CN110512140A - 一种工程机械轮体用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种工程机械轮体用钢，所述轮体用钢化学成分按质量百分比如下：C：0.39～0.43％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.55～1.65％，Cr：0.09～0.16％，Ti：0.01～0.04％，Ni≤0.20％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，Al:0.015～0.04％，B≤0.0005％，[O]≤15×10‑6，[H]≤2×10‑6，[N]≤80×10‑6，其余为Fe和不可避免的杂质。具体包括如下步骤：1)电炉冶炼；2)LF炉精炼；3)VD炉真空精炼；4)连铸；5)轧制6)缓冷。该钢具有高的综合性能及优良的组织，所生产的轮体寿命达到近万小时。

Description

一种工程机械轮体用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，属于合金钢类，涉及一种工程机械轮体用钢及其制备方法。
背景技术
工程机械随我国经济的发展而迅速发展，以起重机、塔机和挖掘机等为代表的工程机械需要选用优质适用钢材制造，以提高机器的性能和使用寿命，并力求节约原材料，降低成本。随着用户对零配件寿命的要求越来越高，对轮体钢材的质量要求提出了越来越高的要求。
本申请前我国的轮体用钢在生产和使用过程中暴露出的淬透性控制不理想，末端淬透性波动大、不能满足工程机械轮体用钢性能要求。主要以含锰钢为主。
发明内容
本发明的目的主要针对目前我国轮体用钢存在的问题，并结合目前伴随着冶炼技术水平及检测技术的提高，提出一种工程机械轮体用钢及其制备方法。本发明轮体用钢具有淬透性高和稳定、带窄，力学性能优良等特点。
本发明提供了一种轮体用钢，其组成按重量百分数为：
C：0.39～0.43％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.55～1.65％，Cr：0.09～0.16％，Ti：0.01～0.04％，Ni≤0.20％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，Al:0.015～0.04％，B≤0.0005％，[O]≤15×10-6，[H]≤2×10-6，[N]≤80×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢种成分的确定：
窄淬透性带的关键在于化学成分波动范围的严格控制和成分均匀性的提高。影响轮体用钢淬透性的主要化学成分是C、Mn、Cr、Ti、B等：C对钢的淬透性和机械性能影响极为显著，对钢的心部强度影响很大，太低，强度达不到要求，过高会使钢的塑性和韧性下降；Mn强烈提高淬透性，可满足心部淬透性要求，并有减轻渗碳层中碳化物聚集成块的作用；Cr也强烈提高淬透性并可形成微细的硬化质点而增加耐磨性；Si强烈提高渗层的淬透性，但在渗碳过程中容易发生晶界氧化而形成黑色网状缺陷；随合金元素添加量的增加，钢的马氏体点下降，使淬火后渗层中含有大量残余奥氏体，影响零件的疲劳性能及耐磨性。Ti在钢中起细化晶粒、防止渗碳时奥氏体晶粒长大、以保持材料韧性的作用；但强碳化物形成元素Ti在钢中极易形成TiC，造成基体局部贫碳，使钢的淬透性略微降低。铝为炼钢过程常用的脱氧元素，因此钢中始终会存在一定的铝含量。铝在钢中可能溶于铁素体中，也可能以氧化物Al2O3(熔点2093℃)和氮化物AlN(熔点2400℃)的形式存在。铝以难熔化合物存在时，由于细化晶粒和降低奥氏体晶粒长大倾向性而降低钢的淬透性。如果铝固溶于铁素体中，则能提高钢的淬透性。
硼在钢中的淬透性效果与其他合金元素相比有其显著的特点，其提高淬透性的能力按单位含量计算比淬透效果最强的合金元素也要高100倍以上。钢中B元素可溶于Fe，形成间隙式和置换式固溶体，同时与Fe、C、N、O等元素形成Fe3(C、B)、Fe23(C、B)6等Fe—C—B化合物，还能形成Fe+2(BO2)2Fe十2FeFe23十BO5等Fe—O—B型化合物。Fe—C—B为脆性相复合化合物。上述化合物均称B相。这些硼的化合物对淬透性不起作用，甚至有时促成铁素体的形核而降低淬透性。
针对轮系用钢，为保证钢材淬透性值的稳定性；根据以上分析应控制残余硼发挥有效作用。
另一方面，根据有关资料，影响轮体用钢机械性能的主要化学成分是C和合金元素。兼顾轮体用钢淬透性、力学等性能要求，需将C、Mn、Cr、Ti、Al、B等主要元素含量控制在合理范围内，因此，对各元素的含量有一定的合理选择。为保证淬透性控制的稳定性，采用窄成分控制技术。
