CN107058878B

CN107058878B - 一种低碳合金钢及其制备方法

Info

Publication number: CN107058878B
Application number: CN201710523168.4A
Authority: CN
Inventors: 范汇吉; 李毅; 丁美莲; 陈波
Original assignee: Construction Machinery Branch of XCMG
Current assignee: Jiangsu Xugong Construction Machinery Research Institute Co ltd
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: CN107058878A

Abstract

本发明涉及一种低碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：(1)获得原料铸钢；(2)对上一步的产品进行正火处理；(3)对上一步的产品进行第一回火处理；可选地，(4)对上一步的产品进行表面硬化处理；所述原料铸钢的化学组成包括：C：0.18wt％～0.24wt％；Si：0.25wt％～0.55wt％；Mn：0.60wt％～1.10wt％；Cr：0.40wt％～0.80wt％；Ni：0.60wt％～1.0wt％；Mo：0.30wt％～0.60wt％；P≤0.020wt％；S≤0.020wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。该低碳合金钢具有较好的力学性能，特别适合用作履带板。

Description

一种低碳合金钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢材料领域，具体涉及一种低碳合金钢及其制备方法。

背景技术

履带式起重机是基建、风电、石油、化工等领域吊装作业不可缺少的工程机械。履带板是履带式起重机行走机构的重要组成部件，也是履带式起重机的主要承载部件，其工作时不仅要承担整机的重量，而且还要承担起吊物的重量。履带板工况恶劣，不仅要承受冲击、挤压、拉伸、弯曲等多种应力作用，还要与砂石、泥土、支重轮、驱动轮等直接接触，遭受严重的磨损。近年来，随着风电行业的兴起，履带式起重机吊装行走作业工况越来越多，履带板磨损、断裂现象更加严重，对履带板的性能提出了更高的要求。

发明内容

本发明第一方面提供一种低碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)获得原料铸钢；

(2)对上一步的产品进行正火处理；

(3)对上一步的产品进行第一回火处理；

可选地，

(4)对上一步的产品进行表面硬化处理；

所述原料铸钢的化学组成包括：

C：0.18wt％～0.24wt％(例如0.19wt％、0.20wt％、0.21wt％、0.22wt％或0.23wt％)；

Si：0.25wt％～0.55wt％(例如0.3wt％、0.35wt％、0.4wt％、0.45wt％、0.5wt％)；

Mn：0.60wt％～1.10wt％(例如0.65wt％、0.7wt％、0.75wt％、0.8wt％、0.85wt％、0.9wt％、0.95wt％、1.0wt％或1.05wt％)；

Cr：0.40wt％～0.80wt％(例如0.45wt％、0.5wt％、0.55wt％、0.6wt％、0.65wt％、0.7wt％、0.75wt％或0.80wt％)；

Ni：0.60wt％～1.0wt％(例如0.65wt％、0.7wt％、0.75wt％、0.80wt％、0.85wt％、0.90wt％或0.95wt％)；

Mo：0.30wt％～0.60wt％(例如0.35wt％、0.4wt％、0.45wt％、0.5wt％、或0.55wt％)；

P≤0.020wt％(例如P≤0.015wt％、P≤0.010wt％)；

S≤0.020wt％(例如S≤0.015wt％、S≤0.010wt％)；

余量为Fe和不可避免的杂质；

优选地，所述原料铸钢的化学组成还包括Re：0.03wt％～0.05wt％(例如0.035wt％、0.04wt％、0.045wt％)；

优选地，所述原料铸钢的化学组成还包括B：0.002wt％～0.005wt％(例如0.003wt％或0.004wt％)；

优选地，表面硬化处理后低碳合金钢的表面硬度为40～45HRC。

在一个实施方案中，表面硬化处理是指对低碳合金钢的全部或部分表面进行表面硬化处理。

在一个实施方案中，所述原料铸钢的化学组成包括以下一项或多项：

C：0.2wt％～0.24wt％；

Si：0.3wt％～0.55wt％；

Mn：0.8wt％～1.10wt％；

Cr：0.60wt％～0.80wt％；

Ni：0.75wt％～1.0wt％；

Mo：0.55wt％～0.60wt％；

Re：0.04wt％～0.05wt％；

B：0.003wt％～0.005wt％；

P≤0.015％；

S≤0.015％。

在一个实施方案中，正火处理包括：

将上一步的产品加热至AC3以上30～80℃(例如40～50℃、50～60℃、60～70℃)，保温，然后冷却；

优选地，正火处理包括将上一步的产品加热至860～940℃(例如860～870℃、870～880℃、880～890℃、890～900℃、900～910℃、910～920℃、920～930℃、930～940℃)；

