CN113755752A

CN113755752A - 一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢及其生产方法

Info

Publication number: CN113755752A
Application number: CN202110974746.2A
Authority: CN
Inventors: 左辉; 郑力宁; 林鹏; 韩翔宇; 翟万里; 石可伟; 吉光
Original assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd
Current assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2021-12-07

Abstract

本发明公开了一种高强韧性工程机械轮体用30Mn₂CrTiB钢及其生产方法，所述钢化学成分质量百分比为：C：0.28%‑0.31%，Si：0.20%‑0.30%，Mn：1.50%‑1.60%，Cr：0.50%‑0.65%，Ti：0.035%‑0.045%，B：0.0020%‑0.0030%，Al：0.020%‑0.040%，Cu≤0.20%，Ni≤0.25%，Mo：0.20%‑0.25%，P≤0.015%，S：0.020%‑0.030%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0020%，[N]≤0.0060%，余量为Fe。本发明相较传统的40Mn2轮体用钢，在提高钢材淬透性的同时，提高了钢的强韧性和耐磨性。同时通过合金元素细化钢的晶粒度，达到提高耐腐蚀性的作用。

Description

一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢及其生产方法

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的保淬透性结构钢，具体涉及一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢及其生产方法。

背景技术：

工程机械是我国装备工业的重要组成部分，凡是土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业和各种建筑工程所需的综合性机械化设施施工所需的机械装备，都称为工程机械。现有常见的工程机械包括挖掘机、铲土机、起重机、压实机、桩工机、钢筋混凝土机等。各种工程机械根据使用环境的不同，其行走部分通常采用轮式、履带式、轨道式，目前在复杂工况下主要使用履带式。履带的运转离不开轮体，轮体又分为承重轮、支重轮。工程机械底盘履带机构的轮体对工程机械的正常运行使用起到非常关键的作用。

随着基础建设的推进，工程机械需要在很多复杂环境下进行机械化施工，这对工程机械行走部件的质量提出了更高的要求。

GB/T 3077-2015《合金结构钢》中对40Mn2钢的化学成分及力学性能进行了明确的规定：C：0.37-0.44%，Si：0.17-0.37%，Mn：1.40-1.80%，P≤0.030%，S≤0.030%，Cu≤0.20%，Cr≤0.30%，Ni≤0.30%，Mo≤0.10%；调质后力学性能：Rm≥885Mpa，Rel≥735Mpa，A≥12%，Z≥45%，KU2≥55J。但越来越多的工程机械要求轮体用钢具备更高的强韧性、耐磨性、环境适应性和使用寿命，这就需要设计一种全新的工程机械轮体用钢。现有的40Mn2轮体用钢对恶劣环境下的适应性已经不能满足要求，急需开发出一种适用于低温、腐蚀环境，强韧性更高的轮体用钢，提升轮体的综合机械性能和使用寿命。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高强韧性工程机械轮体用30Mn₂CrTiB钢及其生产方法。提高材料的强韧性、耐腐蚀性和使用寿命，使之可以完全替代现有的轮体用GB/T 3077-2015《合金结构钢》40Mn₂钢。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高强韧性工程机械轮体用30Mn₂CrTiB钢，其化学成分质量百分比为：C：0.28%-0.31%，Si：0.20%-0.30%，Mn：1.50%-1.60%，Cr：0.50%-0.65%，Ti：0.035%-0.045%，B：0.0020%-0.0030%，Al：0.020%-0.040%，Cu≤0.20%，Ni≤0.25%，Mo：0.20%-0.25%，P≤0.015%，S：0.020%-0.030%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0020%，[N]≤0.0060%，余量为Fe。

本发明所生产的工程机械轮体机械性能Rm≥1200Mpa，Rel≥1050Mpa，A≥15%，Z≥55%，KU2（20℃）≥100J，KU2（-20℃）≥40J。

下面具体说明本发明高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢化学成分的限定理由：

C能提高钢的强度和淬透性，但是会降低塑性和冲击韧性，增加钢的冷脆性和失效敏感性；为防止淬火变形及开裂，考虑材质塑性和强韧性的要求，本发明将C含量控制在0.28%-0.31%；

Si是一种还原剂和脱氧元素，一般镇静钢中0.15%-0.30%的Si；Si能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度；硅还可以少量提高钢的淬透性，为保证产品性能及淬透性的稳定，本发明Si含量控制在0.20%～0.30%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含量超过1.60%易产生严重的偏析，因此，本发明将Mn含量控制在1.50%-1.60%之间；

Cr在本发明中作为合金元素，在钢中能显著提高强度、硬度、耐磨性和淬透性，但同时会降低塑性和韧性。当Cr含量大于0.45%时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还可以提高钢的耐二氧化碳腐蚀能力，为提高钢材的淬透性，本发明添加0.50%~0.65%的Cr元素；