进一步优选的，本发明的轮体用钢，其组成按重量百分数为
C：0.40～0.41％，Si：0.25～0.30％，Mn：1.56～1.60％，Cr：0.10～0.13％，Ni≤0.20％，Cu≤0.15％，S≤0.010％、P≤0.020％、Ti：0.010～0.020％，Al:0.015～0.035％，B≤0.0005％，[O]≤15×10-6，[H]≤2×10-6，[N]≤80×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供一种工程机械轮体用钢的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，钢包合金化时配入合金；
2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼；
3)VD炉真空精炼：将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行真空脱气；
4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用连铸，连铸中间包控制过热度为20～30℃；
5)轧制：钢坯在加热炉的均热温度为1220～1280℃；
6)缓冷：将步骤5)轧后钢材进行冷却。
作为优选，所述步骤1)中所述合金包括钢芯铝、高锰和硅铁中的一种或两种以上，所述合金的加入量为钢芯铝：1.8～2.4kg/t，高锰：18～21kg/t，硅铁：1.4～1.9kg/t。
作为优选，所述步骤2)中喂入钛铁和钙线，钛铁喂入量为0.5～1.0kg/t钢，钙线喂入量为1.4～2.0m/t钢，喂线速度为2～5m/s。
作为优选，所述步骤3)中真空度小于67Pa下保持时间为22～27min，软吹氩时间为20～25min。
作为优选，所述步骤4)中Φ500mm规格铸坯连铸拉坯速度为0.34±0.2m/min，Φ650mm规格铸坯连铸拉坯速度为0.24±0.2m/min；连铸采用大包长水口氩封保护，中间包钢液液面800㎜～850㎜，结晶器液面波动≤±2mm。
作为优选，所述步骤5)中加热和高温扩散时间为4～9h，开轧温度1100～1180℃，终轧温度900～1030℃。
作为优选，所述步骤6)中钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。
本发明提供了一种工程机械轮体用钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制、控冷，通过电炉冶炼，钢包精炼、钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气的冶炼控制；采用圆坯连铸机连铸工艺过程控制；钢坯在加热炉的均热温度为1220～1280℃，加热和高温扩散时间为4～9h，开轧温度1100～1180℃，终轧温度900～1030℃；轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。
加热质量可以为轧制提供良好的组织和塑性条件，碳化物形成元素充分扩散以及降低偏析，可以提高钢材组织均匀性，设计钢坯在加热炉的均热温度为1210～1250℃，加热和高温扩散时间为4～9h，开轧温度1100～1180℃，终轧温度900～1000℃；轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。
进一步优选的，轮体用钢的制备方法可考虑以下工艺条件进行操作：
(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，采用炉外精炼、真空脱气处理。为保证钢中元素的含量和钢的淬透性，通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气冶炼控制，终脱氧喂入铝线，确保钢种窄成分的精确控制。
(2)浇注，采用连铸，连铸中间包控制过热度为20～30℃，控制浇注速度，Φ500mm规格铸坯连铸拉坯速度为0.34m/min，Φ650mm规格铸坯连铸拉坯速度为0.24m/min，保证铸坯质量。选用合适的连铸保护渣，合适的二冷配水制度，采用弱冷配水制度。
(3)轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1220～1280℃，加热和高温扩散时间为4～9h，开轧温度1100～1180℃，终轧温度900～1030℃。
(4)缓冷，轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。
采用该制造方法可生产规格Φ120mm～180mm的圆钢。