优选地，所述冷却是在气体冷却介质中冷却。

在一个实施方案中，第一回火处理包括：

将上一步的产品加热至580～650℃(例如580～590℃、590～600℃、600～610℃、610～620℃、620～630℃、630～640℃、640～650℃)，保温，然后冷却；

优选地，所述冷却是在液体冷却介质中。

在一个实施方案中，本发明低碳合金钢的制备方法的步骤(2)和(3)之间不包括淬火处理的步骤。

在一个实施方案中，本发明低碳合金钢的制备方法的步骤(2)和(3)之间还包括：

对上一步的产品进行淬火处理；

优选地，淬火处理包括：将上一步的产品加热至AC3以上30～50℃(例如40℃)，保温，然后以大于临界冷却速度的冷速将钢冷却到Ms以下；

优选地，淬火处理包括将上一步的产品加热至850～930℃(例如850～860℃、860～870℃、870～880℃、880～890℃、890～900℃、900～910℃、910～920℃、920～930℃)；

优选地，所述冷却是在液体冷却介质冷却。

在一个实施方案中，本发明的制备方法的步骤(4)中，所述表面硬化处理包括，对第一回火处理后的产品进行表面淬火的步骤；

优选地，表面淬火包括感应淬火。

在一个实施方案中，感应淬火是使用交流电通过感应器产生交变磁场，工件穿过并切割交变磁场，在工件内部形成交变电流，由于集肤效应，交变电流集中在工件表层，电流克服电阻将电能转化为热能，对表层加热。感应淬火的加热时间短，瞬时完成加热，对基体热影响小。感应器的形状可以根据工件形状进行仿形制作。

在一个实施方案中，表面淬火包括：将第一回火处理后的产品加热到890～960℃，加热后立即冷却(优选在冷却过程中向产品表面喷液体冷却介质)。

在一个实施方案中，本发明的制备方法的步骤(4)中，所述表面硬化处理还包括，对表面淬火后的产品进行第二回火处理的步骤。

优选地，第二回火处理包括将表面硬化处理的产品加热到160～200℃，保温，然后冷却；

优选地，所述冷却是在气相冷却介质中冷却。

在一个实施方案中，所述低碳合金钢含有回火索氏体组织。

在一个实施方案中，所述低碳合金钢含有粒状贝氏体组织。

本发明又一方面提供一种低碳合金钢，由本发明的方法制备获得。

在一个实施方案中，本发明的低碳合金钢具有以下一项或多项特征：

-硬度250～305HBW(例如270～290HBW，再例如260HBW、270HBW、280HBW、290HBW、300HBW)；

-屈服强度800～930MPa(例如820～850MPa，再例如810MPa、820MPa、830MPa、840MPa、850MPa、860MPa、870MPa、880MPa、890MPa、900MPa、910MPa、920MPa、930MPa)；

-抗拉强度900～1000MPa(例如910～965MPa，再例如910MPa、920MPa、930MPa、940MPa、950MPa、960MPa、970MPa、980MPa、990MPa或1000MPa)；