Ti可以细化晶粒，提高钢的强韧性，在含B钢中一定的Ti含量还可以固B，使B元素充分起到提高淬透性的作用，但是Ti含量过高不利于钢的洁净度控制，易形成氮化钛、碳化钛的脆性夹杂。本发明将Ti含量限定在0.035%-0.045%；

B能提高钢的致密性，还是一种高淬透性元素，钢中添加少量的B就能起到提高淬透性的作用，本发明为稳定淬透性，防止淬火开裂，将B限定在0.0020%-0.0030%；

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≤0.25%，不添加含镍的合金。

Mo能提高钢的淬透性，当Mo含量≥0.20%时，还能显著提高钢的耐磨性。所以本钢种适当加入0.20%~0.25%的Mo，在提高钢材淬透性的同时，增加其耐磨性。

Al是一种脱氧剂，当脱氧到一定程度时，Al在钢中以化合物形态存在，Al还能起到细化晶粒，提高强韧性的作用。

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0.015％以下；

S在钢中主要以硫化物的形态存在，在一定程度上影响钢的纯净度。但是S化物尤其是团簇状S化物能够显著提高钢的切削性能，所以本发明添加了少量的S，对S含量进行了限定，S：0.020%-0.035%；

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，本发明及工艺将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。本发明及生产工艺可以将O含量稳定控制在0.0020%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%。本发明及生产工艺将N含量控制在0.0060%以内。

一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢的生产方法，包括下列步骤：按所述组分的质量百分比，

（1）铁水优选：选用S：0.030%-0.060%，温度≥1300℃的硫含量适中的铁水生产本发明钢种；本发明钢种不进行铁水脱硫预处理，利用铁水中的硫调节成品S含量，在冶炼过程形成纺锤形或短小的硫化物，有利于控制钢中硫化物的形态；

（2）转炉冶炼：在100吨及以上的顶底复吹式转炉中冶炼，转炉控制铁水比90%~95%，采用滑板挡渣装置控制出钢下渣回P≤0.002%，转炉出钢S控制在0.030%-0.045%，P控制在≤0.013%，C控制在0.10%-0.20%；

（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，精炼过程根据到站S含量，使用石灰进行精确控硫，精炼搅拌强度控制在300NL/min-450NL/min，确保精确控制精炼终点S含量0.022%-0.030%；精炼过程采用1.5Kg-2.0Kg 高纯碳化硅配合铝粒进行渣面脱氧，提高钢的纯净度；

（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，RH真空处理≤100Pa高真空保持时间25min，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：软吹前根据S含量微量添加硫铁线调硫，确保S含量0.022%-0.028%之间；软吹时渣面微动，确保钢液不裸露，控制软吹时间20min-30min，确保夹杂物充分上浮去除；

（6）连铸：采用Φ380mm或Φ500mm弧形圆坯连铸机5流浇注，控制过热度为20℃~35℃，拉速恒定在0.55m/min或0.32m/min；使用低硅中间包覆盖剂、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）轧制：采用蓄热式步进加热炉加热，开坯加连轧工艺轧制成圆钢。

本发明针对大型工程机械轮体强韧性不断提高，环境适应性不断增加的要求，使用低C、高Cr、加Mo、加Ti、加B的设计，通过不脱硫利用铁水S形成纺锤形硫化物，提高切削性能，可用于生产高强韧性、耐磨性和使用寿命的大型工程机械轮体。

一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢，按照本发明生产的工程机械轮体用钢，具有高淬透性、高强韧性、高耐磨性、高使用寿命等特点，材料性能可以达到如下水平：Rm≥1200Mpa，Rel≥1050Mpa，A≥15%，Z≥55%，KU2（20℃）≥100J，KU2（-20℃）≥40J。

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40Mn2轮体用钢，加入或显著加入了0.20%~0.25%的Mo、0.035%-0.045%的Ti、0.0020%-0.0030%的B，将C含量降低到0.29%-0.31%，将Cr含量提高到0.50%-0.65%，在提高钢材淬透性的同时，提高了钢的强韧性和耐磨性。同时通过合金元素细化钢的晶粒度，达到提高耐腐蚀性的作用，提高了轮体的耐候性。

（2）本发明选用S：0.030%-0.060%，温度≥1300℃的硫含量适中的铁水生产本发明钢种；本发明钢种不进行铁水脱硫预处理，利用铁水中的硫调节成品S含量；可以避免精炼加S导致的连铸结瘤问题，可以确保足够的时间将铁水中的S变性，形成纺锤体或细小的硫化物，提高钢的切削性能。

