CN112159936B - 一种高质量锻造用斗齿用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于斗齿用钢技术领域，涉及一种高质量锻造用斗齿用钢及其制备方法，钢成分为C：0.27％～0.29％，Si：1.87％～1.97％，Mn：1.15％～1.25％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：2.05％～2.15％，Ti：0.020％～0.030％，Mo：0.23％～0.28％，Al：0.020％～0.045％，V：0.03％～0.05％。为了解决下料困难、斗齿硬度分布离散差等问题，通过钢的成分设计、生产工艺参数的优化，成功解决了用户热轧材下料难(锯不动、费锯条)的实际问题，且得到的产品钢具有高强度、高淬透性、高纯净度，成品斗齿同截面硬度更均匀，显著提高了斗齿的使用寿命。

Description

一种高质量锻造用斗齿用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，属于合金钢类，涉及一种斗齿用钢及其制备方法。

背景技术

斗齿是挖掘机关键部件，显著影响挖掘机工作效率。斗齿直接与矿石、砂土、岩石等物料接触，在接触物料时，既承受冲击作用，又承受弯矩作用。服役过程中，斗齿尖部受到较强烈的冲击滑动磨料磨损，尖部表面常出现各式犁沟、变形，造成表面磨损或脱落。因此，要求斗齿必须具有足够的抗磨性、强度和韧性,才能经久耐用。其中对锻造斗齿用钢的也有越来越高的要求。尤其是对于气候条件恶劣环境下，对挖掘机斗齿用钢有更高的要求。

在现有技术中，存在斗齿用钢的成分和制备工艺研究，如：CN102140612A公开了一种多元合金铸钢斗齿，其包含的化学成分及相应的重量百分比分别为:C0.30～1.00；Cr1.50～3.00；Mn0.60～1.00；Si1.00～2.00；Mo0.20～1.00；Ni0.5～1.50；Ti0.005～0.1；Re0.15～0.25；P/S≤0.030；余量为Fe；，其中还需要加入重量百分比为0.15～0.25％的稀土元素，多元合金铸钢的性能达到抗拉强度Rm≥1700Mpa，硬度HRC52～55，夏比冲击Akv≥15J，其中并未研究热轧材硬度、淬透性，也未研究热处理后斗齿用钢横截面各部分硬度的均匀性。

CN103205638A公开了一种耐磨铸钢斗齿及其制备方法，耐磨铸钢斗齿材料成分按重量百分比为：C0.9～1.2％，Ti0.2～0.25％，Al0.08～0.12％，Mo2～3％，W3～5％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe。其采用高含量的C元素和强碳化物形成元素Ti、Mo与W，热处理时形成碳化物弥散析出，提高该钢的硬度和淬透性。通过加入Ti、Al元素，细化晶粒，提高该钢的强度和冲击韧性。通过选择合理铸造、热处理工艺而制备成一种挖掘机斗齿，其性能达到抗拉强度Rm为1650～1690MPa，夏比冲击Akv为17～20J，硬度为54～56HRC。其中仅研究锻造后斗齿的力学性能，并未研究热轧材硬度、淬透性，也未研究热处理后斗齿用钢横截面各部分硬度的均匀性。

CN110343973A公开了一种斗齿用钢及其制备方法。所述斗齿用钢化学成分按质量百分比如下：C0.30％～0.34％，Si1.30％～1.50％，Mn0.80％～1.10％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr1.50％～1.70％，Ti0.06％～0.08％，Mo0.10％～0.18％，Al0.020％～0.050％，H≤1.5ppm，N≤80ppm，T.O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。硅、钼、锰、铬、钛合金的加入及合理搭配改善了材料的热处理性能，力学强度达到1600MPa以上，冲击功达到71.6J以上，硅、钼、锰、铬、钛合金的加入及合理搭配改善了材料的热处理性能；保证了材料的各项力学性能。

