CN112281058B - 一种大型叉车货叉用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型叉车货叉用钢，其由以下质量百分比的原料组成：C 0.30‑0.36%,Si 0.25‑0.40%,Mn 1.35‑1.50%,Cr 0.60‑0.70%，Ti 0.030‑0.070%，B 0.0020‑0.0050%，Ni 0.10‑0.20%,Mo 0.10‑0.20%,S≤0.0080%,P≤0.015%，［O］≤0.0015%，［H］≤0.00015%，余量为Fe。本发明提供的钢种提高了材料淬透性，满足货叉热处理后强度、韧性的要求；本发明生产工艺流程为KR铁水预处理+碱性转炉初炼+钢包精炼+钢包真空处理+大圆坯连铸+开坯+连轧。本发明采用连铸+开坯+连轧工艺生产，在产品规格增大情况，货叉经过同等淬火、回火热处理工艺条件，满足货叉整体热处理同位置取样强度、塑性、韧性得到提升，满足叉车大型化的要求。

Description

一种大型叉车货叉用钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，具体涉及一种超大规格、高淬透性、高强韧性大型叉车货叉用钢及其生产工艺。

背景技术

随着世界经济发展，港口、大型装备企业、现代立体仓储等得到快速发展，作为上述行业重要装备的叉车行业也随之快速发展，其对叉车服役吨位提出了更高的要求，叉车的大型化、大吨位化也成了叉车的一个发展趋势，货叉作为叉车的关键部件为满足工作负荷不断提高的要求，也不断往大型化发展。

随着货叉尺寸的不断增大，同等热处理条件下，货叉经整体淬火、回火后，目前使用材料不能满足其强度、硬度、韧性要求，因此必须对材料成分进行优化设计，提高材料淬透性，保证材料强度、韧性，满足大型货叉大吨位下的服役条件。

目前国内外厚度大于80mm、宽度大于250mm大型货叉均为连铸坯或者钢锭锻造后使用，外形尺寸稳定性差、生产效率低、生产成本高，货叉角部尺寸不稳定，易导致货叉疲劳寿命不稳定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大型叉车货叉用钢，本发明提供的钢种提高了材料淬透性，满足货叉热处理后强度、韧性的要求；本发明的另一目的在于一种低成本高效率的工艺方法，代替了成本高的钢锭锻造工艺，丰富了超大规格货叉扁钢的生产方式，开创了超大规格货叉扁钢生产新工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大型叉车货叉用钢，由以下质量百分比的化学元素组成：C0.30-0.36％,Si0.25-0.40％,Mn1.35-1.50％,Cr0.60-0.70％，Ti0.030-0.070％，B0.0020-0.0050％，Ni0.10-0.20％,Mo0.10-0.20％,S≤0.0080％,P≤0.015％，[O]≤0.0015％，[H]≤0.00015％，余量为Fe。

优选的，一种大型叉车货叉用钢，由以下质量百分比的化学元素组成：C0.32-0.36％,Si0.27-0.37％,Mn1.37-1.47％,Cr0.62-0.68％，Ti0.055-0.070％，B0.0020-0.0050％，Ni0.12-0.18％,Mo0.12-0.18％,S≤0.0080％,P≤0.015％，[O]≤0.0015％，[H]≤0.00015％，余量为Fe。

本发明的大型叉车货叉用钢化学成分的限定理由如下：

C：C能与多种元素一起形成不同的碳化物，并显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑韧性恶化。C是提高钢的强度最廉价元素。如果C含量低于0.32％，强度达不到客户使用要求。如果C含量高于0.36％，材料的韧性将明显降低，因此取C含量控制在0.30-0.36％。

Si：在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，仅次于P，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。Si易使钢呈带状组织，因而使钢材的横向性能低于纵向性能。Si虽然也提高钢的淬透性，但由于Si含量高了，易于产生石墨化现象和增加表面的脱碳倾向，石墨化的出现，降低了钢的塑性和耐冲击性能及淬硬性，因此仅用Si提高共析钢和亚共析钢淬透性的办法没有实际的意义。所以本发明按照货叉扁钢使用的各项性的要求，适当采用低的Si含量。所以Si取值范围为：0.25-0.40％。