-断后伸长率12～16％(例如13～16％，再例如13％、14％、15％或16％)；

-断面收缩率35～50％(例如35～50％，再例如48％、40％、42％、44％、46或48％)；

-室温冲击功70～90J(例如75～90J，再例如75J、80J、85J或90J)；

-冲击功/-40℃45～55J(例如45～50J，再例如46J、48J、50J、52J、54J或55J)。

本发明又一方面提供一种履带板的制备方法，包括使用本发明的方法制备低碳合金钢；

优选地，步骤(1)中，所述铸钢原料符合履带板的形状和/或尺寸要求；

优选地，步骤(4)中，对履带板的驱动面和/或支重面进行表面硬化处理；

优选地，履带板经表面硬化处理后的表面的硬度为40～45HRC。

本发明又一方面提供一种履带板，由本发明的方法制备获得。

在一个实施方案中，履带板为起重机履带板或挖掘机履带板。

在一个实施方案中，低碳合金钢硬化处理后表面的硬度为40～45HRC(例如41HRC、42HRC、43HRC、44HRC、45HRC)。

在一个实施方案中，液体冷却介质包括水、水溶液、油、油溶液。所述水溶液或油溶液中可以含有有机添加剂或无机添加剂。

在一个实施方案中，淬火处理步骤中，冷却方式可以包括，保温后，将产品先浸入水中，冷却一定时间，然后再浸入油中冷却。

在一个实施方案中，第一回火处理步骤中，冷却方式可以包括，保温后，将产品在水或油中进行冷却，以避免回火脆性发生。

在一个实施方案中，感应淬火处理步骤中，冷却方式可以包括，保温后，在产品表面喷淬火液进行冷却。

在一个实施方案中，液体冷却介质可以是PAG淬火液，例如6～10％PAG淬火液。PAG淬火液可以是以特定的聚醚类非离子型高分子聚合物(PAG)加上能获得其他辅助性能的复合添加剂和适量的水配置而成的水基淬火液。

在一个实施方案中，气体冷却介质包括空气、还原性气体或惰性气体。

在一个实施方案中，将钢在气体冷却介质中冷却包括空冷或风冷。空冷是在空气中冷却。风冷是在流动的气体冷却介质中冷却。

在一个实施方案中，将钢在气体冷却介质中冷却时，在钢的表面喷洒液体冷却介质，例如喷洒水、水溶液、油或油溶液。

在一个实施方案，正火处理包括：将钢加热至AC3以上(30～80)℃，保温一段时间后，出炉在气体冷却介质中冷却(例如空冷或风冷)。

正火处理能够使钢的合金成分均匀、晶粒细化。

在一个实施方案中，淬火处理包括：将钢加热至AC3以上(30～50)℃，保温一段时间后，出炉以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下。以获得马氏体组织。

在一个实施方案中，临界冷却速度是指只发生马氏体转变的最小冷却速度。

在一个实施方案中，淬火处理后的钢含有马氏体组织。

在一个实施方案中，第一回火处理包括：将正火处理(或淬火处理)后的钢件加热至580～650℃，保温一段时间后，出炉在液体冷却介质(例如水、冷却液等)中快速冷却。

在一个实施方案中，第一回火处理后的钢具有较优的综合力学性能。

在一个实施方案中，第二回火处理是低温回火处理，优选包括将表面硬化处理的产品加热到160～200℃，保温，然后冷却。

在一个实施方案中，稀土RE包括选自Nd、Sm、Pr、Dy、La、Ce、Gd、Tb、Ho、Er、Eu、Tm、Yb、Lu、Y、Sc、稀土混合物、或者它们的组合。

在一个实施方案中，稀土RE包括La、Ce、Y中的一种或多种。

在一个实施方案中，稀土RE是含La、Ce和Y的稀土混合物。

在一个实施方案中，所述低碳合金钢是铸钢；

在一个实施方案中，所述低碳合金钢是履带板用低碳合金钢。

本发明的有益效果

本发明一个或多个实施例具有以下一项或多项有益效果：

1)低碳合金钢符合履带板用钢的力学性能指标；

2)低碳合金钢具的硬度符合履带板性能要求，例如在250～350HBW之间，再例如在270～320HBW之间；

3)低碳合金钢具有较高的屈服强度；

4)低碳合金钢具有较高的抗拉强度；

5)低碳合金钢具有较高的断后伸长率；

6)低碳合金钢具有较高的断面收缩率；

7)低碳合金钢具有较高的冲击功(室温)；

8)低碳合金钢具有较高的冲击功(-40℃)；

9)低碳合金钢表面硬化处理后的硬度适中，不会因淬硬层硬度高，破坏与支重轮、驱动轮的硬度匹配；

10)低碳合金钢的制备成本更低；

11)低碳合金钢的制备方法在正火和回火的步骤间不包括淬火的步骤，避免了履带板在淬火急冷过程中产生开裂导致履带板报废的现象，提高了成品率；

12)低碳合金钢中C、P、Cr、Mn或Mo含量低，淬裂倾向较小；

13)低碳合金钢具有以下一项或多项优点：较高的刚度、强度、塑性和低温韧性，耐磨性也显著提高，且淬裂倾向小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为实施例1的随炉试棒的金相图；

图2为实施例6的随炉试棒的金相图；

图3为实施例11的随炉试棒的金相图；

图4为实施例12的随炉试棒的金相图。

具体实施方式

现在将详细提及本发明的具体实施方案。具体实施方案的例子图示在附图中。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。

以下实施例中，稀土RE是含镧(La)、铈(Ce)和钇(Y)的稀土混合物。

实施例1

铸造：使用表1所示成分浇铸履带板及随炉试棒。

表1成分含量(wt％)

