑性偏低，在小于-10℃以下的温度或100～400℃中高温下，材料的冲击韧性不能保证，不能满足用于筑路机械设备的服役要求的技术问题。

本申请提供一种筑路工程机械用钢，所述机械用钢的的屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％，所述机械用钢质量百分比包括：

C：0.16～0.22％、Si：0.15～0.35％、Mn：1.35～1.58％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al:0.02～0.05％、Mo:0.30～0.50％、Nb:0.030～0.055％，以及Ni和Cr中的一种或两种的混合，Ni:0.15～0.30％，Cr:0.35～0.60％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

优选地，所述机械用钢的组分满足7Nb+2Mn≤5Mo+3Cr≤23C且Mo+9.5Nb≥4C。

优选地，所述机械用钢的钢板厚度25mm～90mm，钢板的横向20℃冲击功值大于等于60J，钢板的横向400℃冲击功值大于等于150J。

优选地，400℃高温运行10⁵小时的持久强度大于350MPa，不大于400℃温度服役环境下氧化深度小于等于0.025mm/年

优选地，在-30～300℃时，所述机械用钢的金相组织为铁素体+贝氏体+珠光体，所述铁素体的晶粒度大于等于8级。

本申请还提供一种筑路工程机械用钢的制造方法，用于制造所述的机械用钢，所述方法包括：

冶炼并连铸成铸坯；

对所述铸坯加热，控制加热温度在1170～1250℃，控制加热速率为大于等于8min/cm；

进行热轧，控制热轧开轧温度1050～1190℃，控制末三道次累计压下率不低于30％；控制终轧温度为790～850℃；

正火处理，控制正火温度在870～940℃，并保温，保温时间等于30～40分钟+以毫米为单位的板厚×1分钟/mm；

回火处理，控制回火温度在620～720℃，并保温，保温时间：40～60分钟+以毫米为单位的板厚×1分钟/mm。

优选地，对所述铸坯的加热温度在1200～1230℃，加热速率为8～14min/cm；

本申请有益效果如下：

上述机械用钢具有屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％的特性，因此，能够满足筑路工程机械设备部件中的齿轮服役要求，解决了或部分解决了现有技术中的钢锻件的拉伸性能中强度偏高而塑性偏低，在小于-10℃以下的温度或100～400℃中高温下，材料的冲击韧性不能保证，不能满足用于筑路机械设备的服役要求的技术问题。

本发明的主要元素的作用有如下特征：

C:0.16～0.22％，

C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，随着碳含量的增加，钢种Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的屈服强度和抗拉强度会提高，二延伸率缺口冲击韧性会下降。碳含量每增加0.1％；抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高40-50MPa。但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大。而且，焊接C含量较高的钢材时，在焊接热影响区还会出现淬硬现象，这将加剧焊接时产生冷裂的倾向。钢中C含量在不大于0.22％的范围内时，既可提高钢的强度有适合生产操作，提高其在工业生产中的适用性和可行性。

Si：0.15～0.35％，

Si能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，但Si会加剧杂质元素在晶界的偏聚，故其含量不宜高，以免降低钢的韧性和焊接性。

Mn：1.35～1.58％，

Mn对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著地作用。含1％的Mn约可提高抗拉强度100MPa。一般说来，Mn含量在2％以下对提高焊缝金属的韧性是有利的，因此，在低碳高强度钢中，普遍提高Mn的含量，最高可达2％。另外，Mn还能提高Nb、V等在钢中的溶解度。但Mn有促进晶粒长大的作用，对过热较敏感，故应控制钢中Mn含量在1.35-1.58％以内。

P≤0.015％、S≤0.010％，

由于钢中的P、S含量必须控制在较低的范围，只有冶炼纯净钢，才能保证本发明钢的性能。

Al：0.02～0.05％，

Al是强烈缩小γ相图的元素，钢中加入Al，一方面作为炼钢时脱氧定氧剂，并且细化晶粒，阻抑低碳钢的时效，另一方面作为合金化元素加入钢中，提高钢的抗氧化性。但是，钢中加入过量铝进行脱氧，将使钢产生反常组织和促进钢的石墨化倾向，且钢中铝较高时，其高温强度和韧性较低，并给冶炼和浇注带来若干困难等。因此，本发明钢将其控制在0.02～0.05％。

