CN112553542B - 一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法，所述钢的化学成分以质量分数计为：C 0.80～0.85％、Si 0.30～0.60％、Mn0.20％～0.35％，Cr0.85～0.95％、V 0.05～0.15％，其余为Fe及不可避免杂质；所述方法：采用所述组分进行冶炼和连铸获得钢坯；将所述钢坯中心穿孔，装芯材获得原料钢坯；将所述原料钢坯加热，后粗轧和精轧，空冷至室温，获得钒微合金化凿岩用中空钢；加热均热温度1100～1180℃，总加热时间≤2h；粗轧进口温度1000～1050℃，精轧出口温度800～900℃；空冷速度大于＞0.3℃/s。制得的钢无网状碳化物，组织均匀细小，平均寿命高。
Description
技术领域
本发明涉及钢材制备技术领域，特别涉及一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法。
背景技术
凿岩钎具广泛应用于矿山、煤矿等开采领域，整个钎具系统包括四大类：钎杆、钎头、连接套筒和钎尾。钎杆作为凿岩机钻孔时的受力件，要求材料具有高强度、耐磨性、良好的疲劳性和抗冲击性等特点。钎杆一般采用中空钢制作，经过数十年的发展，中空钢牌号已经形成三大成分体系，其中高碳系以95CrMo为代表，中碳系以55SiMnMo为代表，低碳系以22CrNi3Mo为代表，基本可满足不同凿岩工况的使用环境。当前钢铁材料制造工序以绿色、环保、低成本为发展方向，上述钢种均含有贵重元素0.2～0.4％的Mo，合金成本高，因此开发低成本的中空钢依然很有必要性以丰富中空钢选材的多样化。
微合金化技术在钢中得到广泛的应用，通过添加微量的合金元素如钒、铌等，显著改善钢的性能。尤其是钒的析出物促进铁素体晶内形核，可以降低高铁车轴钢的韧脆转变温度，提高钢轨钢的耐磨性和高周疲劳性能。因此，开展了钒微合金化在凿岩钎具用中空钢的研究工作，确定了钒微合金化的添加量，取得了很好的效果，研发了新型的钒微合金化凿岩钎具用中空钢。
对比文件1：公开号为CN103147013A，名称为“一种凿岩钎具用中空钢”的专利申请，提供了一种低成本配方的中空钢，铬在含量在1.45～1.55％，铬含量过高容易形成大块的碳化物，影响凿岩寿命，只能使用在低级别的钎杆上。
因此，如何制备一种无网状碳化物、组织均匀细小且寿命高的钒微合金化凿岩用中空钢，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的是提供一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法，所述钒微合金化凿岩用中空钢无网状碳化物，组织均匀细小，与95CrMo中空钢制作的高级别钎杆寿命接近，能够满足采矿业对钎杆的要求。
为了实现上述目的，本发明提供一种钒微合金化凿岩用中空钢，所述钢的化学成分以质量分数计为：C：0.80～0.85％，Si 0.30～0.60％，Mn0.20％～0.35％，Cr0.85～0.95％、V 0.05～0.15％，其余为Fe及不可避免杂质。
进一步地，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.80～0.85％，Si：0.20～0.60％，Mn：0.20％～0.35％，Cr：0.85～0.95％，V：0.05～0.15％，
还包括：Mo：0.01～0.18％，P：0.010～0.018％，S：0.004～0.015％；
其余为Fe及不可避免杂质。
进一步地，所述钢的内部金相组织珠光体。
进一步地，所述钢的奥氏体晶粒度≥9.5级。
本发明还提供了所述钒微合金化凿岩用中空钢的制备方法，所述制备方法包括：
采用所述的钒微合金化凿岩用中空钢的化学成分的钢水进行冶炼和连铸，获得钢坯；
将所述钢坯中心穿孔，将芯材装入所述孔内，获得原料钢坯；
将所述原料钢坯进行加热，后进行粗轧和精轧，空冷至室温，获得钒微合金化凿岩用中空钢；其中，
所述加热均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h；所述粗轧的进口温度为1000～1050℃，所述精轧的出口温度为800～900℃；所述空冷速度大于＞0.3℃/s。
进一步地，所述钢水进行冶炼中，化学成分V以钒铁的形式在冶炼末期时加入。
进一步地，所述钢水进行冶炼中，控制出站时钢水温度为1610～1650℃。
进一步地，所述粗轧中，采用2～4道次进行轧制，控制轧制速度为2～3m/s，控制粗轧总变形量为20～30％。
进一步地，所述精轧中，采用4～10道次进行轧制，控制轧制速度为5～6mm/s，控制精轧总变形量为60～90％。
