CN113151744B - 一种工程机械回转支承用钢s48c及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械回转支承用钢S48C及其制备方法，化学成分质量百分比为：C：0.49%‑0.51%，Si：0.30%‑0.35%，Mn：0.85%‑0.90%，Cr：0.23%‑0.25%，Cu≤0.20%，Ni：≤0.10%，Mo：0.03%~0.05%，P≤0.012%，S≤0.002%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，余量为Fe。化学成分质量百分比中加入了0.03%~0.05%Mo和0.20%~0.25%Cr元素，提高钢材淬透性，同时，在保持其塑韧性与传统S48C处于相当水平的前提下，提高了钢的强度和耐磨性；尽可能的降低P、S、Cu等有害残余元素的含量，将有害气体含量加严控制到[H]≤0.00015%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%；非金属夹杂物dA≤0.15%，dB≤0.05%，dC粗≤0.10%。采用本发明生产的回转支承的临界淬透直径可达45mm以上。本发明通过连铸工艺参数的设置，可以采用连铸圆坯替热轧圆钢，大幅度降低了原材料的成本，具有显著的经济效益。

Description

一种工程机械回转支承用钢S48C及其生产方法

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的优质碳素结构钢，具体涉及一种工程机械回转支承用钢S48C及其生产方法。

背景技术：

回转支承又叫转盘轴承，是一种能够承受综合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩。回转支承在工业中应用很广泛，被人们称为“机器的关节”，是两物体间需作相对回转运动，又需同时承受轴向力、径向力、倾覆力矩的机械所需的重要传动部件。随着机械力矩的迅速发展，回转支承在船舶设备、工程机械、轻工机械、冶金机械、医疗机械、工业机械等行业得到了广泛的应用。

随着技术的不断进步，特殊钢S48C作为工程机械回转支承的原材料，已逐渐达不到新型回转支承的性能要求了，急需对现有材质进行改进，提升回转支承的综合机械性能。

日本《机械结构用碳钢》（JIS G 4051）标准中对S48C材质进行了以下规定：C:0.45%-0.51%，Si:0.15%-0.35%，Mn:0.60%-0.90%，Cr:≤0.20%，P≤0.030%，S≤0.035%，Ni≤0.20%，Cu≤0.30%，Ni+Cr≤0.35%。临界淬透直径可达：0.8~1.3英寸。但越来越多的工程机械要求回转支承具备更均匀的性能，这就需要提高原材料的淬透性（临界淬透直径DI≥1.7英寸，使回转支承完全淬透），而传统的S48C材料已经不能满足这一要求，因此限制了它的使用。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种工程机械回转支承用钢S48C及其生产方法。提高材料的淬透性，使临界淬透直径DI≥1.7英寸，使大规格回转支承完全淬透。

本发明通过以下技术方案实现：

一种工程机械回转支承用钢S48C，化学成分质量百分比为：C：0.49%-0.51%，Si：0.30%-0.35%，Mn：0.85%-0.90%，Cr：0.23%-0.25%，Cu≤0.20%，Ni：≤0.10%，Mo：0.03%~0.05%，P≤0.012%，S≤0.002%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，余量为Fe。

本发明进一步改进方案是，化学成分质量百分比中Ni与 Cr合计≤0.25。

本发明进一步改进方案是，临界淬透直径按照公式：DI=Y*C×Y*Si×Y*Mn×Y*Ni×Y*Cr×Y*Mo×Y*Cu≥1.7英寸。

本发明进一步改进方案是，

Y*C=0.265（C%）2+0.001（C%）+0.171

Y*Si=0.700（Si%）+1.000

Y*Mn=3.333（Mn%）+1.000

Y*Ni=0.363（Ni%）+1.000

Y*Cr=2.160（Cr%）+1.000

Y*Mo=3.000（Mo%）+1.000

Y*Cu=0.365（Cu%）+1.000。

一种工程机械回转支承用钢S48C的生产方法，用S≤0.05%、温度≥1320℃的高热值低硫铁水，冶炼依次经过：KR深脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、软吹、连铸，得到Φ380mm以上连铸圆坯。

本发明进一步改进方案是，采用KR设备进行深脱硫，确保脱硫后S含量不大于0.003%；转炉控制铁水比≥90%，转炉冶炼周期≤40min，采用滑板挡渣装置控制出钢下渣回P≤0.002%；控制精炼过程时间≤130min，精炼过程不变性处理，精炼搅拌强度≤600NL/min；RH真空处理前真空室必须空置≤120min，RH真空处理≤67Pa高真空保持时间≥28min；采用Φ380mm弧形圆坯连铸机4流浇注，控制过热度为20℃~30℃，拉速恒定在0.54m/min。