Mo：0.30～0.50％

Mo属于缩小γ相区的元素，Mo在钢中存在于固溶体和碳化物相中。Mo在钢中的作用为提高淬透性、提高热强性、防止回火脆性，提高某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向。Mo对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性。Mo是提高钢热强性最有效的合金元素，主要作用在于：(1)显著使形变强化后的软化和回复温度、以及再结晶温度提高；(2)强烈地提高钢中铁素体对蠕变的抗力，此外Mo还有效地抑制渗碳体在工作温度(450～600℃)下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。由于Mo对抑制奥氏体至贝氏体转变的作用不大，为了抑制奥氏体至贝氏体的转变，一般须与其他增加钢淬透性的元素，如Mn、Cr等配合使用。虽Mo能提高钢的回火稳定性，但当Mo含量大于0.50％后，在500～600℃之间进行中高温回火时，由于有Mo的特殊碳化物沉淀析出，弥散分布，出现二次硬化现象。因此，本发明钢将其控制在0.30～0.50％。

Nb:0.030～0.055％

Nb是缩小奥氏体区的元素，是强碳化物形成元素，Nb的加入可防止钢在奥氏体化后温度过高引起过热，减小钢的时效敏感性和改善钢的焊接性能。Nb可以提高钢的热强性。但是，低合金钢中加入过多的Nb(＞0.055％)时，钢板的强度略有提高，而钢的韧性严重降低，降低钢板的使用效果，所以，为了获得较好的强韧性效果，Nb的含量一般控制在0.030～0.055％。

本发明中还含有Ni、Cr中的一种或两种以上：

Cr：0.35～0.60％，

Cr是缩小奥氏体区的元素，是中等强度碳化物形成元素，起到防止石墨化的作用，Cr的加入可提高钢的抗氧化性能耐腐蚀能力。Cr在钢中可以形成碳化物也可固溶于铁素体，但加入过高的Cr(＞0.60％)会提高钢材焊接冷裂纹敏感性，故本发明中Cr的控制在0.35～0.60％％。

Ni≤0.15～0.30％，

Ni具有一定的强化作用，加入1％的Ni可提高钢材强度约20MPa。Ni还能显著地改善钢材的韧性。钢中加入Ni，无论是基材，还是焊接热影响区的韧性都明显提高。但Ni含量过高时，会造成钢板氧化铁皮难以脱落，本发明钢将其控制在0.15～0.30％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请较佳实施方式一种筑路工程机械用钢的金相组织图；

图2为本申请另一较佳实施方式一种筑路工程机械用钢的制造方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本申请提供一种筑路工程机械用钢，所述机械用钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％。

具体地，所述机械用钢质量百分比包括：C(碳)：0.16～0.22％、Si(硅)：0.15～0.35％、Mn(锰)：1.35～1.58％、P(磷)≤0.015％、S(硫)≤0.010％、Al(铝):0.02～0.05％、Mo(钼):0.30～0.50％、Nb(铌):0.030～0.055％，以及元素Ni(镍)和Cr(铬)中的一种或两种的混合，Ni:0.15～0.30％，Cr:0.35～0.60％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

需要说明的是，在本说明书中，式中的元素符号表示钢中该元素的含量(质量％)。

进一步地，为了提升所述机械用钢的性能，所述机械用钢的组分还需要满足7Nb+2Mn≤5Mo+3Cr≤23C且Mo+9.5Nb≥4C。

具体地，所述机械用钢的钢板厚度25mm～90mm，钢板的横向20℃冲击功值大于等于60J，钢板的横向400℃冲击功值大于等于150J。在400℃高温运行105小时的持久强度大于350MPa，小于等于400℃温度服役环境下氧化深度小于等于0.025mm/年，使得所述机械用钢具有高韧性和抗高温氧化磨损的特性。

另外，在30～300℃时，如图1所示，所述机械用钢的金相组织为铁素体+贝氏体+珠光体，所述铁素体的晶粒度大于等于8级。

以下详述本发明中C、Si、Mn、P、S、Al、Ni、Mo、Cr、Nb限定量的理由。本发明的主要元素的作用有如下特征：

C:0.16～0.22％，

C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，随着碳含量的增加，钢种Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的屈服强度和抗拉强度会提高，二延伸率缺口冲击韧性会下降。碳含量每增加0.1％；抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高40-50MPa。但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大。而且，焊接C含量较高的钢材时，在焊接热影响区还会出现淬硬现象，这将加剧焊接时产生冷裂的倾向。钢中C含量在不大于0.22％的范围内时，既可提高钢的强度有适合生产操作，提高其在工业生产中的适用性和可行性。

Si：0.15～0.35％，

Si能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，但Si会加剧杂质元素在晶界的偏聚，故其含量不宜高，以免降低钢的韧性和焊接性。

