CN114107784A

CN114107784A - 一种高淬透性含硼调质钢、圆钢及其制造方法

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Publication number: CN114107784A
Application number: CN202010878903.5A
Authority: CN
Inventors: 黄瑞; 赵四新; 黄宗泽
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明公开了一种高淬透性含硼调质钢，其除了Fe以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.35～0.40wt.％、Si：0.15～0.35wt.％、Mn：1.10～1.40wt.％、Cr：0.45～0.65wt.％、Mo：0.10～0.15wt.％、Al：0.015～0.045wt.％、Ti：0.03～0.05wt.％、B：0.0015～0.003wt.％、Ni≤0.20wt.％、N≤0.0080wt.％。此外，本发明还公开了一种由上述的高淬透性含硼调质钢制得的圆钢。另外，本发明还公开了上述圆钢的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼；(2)浇铸；(3)轧制：控制开轧温度为1100‑1170℃，终轧温度为950‑1000℃。本发明所述的高淬透性含硼调质钢具有优良的力学性能和非常高的淬透性，其可以满足大截面、复杂尺寸零件的生产制造，具有良好的使用前景和价值。

Description

一种高淬透性含硼调质钢、圆钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种调质钢、圆钢及其制造方法，尤其涉及一种含硼调质钢、圆钢及其制造方法。

背景技术

一直以来，含硼调质钢以其良好的综合机械性能，低廉的合金成本，在工程机械制造业中得到了广泛的应用，这类钢材具有较高淬透性，能够有效适用于制造工程机械用调质零件。

近年来，随着工程机械向着大型化、轻量化及重载荷等方向发展，工程机械零件的尺寸也变得越来越复杂，常常会出现零件各部位截面尺寸不一的情况。因此，在零件的生产过程中，在工件截面尺寸较大或者薄厚相差较为悬殊时，很容易出现淬火后硬度不足的情况，从而表现为整个工件的硬度偏差，局部硬度下降，或者在零件上产生软点等，这均是由于钢材淬透性不足引起的问题。

目前，国内外针对高淬透性的调质钢已有较多研究，但传统的高淬透性调质钢仍然存在一些淬透性不足的缺陷。

例如：公开号为CN108998725A，公开日为2018年12月14日，名称为“履带链轨节用35MnBM钢及其制备方法”的中国专利文献公开了一种高淬透性调质钢。在该专利文献所公开的技术方案中，所得到的履带链轨节用 35MnBM钢的淬透性为：J1.5：59-62HRC，J15：33-36HRC。

又例如：公开号为CN108411192A，公开日为2018年8月17日，名称为“一种高淬透性工程机械支重轮用钢及制备方法”的中国专利文献，同样也公开了一种高淬透性工程机械支重轮用钢。在该专利文献所公开的技术方案中，其制得的钢的淬透性为：J1.5：52-62HRC，J20：≤45HRC。

再例如：公开号为CN108642383A，公开日为2018年10月12日，名称为“一种窄淬透性工程机械链轨节用钢及其生产方法”的中国专利文献公开了一种窄淬透性工程机械链轨节用钢。在该专利文献所公开的技术方案中，其制得的钢的淬透性为：J1.5：51-55HRC，J19：38-43HRC。

由此可见，上述现有技术中传统的高淬透性调质钢的淬透性虽然可以满足中小截面零件的需求，但是对于大截面、复杂尺寸零件的制造，则很容易由于淬透性不足产生上述工件淬火后硬度不足的问题。

基于此，为了克服上述传统高淬透性调质钢的缺陷，期望获得一种淬透性更高、性能更好的高淬透性调质钢，其可以有效满足大截面、复杂尺寸零件的生产制造。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高淬透性含硼调质钢，该高淬透性含硼调质钢采用了简单的成分设计，其通过在钢中加入铬、镍、锰、钼、硼等合金元素，可以获得强韧性优良、淬透性大幅提高的调质钢。该高淬透性含硼调质钢可以有效满足大截面、复杂尺寸零件的生产制造，具有良好的使用前景和价值。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高淬透性含硼调质钢，其除了Fe 以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.35～0.40wt.％、Si：0.15～0.35wt.％、Mn：1.10～1.40wt.％、Cr： 0.45～0.65wt.％、Mo：0.10～0.15wt.％、Al：0.015～0.045wt.％、Ti：0.03～0.05wt.％、 B：0.0015～0.003wt.％、Ni≤0.20wt.％、N≤0.0080wt.％。

