CN111270136A - 500MPa级工程机械用钢材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了500MPa级工程机械用钢材及其制备方法，其中，所述500MPa级工程机械用钢材在成分上利用碳、锰作为强化元素，可节约成本，同时，提高钢质纯净度，使钢中的氧、氮和氢含量，以及磷、硫含量足够低，可保证冷加工成形性能、冲击韧性、焊接性能和耐疲劳性能，其制备方法采用合理的加热温度、较高的终轧温度、中温卷取温度等措施，同时配合上述组分可保证制得的钢板板形优良，由上述钢板制备的ERW直缝焊管经热处理后可用于制造各类工程机械，解决了现有的工程机械用钢冷加工变形时塑性较差、焊接性能不良、工艺复杂以及价格昂贵的问题。

Description

500MPa级工程机械用钢材及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢材制备技术领域，特别提供了一种500MPa级工程机械用钢材及其制备方法。
背景技术
传统工程用机械通常由无缝钢管制成，而无缝管的制备过程如下：采用电炉冶炼—VOD精炼—连铸—高速棒线材生产线—冷拔—热处理—无缝管，厚度规格为1.5mm～12.0mm。上述工艺制备的工程机械用无缝钢管零件存在冷加工变形时塑性较差、焊接性能不良、工艺复杂以及价格昂贵的问题。
另外，现有技术通常还会在钢中加入铌、钒和钛等微合金元素，成本较高。
因此，亟需研究开发一种能满足工程机械用钢结构件专用钢材实际生产制造和性能要求的替代材料，以降低企业生产成本，提高其市场竞争力，同时，保证其力学性能，成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种500MPa级工程机械用钢材及其制备方法，以解决现有工程机械用钢材成本高、性能差的问题。
本发明一方面提供了500MPa级工程机械用钢材，按质量百分比，由如下成分组成：C：0.15～0.30wt％、Si：0.10～0.20wt％、Mn：1.20～1.60wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.015wt％、Al：0.015～0.055wt％、B：0.0008～0.0025wt％，N：0.0010～0.0050wt％，Ca：0.0010～0.0040wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明另一方面提供了上述500MPa级工程机械用钢材的制备方法，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.035％；钢包中N≤30ppm；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤10ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；
5)加热炉加热
加热温度为1200～1250℃，保温时间为30～40分钟，出炉温度1200～1250℃；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；终轧温度：≥860℃；卷取温度：500～600℃，冷却模式采用前段快速冷却模式；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850～920℃水淬、350～500℃回火，得目标钢材。
优选，步骤2)中，转炉为顶底复吹转炉。
进一步优选，步骤4)中，浇钢过程投入轻压下功能。
进一步优选，步骤6)中，还包括F1、F2机后小除鳞的步骤。
进一步优选，步骤6)中，精轧压缩比≥4.0。
本发明提供的500MPa级工程机械用钢材，在钢中未加入铌、钒和钛等微合金元素的条件下，在钢中添加适量的碳、锰等元素，利用碳、锰作为强化元素，提高钢质纯净度，使钢中的氧、氮和氢含量，以及磷、硫含量足够低，可保证冷加工成形性能、冲击韧性、焊接性能和耐疲劳性能等，可在钢材表面形成致密、附着性很强的氧化层，能够阻碍外部气体和氧化物往里扩散，保护氧化层下面的基体，在保护层和钢材基体表面间形成约30μm～60μm厚的氧化物致密层，这层致密氧化层阻止外界环境空气中氧和水向钢基体渗入，防止钢铁材料氧化层的侵蚀，提高了钢铁材料的耐磨损能力，从而提高钢材的耐疲劳性能，该成分设计还可以节约成本。
下面给出钢材中各成分的作用：
C是提高钢的强度最有效的元素之一，本发明将其含量控制在0.15～0.30wt％，可以使钢材的强度达到500MPa以上的水平，同时，保证钢材具有良好的耐磨性能、焊接性能、冲压性能和耐疲劳性能；
P含量高容易引起冷脆性，当钢中的P含量超过0.020wt％会使韧性大幅下降，造成冷脆性增加，另外，P在一般钢中都是有害元素，为保证钢质纯净度，因此，本发明将钢材中P含量控制在0.003～0.015wt％之间；
Si是最常用的脱氧剂，可提高钢材的强度，同时还可以提高钢材表面的黏附性能，提高钢的耐磨性和疲劳性能，本发明中，钢材中Si含量控制在0.10～0.20wt％之间；
Ca可以改善钢的整体耐磨性能，在钢中加入微量Ca，可以形成CaO和CaS复合化合物，促进氧化层转化为致密、保护性好的保护性覆膜，另外，钢中添加一定的钙，在钢中生成铝酸钙，浇铸时可防止水口堵塞现象，本发明中，将钢材中Ca的含量控制在0.0010～0.0040wt％；