CN103556081B涉及一种高强高韧耐磨挖掘机斗齿用钢及其制造方法。该钢的组成按重量百分数为：C0.23～0.27％，P0.001～0.025％，Si0.90～1.20％，S0.001～0.025％，Mn2.20～2.60％，Cr0.10～0.30％，Mo0.30～0.40％，Cu0.10～0.30％，V0.08～0.12％，Ni0.10～0.30％，[O]0～15ppm，Al:0.015～0.040％，其它为Fe和不可避免的杂质。采用Si、Mn、Mo、V搭配合金化提高钢的强度、塑性、韧性，抗拉强度Rm≥1490MPa，硬度HRC53～56，冲击韧度Akv2≥42J，其中未研究热轧材的硬度。

以上现有技术中的产品主要涉及精密铸造及锻造斗齿领域，在成分设计、工艺制造均作了大量研究，使斗齿钢的耐磨性、强度、硬度等技术指标得到一定程度提高。但现有技术报道的斗齿合金钢上无法满足环境恶劣的挖掘机斗齿的需要，因为恶劣环境下，需要斗齿硬度均匀，以免表层硬化层被磨损之后，斗齿内部硬度不足造成后续磨损过快，缩短斗齿的服役寿命。

且现有技术报道往往只关注提高锻造后斗齿高强度、耐磨性及高强度等指标而忽略了锻造前锯切下料因原材料热轧材硬度过高导致下料困难的实际问题，例如加热温度选择不合理、轧制温度偏高、下线收集温度偏低、在冷床上的冷却速度等因素均会影响热轧态的硬度，从而导致下料困难。且同时还忽略了同截面硬度不均匀对成品斗齿造成的不利影响，缺乏对于有效控制热轧材硬度及斗齿硬度均匀性实际问题的研究及相关控制措施。因此，为了提高斗齿的疲劳寿命，满足锻造斗齿用材料技术要求，需要一种成分合理的钢材，使得制成的挖掘机斗齿满足锻造斗齿高疲劳寿命的使用要求。

发明内容

针对锻造挖掘机斗齿现有技术的不足，本发明提供一种高质量挖掘机斗齿用钢及其制造方法，满足锻造斗齿高疲劳寿命的使用要求。同时，解决原材料下料困难的问题，以及改善斗齿硬度分布的离散差，尽量避免硬度不均匀带来负面影响。

挖掘机斗齿是挖掘机主要工作部件，采用锻造加工方式加工，对钢材的机械性能、内部质量和表面质量都有严格的要求，针对挖掘机斗齿对钢材高质量、高性能要求，本发明主要解决的技术问题是钢的成分设计、生产工艺参数的优化，使产品钢具有高强度、高淬透性、高纯净度的特定。

本发明的具体技术方案如下：

一种斗齿用钢，化学成分按质量百分比如下：

C：0.26％～0.30％，Si：1.85％～2.00％，Mn：1.10％～1.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr：2.00％～2.20％，Ti：0.015％～0.040％，Mo：0.23％～0.30％，Al：0.020％～0.045％，V：0.02％～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的化学成分按质量百分比如下：

C：0.27％～0.29％，Si：1.87％～1.97％，Mn：1.15％～1.25％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：2.05％～2.15％，Ti：0.020％～0.030％，Mo：0.23％～0.28％，Al：0.020％～0.045％，V：0.03％～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。

采用的生产工艺为：

(1)转炉冶炼

热装铁水和废钢配料，铁水比要求≥90％；在配料过程中加入石灰，白云石，出钢过程中加入铝块，合金化时按照成分目标值的85％配入合金调整，加入合成渣，控制出钢时碳、磷含量以及其它残余元素符合要求。控制出钢满足后序工位的生产及工序节奏。

作为优选，步骤(1)出钢过程中加入铝块进行脱氧的加入量0.8～1.2kg/t，出钢渣料为石灰700kg/炉，合成渣500kg/炉，控制出钢0.06％≤C≤0.12％，P≤0.012％，出钢温度1615～1650℃。