Mn：1.35～1.58％，

Mn对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著地作用。含1％的Mn约可提高抗拉强度100MPa。一般说来，Mn含量在2％以下对提高焊缝金属的韧性是有利的，因此，在低碳高强度钢中，普遍提高Mn的含量，最高可达2％。另外，Mn还能提高Nb、V等在钢中的溶解度。但Mn有促进晶粒长大的作用，对过热较敏感，故应控制钢中Mn含量在1.35-1.58％以内。

P≤0.015％、S≤0.010％，

由于钢中的P、S含量必须控制在较低的范围，只有冶炼纯净钢，才能保证本发明钢的性能。

Al：0.02～0.05％，

Al是强烈缩小γ相图的元素，钢中加入Al，一方面作为炼钢时脱氧定氧剂，并且细化晶粒，阻抑低碳钢的时效，另一方面作为合金化元素加入钢中，提高钢的抗氧化性。但是，钢中加入过量铝进行脱氧，将使钢产生反常组织和促进钢的石墨化倾向，且钢中铝较高时，其高温强度和韧性较低，并给冶炼和浇注带来若干困难等。因此，本发明钢将其控制在0.02～0.05％。

Mo：0.30～0.50％

Mo属于缩小γ相区的元素，Mo在钢中存在于固溶体和碳化物相中。Mo在钢中的作用为提高淬透性、提高热强性、防止回火脆性，提高某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向。Mo对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性。Mo是提高钢热强性最有效的合金元素，主要作用在于：(1)显著使形变强化后的软化和回复温度、以及再结晶温度提高；(2)强烈地提高钢中铁素体对蠕变的抗力，此外Mo还有效地抑制渗碳体在工作温度(450～600℃)下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。由于Mo对抑制奥氏体至贝氏体转变的作用不大，为了抑制奥氏体至贝氏体的转变，一般须与其他增加钢淬透性的元素，如Mn、Cr等配合使用。虽Mo能提高钢的回火稳定性，但当Mo含量大于0.50％后，在500～600℃之间进行中高温回火时，由于有Mo的特殊碳化物沉淀析出，弥散分布，出现二次硬化现象。因此，本发明钢将其控制在0.30～0.50％。

Nb:0.030～0.055％

Nb是缩小奥氏体区的元素，是强碳化物形成元素，Nb的加入可防止钢在奥氏体化后温度过高引起过热，减小钢的时效敏感性和改善钢的焊接性能。Nb可以提高钢的热强性。但是，低合金钢中加入过多的Nb(＞0.055％)时，钢板的强度略有提高，而钢的韧性严重降低，降低钢板的使用效果，所以，为了获得较好的强韧性效果，Nb的含量一般控制在0.030～0.055％。

本发明中还含有Ni、Cr中的一种或两种以上：

Cr：0.35～0.60％，

Cr是缩小奥氏体区的元素，是中等强度碳化物形成元素，起到防止石墨化的作用，Cr的加入可提高钢的抗氧化性能耐腐蚀能力。Cr在钢中可以形成碳化物也可固溶于铁素体，但加入过高的Cr(＞0.60％)会提高钢材焊接冷裂纹敏感性，故本发明中Cr的控制在0.35～0.60％％。

Ni≤0.15～0.30％，

Ni具有一定的强化作用，加入1％的Ni可提高钢材强度约20MPa。Ni还能显著地改善钢材的韧性。钢中加入Ni，无论是基材，还是焊接热影响区的韧性都明显提高。但Ni含量过高时，会造成钢板氧化铁皮难以脱落，本发明钢将其控制在0.15～0.30％。

上述机械用钢具有屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％的特性，因此，能够满足筑路工程机械设备部件中的齿轮服役要求，解决了或部分解决了现有技术中的钢锻件的拉伸性能中强度偏高而塑性偏低，在小于-10℃以下的温度或100～400℃中高温下，材料的冲击韧性不能保证，不能满足用于筑路机械设备的服役要求的技术问题。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种筑路工程机械用钢的制造方法，用于制造所述的机械用钢。图2为本申请较佳实施方式一种筑路工程机械用钢的制造方法的流程图。如图2所示，所述方法包括：

步骤S10，冶炼并连铸成铸坯；

步骤S20，对所述铸坯加热，控制加热温度在1170～1250℃，控制加热速率为大于等于8min/cm；优选地，对所述铸坯的加热温度在1200～1230℃，加热速率为8～14min/cm