Mn：Mn和铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低钢的临界转变温度，所以起到细化珠光体的作用，也间接起到提高珠光体强度的作用；扩大奥氏体相区，提高奥氏体组织稳定性，强烈的增加钢的淬透性；当Mn含量低于1.35％时，材料的力学性能很难达到大型货叉用扁钢的使用要求，当Mn含量高于1.50％时，加大了工件淬火后的变形趋势，对货叉热处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性，综合考虑Mn含量确定为1.35-1.50％。

Cr：Cr和铁能形成连续固溶体，和多种碳化物，能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，但Cr亦增加钢的回火脆性。Cr含量的增加对钢退火后的强度和硬度提高的比较缓慢。这是因为Cr对于固溶强化铁素体本来就是很弱的元素，当退火时，一部分Cr又形成碳化物，致使固溶于铁素体中的Cr减少，所以退火后对提高钢的强度表现的较弱。加入铬，可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高，考虑到钢的使用性能及成本，所以确定Cr含量为0.60-0.70％。

Ni:与Fe以互溶形式存在于钢中的α相或γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，可以明显的改善钢材的冲击性能，并提高钢的耐腐蚀性。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素，是一种重要的战略物资，作为合金化元素，尽量少用，同时，如果Ni含量过高会造成氧化铁皮不易脱落，未脱落的氧化铁皮易导致轧制过程中造成轧材表面凹坑，影响货叉外观质量、疲劳寿命。所以本发明Ni范围取0.10％-0.20％。这也是本发明的一个创新点之一。

Mo:能提高钢的淬透性、热强性，并能提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向的作用。当Mo含量超过0.20％时，对材料性能改善的效果不明显，且价格较昂贵，所以综合考虑，本发明Mo含量为0.10％-0.20％。

Ti:Ti比B更容易与N的结合，起到固N的作用；TiN可以抑制晶粒长大，细化晶粒从而提高钢的强度和韧性；能使钢的内部组织致密，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能；Ti能与S作用，降低硫的热脆作用；Ti也是铁素体形成元素，所以其含量较多(>2％)就易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。所以Ti含量控制在Ti：0.030-0.070％。

B：钢中加入微量的硼即可显著提高钢的淬透性，此时对其它性能等无影响或影响甚小，当钢中的硼含量在0.001～0.005％时，钢的淬透性可以成倍的提高，但其含量超过0.005％，则淬透性反而变劣；同时钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。因此，B含量控制在0.0020-0.0050％。

P：增加钢的脆性，尤其是低温脆性，对钢材低温冲击功影响较大，且P为易偏析元素，造成钢严重偏析，对本钢种的使用来说，应该控制越低越好，根据生产保障能力，控制P≤0.015％。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0015％以内。

H：氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0.00015％以下。

残余元素S等，上述元素都是作为杂质元素存在，允许不超过标准要求，这里不再一一叙述。

本发明的进一步改进方案为：

大型叉车货叉用钢的生产工艺，具体步骤如下：

(1)冶炼连铸：通过KR铁水预处理进行铁水深脱硫；100吨顶底复吹式碱性转炉进行吹炼、出钢合金化；在100吨LF炉中进行钢水深脱氧、成分微调、去夹杂；采用RH脱气设备进行真空脱气和进一步去除夹杂物处理；采用R16m大弧半径弧形连铸机生产φ500mm圆坯，全程保护浇注，结合结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌技术，实现成分偏析小(横截面碳极差≤0.02％)、纯净度高、致密性高的规格φ500mm连铸钢坯生产；

(2)轧制钢坯加热：圆坯使用步进梁式加热炉加热，加热总时间7-9小时,其中在高温段时间控制在≥4.5小时，高温段炉气温度控制在1180-1240℃，开轧钢坯表面温度控制在1100-1150℃；