进一步地，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.35～0.40wt.％、Si：0.15～0.35wt.％、Mn：1.10～1.40wt.％、Cr： 0.45～0.65wt.％、Mo：0.10～0.15wt.％、Al：0.015～0.045wt.％、Ti：0.03～0.05wt.％、 B：0.0015～0.003wt.％，Ni≤0.20wt.％，N≤0.0080wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的技术方案中，本发明所述的高淬透性含硼调质钢在锰铬硼系钢种基础上，添加了Mo元素，同时提高了Cr的含量，采用了高锰高铬的方案，通过使用Mn、Cr、Ni、Mo等元素辅助B元素进一步提高钢的淬透性，并产生固溶强化、析出强化等，以增加钢的强度、耐磨性，最终完成钢的超高淬透性的性能。各化学元素的设计原理具体如下所述：

C：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，C元素可以起到固溶强化的作用，其决定了钢的最高淬火硬度。需要说明的是，钢中C元素含量还可以调节钢材的塑韧性，钢中C元素含量太低，则不易淬硬，且回火后强度不足；而若钢中C元素含量过高，则会使钢材的韧性不足。基于此，为了保证钢材的塑韧性和淬硬性，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将C的质量百分比控制在0.35～0.40wt.％之间。

Si：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Si元素在钢中主要可以起到使CCT曲线的贝氏体转变区向右移的作用，其可以使贝氏体在较低温度发生转变，形成细小的针状下贝氏体，同时，可以在较大的温度范围内形成下贝氏体。对于大尺寸的材料，即使内外冷速不同，都会得到下贝氏体组织。同时，需要说明的是，Si可以溶于ɑ相，能够起到固溶强化作用，提高钢的强度，但会降低钢的塑韧性。基于此，综合考虑Si的有益效果和不利影响，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Si的质量百分比控制在 0.15～0.35wt.％之间。

Mn：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Mn元素不仅能够推迟珠光体和贝氏体转变，增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。同时，Mn 元素还可以在钢中形成置换式固溶体，从而起到较强的固溶强化的作用，使钢材的屈服强度和抗拉强度增加，提高钢的耐磨性。此外，Mn元素还易于钢中的S元素形成MnS夹杂物，MnS可以用于改善钢的切削性能。但是，需要说明的是，当钢中S元素含量较高时，过多的Mn元素与S元素结合成MnS， Mn元素以其他形式存在的含量就会降低，另外两种作用效果就会减弱。基于此，为了保证钢的淬透性、强度、耐磨性以及切削性能，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Mn元素的质量百分比控制在1.10～1.40wt.％之间。

Cr：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Cr元素不仅能够提高钢的淬透性，同时其还可以提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。考虑到本发明所述的高淬透性含硼调质钢所制备的零件的工作环境可能比较复杂严苛，对材料的耐蚀性和抗氧化性需要有一定的要求，因此，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Cr元素的质量百分比控制在0.45～0.65wt.％之间。

Ni：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Ni元素可以有效提高钢的淬透性，但同时Ni元素是一种十分昂贵的元素，不宜过量添加，因此本发明主要以添加Mn、Cr为主。基于此，为了降低成本，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Ni元素的质量百分比控制为Ni≤0.20wt.％。

Mo：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Mo元素能够有效提高钢的淬透性和热强性。但需要注意的是，Mo元素提高钢的淬透性效果虽然比 Cr元素强，但相较于Mn元素稍逊。本发明所述的钢材为调质钢，加入Mo 元素不仅能使较大截面的零件淬深、淬透，同时还可以提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，能够有效消除残余应力提高塑性，这对于大尺寸零件的热处理十分有益。基于此，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Mo元素的质量百分比控制在0.10～0.15wt.％之间。

