CN110358974A - 一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法，涉及钢铁冶炼技术领域，化学成分及质量百分比如下：C:0.13%～0.16%，Mn:1.30%～1.60%，Nb:0.020%～0.050%，Alt:0.020%～0.030%，Ti≤0.010%，Si≤0.12%，P≤0.010%，S≤0.005%，余量为铁和不可避免杂质。添加普通合金元素Nb，配合大压下轧制工艺，充分发挥弥散强化和细化晶粒的作用，提高材料的疲劳性能，具有良好的综合力学性能和较好的表面质量。解决了通过提高刚才强度增加疲劳强度导致的成本增加问题，降低下游企业的生产成本，是一种经济的生产方式。

Description

一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，特别是涉及一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法。
背景技术
在工程机械产品中，焊接结构件约占整机重量的50％-70％，主要采用的钢材为碳素钢和低合金结构钢，以屈服345MPa强度级别为主。工程机械设备大都在野外作业，作业环境恶劣，作业工况非常复杂，承受复杂多变的周期载荷，容易引起疲劳破坏。由于结构件在发生疲劳破坏时没有明显的塑性变形，裂纹也不易觉察，破坏突然发生，是一种非常危险的断裂，为了保证使用安全，工程机械寿命有严格的期限与报废要求。
工程机械挖掘机的结构件如动臂、斗杆、连杆等都是承受各种交变载荷的部位，对疲劳性能要求高。结构件的疲劳性能主要与三方面因素有关：一是结构设计，合理的结构设计是保证疲劳性能的基础和关键；二是焊接质量，焊接环节容易产生焊接缺陷，疲劳裂纹容易发生在焊接的薄弱环节；三是材料本身的疲劳性能。这三个方面是相互影响、相互依存的关系，在前两个因素不变的情况下，可通过提高材料本身的疲劳性能，从而提高整个结构件的疲劳性能。材料的疲劳性能与晶粒尺寸、夹杂物级别、偏析等有密切关系，晶粒尺寸越细，疲劳性能越好，夹杂物等级越小、偏析越轻，材料的疲劳性能越好。
材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系，一般来说，材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高。因此，可通过提高屈服强度来提高材料的疲劳性能。目前，国内已公布关于高疲劳结构钢的专利主要有公开号为CN109022733A的一种600MPa级高疲劳高强度及其制造方法和公开号为CN109112422A的一种780MPa级高疲劳高强度及其制造方法。上述专利均是关于高强度、高疲劳性能的生产方法，通过高Ti合金设计，并加入Mo，生产成本非常高，且主要应用在乘用车或轻卡、商用车领域。而对于以345MPa级为主要原材料的工程机械产品，这样的钢材使用成本非常高，同时钢材强度级别的变化，整个机械产品需要重新做结构设计，增加了机械制造厂的成本。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种屈服345MPa级高疲劳结构钢，化学成分及质量百分比如下：C:0.13％～0.16％，Mn:1.30％～1.60％，Nb:0.020％～0.050％，Alt:0.020％～0.030％，Ti≤0.010％，Si≤0.12％，P≤0.010％，S≤0.005％，余量为铁和不可避免杂质。
技术效果：本发明通过合理设计化学成分，添加普通合金元素Nb，配合大压下轧制工艺，充分发挥弥散强化和细化晶粒的作用，提高材料的疲劳性能，具有良好的综合力学性能和较好的表面质量。解决了通过提高刚才强度增加疲劳强度导致的成本增加问题，降低下游企业的生产成本，是一种经济的生产方式。
本发明的另一目的在于提供一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，包括铸坯加热温度为1130～1150℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为8～12min/cm，均热时间为30～60min；
采用奇道次轧制，当成品厚度为6～12mm时，待温坯厚度设定为成品厚度的4.0～7.0倍；当成品厚度为12～50mm时，待温坯厚度设定为成品厚度的2.2～4.0倍；
精轧开轧温度控制在880～1020℃，精轧最后3道次轧制且累积变形量≥40％，末道次变形量≥10％，精轧终轧温度控制在780～820℃；
精轧结束后，厚度为6～20mm的钢板采用空冷，厚度为20～50mm的钢板返红温度控制在700～720℃。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.14％，Mn:1.30％，Nb:0.028％，Alt:0.022％，Ti:0.003％，Si:0.07％，P:0.008％，S:0.005％，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为150mm，加热温度为1145℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为8min/cm，总时间为120min，均热时间为30min；
采用奇道次轧制，成品厚度为6mm，待温坯厚度设定为成品厚度的7.0倍；
精轧开轧温度控制在1020℃，总轧制道次13道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量45％，末道次变形量12％，精轧终轧温度控制在780℃；
精轧结束后，钢板在冷床上空冷。
前所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.13％，Mn:1.52％，Nb:0.025％，Alt:0.020％，Ti:0.004％，Si:0.12％，P:0.010％，S:0.003％，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为220mm，加热温度为1130℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为10min/cm，总时间为220min，均热时间为45min；
采用奇道次轧制，成品厚度为12mm，待温坯厚度设定为成品厚度的4.0倍；
精轧开轧温度控制在1020℃，总轧制道次11道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量46％，末道次变形量12％，精轧终轧温度控制在800℃；