(2)精炼炉冶炼

控制炉渣碱度大于3.0，精炼过程保持白渣；在白渣下充分搅拌后，取一次样全分析，根据一次样分析结果，按内控要求调整C、Si、Mn、Cr、Mo、Ti、V、Al等成分含量，温度调整到位后出钢。

作为优选，步骤(2)中控制精炼渣碱度3.5～5，白渣保持时间20～25min。吊包温度控制开浇炉1615～1635℃，连浇炉1580～1600℃。

(3)RH炉真空精炼

真空度小于67Pa保持时间≥10分钟，RH破空后喂入适当钙线进行钙处理，软吹氩时间≥15分钟，保证软吹时间和和效果，RH软吹氩处理后控制上钢合适温度；

作为优选，步骤(3)中RH选用氩气作为提升气体，流量80L/min，钢包底部选用仍采用氩气搅拌。高真空(真空度＜67Pa)环流时间10～15min，软吹氩时间15～18min；软尺结束吊包温度控制开浇炉1556～1586℃，连浇炉1531～1561℃。

(4)连铸

结晶器液面波动在±1.5mm之内，采用结晶器电磁搅拌，配套动态轻压下技术，采用冷却制度，恒拉速控制，控制合理的过热度，制定缓冷制度。

作为优选，步骤(4)中冷却制度为：一冷水流量设置2000±250(L/min)，水温差控制在6.5～8.5℃；结晶器电磁搅拌200±10A/2.5±0.5Hz；出坯方式：步进冷床出坯；缓冷制度为：加盖缓冷时间≥36h，连铸坯出坑温度＜200℃。

作为优选，步骤(4)浇铸过程中拉速范围调整不得大于0.5m/min。拉速变化较大时，模型会进行大幅的优化，导致实际压下工艺处于一种不稳定的状态，从而影响铸坯质量。

作为优选，步骤(4)浇铸过程低过热度浇铸，头炉过热度要求35℃～45℃，第二炉以后过热度要求15℃～30℃。

作为优选，动态轻压下中采用弱冷(配水0.14L/kg)、低拉速(0.75m/min)，工艺抑制柱状晶生长。在该配水、拉速下，可以通过1#-4#辊实现动态轻压下。采用12mm的总压下量，1#-4#辊按照2mm-4mm-4mm-2mm进行分配，本发明涉及的钢种为低碳高合金钢，裂纹敏感性强，焊接性能弱，压下量过大容易出现中心裂纹且在轧制时不易焊合。

(5)轧制

加热段分4段加热：预热段750～900℃，加热一段温度950～1050℃，加热二段1150～1200℃，均热段温度1180～1230℃，允许温差≤20℃。保证炉内弱还原性气氛，空燃比0.5～0.9，开轧温度1060℃～1120℃。出钢节奏80～100s/支，通过轧制中穿水降温，控制终轧温度820～900℃，编组上快速步进，锯切温度≥650℃，冷床快速收集控制入坑温度520～690℃，入坑缓冷。

作为优选，冷坯在750℃以下以≤3.75℃/min速率缓慢升温预热升温至750～900℃，待钢坯内外温度均匀，相变完成后，提高加热速率至6～8℃/min升温至加热一段及加热二段，冷坯加热时间(预热段+加热一段)为250～420min；高温段加热时间(加热二段与均热段)≥180min。

作为优选，步骤(5)冷床快速收集(步进时间≤20min)，冷却速度≤8℃/min，控制入坑温度520～690℃。

作为优选，入缓冷坑冷却，缓冷总时间≥48h，待钢材表面温度≤150℃方可出坑。

在恶劣工作环境中，由于斗齿挖掘过程中与高硬度物相接触摩擦，因此使用中，对斗齿的冲击韧性及表面硬度要求更高。目前的斗齿用钢中大多仅关注斗齿用钢的力学性能而忽略生产实际操作中的下料难，以及忽略斗齿内部硬度不足造成后续磨损过快，缩短斗齿的服役寿命等问题。