（3）本发明精炼过程根据到站S含量，使用石灰进行精确控硫，精炼搅拌强度控制在300NL/min-450NL/min，确保精确控制精炼终点S含量0.022%-0.030%。

（4）本发明采用Φ380mm或Φ500mm弧形圆坯连铸机5流浇注，控制过热度为20℃~35℃，拉速恒定在0.55m/min或0.32m/min；有效减少钢水在包时间，防止钢水卷渣，提高了钢的纯净度，提高了轮体的使用寿命，具有显著的经济效益。

具体实施方式：

目前国内使用的40Mn2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）铁水：选用S：0.030%-0.060%，温度≥1300℃的硫含量的铁水生产本发明钢种；本发明钢种不进行铁水脱硫预处理，利用铁水中的硫调节成品S含量，在冶炼过程形成纺锤形或短小的硫化物，有利于控制钢中硫化物的形态；

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。

所得高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢的化学成分如表2所示，气体含量、机械性能、非金属夹杂物与现有技术对比情况如表3、4、5所示。

表2 工程机械轮体用钢成分 wt%

化学成分	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Mo	Ti	B	Al
													本发明1	0.28	0.20	1.50	0.008	0.020	0.50	0.04	0.01	0.20	0.035	0.0021	0.020
本发明2	0.29	0.25	1.55	0.010	0.025	0.58	0.03	0.01	0.22	0.040	0.0025	0.030
													本发明3	0.30	0.29	1.56	0.013	0.029	0.62	0.04	0.01	0.24	0.042	0.0028	0.035
本发明4	0.31	0.30	1.60	0.014	0.030	0.65	0.04	0.01	0.25	0.045	0.0029	0.040

表3 本发明气体含量与现有技术对比

表4 本发明机械性能与现有技术对比

钢种	Rm/MPa	Rel/MPa	A/%	Z/%	KU2（20℃）/J	KU2（-20℃）/J
							本发明1	1230	1080	18	62	140/136	62/60
本发明2	1262	1120	16	58	125/130	57/55
							本发明3	1284	1142	16	56	120/116	54/56
本发明4	1341	1185	15	55	109/105	50/47
							现有40Mn2钢	950~1150	850~1000	15~18	45~55	75-100	34/36

表5 本发明非金属夹杂物与现有技术对比

钢种	A粗	A细	B粗	B细	C粗	C细	D粗	D细	Ds
										本发明1	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0.5	0.5	1.0
本发明2	1.0	1.0	0	0	0	0	1.0	0.5	1.0
										本发明3	0.5	1.0	0	0	0	0	1.0	1.0	0.5
本发明4	0.5	0.5	1.0	0	0	0	0.5	1.0	1.0
										现有40Mn2钢	2.0	2.0	2.0	2.0	1.5	1.5	2.0	2.0	2.0

本发明非金属夹杂物控制水平达国际先进水平。

Claims

1.一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.28%-0.31%，Si：0.20%-0.30%，Mn：1.50%-1.60%，Cr：0.50%-0.65%，Ti：0.035%-0.045%，B：0.0020%-0.0030%，Al：0.020%-0.040%，Cu≤0.20%，Ni≤0.25%，Mo：0.20%-0.25%，P≤0.015%，S：0.020%-0.030%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0020%，[N]≤0.0060%，余量为Fe。

2.一种高强韧性工程机械轮体用30Mn2CrTiB钢的生产方法，其特征在于：按照权利要求1所述化学成分配置冶炼原料，冶炼原料依次经过：铁水S含量为0.030%-0.060%、温度≥1300℃、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、软吹、连铸、热轧、精整，得到Φ100mm以上热轧圆钢。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于：转炉控制铁水比90%~95%，采用滑板挡渣装置控制出钢下渣回P≤0.002%，转炉出钢S控制在0.030%-0.045%，P控制在≤0.013%，C控制在0.10%-0.20%。

4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于：精炼过程根据到站S含量，使用石灰进行控硫，精炼搅拌强度控制在300NL/min-450NL/min，控制精炼终点S含量0.022%-0.030%。

5.根据权利要求2或 4所述的生产方法，其特征在于：精炼过程采用1.5Kg-2.0Kg 高纯碳化硅配合铝粒进行渣面脱氧，提高钢的纯净度。

6.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于：RH真空处理≤100Pa高真空保持时间25min，软吹前根据S含量用硫铁线调硫，使S含量在0.022%-0.028%之间，控制软吹时间20min-30min。

7.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于：采用Φ380mm或Φ500mm弧形圆坯连铸机5流浇注，控制过热度为20℃~35℃，拉速恒定在0.55m/min或0.32m/min；采用蓄热式步进加热炉加热，开坯加连轧工艺轧制成圆钢。