下面具体说明本发明工程机械回转支承用钢S48C化学成分的限定理由：

C能有效提高钢的强度和淬透性，但为防止淬火变形及开裂，考虑材质强韧性的要求，本发明将C含量控制在0.49%～0.51%之间；在本申请实施例中C含量优选0.50%。

Si是一种脱氧元素，能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度；硅还有能少量提高钢的淬透性，因此本发明Si含量控制在0.30%～0.35%之间；

Mn能够提高钢的硬度和耐磨性，显著提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn还有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性，并可补偿低碳所造成的强度损失，但Mn含量过高会产生偏析，因此，本发明将Mn含量控制在0.85%-0.90%之间；

Cr能显著提高钢的强度、硬度、耐磨性和淬透性，但同时降低塑性和韧性。Cr能在钢表面形成一层钝化膜，具有抗氧化和耐腐蚀的能力，同时Cr可提高耐二氧化碳腐蚀，为提高材质的淬透性，本发明添加0.23%~0.25%的Cr元素；

Cu在钢中一般作为有害元素，当Cu含量超过0.20%且钢温超过1100℃时，钢材表面产生氧化脱碳，易在脱碳层晶界富集，形成铜脆、表面龟裂，严重影响钢材质量。因此，本发明将Cu含量限制在≤0.20%。

Ni在钢中可以稳定奥氏体，在提高强度的同时，不降低塑性和韧性。但是由于Ni对钢的淬透性影响较小，且Ni是贵重合金，影响钢材生产成本，所以本钢种将Ni含量限制在≤0.10%。在本申请实施例中Ni含量优选0.01%。

Mo能提高钢的耐磨性，显著提高钢的淬透性。但是Mo是一种贵重合金，所以本钢种适当加入0.03%~0.05%的Mo，提高材质淬透性。

P使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，同时恶化钢的焊接性能，降低塑性，使冷弯性能变差。因此，本发明将P含量控制在0.012％以下；

S易偏析元素，影响钢材性能的均匀性，且S在钢中主要以非金属夹杂物的形态存在，影响钢的纯净度。所以本发明对S含量进行了严格控制，必须≤0.002%；

H：氢使钢的塑性降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行轧制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，严重影响板簧的疲劳寿命。因此，本发明将H控制在0.00015%以下。

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、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，材料的氧化夹杂物出现几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明将O含量稳定控制在0.0015%以内。

N：氮能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.0080%。本发明将N含量控制在0.0050%以内。

按照本发明生产的回转支承用钢，具有高强韧性、高纯净度、高淬透性等特点，材料性能可以达到如下水平：DI≥1.7英寸，非金属夹杂物：dA≤0.15%，dB≤0.05%，dC粗≤0.10%。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明相较传统的S48C回转支承用钢，加入了0.03%~0.05%的Mo和0.23%~0.25%的Cr元素，在提高钢材淬透性的同时，提高了钢的强度和耐磨性。同时，保持其塑韧性与传统S48C处于同一水平。

（2）针对钢种特性和淬透性要求，本发明将C、Si、Mn元素含量均提升到传统S48C的上限，充分提升钢的淬透性。

（3）本发明采用以下工艺措施，确保了钢的纯净度（非金属夹杂物dA≤0.15%，dB≤0.05%，dC粗≤0.10%。）：选用S≤0.05%、温度≥1320℃的高热值低硫铁水生产本发明钢种；采用KR设备进行深脱硫，确保脱硫后S含量不大于0.003%；转炉控制铁水比≥90%，转炉冶炼周期≤40min，采用滑板挡渣装置控制出钢下渣回P≤0.002%；控制精炼过程时间≤130min，精炼过程不变性处理，精炼搅拌强度≤600NL/min；RH真空处理前真空室必须空置≤120min，RH真空处理≤67Pa高真空保持时间≥28min；采用Φ380mm弧形圆坯连铸机4流浇注，控制过热度为20℃~30℃，拉速恒定在0.54m/min。

（4） 采用本发明生产的回转支承的临界淬透直径可达45mm以上。本发明通过连铸工艺参数的优化设置，可以采用连铸圆坯替热轧圆钢，大幅度降低了原材料的成本，具有显著的经济效益。

附图说明

图1 S48C淬火后金相组织（马氏体+贝氏体）

图2 S48C淬火后金相组织（马氏体）

具体实施方式：

现有技术使用的S48C与本发明的化学成分对比情况如下表1所示。

表1 化学成分对比 wt%

采用以下生产工艺制备：

（1）KR脱硫：选用S≤0.05%、温度1320℃~1400℃的高热值低硫铁水生产本发明钢种；采用KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，向搅拌起的铁水中投入脱硫剂，继续搅拌使脱硫剂与铁水中的硫充分反应；搅拌10min后，再通过自动扒渣装置彻底扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.003%；