进一步地，所述空冷至室温后，硬度集中在34～36HRC。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法，高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.05～0.15％V，在制备方法上，控制加热温度均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h，以控制脱碳，控制加热时的奥氏体晶粒尺寸；同时有利于钒的有效固溶，从而更有效发挥钒的作用；并控制所述的开轧温度1000～1050℃，终轧温度800～900℃，轧后冷速大于0.3℃/s以实现钒的析出强化和促进珠光体形核，所述条件共同使得最后制备得到的钒微合金化凿岩用中空钢无网状碳化物，在后续正火处理时，无网状碳化物析出，组织均匀细小，且与95CrMo中空钢制作的高级别钎杆寿命接近，能够满足采矿业对钎杆的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为感应正火工艺曲线示意图；
图2为热轧材显微组织，其中(a)是对比例1的含Mo的高级别钎杆用95CrMo中空钢，(b)是对比例2的不含钒的中空钢；(c)实施例1；(d)实施例2；
图3为正火处理后的显微组织，其中(a)是对比例1的含Mo的高级别钎杆用95CrMo中空钢，(b)是对比例2的含钒的中空钢；(c)实施例1；(d)实施例2；
图4为热轧材采用氧化法测量的晶粒度，其中(a)是对比例1的含Mo的高级别钎杆用95CrMo中空钢，(b)是对比例2的含钒的中空钢；(c)实施例1；(d)实施例2；
图5为本发明提供的一种钒微合金化凿岩用中空钢的制备方法的流程图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买获得或者可通过现有方法获得。
本发明实施例提供的技术方案为了提供一种钒微合金化凿岩用中空钢，总体思路如下：
根据本发明实施例一种典型的实施方式，提供一种钒微合金化凿岩用中空钢，所述钢的化学成分以质量分数计为：C：0.80～0.85％、Si 0.30～0.60％、Mn0.20％～0.35％，Cr0.85～0.95％、V 0.05～0.15％，其余为Fe及不可避免杂质。
本申请通过优化组成元素进而形成以上化学成分的钒微合金化凿岩用中空钢，是基于以下原理：
在本发明化学成分设计中控制原理如下：
C：0.80～0.85％，C是一种固溶强化元素，可以提高基体组织的硬度和强度。由于耐磨性的要求，碳含量过低不利于硬度提高，碳含量过高容易析出网状碳化物不利于韧性的改善，因此将C含量控制在0.80～0.85％；
Si：0.20～0.60％，Si是固溶强化元素，可提高组织的强度。Si含量过低难以达到需要的强度，Si含量过高会导致钢表面质量严重恶化。因此将Si含量控制在0.30～0.60％；
Mn：0.20％～0.35％，Mn是合金元素，可提高组织的强度。适量的Mn含量可提高钢的强度但是过高会增加带状偏析倾向不利于韧性改善。因此将Mn含量控制在0.20～0.35％；
Cr：0.85～0.95％，Cr是合金元素，可提高淬透性，Cr含量过高易形成块状碳化物使其韧性降低，疲劳寿命下降，过低不利于其强度的提高，因此将Mn含量控制在0.85～0.95％；
V：0.05～0.15％，在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.05～0.15％的V，为了细化奥氏体晶粒抑制珠光体团长大获得细的珠光体组织，V含量过高会增加成本，同时形成大颗粒碳化物，过低不能发挥V的细化作用，因此将V含量控制在0.05～0.15％；
作为可选的实施方式，所述钢的内部金相组织为100％珠光体。所述钢的奥氏体晶粒度≥9.5级。
根据本发明另一种可选的实施方式，提供了所述钒微合金化凿岩用中空钢的制备方法，如图5所示，所述制备方法包括：
S1、采用所述的钒微合金化凿岩用中空钢的化学成分的钢水进行冶炼和连铸，获得钢坯；
S2、将所述钢坯中心穿孔，将芯材装入所述孔内，获得原料钢坯；
S3、将所述原料钢坯进行加热，后进行粗轧和精轧，空冷至室温，获得钒微合金化凿岩用中空钢；其中，所述加热均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h；所述粗轧的进口温度为1000～1050℃，所述精轧的出口温度为800～900℃；所述空冷速度大于＞0.3℃/s。
本发明提供的所述钒微合金化凿岩用中空钢的制备方法是基于以下原理：