Mn可以提高钢材的强度，是提高淬透性的主要元素之一，可以在一定程度上提高钢的耐磨性能和疲劳性能，但是，用量过多会降低钢材的韧性和焊接性，本发明中，将其含量控制在1.20～1.60wt％；
S对钢的耐疲劳性能起不良作用，容易引起热脆现象，通过LF钢包炉精炼，将钢中的硫控制到一定水平，使其不足以损害钢材的耐磨性能和疲劳性能，本发明中，将其含量控制在0.003～0.010wt％之间；
Al是钢中重要的脱氧剂，往钢水中添加一定量的铝，铝和氧在高温下，反应生成三氧化二铝夹杂物，以残渣的形式漂浮在钢水表面，清除残渣控制钢水中的含氧量，可以有效地减少钢中的杂质，改善钢的品质，起着重要的作用。本发明中，其含量控制在0.015～0.055wt％之间；
N：钢材在冶炼过程中能够脱去部分的有害气体杂质及机械杂质，改善钢的性能，提高钢材的质量，如果N含量过高会影响钢材的冲击韧性，引起失效硬化。所以，本发明中，钢材中N含量控制在0.0010～0.0050Wt％；
B在钢中能够提高钢的淬透性，硼作为表面活性元素，吸附在奥氏体晶界上，延缓γ-a改变的作用，其在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核而有利于贝氏体的形成，故对铁素体生成的延缓要比对贝氏体延缓大得多，因而提高了淬透性。
硼推迟γ-a改变的间接效果是使合金元素的溶解度提高，因为合金元素在奥氏体中的溶解度高于铁素体，因此推迟了自时效效应，使材料在轧制之后由于时效而进一步强化。当硼量的含量低于0.0005％时对提高淬透性的作用甚小，高于0.003％则会使钢中产生的硼相、沿奥氏体晶界析出，产生热脆现象。因此，本发明中，B的含量控制在0.0008～0.0025％之间。
本发明提供的500MPa级工程机械用钢材的制备方法，采用合理的加热温度、较高的终轧温度、中温卷取温度等措施，同时配合上述组分可保证制得的钢板板形优良，其中，中温卷取可保证获得较细小均匀的组织，钢板经热连轧轧制后，具有良好的冷成形性能、冲击韧性及较高的疲劳性能，高温下有高的蠕变强度与持久强度，制成ERW直缝焊管后再经热处理能得到较高表面硬度和疲劳性能，本发明利用ERW直缝焊管代替现有技术的无缝管，用于制造各类工程机械，如矿山和各类工程施工用的钻机、电铲、电动轮翻斗车、矿用汽车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重机、煤矿液压支架等机械设备及其他结构件，解决了现有的工程机械用钢冷加工变形时塑性较差、焊接性能不良、工艺复杂以及价格昂贵的问题。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
本发明提供了一种500MPa级工程机械用钢材，按质量百分比，由如下成分组成：C：0.15～0.30wt％、Si：0.10～0.20wt％、Mn：1.20～1.60wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.015wt％、Al：0.015～0.055wt％、B：0.0008～0.0025wt％，N：0.0010～0.0050wt％，Ca：0.0010～0.0040wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明还提供了上述500MPa级工程机械用钢材的制备方法，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.035％；钢包中N≤30ppm，优选，转炉为顶底复吹转炉；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤10ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；优选，浇钢过程投入轻压下功能；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃，板坯热过热装，剩余板坯放库内缓冷区；
5)加热炉加热
加热温度为1200～1250℃，保温时间为30～40分钟，能够充分保证B元素的完全融解，使该钢种在轧制时有较好的强塑积以及良好的板形，满足轧制工艺要求，出炉温度为1200～1250℃，控制加热炉炉膛气氛，减少铸坯氧化铁皮的生成，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；调整精轧模型的负荷分配，保证轧制稳定性；终轧温度：≥860℃；卷取温度：500～600℃，冷却模式采用前段快速冷却模式；还可以根据带钢表面的实际情况，选择性的投入F1、F2机后小除鳞；同时，优化调整机架间冷却水量的控制，优选，步骤6)中，精轧压缩比≥4.0，能够改善钢材的金相组织和物理性能，提高最终产品质量；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850～920℃水淬、350～500℃回火，得目标钢材。
实施例1
按如下质量百分比制备500MPa级工程机械用钢材：C：0.15～0.30wt％、Si：0.10～0.20wt％、Mn：1.20～1.60wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.015wt％、Al：0.015～0.055wt％、B：0.0008～0.0025wt％，N：0.0010～0.0050wt％，Ca：0.0010～0.0040wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