（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制铁水比90%~95%，转炉冶炼周期35min~40min，转炉采用双渣法操作实现预脱P，出钢加入石灰、合成精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用挡渣滑板进行挡渣，控制出钢下渣回P≤0.002%；

（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度R：5-8的精炼渣；控制精炼过程时间100min~130min，精炼过程不变性处理；控制石灰与精炼渣的配比在2:1，精炼过程全程搅拌，精炼前期大搅拌，搅拌强度450NL/min~600NL/min，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

（4）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，精炼RH真空处理前真空室必须空置≤120min，在<67Pa的高真空下保持28min~40min，保证［H］≤0.000015%，［O］≤0.0008%，［N］≤0.0030%，所有成分进入要求的内控范围；

（5）软吹：软吹时渣面微动，确保钢液不裸露，软吹时间为25min~35min，确保夹杂物充分上浮去除；

（6）连铸：采用Φ380mm弧形圆坯连铸机4流浇注，减少钢水在钢包停留时间，控制过热度为20℃~30℃，拉速恒定在0.54m/min；使用低硅中间包覆盖剂、弹簧钢专用结晶器保护渣，采用保护渣自动烘烤、自动添加装置确保均匀及时添加，实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯；采用M-EMS+S-EMS+F-EMS三段电磁搅拌装置，充分均匀组织，提高内部质量。

（7）精整：采用人工检查修磨进行逐支检查消缺，确保钢坯表面质量。

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。

所得S48C钢的化学成分如表2所示，气体含量、DI值、非金属夹杂物与现有技术对比情况如表3、4、5所示。

表2 S48C钢成分 wt%

表3 本发明气体含量与现有技术对比

表4 本发明DI值与现有技术对比

钢种	DI值(英寸)
		本发明1	1.95
本发明2	2.00
		本发明3	1.98
本发明4	2.06
		现有S48C钢	0.8~1.3

表5 本发明非金属夹杂物与现有技术对比

钢种	dA	dB	dC
				本发明1	0.03	0.01	0.05
本发明2	0.05	0.02	0.04
				本发明3	0.05	0.01	0.03
本发明4	0.03	0	0.03
				现有S48C钢	0.25	0.18	0.20

表六 本发明性能与现有技术对比

钢种	Rm/Mpa	Rel/Mpa	A/%	Z/%
					本发明1	830	515	23	50
本发明2	842	516	24	49
					本发明3	835	524	24	50
本发明4	858	537	23	52
					现有S48C钢	710~800	420~500	16~22	42~48

Claims (3)

1.一种工程机械回转支承用钢S48C，其特征在于：化学成分质量百分比为：C：0.50%，Si：0.30%-0.35%，Mn：0.85%-0.90%，Cr：0.23%-0.25%，Cu≤0.20%，Ni：0.01，Mo：0.03% ~0.05%，P≤0.012%，S≤0.002%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，余量为Fe；

所述回转支承用钢S48C的临界淬透直径按照公式：DI=Y*C×Y*Si×Y*Mn×Y*Ni×Y*Cr×Y*Mo×Y*Cu≥1.7英寸；

Y*C=0.265（C%）2+0.001（C%）+0.171

Y*Si=0.700（Si%）+1.000

Y*Mn=3.333（Mn%）+1.000

Y*Ni=0.363（Ni%）+1.000

Y*Cr=2.160（Cr%）+1.000

Y*Mo=3.000（Mo%）+1.000

Y*Cu=0.365（Cu%）+1.000。

2.如权利要求1所述的一种工程机械回转支承用钢S48C，其特征在于：化学成分质量百分比中Ni与 Cr合计≤0.25。

3.一种工程机械回转支承用钢S48C的生产方法，其特征在于：根据权利要求1所述化学成分质量百分比，用S≤0.05%、温度≥1320℃的高热值低硫铁水，冶炼依次经过：KR深脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、软吹、连铸，得到Φ380mm以上连铸圆坯；

采用KR设备进行深脱硫，确保脱硫后S含量不大于0.003%；转炉控制铁水比≥90%，转炉冶炼周期≤40min，采用滑板挡渣装置控制出钢下渣回P≤0.002%；控制精炼过程时间≤130min，精炼过程不变性处理，精炼搅拌强度≤600NL/min；RH真空处理前真空室必须空置≤120min，RH真空处理≤67Pa高真空保持时间≥28min；采用Φ380mm弧形圆坯连铸机4流浇注，控制过热度为20℃ ~ 30℃，拉速恒定在0.54m/min。

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