CN114807744B - 一种挖掘机引导轮外轮圈用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种挖掘机引导轮外轮圈用钢及其制造方法，涉及一种大规格高强度低屈强比可在‑43℃环境下服役的挖掘机引导轮外轮圈用热轧圆棒。该热轧圆棒的化学成分质量百分数为C:0.32～0.39％，Si:0.08～0.32％，Mn:1.00～1.35％，Cr:0.10～0.30％，B:0.0005～0.0030％，S:0.020～0.050％，Al:0.005～0.035％，Ni:0.05～0.25％，P:≤0.018％,Cu:≤0.10％,Mo:≤0.05％,Ti:0.030～0.060％,N:≤0.0030％,Ti/N≥20,碳当量(C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)≤0.58％,余量为Fe及不可避免的杂质。并且钢的淬透性满足J1.5mm＝51～58HRC,J13mm≥36HRC,J16mm≤44HRC。经过转炉或电炉冶炼‑LF精炼‑RH或VD真空脱气处理‑连铸大圆坯‑连铸大圆坯加热‑控制轧制‑轧后控制冷却等工艺步骤，制造的热轧圆棒的规格为φ180‑φ350mm。

Description

一种挖掘机引导轮外轮圈用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及特种钢冶炼与轧制的技术领域，具体涉及适于可在-43℃低温环境服役并且焊接性能良好的挖掘机引导轮外轮圈用钢及其制造方法。

背景技术

挖掘机，又称挖掘机械或挖土机，是用铲斗挖掘物料并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机的引导轮主要由外轮圈、护板以及支撑总成等组成。护板焊接并固定在引导轮外轮圈上，可以有效的防护引导轮。引导轮外轮圈需要引导挖掘机履带正确的绕转，以防止其跑偏和越轨。较高的强度、良好的塑性、低屈服比、良好的焊接性能、耐低温冲击韧性已经成为新型挖掘机引导轮外轮圈用钢的发展方向。目前，大规格高强度低屈强比耐零下43℃的挖掘机引导轮外轮圈用钢的研究较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种大规格高强度低屈强比可在-43℃环境下服役的挖掘机引导轮外轮圈用热轧圆棒及其制备方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种挖掘机引导轮外轮圈用钢，钢种的化学成分重量百分比为C:0.32～0.39％，Si:0.08～0.32％，Mn:1.00～1.35％，Cr:0.10～0.30％，B:0.0005～0.0030％，S:0.020～0.050％，Al:0.005～0.035％，Ni:0.05～0.25％，P:≤0.018％,Cu:≤0.10％,Mo:≤0.05％,Ti:0.030～0.060％,N:≤0.0030％,Ti/N≥20,碳当量(C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)≤0.58％,余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：

C:是对钢材力学性能影响最大的元素。碳对抗拉强度的影响是，随着碳含量增加，钢材的抗拉强度不断提高，并且钢的淬透性也不断升高；钢材的塑性和韧性随之不断降低。本发明中的钢材采用中碳设计，C含量选择范围为0.32～0.39％。

Si:能够显著地提高钢的屈服极限与屈强比，过高的Si含量还会使得钢材的焊接性能恶化，不利于挖掘机引导轮外轮圈的焊接。因此，本发明中的Si含量选择范围为0.08～0.32％。

Mn:是影响钢的强度与淬透性的主要合金元素，但是当锰的质量分数超过1.35％时，有产生明显的回火脆性现象。因此，本发明中的Mn含量选择范围为1.00～1.35％。

Cr:是中等的碳化物形成元素，也能够提高钢的淬透性与强度。但是当铬的质量分数超过0.30％时，钢材的低温冲击韧性明显降低，同时钢材的焊接性能也会呈现出下降的趋势。因此，本发明Cr含量的选择范围为0.10-0.30％。

B:在钢中最大的作用是只需要极微量的硼就可以显著的提高钢材的淬透性，取代了大量的Mn、Cr、Ni合金元素。在提升钢的淬透性同时，钢的碳当量并没有升高，钢材的焊接性能没有发生下降的现象。本发明B含量的选择范围为0.0005～0.0030％。

S:在锰含量高1％的钢中，炼钢过程加入少量的硫元素，可以同钢中的锰元素相结合形成大量的硫化锰,从而改善了钢材的切削性能。本发明S含量的选择范围为0.020～0.050％。

Al:作为强脱氧剂加入钢中，本发明Al含量的选择范围为0.005～0.035％。

Ni：可以同时提高钢材的强度与低温韧性，同时可以改善钢材的焊接性能。但是镍属于贵金属元素。因此，本发明Ni含量的选择范围为0.05～0.25％。

P:磷在本发明钢中属于有害元素。磷虽能提高钢的强度，但会造成钢的塑性与韧性迅速下降，特别是使钢的脆性转折温度将急剧上升，即钢材容易产生低温脆性。本发明P含量的选择范围为P≤0.018％。