而本发明通过成分和生产工艺的优化进行协同。成分设计成分C选定在0.27～0.29％，采用Si、Mn、Mo、V搭配合金化提高钢的强度、塑性、韧性，特别适合用于锻造在恶劣环境下工作的挖掘机斗齿产品。其性能达到：抗拉强度Rm≥1650MPa，冲击韧度AkU2≥80J。本发明低碳硅锰钼钒合金钢制成的挖掘机斗齿抗拉强度和抗冲击能力明显高于现有的各种斗齿用合金钢。

除此之外，本发明通过对加热温度、加热时间、炉内气氛、轧制温度等进行限定，更重要的是对影响硬度的关键因素进行限定，如冷床步进时间、下线收集温度控制、轧制后的冷却速度、轧后的冷却方式进行限定，有效降低了热轧材硬度，热轧材表面硬度280～330HBW，成功解决了用户下料难(锯不动、费锯条)的实际问题。

并且通过连铸采用动态轻压下技术，加热工艺采用高温扩散，有效的改善了轧材的成分偏析，硬度控制更均匀，以免表层硬化层被磨损之后，斗齿内部硬度不足造成后续磨损过快，缩短斗齿的服役寿命。

与现有技术相比，本发明的技术特点及突出效果还包括以下几个方面：

1.本发明通过生产工艺参数的优化设计，炼钢窄成分控制，实现了高淬透性的稳定控制，带宽控制在3个HRC以内。

2.为保证钢材纯净度，控制夹杂物水平，对本发明的低碳硅锰钼钒合金钢，特别优选精炼碱度渣度控制在3.5～5，白渣保持时间20～25min，铝线一次性补加到位；RH后高真空(＜67Pa)保持15min，软吹氩时间15～18min，夹杂物的数量和级别得到明显降低。

3、全保护浇铸，采用低过热度控制，结晶器电磁搅拌参数200±10A/2.5±0.5Hz，结晶器液面波动≤±1.5mm，中间包过热度按15～30℃控制，步进冷床出坯，铸坯缓冷时间≥36小时等条件限定，有效的保证了铸坯质量。

4、连铸采用动态轻压下技术，加热工艺采用高温扩散，有效的改善了轧材的成分偏析，通过控轧控冷，显著降低了热轧材硬度，热轧材表面硬度280～330HBW，成功解决了用户下料难(锯不动、费锯条)的实际问题。

5、本发明的钢成分经热处理制成斗齿后，凭借高硬度及高韧性，以及斗齿内部硬度更加均匀，可适应恶劣的工作环境。

附图说明

图1为斗齿横截面硬度检测点分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

以下的实施例用于阐述本发明，生产工艺流程为：配料→转炉冶炼→LF精炼炉精炼→RH真空脱气→矩形坯连铸→轧机轧制。

以生产的5炉次作为实施例，分别编号1#、2#、3#、4#和5#。

(1)转炉冶炼

炉料结构为废钢+铁水，铁水比例大于90％；主要控制工艺参数列于表1。

表1转炉冶炼主要工艺参数

(2)LF精炼炉冶炼

钢包底吹氩气搅拌，LF前期视炉渣流动性分批加入适量石灰和萤石，在精炼前期加入碳化硅、铝粒脱氧剂尽快造白渣，保持白渣，加强脱氧操作。取初样后粗调成分，喂铝线调整铝含量，目标铝含量0.045％。主要控制工艺参数见表2，终渣主要成分见表3。

表2主要控制工艺参数

表3精炼终渣主要成分

(3)RH真空精炼

RH主要控制参数列于表4

表4 RH主要控制参数

(4)连铸

连铸8机8流，双中包浇铸，大包长水口氩封保护，中间包加低碳覆盖剂保温，采用维苏威内装中包水口，液压非正弦震动，结晶器液位自动控制，电磁搅拌200±10A/2.5±0.5Hz，水温差控制在6.5～8.5℃，配合动态轻压下，采用弱冷(配水0.14L/kg)，拉速按0.75m/min控制，总压下量为12mm，采用低过热度浇铸，头炉过热度要求35℃～45℃，第二炉以后过热度要求15℃～30℃。