所述的加热温度均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h的原因为：一方面为了控制脱碳，控制加热时的奥氏体晶粒尺寸；另一方面为了钒的有效固溶，从而更有效发挥钒的作用。若所述均热温度小于1100℃，不利于V完全固溶到钢中，若所述均热温度大于1180℃，晶粒容易长大。
所述粗轧的进口温度为1000～1050℃，所述精轧的出口温度为800～900℃，轧后冷速大于0.3℃/s的原因为：目的是为了实现钒的析出强化和促进珠光体形核。若所述进口温度、出口温度、轧后冷速太低或太高，均不利于钒的析出强化和促进珠光体形核。
通过上述方法获得的钒微合金化凿岩中空钢，其有益效果是其热轧材无网状碳化物，在后续正火处理时，无网状碳化物析出，组织均匀细小，晶粒度为9.5级以上。与95CrMo中空钢制作的高级别钎杆寿命接近，能够满足采矿业对钎杆的要求。
作为可选的实施方式，所述钢水进行冶炼中，化学成分V以钒铁的形式在冶炼末期时加入。这样操作有利于合金更均匀化，且提高了合金收得率。
通过上述内容可以看出，本发明提供的一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法，(1)在化学组分上，在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.05～0.15％V；(2)在制备方法上，控制加热温度均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h，以控制脱碳，控制加热时的奥氏体晶粒尺寸；同时有利于钒的有效固溶，从而更有效发挥钒的作用；并控制所述的开轧温度1000～1050℃，终轧温度800～900℃，轧后冷速大于0.3℃/s以实现钒的析出强化和促进珠光体形核，所述条件共同使得最后制备得到的钒微合金化凿岩用中空钢无网状碳化物，在后续正火处理时，无网状碳化物析出，组织均匀细小，且与95CrMo中空钢制作的高级别钎杆寿命接近，能够满足采矿业对钎杆的要求。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请的一种钒微合金化凿岩用中空钢及其制备方法进行详细说明。
S1、实施例1-实施例6以及对比例1-3分别采用如表1所示的化学成分的钢水进行电炉冶炼和连铸，获得钢坯；
表1各实施例和对比例的化学成分质量分数
| C | Si | Mn | Cr | V | Mo | P | S | |
| 实施例1 | 0.84 | 0.25 | 0.29 | 0.92 | 0.08 | 0.01 | 0.013 | 0.004 |
| 实施例2 | 0.85 | 0.20 | 0.28 | 0.90 | 0.15 | 0.02 | 0.010 | 0.005 |
| 实施例3 | 0.80 | 0.60 | 0.35 | 0.85 | 0.05 | 0.01 | 0.013 | 0.004 |
| 对比例1 | 0.98 | 0.22 | 0.28 | 1.0 | / | 0.18 | 0.010 | 0.008 |
| 对比例2 | 0.84 | 0.22 | 0.28 | 1.50 | / | / | 0.018 | 0.015 |
| 对比例3 | 0.84 | 0.25 | 0.29 | 0.92 | 0.08 | 0.01 | 0.013 | 0.004 |
| 对比例4 | 0.84 | 0.25 | 0.29 | 0.92 | 0.08 | 0.01 | 0.013 | 0.004 |
对比例1为含Mo的高级别钎杆用95CrMo中空钢，对比例2为不含钒的中空钢；
S2、将所述钢坯中心穿孔，将芯材装入所述孔内，获得原料钢坯；
S3、将所述原料钢坯进行加热，后进行粗轧和精轧，空冷至室温，获得钒微合金化凿岩用中空钢；其中，所述加热均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h；所述粗轧的进口温度为1000～1050℃，所述精轧的出口温度为800～900℃；所述空冷速度大于＞0.3℃/s；各组别具体如表2所示。
表2
| 组别 | 加热均热温度℃ | 总加热时间h | 开轧温度℃ | 精轧温度℃ | 空冷速度℃/s |
| 实施例1 | 1140 | 1.5 | 1020 | 850 | 0.5 |
| 实施例2 | 1100 | 2 | 1000 | 800 | 0.4 |
| 实施例3 | 1180 | 1 | 1050 | 900 | 0.8 |
| 对比例1 | 1140 | 1.5 | 1020 | 850 | 0.5 |
| 对比例2 | 1140 | 1.5 | 1020 | 850 | 0.5 |
| 对比例3 | 1000 | 3 | 900 | 700 | 0.2 |