精轧结束后，钢板在冷床上空冷。
前所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.16％，Mn:1.55％，Nb:0.035％，Alt:0.021％，Ti:0.003％，Si:0.07％，P:0.008％，S:0.004％，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为220mm，加热温度为1150℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为9min/cm，总时间为198min，均热时间为60min；
采用奇道次轧制，成品厚度为22mm，待温坯厚度设定为成品厚度的3.2倍；
精轧开轧温度控制在980℃，总轧制道次11道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量43％，末道次变形量11％，精轧终轧温度控制在820℃；
精轧结束后，钢板返红温度为720℃。
前所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.15％，Mn:1.60％，Nb:0.050％，Alt:0.030％，Ti:0.010％，Si:0.10％，P:0.010％，S:0.003％，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为260mm，加热温度为1140℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为12min/cm，总时间为312min，均热时间为50min；
采用奇道次轧制，成品厚度为50mm，待温坯厚度设定为成品厚度的2.2倍；
精轧开轧温度控制在880℃，总轧制道次9道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量40％，末道次变形量11％，精轧终轧温度控制在790℃；
精轧结束后，钢板返红温度为700℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中采用低Si设计，有利于提高轧制后钢板表面质量，严格控制钢中Al的含量，减少大颗粒脆性夹杂，有利于钢板的疲劳性能；
(2)本发明通过合理的成分设计，采用低温加热制度，同时控制均热时间，防止原始奥氏体晶粒长大，加热时间以保证板坯能够均匀的“烧透”为主要目标，保证了表面与芯部的温度均匀性；
(3)本发明通过控制待温坯厚度、精轧累积变形压下量，增大了精轧过程中形变奥氏体的储能，增加了轧制后组织转变的形核点，起到细化组织的作用；
(4)本发明通过低终轧温度，保持在非再结晶区轧制，并控制末道次压下量，保证大的累积变形量，使奥氏体晶粒充分压扁，在拉长的奥氏体晶粒内产生高密度的形变孪晶和形变带，同时Nb微合金元素的碳氮化物因应变诱导析出，为冷却后铁素体转变提供更多的有利形核位置，起到细化晶粒效果，使晶粒度达到10级以上。
附图说明
图1为实施例1的金相组织图；
图2为实施例2的金相组织图；
图3为实施例3的金相组织图；
图4为实施例4的金相组织图；
图5为实施例1的钢板抛丸前表面质量图；
图6为实施例1的钢板抛丸后表面质量图；
图7为实施例3的钢板在旋转弯曲条件下的S-N疲劳曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.14％，Mn:1.30％，Nb:0.028％，Alt:0.022％，Ti:0.003％，Si:0.07％，P:0.008％，S:0.005％，余量为铁和不可避免杂质。
铸坯厚度为150mm，加热温度为1145℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为8min/cm，总时间为120min，均热时间为30min；
采用奇道次轧制，成品厚度为6mm，待温坯厚度设定为成品厚度的7.0倍；
精轧开轧温度控制在1020℃，总轧制道次13道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量45％，末道次变形量12％，精轧终轧温度控制在780℃；
精轧结束后，钢板在冷床上空冷。
实施例2
本实施例提供的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.13％，Mn:1.52％，Nb:0.025％，Alt:0.020％，Ti:0.004％，Si:0.12％，P:0.010％，S:0.003％，余量为铁和不可避免杂质。
铸坯厚度为220mm，加热温度为1130℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为10min/cm，总时间为220min，均热时间为45min；
采用奇道次轧制，成品厚度为12mm，待温坯厚度设定为成品厚度的4.0倍；
精轧开轧温度控制在1020℃，总轧制道次11道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量46％，末道次变形量12％，精轧终轧温度控制在800℃；
精轧结束后，钢板在冷床上空冷。
实施例3
本实施例提供的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.16％，Mn:1.55％，Nb:0.035％，Alt:0.021％，Ti:0.003％，Si:0.07％，P:0.008％，S:0.004％，余量为铁和不可避免杂质。
铸坯厚度为220mm，加热温度为1150℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为9min/cm，总时间为198min，均热时间为60min；
采用奇道次轧制，成品厚度为22mm，待温坯厚度设定为成品厚度的3.2倍；
精轧开轧温度控制在980℃，总轧制道次11道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量43％，末道次变形量11％，精轧终轧温度控制在820℃；
精轧结束后，钢板返红温度为720℃。
实施例4
本实施例提供的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法，化学成分及质量百分比如下：C:0.15％，Mn:1.60％，Nb:0.050％，Alt:0.030％，Ti:0.010％，Si:0.10％，P:0.010％，S:0.003％，余量为铁和不可避免杂质。