(5)轧制

加热段分4段加热：以≤3.75℃/min速率升温预热段750～900℃，速率6～8℃/min后升温至加热一段温度950～1050℃，加热二段1150～1200℃，均热段温度1180～1230℃，允许温差≤20℃。保证炉内弱还原性气氛，空燃比0.5～0.9，开轧温度1060℃～1120℃。出钢节奏80～100s/支，通过轧制中穿水降温，控制终轧温度820～900℃，编组上快速步进，锯切温度≥650℃，冷床快速收集，冷却速度≤8℃/min，控制入坑温度520～690℃，入坑缓冷，缓冷总时间≥48h，待钢材表面温度≤150℃方可出坑。

分别轧制100、110、120、130和150规格(单位是mm)，具体轧制参数见表5。

表5轧制控制参数

规格	均热段温度℃	加热时间min	开轧温度℃	终轧温度℃	入坑温度℃
						100	1201	261	1080	856	620
110	1214	321	1076	865	630
						120	1215	300	1095	847	590
130	1216	350	1075	856	580
						150	1204	380	1086	855	620

检测结果

(1)化学成分

实施例的化学成分列于表6。

表6本发明的实施例成分(％)

(2)轧材性能检测结果

本发明实施例的低倍检验、高倍检验、力学性能和淬透性检测结果分别见表7～10。

表7本发明实施例低倍检验结果(级)

表8本发明实施例的高倍检验

实施例

A细

A粗

B细

B粗

C细

C粗

D细

D粗

1#

0/0.5

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0.5/0

0.5/0

2#

0/0.5

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0.5/0

3#

0.5/0.5

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0.5/0.5

0.5/0.5

4#

0/0.5

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0.5/0

0/0

5#

0/0.5

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0.5/0.5

0.5/0

本发明实施例的热轧硬度列于表9：

表9本发明实施例的热轧态硬度

炉次编号	1#	2#	3#	4#	5#
						热轧态硬度HBW	318	310	301	298	287

实施例1#～5#生产得到的热轧材表面硬度280～330HBW，在硬度范围内的热轧材，在保证力学性能的同时，还能解决下料困难，锯条磨损严重，锯条锯切不动钢材等实际问题。

将上述轧材加工制成短比例

标准试样毛坯，热处理后，制得试样测定钢材的纵向力学性能，热处理制度：900±15℃淬火(油)，保温时间50min，200±10℃回火(水、空)，保温时间4小时。

表10本发明实施例的力学性能

通过成分的优化设计保证了更好的强度及韧性，由于斗齿挖掘过程中与高硬度物相接触摩擦，因此使用中，对斗齿的冲击韧性及表面硬度要求更高，本发明成分经热处理制成斗齿后，凭借高硬度及高韧性，可适应恶劣的工作环境。

表11本发明实施例的淬透性

从表11可知，本发明的成分控制、工艺参数的优化实现了高淬透性的稳定控制，带宽控制在3个HRC以内。

为检测斗齿硬度均匀性，沿斗齿横截面纵向及横向，每隔4mm检测硬度，本发明实施例2的用户热处理后硬度列于表12。(横向点位从左到右为1-13、纵向点位从上到下为1-17)

表12本发明实施例的热处理后硬度均匀性

通过上述成分优化和工艺改进，用户经相同工艺热处理后，发现成品斗齿同截面硬度更均匀，改善斗齿硬度分布的离散差，避免硬度不均匀带来不利影响，显著提高了斗齿的使用寿命。

Claims (6)