Cu、Mo:属于本发明钢种的残余元素。本发明Cu含量的选择范围为Cu≤0.10％，Mo含量的选择范围为Mo≤0.05％。

Ti:属于细化奥氏体晶粒度的元素，可以与钢中的碳相结合，形成弥散分布的TiC质点，TiC质点可以有效的钉扎钢材的晶界，阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒度长大，起到细化钢材奥氏体晶粒度的作用。

N：钢中的N元素易与Ti元素相结合，形成高硬度、棱角形的非金属夹杂物，该类型的夹杂物会导致钢材的疲劳寿命降低。为形成足够数量的TiC质点，需要严格控制钢中N的含量，并且添加足够的Ti元素。因此，本发明N含量的范围为N≤0.0030％，并且Ti/N≥20。

上述大规格高强度低屈强比耐零下43℃的挖掘机引导轮外轮圈用钢的制备方法包含如下工艺步骤：

(1)在炼钢与连铸工序中，采用转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气处理，钢水经过真空脱气处理后，钢包底部吹氩并静置9分钟，静置后的钢水取样测定钢材的氮含量，使满足设计要求，根据钢水的氮含量加入钛块，将钛含量及Ti/N调整到位；吊装钢水至连铸回转平台开始浇铸，浇铸过程中大包长水口与中间包水口均采用氩封处理；最终通过连铸圆形结晶器浇铸出φ500～φ800mm直径的连铸大圆坯。

(2)将连铸大圆坯加热至1100-1210℃，保温700-1000min，连铸大圆坯出加热炉后采用两道次高压水喷射至钢材表面除鳞，第一道次高压水除磷的水压控制在10-12MPa，水温控制为5-10℃，温度较低的高压水可以促使连铸大圆坯表面覆盖的氧化铁皮急速冷却，急速冷却的氧化铁皮产生较大收缩，氧化铁皮快速形成大量的网状裂纹，并逐渐产生翘曲现象；第二道次高压水除磷的水压控制在15-17MPa，水温控制为20-25℃，该道次的高压水可以顺利冲入网状开裂、卷曲的氧化铁皮底部，高压水在氧化铁皮底部形成一股较大的压力，促使氧化铁皮迅速从连铸坯表面剥离，剥离钢材表面的氧化铁皮被高压水迅速冲刷掉落，达到了彻底清除钢材表面氧化铁皮的目的。

(3)将高温状态的连铸大圆坯进行三阶段轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度为1080-1190℃，粗轧累计道次横截面变形率≥37％，因连铸大圆坯尺寸较大，粗轧过程保证横截面变形率≥37％，粗轧可以促使钢材表层发生足够形变，表层的组织变得致密、均匀；第二阶段为中轧，中轧温度为970-1080℃，中轧累计道次横截面变形率≥40％，中轧过程保证横截面变形率≥40％，中轧可以促使钢材二分之一半径处发生足够形变，二分之一半径处的组织变得致密、均匀；第三阶段为精轧，精轧温度为810-920℃，精轧累计道次横截面变形率≥45％，精轧阶段的变形率相对于粗轧与中轧是最大的，目的是让轧制变形迅速渗透至钢材的心部，达到改善中心疏松，均匀心部组织的目的；均匀、致密的组织有助于显著提升钢材的强度与韧性。热轧圆棒的轧制压缩比≥5；热轧圆棒的轧制规格为φ180-φ350mm。

(4)将高温的热轧圆棒吊装至坑内缓冷,下坑温度控制在720-750℃，缓冷坑的深度为3米，缓冷坑的底层与四周铺设50mm厚的无缝钢板，坑内装填满圆棒后，缓冷坑表面采用保温盖板进行全覆盖，确保圆棒的平均冷却速度控制在16-20℃/h，圆棒出坑温度控制在350-380℃。缓冷之后的钢材贝氏体组织含量控制在8％以下，其余组织为珠光体与铁素体组织，钢材硬度控制在200-230HBW。