Al：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Al元素主要作为脱氧剂使用，其可以脱去钢中的O元素，能够有效避免因O元素与B元素结合形成氧化硼进而降低固溶硼的淬透性作用的问题，从而保证钢的淬透性。基于此，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Al元素的质量百分比控制在 0.015～0.045wt.％之间。

Ti：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，Ti元素易在高温线与钢中的N元素结合形成十分稳定的TiN，其不仅能够有效阻止加热及轧制过程的奥氏体晶粒长大，同时还可以消耗钢中的N元素，避免B元素与N元素结合形成BN，以至于降低固溶硼的淬透性作用。基于此，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将Ti元素的质量百分比控制在0.03～0.05wt.％之间。

B：在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，B元素是本发明中提高钢的淬透性的关键元素，极微量的硼就可以产生极大的效果，且硼的价格低廉，对于节约稀缺且昂贵的合金元素如Ni、Mo等极为有利。基于此，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，将B元素的质量百分比控制在 0.0015～0.003wt.％之间。

但是，需要注意的是，硼只有以固溶硼的形式存在时才对淬透性起作用。因此，本发明中，需要在钢中严控Al、Ti和N元素的含量配比，以阻止氧化硼和氮化硼的形成，帮助固溶硼发挥淬透性的作用。在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，钢中N元素含量不宜过高，N元素的质量百分比可以控制为N≤0.0080wt.％，与此同时，在控制单一化学元素质量百分比的同时，还可以控制Ti/N大于等于4，上式中，Ti和N分别表示其各自对应化学元素的质量百分比含量。这样可以保证Ti元素完全消耗掉钢中全部的N元素，从而保证钢中固溶硼含量，保证钢的淬透性。

进一步地，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，其各化学元素的质量百分比含量满足：满足Ti/N≥4。上式中，Ti和N分别表示其各自对应化学元素的质量百分比含量。

进一步地，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，各杂质元素含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.025wt.％，S≤0.025wt.％，Pb≤0.002wt.％， As≤0.04wt.％，Sn≤0.005wt.％，Sb≤0.008wt.％，Ca≤0.0010wt.％。

在上述技术方案中，P、S、Pb、As、Sn、Sb和Ca均为钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低钢中杂质元素的含量。

进一步地，在本发明所述的高淬透性含硼调质钢中，其微观组织为均匀的贝氏体组织。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种圆钢，该圆钢不仅具有良好的力学性能还具有超高的淬透性，其屈服强度≥650MPa、抗拉强度≥950MPa、伸长率≥12％，断面收缩率≥28％，其淬透性达到J1.5为54-58HRC；J50为 50-54HRC，可以有效用于制造大型工程机械用调质零件。

为了实现上述目的，本发明提出了一种圆钢，其采用上述的高淬透性含硼调质钢制得。

进一步地，在本发明所述的圆钢中，其直径为150-180mm。

进一步地，在本发明所述的圆钢中，其性能满足下述各项的至少其中之一：屈服强度≥650MPa、抗拉强度≥950MPa、伸长率≥12％，断面收缩率≥ 28％，其淬透性达到J1.5为54-58HRC；J50为50-54HRC。

在上述技术方案中，需要解释的是，在本发明中，关于本发明所述淬透性的表达，其中J1.5表示距离端部1.5mm处的硬度，相应地，J50表示距离端部50mm处的硬度。

此外，本发明的又一目的在于提供上述的圆钢的制造方法，该制造方法生产简单，所获得的高淬透性的含硼调质钢比现有钢种的淬透性有明显提高，特别适合于制造大尺寸、复杂形状的工程机械零件。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的圆钢的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸；

(3)轧制：控制开轧温度为1100-1170℃，终轧温度为950-1000℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，合金元素的添加顺序遵循先加Al脱氧，然后加入Ti固氮，最后加B；冶炼时控制出钢温度为1640-1660℃。

在本发明所述的技术方案中，B是本发明中提高钢的淬透性的关键元素，但B只有以固溶硼的形式存在时才对钢的淬透性起作用。因此，在本发明中，可以采用先加铝脱氧，再加钛固氮，最后加入硼元素的技术手段，以形成更多的固溶硼，从而能够有效提高钢的淬透性。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制浇铸开始温度为1530-1560℃。