本发明用连铸500mm的圆坯进行轧制生产Φ120mm～180mm的圆钢。在生产过程中为提高淬透性的稳定性，对影响淬透性的残余硼进行控制，并对Ti、Al、Cr进行了合理搭配优化。
与现有技术相比，本发明的技术方案有下列优点：
1、同目前广泛应用的轮体用钢比较
(1)本发明钢控制Ti、Al元素的含量，保证了钢的淬透性同时保证钢材的力学性能要求特别是冲击韧性，使得该钢适于制造从中小规格轮体到大型轮体。
(2)该钢具有高的综合性能及优良的组织。所生产的轮体寿命达到近万小时。
2、本发明的工程机械轮体用钢的制备方法
本发明提供了一种工程机械轮体用钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制、控冷，通过电炉冶炼，钢包精炼、钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气的冶炼控制；采用圆坯连铸机连铸工艺过程控制；钢坯在加热炉的均热温度为1220～1280℃，加热和高温扩散时间为4～9h，开轧温度1100～1180℃，终轧温度900～1030℃；轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。
采用该制造方法可生产规格Ф120～180mm的圆钢。
附图说明
图1为本发明工程机械轮体用钢热轧状态金相组织照片的头部：100×；
图2为本发明工程机械轮体用钢热轧状态金相组织照片的中部：100×；
图3为本发明工程机械轮体用钢热轧状态金相组织照片的尾部：100×。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
以下的实施例用于阐述本发明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
生产工艺流程为：电弧炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→大圆坯连铸→连轧机轧制。
试验生产3炉次，分别编号1#、2#、和3#。
1、电弧炉冶炼
炉料结构为废钢+铁水，铁水比例大于60％；4支炉壁氧枪吹氧脱碳为主，1支炉门氧枪吹氧脱碳为辅；与吹氧相结合，喷吹碳粉造泡沫渣；配加25㎏/t～30㎏/t石灰造渣脱磷；偏心炉底出钢，留钢留渣操作；出钢过程，底吹氩气搅拌，钢包内渣料加入量13㎏/t～16㎏/t。按炉次，主要控制工艺参数列于表1。包中样成分见表2。
表1电弧炉冶炼工程机械轮体用钢主要工艺参数
表2包中样成分
编号 C Si Mn S Cr Nb Ti B
1# 0.203 0.139 1.436 0.0161 0.051 0.0002 0.0022 0.0005
2# 0.208 0.167 1.505 0.016 0.083 0.0002 0.003 0.00057
3# 0.21 0.127 1.399 0.0169 0.075 0.0002 0.0026 0.0006
2、LF精炼炉冶炼
钢包底吹氩气搅拌，采用SiC扩散脱氧，分析一次样前喂入铝线深脱氧，临近出钢前，喂入钛铁和钙线。主要控制工艺参数和终渣主要成分分别列于表3和表4。
表3LF精炼炉冶炼主要控制工艺参数
表4LF精炼炉终渣主要成分(质量百分数，％)
编号 CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> FeO MnO
1# 55.31 6.83 17.82 0.21 0.01
2# 54.26 7.41 19.31 0.32 0.01
3# 56.73 6.97 18.20 0.27 0.01
3、VD炉真空精炼
钢包入VD炉之前，扒除50％左右的炉渣；钢包至VD炉工位后，然后进行钢液真空处理。主要控制工艺参数列于表5。
表5VD炉真空精炼主要控制工艺参数
4、连铸
连铸机五机五流，铸坯规格Φ500㎜，Φ650㎜。连铸采用大包长水口氩封保护，中间包钢液液面800㎜～850㎜，结晶器浸入式水口保护浇注方式。液压正弦振动；结晶器液位自动控制；结晶器液面波动≤±2mm。采用结晶器电磁搅拌，参数260A/1.5HZ；二冷采用动态控制气一雾冷却的弱冷方式；连铸控制工艺参数列于表6。
表6连铸过程控制情况
连铸过程稳定。
5、轧制
轧制规格Φ130mm的圆钢。控制工艺参数列于表7。
表7控制工艺参数
编号 加热温度，℃ 加热时间，h 开轧温度，℃ 终轧温度，℃
1# 1260 6 1160 980
2# 1280 6 1180 1021
3# 1280 6 1179 1010
6、结果数据
(1)成分及气体含量
本发明实施例成分列于表8。
表8本发明实施例钢成分(质量百分比，％)
编号 C Si Mn S P Cr Ni Ti B Al Cu
1# 0.407 0.267 1.599 0.0021 0.010 0.122 0.0002 0.0189 0.0004 0.03 0.05