步骤S30，进行热轧，控制热轧开轧温度1050～1190℃，控制末三道次累计压下率不低于30％；控制终轧温度为790～850℃；

步骤S40，正火处理，控制正火温度在870～940℃，并保温，保温时间等于30～40分钟+以毫米为单位的板厚×1分钟/mm；如在板厚为50mm时，保温时间则等于80～90分钟，在板厚为70mm时，保温时间则等于100～110分钟；

步骤S50，回火处理，控制回火温度在620～720℃，并保温，保温时间：40～60分钟+以毫米为单位的板厚×1分钟/mm，如在板厚为50mm时，保温时间则等于90～110分钟，在板厚为70mm时，保温时间则等于110～130分钟。

上述筑路工程机械用钢的制造方法制造工艺简单，生产成本低，可高效率生产。

上述机械用钢在成分设计上采用C-Mn-Ni-Mo-Nb系成分，C-Mn-Cr--Mo-Nb或者C-Mn-Cr-Ni-Mo-Nb，控制7Nb+2Mn≤5Mo+3Cr≤23C且Mo+9.5Nb≥4C。利用正火+回火工艺得到铁素体+贝氏体+珠光体组织，同时利用Mo,Nb和/或Cr等微合金元素的复合沉淀析出保证钢材获取足够的韧性和强度。本发明钢经轧制及正火+回火工艺后，具有极优综合力学性能、冷热加工性能和焊接性能。本发明钢可采用手弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊或钨极惰性气体保护焊等方法焊接，能有效降低焊接施工强度，提高焊接效率，可用于各种大中小型筑路工程机械设备的路面机械设备构建的制造。

以下就具体实验比较进行说明。

表1 本发明各实施例与对比例化学成分取值(wt,％)

表2 本发明各实施例与对比例主要工艺参数

表3 本发明各实施例与对比例常温力学性能列表

表4 本发明各实施例与对比例钢种

在500℃压力环境运行1000小时后的500℃高温力学性能对比列表

表5 发明各实施例与对比例钢种高温持久强度、高温氧化深度对比列表

从表3、表4及表5可以看出，本发明不仅具有良好的室温力学性能，而且在高温及长时间运行后，钢板仍具有良好的高温持久强度和韧性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

本发明钢种解决了筑路工程机械设备中路面机械设备部件中的齿轮在高温和磨损的共同作用下易导致齿轮啮合面的氧化磨损及能在高温压力环境中以受外部载荷冲击韧性差的问题，保证材料服役的安全性。该发明钢可用作≤-30～350℃环境条件下工作的大中小型筑路工程机械设备的路面机械设备以及工程机械领域内合金齿轮等受力受热构件的制造。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种筑路工程机械用钢，其特征在于，所述机械用钢的的屈服强度≥400MPa，抗拉强度570～750MPa，延伸率≥17％，所述机械用钢质量百分比包括：

C：0.16～0.22％、Si：0.15～0.35％、Mn：1.35～1.58％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al:0.02～0.05％、Mo:0.30～0.50％、Nb:0.030～0.055％，以及Ni和Cr中的一种或两种的混合，Ni:0.15～0.30％，Cr:0.35～0.60％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

2.如权利要求1所述的机械用钢，其特征在于，所述机械用钢的组分满足7Nb+2Mn≤5Mo+3Cr≤23C且Mo+9.5Nb≥4C。

3.如权利要求2所述的机械用钢，其特征在于，所述机械用钢的钢板厚度25mm-90mm，钢板的横向20℃冲击功值大于等于60J，钢板的横向400℃冲击功值大于等于150J。

4.如权利要求2所述的机械用钢，其特征在于，400℃高温运行10⁵小时的持久强度大于350MPa，不大于400℃温度服役环境下氧化深度小于等于0.025mm/年。

5.如权利要求2所述的机械用钢，其特征在于，在-30～300℃时，所述机械用钢的金相组织为铁素体+贝氏体+珠光体，所述铁素体的晶粒度大于等于8级。

6.一种筑路工程机械用钢的制造方法，用于制造如权利要求1-5中任一权利要求所述的机械用钢，其特征在于，所述方法包括：

冶炼并连铸成铸坯；

对所述铸坯加热，控制加热温度在1170～1250℃，控制加热速率为大于等于8min/cm；

进行热轧，控制热轧开轧温度1050～1190℃，控制末三道次累计压下率不低于30％；控制终轧温度为790～850℃；

正火处理，控制正火温度在870～940℃，并保温，保温时间等于30～40分钟+以毫米为单位的板厚×1分钟/mm；

回火处理，控制回火温度在620～720℃，并保温，保温时间：40～60分钟+以毫米为单位的板厚×1分钟/mm。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述铸坯的加热温度在1200～1230℃，加热速率为8～14min/cm。