本发明所述的高淬透性含硼调质钢、圆钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的高淬透性含硼调质钢，采用了简单的成分设计，其在锰铬硼系钢种基础上，添加了Mo元素，同时提高了Cr的含量，采用了高锰高铬的方案，通过在钢中加入铬、镍、锰、钼、硼等合金元素提高钢的淬透性，可以获得强韧性性能优良、淬透性大幅提高的调质钢。

该高淬透性含硼调质钢的加工性能优良(便于切削加工)、组织性能优良、晶粒细小，便于加工大截面、复杂尺寸零件，且其调质后可淬透，使用寿命长，可以用于制造圆钢，用以制造大型工程机械用调质零件，适用性广泛，具有良好的推广前景和应用价值。

采用本发明所述的高淬透性含硼调质钢制得的圆钢，具有十分有益的性能，其在保证良好的力学性能的同时，还具有超高的淬透性，其屈服强度≥ 650MPa、抗拉强度≥950MPa、伸长率≥12％，断面收缩率≥28％，其淬透性达到J1.5为54-58HRC；J50为50-54HRC，可以有效用于制造大型工程机械用调质零件。

本发明所述的制造方法生产工艺简单，所获得的高淬透性圆钢相较于现有钢种的淬透性有明显提高，特别适合于制造大尺寸、复杂形状的工程机械零件，具有良好的推广前景和应用价值。

附图说明

图1对比地显示了本案各实施例与现有技术的淬透性曲线。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例和说明书附图对本发明所述的高淬透性含硼调质钢、圆钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6

实施例1-6的圆钢均采用以下步骤制得：

(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼：其中合金元素的添加顺序遵循先加Al脱氧，然后加入Ti固氮，最后加B；冶炼时控制出钢温度为 1640-1660℃。

(2)浇铸：控制浇铸开始温度为1530-1560℃。

(3)轧制：控制开轧温度为1100-1170℃，终轧温度为950-1000℃，控制圆钢直径为150-180mm。

需要说明的是，实施例1-6的圆钢均采用本发明所述的高淬透性含硼调质钢制得，表1列出了实施例1-6的高淬透性含硼调质钢的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt.％，余量为Fe和除了P、S、Pb、As、Sn、Sb以及Ca以外的其他不可避免的杂质)

表2列出了实施例1-6的圆钢在上述步骤中的具体工艺参数。

表2.

将得到的实施例1-6的圆钢取样并进行各项相关性能测试，将所得的性能测试结果分别列于表3-1和表3-2中。

表3-1列出了实施例1-6的圆钢的力学性能测试结果。

表3-1.

表3-2列出了实施例1-6的圆钢的淬透性能测试结果。(本测试依据国标GB/T225-2006，钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)进行测试。)

表3-2.

注：上表中，关于钢的淬透性的表达，J1.5表示距离端部1.5mm处的硬度，J3表示距离端部3mm处的硬度，J5 表示距离端部5mm处的硬度，以此类推，J50表示距离端部50mm处的硬度。

结合表3-1和表3-2可以看出，本发明所述的实施例1-6的圆钢在保证良好的力学性能的同时，还具有超高的淬透性，其屈服强度≥650MPa、抗拉强度≥950MPa、伸长率≥12％，断面收缩率≥28％，其淬透性达到J1.5为54-58HRC；J50为50-54HRC，可以有效用于制造大型工程机械用调质零件。

图1对比地显示了本案各实施例与现有技术的淬透性曲线。

由表3-2及图1可以看出，实施例1-6所述的圆钢淬透性良好，淬透性 J1.5硬度为56-58HRC，J50的硬度为50-54HRC，从J1.5到J50整体硬度下降在7个HRC以内，表现出超高的淬透性，其淬透性值均在工程机械用零件要求范围内，可以用于制造大尺寸、复杂形状的工程机械零件，适用性十分广泛，具有良好的推广前景和应用价值。