| 对比例4 | 1300 | 1.5 | 1100 | 950 | 0.2 |
对比例1-2、实施例1-2的热轧材氧化法奥氏体晶粒度如图5所示，并统计如表3所示；对比例2不含钒的凿岩中空钢、实施例1-2制作成钎杆后的凿岩寿命如表3所述。
表3
由表3的数据可知，
对比例1为含Mo的高级别钎杆用95CrMo中空钢，晶粒度只有7级；
对比例2为不含钒的中空钢，晶粒度只有8.5级，平均寿命只有152.5m；
对比例3中，所述加热均热温度为1000℃，所述粗轧的进口温度为900℃，所述精轧的出口温度为700℃，空冷速度为0.2℃/s；不在本发明的范围内，存在平均寿命低的缺点；
对比例4中，所述加热均热温度为1300℃，所述粗轧的进口温度为1100℃，所述精轧的出口温度为950℃，空冷速度为0.2℃/s；不在本发明的范围内，存在平均寿命低的缺点；
由图4可知，实施例1-2的奥氏体晶粒度明显大于对比例1含Mo的中空钢和对比例2不含钒的中空钢，对比例1含Mo的中空钢由于没有钒的细化晶粒作用，晶粒比较粗大。这表明钒微合金化在热处理过程中晶粒不易长大，提高了其均匀性。因此，上述实施效果表明本发明所述的钒微合金化在热处理时具有组织细小，均匀的特征。
为了更好地说明本发明所述的钒微合金化凿岩用中空钢的有益效果，对实施例获得的中空钢进行了感应正火热处理，所述感应正火处理具体包括：以≥15℃/s的速率升温至870～890℃保温10～30min，后以1.5～2.5℃/s的速率将至室温感应正火工艺曲线如图1所示。
对比例1-2、实施例1-2的热轧材显微组织如图2所示，可知：对比例1含Mo的中空钢有明显的网状碳化物，对比例2不含钒的中空钢有少许网状碳化物和块状碳化物，实施例1-2中无网状碳化物。这表明本发明所述的钒微合金化中空钢热轧材具有无网状碳化物和块状碳化物的特征。
对比例1-2、实施例1-2的热轧材感应正火处理后的显微组织如图3所示，可知：对比例1含Mo的中空钢仍然有明显的网状碳化物，对比例2不含钒的中空钢有碳化物，实施例1-2无网状碳化物。这表明本发明所述的钒微合金化中空钢热轧材具有无网状碳化物和晶界碳化物，且珠光体片层清晰可辨的特征。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计为：
C：0.80～0.85%，Si：0.20～0.60%，Mn：0.20%～0.35%，Cr：0.85～0.95%，V：0.08～0.15%，其余为Fe及不可避免杂质，所述钢的奥氏体晶粒度≥9.5级，所述凿岩用中空钢的采用如下方法制备：钢水进行冶炼和连铸，获得钢坯；
将所述钢坯中心穿孔，将芯材装入所述孔内，获得原料钢坯；
将所述原料钢坯进行加热，后进行粗轧和精轧，空冷至室温，获得钒微合金化凿岩用中空钢；其中，所述加热均热温度为1100～1180℃，总加热时间≤2h；所述粗轧的进口温度为1000～1050℃，所述精轧的出口温度为800～900℃；所述空冷速度大于＞0.3℃/s。
2.根据权利要求1所述的钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计，还包括：Mo：0.01～0.18%，P：0.010～0.018%，S：0.004～0.015%。
3.根据权利要求1或2所述的一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述钢的内部金相组织为珠光体。
4.根据权利要求1所述的一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述钢水进行转炉冶炼中，化学成分V以钒铁的形式在冶炼末期时加入。
5.根据权利要求1所述的一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述钢水进行冶炼中，控制出站时钢水温度为1610～1650℃。
6.根据权利要求1所述的一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述粗轧中，采用2～4道次进行轧制，控制轧制速度为2～3m/s，控制粗轧总变形量为20～30%。
7.根据权利要求1所述的一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述精轧中，采用4～10道次进行轧制，控制轧制速度为5～6mm/s，控制精轧总变形量为60～90%。
8.根据权利要求1所述的一种钒微合金化凿岩用中空钢，其特征在于，所述钒微合金化凿岩用中空钢的硬度集中在34～36HRC。
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