2# 0.416 0.267 1.578 0.0006 0.009 0.115 0.0002 0.0176 0.0005 0.028 0.03
3# 0.41 0.262 1.576 0.0015 0.011 0.12 0.0002 0.0154 0.0002 0.029 0.04
[O]＝13×10-6，[H]＝1.8×10-6，[N]＝65×10-6。
(2)轧材性能检验结果
本发明实施例低倍、高倍检验、末端淬透性及力学性能试验分别列于表9、表10和表11、表12。
表9本发明实施例低倍检验
表10本发明实施例的高倍检验
表11本发明实施例的末端淬透性试验
表12本发明实施例力学性能
由表8～表12和图1～图3可以看出：本发明轮体用钢低倍组织好，夹杂物级别低，气体含量低，晶粒细小，组织致密，末端淬透性及力学性能明显提高和稳定等优点。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种工程机械轮体用钢，其特征在于，所述轮体用钢化学成分按质量百分比如下：
C：0.39～0.43％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.55～1.65％，Cr：0.09～0.16％，Ti：0.01～0.04％，Ni≤0.20％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，Al:0.015～0.04％，B≤0.0005％，[O]≤15×10-6，[H]≤2×10-6，[N]≤80×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的轮体用钢，其特征在于，所述轮体用钢化学成分按质量百分比如下：
C：0.40～0.41％，Si：0.25～0.30％，Mn：1.56～1.60％，Cr：0.10～0.13％，Ni≤0.20％，Cu≤0.15％，S≤0.010％、P≤0.020％、Ti：0.010～0.020％，Al:0.015～0.035％，B≤0.0005％，[O]≤15×10-6，[H]≤2×10-6，[N]≤80×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.一种工程机械轮体用钢的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，钢包合金化时配入合金；
2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼；
3)VD炉真空精炼：将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行真空脱气；
4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用连铸，连铸中间包控制过热度为20～30℃；
5)轧制：钢坯在加热炉的均热温度为1220～1280℃；
6)缓冷：将步骤5)轧后钢材进行冷却。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述合金包括钢芯铝、高锰和硅铁中的一种或两种以上，所述合金的加入量为钢芯铝：1.8～2.4kg/t，高锰：18～21kg/t，硅铁：1.4～1.9kg/t。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中喂入钛铁和钙线，钛铁喂入量为0.5～1.0kg/t钢，钙线喂入量为1.4～2.0m/t钢，喂线速度为2～5m/s。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中真空度小于67Pa下保持时间为22～27min，软吹氩时间为20～25min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中Φ500mm规格铸坯连铸拉坯速度为0.34±0.2m/min，Φ650mm规格铸坯连铸拉坯速度为0.24±0.2m/min；连铸采用大包长水口氩封保护，中间包钢液液面800㎜～850㎜，结晶器液面波动≤±2mm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中加热和高温扩散时间为4～9h，开轧温度1100～1180℃，终轧温度900～1030℃。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。
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