另外，需要说明的是，淬透性是指在规定条件下用试样淬透层深度和硬度分布来表征的材料特征，即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力。因此，可以使用淬透性硬度曲线来表征淬透性，这在国标GB/T225-2006中也有规范。从图1可以清晰的看出本案与现有技术淬透性的差别。如图1所示，本案实施例1-6硬度曲线下降较缓慢，而现有技术CN108998725A、 CN108411192A和CN108642383A的硬度均下降较明显。

本发明所述实施例1-6的圆钢其均采用本发明所述的高淬透性含硼调质钢制得，高淬透性含硼调质钢经过轧制后，经观察，实施例1-6均得到均匀的贝氏体组织，其可以为后续的调质热处理提供预备组织。

综上所述可以看出，本发明所述的高淬透性含硼调质钢，采用了简单的成分设计，其在锰铬硼系钢种基础上，添加了Mo元素，同时提高了Cr的含量，采用了高锰高铬的方案，通过在钢中加入铬、镍、锰、钼、硼等合金元素提高钢的淬透性，可以获得强韧性性能优良、淬透性大幅提高的调质钢。

采用本发明所述的高淬透性含硼调质钢制得的圆钢，具有十分优异的性能，其在保证良好的力学性能的同时，还具有超高的淬透性，其屈服强度≥ 650MPa、抗拉强度≥950MPa、伸长率≥12％，断面收缩率≥28％，其淬透性达到J1.5为54-58HRC；J50为50-54HRC，可以有效用于制造大型工程机械用调质零件。

此外，需要说明的是，本发明所述的具有良好的力学性能和超高淬透性的圆钢在后续制备零件过程中，可以进行调质处理，经过调质处理后，钢的屈服强度大于1000MPa、抗拉强度大于1100MPa、断面收缩率≥60％，从而可以获得更加优异的综合机械性能。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高淬透性含硼调质钢，其特征在于，其除了Fe以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.35～0.40wt.％、Si：0.15～0.35wt.％、Mn：1.10～1.40wt.％、Cr：0.45～0.65wt.％、Mo：0.10～0.15wt.％、Al：0.015～0.045wt.％、Ti：0.03～0.05wt.％、B：0.0015～0.003wt.％、Ni≤0.20wt.％、N≤0.0080wt.％。

2.如权利要求1所述的高淬透性含硼调质钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.35～0.40wt.％、Si：0.15～0.35wt.％、Mn：1.10～1.40wt.％、Cr：0.45～0.65wt.％、Mo：0.10～0.15wt.％、Al：0.015～0.045wt.％、Ti：0.03～0.05wt.％、B：0.0015～0.003wt.％，Ni≤0.20wt.％，N≤0.0080wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的高淬透性含硼调质钢，其特征在于，其各化学元素的质量百分比含量满足：满足Ti/N≥4。

4.如权利要求2所述的高淬透性含硼调质钢，其特征在于，在其他不可避免的杂质中，各杂质元素含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.025wt.％、S≤0.025wt.％、，Pb≤0.002wt.％，As≤0.04wt.％，Sn≤0.005wt.％，Sb≤0.008wt.％，Ca≤0.0010wt.％。

5.如权利要求1或2所述的高淬透性含硼调质钢，其特征在于，其微观组织为均匀的贝氏体组织。

6.一种圆钢，其采用如权利要求1-5中任意一项所述的高淬透性含硼调质钢制得。

7.如权利要求6所述的圆钢，其特征在于，其性能满足下述各项的至少其中之一：屈服强度≥650MPa、抗拉强度≥950MPa、伸长率≥12％，断面收缩率≥28％，其淬透性达到J1.5为54-58HRC；J50为50-54HRC。

8.如权利要求6所述的圆钢，其特征在于，其直径为150-180mm。

9.如权利要求6-8中任意一项所述的圆钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸；

(3)轧制：控制开轧温度为1100-1170℃，终轧温度为950-1000℃。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，合金元素的添加顺序遵循先加Al脱氧，然后加入Ti固氮，最后加B；冶炼时控制出钢温度为1640-1660℃。

11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，控制浇铸开始温度为1530-1560℃。