(3)轧制坯料除鳞：利用≥25Mpa高压除鳞机对加热后钢坯进行除鳞；

(4)开坯机+连轧成型：使用辊径1100mm开坯机，经11-13道次开坯轧制将连铸圆坯坯料轧制成型矩形坯料，开坯每道次压下量控制在50-75mm；矩形坯料经4-6架平立交替连轧机，轧制扁钢成型，每架连轧机前采用压力≥3Mpa高压水进行轧制过程除表面氧化铁皮，保证扁钢表面质量；通过孔型控制成品扁钢角部R角为7-10mm的圆弧角，减少货叉加工时折弯处角部应力集中，而导致货叉疲劳寿命降低；

5)扁钢锯切及冷却：扁钢经辊道送至热锯区进行锯切定尺；锯切结束后扁钢输送至步进式冷床，在冷床出口横移链条处收集，采用夹具夹持层层“一”字码放入坑，扁钢入坑温度控制在350～400℃的范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过合理设计化学成分，在货叉扁钢规格大幅提高的情况下，货叉整体热处理后，货叉强度、韧性指标得到提高，提供的钢种提高了材料淬透性，满足货叉热处理后强度、韧性的要求，满足截面厚度大于80mm、宽度大于250mm的大型货叉的大吨位服役条件。

本发明开发了连铸大圆坯+连轧工艺生产截面厚度大于80mm、宽度大于250mm超大规格货叉扁钢的生产工艺，代替目前主要采用的模铸钢锭+自由锻造工艺，提高了成材率，提高了生产效率，降低了生产成本。

本发明使用φ500mm钢坯，采用开坯大压下量保证芯部充分变形，粉碎铸态组织，细化晶粒，同时提高材料强度、韧性；通过4-6道次连轧保证大规格扁钢的外形尺寸、表面质量，通过轧制孔型控制实现生产扁钢的R角为6-10mm的圆弧角；通过冷床的自矫直功能及控制冷却的设计，可以解决超大规格扁钢易出现弯曲、扭转等问题；冷床增加保温罩，避免了冷床四周空气对流大，保证了冷床四周温度均匀，避免大规格扁钢出现侧弯、扭转的问题。

附图说明

图1为拉伸试样取样位置示意图；

图2为冲击试样取样位置示意图；

图3为横截面硬度检测位置示意图。

具体实施方式

本发明制备的大型叉车货叉用钢与现有技术使用的中小规格货叉扁钢的化学成分对比如表1所示：

表1化学成分对比wt％

实施例1-3

按照表2所示的化学成分百分比配置原料。

表2实施例1-3制备的大型叉车货叉用钢得化学成分(wt％)

采用以下生产工艺制备实施例1-3大型叉车货叉用钢：

(1)炼钢连铸：通过KR铁水预处理进行铁水深脱硫；100吨顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼、合金化；在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及成分微调；采用RH/VD脱气设备进行真空脱气和进一步去除夹杂物处理；采用大半径(R16m)弧形连铸机，全程保护浇筑，结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌等技术，实现了成分偏析小(横截面碳极差≤0.03％)、纯净度高、致密性高的规格φ500mm连铸钢坯生产。

(2)连铸钢坯加热：圆坯步进梁式加热炉加热总时间7-9小时,其中在高温段时间控制在≥4小时，高温段炉气温度控制在1180-1240℃，开轧钢坯表面温度控制在1100-1150℃；

(3)坯料表面除鳞：利用≥25Mpa高压除鳞机对加热后钢坯进行处鳞；

(4)开坯机+连轧成型：使用辊径1100mm开坯机，经11-13道次开坯机将连铸圆坯坯料轧制成型扁钢坯料，开坯每道次压下量控制在50-75mm；经4-6架平立交替连轧机，轧制成型，每架连轧机前采用3Mpa水压进行扁钢表面二次除氧化铁皮，成品扁钢角部R角为7-10mm圆弧角；