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Re	B
											含量	0.20	0.30	0.80	0.015	0.015	0.60	0.75	0.55	0.043	0.003

正火处理：将履带板及随炉试棒加热至正火处理温度880℃，保温3h，出炉空冷。

淬火处理：将正火后的履带板及随炉试棒加热至淬火处理温度870℃，保温2.5h，采用8％PAG淬火液进行冷却。

第一回火处理：将淬火后的履带板及随炉试棒加热至第一回火处理温度610℃，保温3h，采用8％PAG淬火液进行冷却。

图1为实施例1的履带板的金相图。如图所示，履带板含有回火索氏体组织。

实施例2

参照实施例1的方法，调整了履带板成分、正火处理温度、淬火处理温度、第一回火处理温度，进行了多个实施例。

表2成分含量及热处理工艺

实施例6

铸造：使用表3所示成分浇注履带板及随炉试棒。

表3成分含量(wt％)

正火处理：将履带板及随炉试棒加热至880℃，保温3h，出炉空冷。

第一回火处理：将正火后的履带板及随炉试棒加热至610℃，保温3h，采用8％PAG淬火液进行冷却。

图2为实施例6的低碳合金钢随炉试棒的金相图。如图所示，该低碳合金钢含有粒状贝氏体组织。

实施例7～10

参照实施例6的方法，调整了履带板成分、正火处理温度、第一回火处理温度，进行了多个实施例。

表4

性能测试：

参照《GB/T 231.1-2009金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》测试了随炉试棒的布氏硬度；参照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测试了随炉试棒的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率；参照《GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》测试了随炉试棒的冲击功。

实施例1～10的随炉试棒尺寸参数如下：φ40mm×250mm。

表5随炉试棒力学性能测试结果

实施例1～10采用低碳低合金铸钢作为履带板铸钢材质，低碳合金钢材质中C、P、Cr、Mn和/或Mo含量较低，淬裂倾向较小。

如表5所示，实施例1～5的低碳合金钢的硬度为288～301HBW；屈服强度为882～922MPa；抗拉强度为950～996MPa；断后伸长率为12.5～14％；断面收缩率为35～45％；冲击功(室温)为72～89J；冲击功(-40℃)为40～55J。该低碳合金钢符合履带板的性能要求。

实施例6～10的低碳合金钢的硬度为271～285HBW；屈服强度为811～845MPa；抗拉强度为910～961MPa；断后伸长率为13.5～15％；断面收缩率为37～50％；冲击功(室温)为77～85J；冲击功(-40℃)为45～50J。该低碳合金钢符合履带板的性能要求。

实施例1～10的低碳合金钢的；硬度为271～301HBW；屈服强度为811～922MPa；抗拉强度为910～996MPa；断后伸长率为12.5～15％；断面收缩率为35～50％；冲击功(室温)为72～89J；冲击功(-40℃)为40～55J。该低碳合金钢符合履带板的性能要求。

综上，实施例1～5采用正火+淬火+第一回火处理工艺，实施例6～10采用正火+第一回火处理工艺，均获得较高的强度、塑性和良好的低温韧性的低碳合金钢，符合履带板用钢的力学性能要求。

发明人出人意料地发现，相比于实施例1～5，实施例6～10虽然减少了淬火工序，但所得产品的力学性能却与实施例1～5基本相同，产品强度略有降低，塑性有所提高。而且，实施例6～10所得产品的组织是粒状贝氏体，不同于实施例1～5的回火索氏体。即，实施例6～10首次采用正火+第一回火热处理工艺制备了新的履带板用合金钢，该新的合金钢的组织不同于传统履带板用合金钢的组织，该新的合金钢性能符合履带板用合金钢的性能要求。

此外，实施例6～10的方法减少了淬火工序，避免了履带板在淬火急冷过程中产生开裂导致履带板报废的现象，提高了成品率。

实施例11～12

对实施例1和6获得的履带板及随炉试棒产品进一步进行了表面感应淬火和第二回火(低温回火)处理，分别获得实施例11和12的低碳合金钢。

具体地，感应淬火处理：使用4.0kHz的中频感应设备分别对履带板支重面、驱动面及随炉试棒进行感应加热，淬火温度为890～960℃，喷水冷却，淬硬层深度为3～5mm。

第二回火(低温回火)处理：将履带板及随炉试棒加热至180℃，保温2h，出炉空冷。

图3和图4分别示出实施例11和12的履带板表面淬硬层的组织。如图3和4所示，上述组织都为第一回火马氏体。实施例11和12的低碳合金钢的表面至3～5mm深度处为第一回火马氏体组织