铸坯厚度为260mm，加热温度为1140℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为12min/cm，总时间为312min，均热时间为50min；
采用奇道次轧制，成品厚度为50mm，待温坯厚度设定为成品厚度的2.2倍；
精轧开轧温度控制在880℃，总轧制道次9道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量40％，末道次变形量11％，精轧终轧温度控制在790℃；
精轧结束后，钢板返红温度为700℃。
上述实施例的力学性能及金相组织评级如下表
选取实施例1的钢板表面进行抛丸，钢板抛丸前在冷床冷却照片见图5，抛丸后钢板表面见图6，钢板抛丸前后均未有鱼鳞网状缺陷。
图7为实施例3的钢板在旋转弯曲(应力比-1)条件下的S-N疲劳曲线，从图中可以看出，钢板具有非常有益的疲劳性能，其疲劳极限305MPa。
本发明基于屈服345MPa级别低合金结构钢，提出了提高钢材疲劳性能的制造方法，生产工艺操作简单、生产成本较低，可应用于工程机械产品，如挖掘机、压路机、推土机等，具有广阔的应用前景。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种屈服345MPa级高疲劳结构钢，其特征在于，化学成分及质量百分比如下：C:0.13%～0.16%，Mn:1.30%～1.60%，Nb:0.020%～0.050%，Alt:0.020%～0.030%，Ti≤0.010%，Si≤0.12%，P≤0.010%，S≤0.005%，余量为铁和不可避免杂质。
2.一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，其特征在于：包括
铸坯加热温度为1130～1150℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为8～12min/cm，均热时间为30～60min；
采用奇道次轧制，当成品厚度为6～12mm时，待温坯厚度设定为成品厚度的4.0～7.0倍；当成品厚度为12～50mm时，待温坯厚度设定为成品厚度的2.2～4.0倍；
精轧开轧温度控制在880～1020℃，精轧最后3道次轧制且累积变形量≥40%，末道次变形量≥10%，精轧终轧温度控制在780～820℃；
精轧结束后，厚度为6～20mm的钢板采用空冷，厚度为20～50mm的钢板返红温度控制在700～720℃。
3.根据权利要求2所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，其特征在于：化学成分及质量百分比如下：C:0.14%，Mn:1.30%，Nb:0.028%，Alt:0.022%，Ti:0.003%，Si:0.07%，P:0.008%，S:0.005%，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为150mm，加热温度为1145℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为8min/cm，总时间为120min，均热时间为30min；
采用奇道次轧制，成品厚度为6mm，待温坯厚度设定为成品厚度的7.0倍；
精轧开轧温度控制在1020℃，总轧制道次13道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量45%，末道次变形量12%，精轧终轧温度控制在780℃；
精轧结束后，钢板在冷床上空冷。
4.根据权利要求2所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，其特征在于：化学成分及质量百分比如下：C:0.13%，Mn:1.52%，Nb:0.025%，Alt:0.020%，Ti:0.004%，Si:0.12%，P:0.010%，S:0.003%，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为220mm，加热温度为1130℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为10min/cm，总时间为220min，均热时间为45min；
采用奇道次轧制，成品厚度为12mm，待温坯厚度设定为成品厚度的4.0倍；
精轧开轧温度控制在1020℃，总轧制道次11道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量46%，末道次变形量12%，精轧终轧温度控制在800℃；
精轧结束后，钢板在冷床上空冷。
5.根据权利要求2所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，其特征在于：化学成分及质量百分比如下：C:0.16%，Mn:1.55%，Nb:0.035%，Alt:0.021%，Ti:0.003%，Si:0.07%，P:0.008%，S:0.004%，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为220mm，加热温度为1150℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为9min/cm，总时间为198min，均热时间为60min；
采用奇道次轧制，成品厚度为22mm，待温坯厚度设定为成品厚度的3.2倍；
精轧开轧温度控制在980℃，总轧制道次11道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量43%，末道次变形量11%，精轧终轧温度控制在820℃；
精轧结束后，钢板返红温度为720℃。
6.根据权利要求2所述的一种屈服345MPa级高疲劳结构钢的制造方法，其特征在于：化学成分及质量百分比如下：C:0.15%，Mn:1.60%，Nb:0.050%，Alt:0.030%，Ti:0.010%，Si:0.10%，P:0.010%，S:0.003%，余量为铁和不可避免杂质；
铸坯厚度为260mm，加热温度为1140℃，加热速度按照铸坯的厚度计算为12min/cm，总时间为312min，均热时间为50min；
采用奇道次轧制，成品厚度为50mm，待温坯厚度设定为成品厚度的2.2倍；
精轧开轧温度控制在880℃，总轧制道次9道次，其中精轧最后3道次轧制且累积变形量40%，末道次变形量11%，精轧终轧温度控制在790℃；
精轧结束后，钢板返红温度为700℃。
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