制备方法如下：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.035％；钢包中N≤30ppm，优选，转炉为顶底复吹转炉；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤10ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；优选，浇钢过程投入轻压下功能；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃，板坯热过热装，剩余板坯放库内缓冷区；
5)加热炉加热
加热温度为1250℃，保温时间为30分钟，能够充分保证B元素的完全融解，使该钢种在轧制时有较好的强塑积以及良好的板形，满足轧制工艺要求，出炉温度为1250℃，控制加热炉炉膛气氛，减少铸坯氧化铁皮的生成，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；调整精轧模型的负荷分配，保证轧制稳定性；终轧温度：860℃；卷取温度：600℃，冷却模式采用前段快速冷却模式；根据带钢表面的实际情况，选择性的投入F1、F2机后小除鳞；同时，优化调整机架间冷却水量的控制，步骤6)中，精轧压缩比≥4.0，以改善钢材的金相组织和物理性能，提高最终产品质量；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850℃水淬、500℃回火，得目标钢材。
实施例2
按如下质量百分比制备500MPa级工程机械用钢材：C：0.15～0.30wt％、Si：0.10～0.20wt％、Mn：1.20～1.60wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.015wt％、Al：0.015～0.055wt％、B：0.0008～0.0025wt％，N：0.0010～0.0050wt％，Ca：0.0010～0.0040wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
步骤5)中，加热温度为1200℃，保温时间为40分钟，出炉温度为1200℃；
步骤6)中，终轧温度：900℃；卷取温度：500℃；
步骤8)中，水淬温度为920℃、回火温度为350℃。
对比例1
采用背景技术中的制备工艺制备无缝管：
电炉冶炼—VOD精炼—连铸—高速棒线材生产线—冷拔—热处理—无缝管。
分别对实施例1和实施例2制得的符合目标组成范围的钢材与对比例1制得的钢材进行性能测试。
测试结果如下表所示：
牌号 屈服强度R<sub>t0.5</sub> 抗拉强度R<sub>m</sub> 伸长率％A
标准 ≥360 490～630 ≥21
实施例1 425 550 29
实施例2 420 555 28
对比例1 380 500 22
结论：本发明提供的钢材在力学性能上，各项指标达到要求，且富余量较充足，同时，成本较低，成品质量和成品率较高，具有很好的经济效益。

Claims (6)

1.500MPa级工程机械用钢材，其特征在于，按质量百分比，由如下成分组成：C：0.15～0.30wt％、Si：0.10～0.20wt％、Mn：1.20～1.60wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.015wt％、Al：0.015～0.055wt％、B：0.0008～0.0025wt％，N：0.0010～0.0050wt％，Ca：0.0010～0.0040wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的500MPa级工程机械用钢材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.035％；钢包中N≤30ppm；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤10ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；
5)加热炉加热
加热温度为1200～1250℃，保温时间为30～40分钟，出炉温度1200～1250℃；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；终轧温度：≥860℃；卷取温度：500～600℃，冷却模式采用前段快速冷却模式；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850～920℃水淬、350～500℃回火，得目标钢材。
3.按照权利要求2所述的500MPa级工程机械用钢材的制备方法，其特征在于：步骤2)中，转炉为顶底复吹转炉。
4.按照权利要求2所述的500MPa级工程机械用钢材的制备方法，其特征在于：步骤4)中，浇钢过程投入轻压下功能。
5.按照权利要求2所述的500MPa级工程机械用钢材的制备方法，其特征在于：步骤6)中，还包括F1、F2机后小除鳞的步骤。
6.按照权利要求2所述的500MPa级工程机械用钢材的制备方法，其特征在于：步骤6)中，精轧压缩比≥4.0。
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