经检测，实施例11～12的随炉试棒经第二回火(低温回火)后，表面淬硬层的硬度在40～45HRC之间。

履带板—支重轮、履带板—驱动轮是两对摩擦副，摩擦副间的硬度匹配好坏，影响着履带板、驱动轮和支重轮的使用寿命。由上述实验数据可知，实施例1和6的低碳合金钢经表面感应淬火和第二回火(低温回火)工艺后，硬度在40～45HRC之间，与支重轮、驱动轮之间可以实现良好的硬度匹配。相比之下，传统的中碳合金钢(例如ZG28NiCrMo、ZG30NiCrMo和ZG34Cr2Ni2Mo等)经同等条件处理后，硬度在50～55HRC，硬度较高，容易破坏与支重轮、驱动轮间的硬度匹配。

Claims

1.一种低碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)获得原料铸钢；

(2)对上一步的产品进行正火处理；

(3)对上一步的产品进行第一回火处理；

(4)对上一步的产品进行表面硬化处理；

所述原料铸钢的化学组成包括：

C：0.18wt％～0.24wt％；

Si：0.25wt％～0.55wt％；

Mn：0.60wt％～1.10wt％；

Cr：0.40wt％～0.80wt％；

Ni：0.60wt％～1.0wt％；

Mo：0.30wt％～0.60wt％；

P≤0.020wt％；

S≤0.020wt％；

余量为Fe和不可避免的杂质；

步骤(2)和(3)之间不包括淬火处理的步骤；

正火处理包括：将上一步的产品加热至AC3以上30～80℃，保温，然后在气体介质中冷却；

第一回火处理包括：将上一步的产品加热至580～650℃，保温，然后在液体介质中冷却；

所述表面硬化处理包括，对第一回火处理后的产品进行表面淬火的步骤，表面淬火包括：将第一回火处理后的产品加热到890～960℃，加热后立即冷却，在冷却过程中向产品表面喷液体冷却介质；

所述低碳合金钢是铸钢。

2.根据权利要求1所述的方法，所述原料铸钢的化学组成还包括Re：0.03wt％～0.05wt％。

3.根据权利要求1所述的方法，所述原料铸钢的化学组成还包括B：0.002wt％～0.005wt％。

4.根据权利要求1所述的方法，表面硬化处理后低碳合金钢的表面硬度为40～45HRC。

5.根据权利要求1所述的方法，所述原料铸钢的化学组成包括以下一项或多项：

C：0.2wt％～0.24wt％；

Si：0.3wt％～0.55wt％；

Mn：0.8wt％～1.10wt％；

Cr：0.60wt％～0.80wt％；

Ni：0.75wt％～1.0wt％；

Mo：0.55wt％～0.60wt％；

Re：0.04wt％～0.05wt％；

B：0.003wt％～0.005wt％；

P≤0.015％；

S≤0.015％。

6.根据权利要求1所述的方法，正火处理包括将上一步的产品加热至860～940℃。

7.根据权利要求1所述的方法，表面淬火包括感应淬火。

8.根据权利要求1所述的方法，步骤(4)中，所述表面硬化处理还包括，对表面淬火后的产品进行第二回火处理的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，第二回火处理包括将表面硬化处理的产品加热到160～200℃，保温，然后冷却。

10.根据权利要求9所述的方法，所述冷却是在气相冷却介质中冷却。

11.根据权利要求1所述的方法，所述低碳合金钢含有粒状贝氏体组织。

12.一种低碳合金钢，由权利要求1～11任一项的方法制备获得。

13.权利要求12的低碳合金钢，其具有以下特征：

硬度为271～285HBW；

屈服强度为811～845MPa；

抗拉强度为910～961MPa；

断后伸长率为13.5～15％；

断面收缩率为37～50％；

冲击功/室温为77～85J；和

冲击功/-40℃为45～50J。

14.一种履带板的制备方法，包括使用权利要求1～11任一项的方法制备低碳合金钢。

15.根据权利要求14所述的方法，步骤(1)中，所述铸钢原料符合履带板的形状和/或尺寸要求。

16.根据权利要求14所述的方法，步骤(4)中，对履带板的驱动面和/或支重面进行表面硬化处理。

17.根据权利要求16所述的方法，硬化处理后的表面的硬度为40～45HRC。

18.一种履带板，由权利要求14的方法制备获得。

19.根据权利要求18所述的履带板，所述履带板为起重机履带板或挖掘机履带板。