(5)锯切及冷却：扁钢经辊道送至热锯区进行锯切定尺；锯切结束后的扁钢钢输送至步进式冷床，在冷床出口横移链条除收集，采用夹具夹持层层“一”字码放入坑，扁钢入坑温度控制在350～400℃的范围内。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

将制得的大型叉车货叉用钢连铸φ500mm圆坯经轧制分别制成300mm×110mm(实施例1)、280mm×100mm(实施例2)、250mm×100mm(实施例3)钢材后，经下料、感应加热折弯，整体热处理，热处理工艺为：880-900℃淬火+510℃回火，图1位置1#、2#、3#位置取拉伸试样，图2位置1#、2#、3#取样检验冲击值，图3位置A1-A8检测硬度。本发明与现有技术使用的中小规格货叉扁钢强度、塑性、韧性、硬度等力学性能数据如表3、表4所示。

表3实施例1-3货叉力学性能数据

表4截面硬度/HRC

实施例	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
									现有技术	30-32	25-28	30-32	23-25	23-25	30-32	25-28	30-32
实施例1	36	35	36	34	33	35	34	36
									实施例2	36	35	37	34	34	37	34	36
实施例3	37	35	36	35	36	37	35	37

由表3以及表4可知，本发明钢种与现有技术使用的中小规格货叉扁钢相比，其强度、塑性、韧性、硬度等性能明显更佳，可用于制造生产超大规格、高淬透性、高强韧性大型叉车货叉用钢，应用于港口、大型装备企业、现代立体仓储吨位叉车，用户试用良好，性能优，稳定性高，货叉寿命显著延长。

Claims (1)

1.一种大型叉车货叉用钢，其特征在于，由以下质量百分比的化学元素组成：C 0.30-0.36%, Si 0.25-0.40%, Mn 1.35-1.50%, Cr 0.60-0.70%，Ti 0.030-0.070%，B 0.0020-0.0050%，Ni 0.10-0.20%,Mo 0.10-0.20%,S≤0.0080%,P≤0.015%，［O］≤0.0015%，［H］≤0.00015%，余量为Fe；

生产大型叉车货叉用钢的具体步骤如下：

（1）冶炼连铸：通过KR铁水预处理进行铁水深脱硫；100吨顶底复吹式碱性转炉进行吹炼、出钢合金化；在100吨LF炉中进行钢水深脱氧、成分微调、去夹杂；采用RH脱气设备进行真空脱气和进一步去除夹杂物处理；采用R16m大弧半径弧形连铸机生产φ500mm圆坯，全程保护浇注，结合结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌技术，实现规格φ500mm连铸钢坯生产；

（2）轧制钢坯加热：圆坯使用步进梁式加热炉加热，加热总时间7-9小时,其中在高温段时间控制在≥4.5小时，高温段炉气温度控制在1180-1240℃，开轧钢坯表面温度控制在1100-1150℃；

（3）轧制坯料除鳞：利用≥25MPa 高压除鳞机对加热后钢坯进行除鳞；

（4）开坯机+连轧成型：使用辊径1100mm开坯机，经11-13道次开坯轧制将连铸圆坯坯料轧制成型矩形坯料，开坯每道次压下量控制在50-75mm；矩形坯料经4-6架平立交替连轧机，轧制扁钢成型，每架连轧机前采用压力≥3MPa 高压水进行轧制过程除表面氧化铁皮，保证扁钢表面质量；通过孔型控制成品扁钢角部R角为7-10mm的圆弧角，减少货叉加工时折弯处角部应力集中，而导致货叉疲劳寿命降低；

（ 5）扁钢锯切及冷却：扁钢经辊道送至热锯区进行锯切定尺；锯切结束后扁钢输送至步进式冷床，在冷床出口横移链条处收集，采用夹具夹持层层“一”字码放入坑，扁钢入坑温度控制在350~400℃的范围内。

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