1.一种高质量锻造用斗齿用钢，其特征在于：斗齿用钢的化学成分按质量百分比为：C：0.27％～0.29％，Si：1.87％～1.97％，Mn：1.15％～1.25％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：2.05％～2.15％，Ti：0.020％～0.030％，Mo：0.23％～0.28％，Al：0.020％～0.045％，V：0.03％～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述高质量锻造用斗齿用钢的制备方法为：

（1）转炉冶炼

热装铁水和废钢配料，在配料过程中加入石灰，白云石，出钢过程中加入铝块，合金化时按照成分目标值的85%配入合金调整，加入合成渣，控制出钢时碳、磷含量，控制出钢温度1615～1650℃；

（2）精炼炉冶炼

控制炉渣碱度大于3.0，精炼过程保持白渣；在白渣下充分搅拌后取样分析，根据分析结果按目标要求调整C、Si、Mn、Cr、Mo、Ti、V、Al钢成分含量，温度调整到位后出钢；温度调整到位后出钢吊包温度控制开浇炉1615~1635℃，连浇炉1580~1600℃；

（3）RH炉真空精炼

真空度小于67Pa保持时间≥10分钟，RH破空后喂入适当钙线进行钙处理，软吹氩时间≥15分钟，RH软吹氩处理后控制上钢合适温度；

（4）连铸

结晶器液面波动在±1.5mm之内，采用结晶器电磁搅拌，配套动态轻压下技术，采用合理冷却制度，控制过热度及拉速，制定缓冷制度；冷却制度：一冷水流量设置2000±250 L/min，水温差控制在6.5~8.5℃，弱冷：配水0.14L/kg；结晶器电磁搅拌200±10A/2.5±0.5Hz；出坯方式：步进冷床出坯；缓冷制度：加盖缓冷时间≥36h，连铸坯出坑温度＜200℃；

配套动态轻压下技术是在0.14L/kg配水、0.75m/min拉速下，通过1#-4#辊实现动态轻压下，采用12mm的总压下量，1#-4#辊按照2mm-4mm -4mm-2 mm进行分配；

（5）轧制

加热段分4段加热：预热段750~900℃，加热一段温度950~1050℃，加热二段1150~1200℃，均热段温度1180～1230℃，允许温差≤20℃；保证炉内弱还原性气氛，空燃比0.5~0.9，开轧温度1060℃～1120℃；出钢节奏80~100s/支，通过轧制中穿水降温，控制终轧温度820~900℃，编组上快速步进，锯切温度≥650℃，冷床快速收集，轧后控制冷却速度≤8℃/min，入坑温度为520~690℃，入坑冷却时间≥48h，待钢材表面温度≤150℃出坑。

2.如权利要求1所述高质量锻造用斗齿用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）热装铁水和废钢配料，铁水比控制≥90%；出钢过程中铝块的加入量为0.8~1.2kg/t，出钢渣料为石灰700kg/炉，合成渣500kg/炉，控制出钢0.06%≤C≤0.12%，P≤0.012％。

3.如权利要求1所述高质量锻造用斗齿用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中控制精炼渣碱度3.5~5，白渣保持时间20~25min。

4.如权利要求1所述高质量锻造用斗齿用钢的制备方法，其特征在于：步骤（3）中RH选用氩气作为提升气体，流量80L/min，钢包底部选用氩气搅拌，软吹氩时间15~18min；软吹结束吊包温度控制开浇炉1556~1586℃，连浇炉1531~1561℃。

5.如权利要求1所述高质量锻造用斗齿用钢的制备方法，其特征在于：步骤（4）浇铸过程采用低过热度浇铸，头炉过热度要求35℃~45℃，第二炉以后过热度要求15℃~30℃。

6.如权利要求1所述高质量锻造用斗齿用钢的制备方法，其特征在于：步骤（5）中冷坯在750℃以下缓慢升温至750~900℃预热，预热后提高升温速率至加热一段及加热二段加热；其中冷坯加热时间250～420min；高温段加热时间≥180min。

Images