本发明针对大规格高强度低屈强比耐-43℃的挖掘机引导轮外轮圈用钢，成分上采用中碳，添加硼元素以降低钢中的合金含量，从而降低钢的碳当量，并且控制钢中的氮含量，以减少钢中的非金属夹杂物TiN的数量，最终实现较高的强度与较低的碳当量。生产工艺上，采用转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气处理，钢水经过真空脱气处理后，钢包底部吹氩并静置9分钟；静置后的钢水吊装至连铸回转平台开始浇铸；浇铸过程中大包长水口与中间包水口均采用氩封处理；最终通过连铸圆形结晶器浇铸出φ500～φ800mm直径的连铸大圆坯。接着将连铸大圆坯加热至1100-1210℃，保温700-1000min，连铸大圆坯出加热炉后采用高压水除鳞，高压水连续喷射至连铸大圆坯表面，高压水水压控制在15-17MPa，水温控制为20-25℃。高温状态的连铸大圆坯进行三阶段轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度为1080-1190℃，粗轧累计道次横截面形变率≥37％；第二阶段为中轧，中轧温度为970-1080℃，中轧累计道次横截面形变率≥43％；第三阶段为精轧，精轧温度为810-920℃，精轧累计道次横截面形变率≥45％；热轧圆棒的轧制压缩比≥5；热轧圆棒的轧制规格为φ180-φ350mm。最后将高温的热轧圆棒吊装至坑内缓冷,下坑温度控制在720-750℃，缓冷坑的深度为3米，缓冷坑的底层与四周铺设50mm厚的无缝钢板，坑内装填满圆棒后，缓冷坑表面采用保温盖板进行全覆盖，确保圆棒的平均冷却速度控制在16-20℃/h，圆棒出坑温度控制在350-380℃。缓冷之后的钢材贝氏体组织含量控制8％以下，其余组织为珠光体与铁素体组织，钢材硬度控制在200-230HBW。最终生产出的规格为φ180-φ350mm热轧圆棒，可在-43℃条件下使用的大规格高强度低屈强高性能圆棒。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明成分上采用中碳设计，添加硼元素以降低钢中的合金含量，从而降低钢的碳当量；控制钢中的氮含量，以减少钢中的非金属夹杂物TiN的数量。C：0.32～0.39％，Ti:0.030～0.060％,N:≤0.0030％，Ti/N≥20，碳当量≤0.58，确保挖掘机引导轮外轮圈有良好的焊接性。

(2)按照本发方法明生产的φ180-φ350mm大规格圆棒，具备硬度稳定、圆棒切削性能较好、焊接性能良好、强度与韧性优异，低温冲击性能较好的特点。钢材硬度稳定控制在200-230HBW；钢材拉伸与冲击试样经过淬火(850℃油淬)与高温回火(500℃回火后水冷)，该钢材属于调质用钢，用户使用过程需要进行调质处理(淬火+高温回火)，采用油淬的工件相比水淬的优势为：油淬后工件不易产生裂纹。(水淬时的工件的冷却速度更快，更易使工件内部产生内应力，当其内应力大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂)。高温回火属于工件淬火的后续处理，淬火+高温回火被称为调质处理，在工业生产中有广泛的应用。工业上高温回火温度范围一般为500-650摄氏度，有利于彻底消除淬火后工件的内应力，得到铁素体+细粒状渗碳体的混合物，即回火索氏体组织，从而提高钢材的塑性和韧性。其屈服强度为830-980MPa，抗拉强度为950-1120MPa，屈强比≤0.88，延伸率≥13％，断面收缩率≥55％；-43℃夏比冲击功KU2≥63J，可在-43℃的低温环境下正常服役。

附图说明：

图1.本发明实施例1(成品圆棒纵向显微组织X100倍)。

图2.本发明实施例2(成品圆棒纵向显微组织X100倍)。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1与实施例2：

两实施例所涉及的挖掘机引导轮外轮圈用钢制造方法：100t转炉初炼→100t精炼炉精炼→RH炉真空脱气→φ800mm连铸圆坯浇铸→加热炉加热→φ800mm圆坯粗轧→中轧→精轧→高温圆棒下坑缓冷→质检→入库。制造两个批次的φ350mm的高强度低屈强比可在-43℃环境下服役的挖掘机引导轮外轮圈用钢。本方法适用于制造φ180-φ350mm的热轧圆棒。

上述加热炉加热、轧制过程以及下坑缓冷实施例1的具体工艺为：将φ350mm的连铸大圆坯加热至1200℃，保温950min。连铸大圆坯出炉后使用两道次高压水喷射至钢材表面除鳞，第一道次高压水水压为11MPa,水温为7℃；第二道次高压水水压为17MPa,水温为23℃。然后进行三段式轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度为1150℃，粗轧累计道次横截面形变率为37.1％；第二阶段为中轧，中轧温度为1030℃，中轧累计道次横截面形变率为43.3％；第三阶段为精轧，精轧温度为890℃，精轧累计道次横截面形变率为46.3％；热轧圆棒的轧制压缩比为5.22，最终热轧圆棒的轧制规格为φ350mm。最后将高温的热轧圆棒吊装至坑内缓冷,下坑温度为730℃，圆棒的平均冷却速度为16℃/h，圆棒出坑空冷的温度为380℃。

上述加热炉加热、轧制过程以及下坑缓冷实施例2的具体工艺为：将φ350mm的连铸大圆坯加热至1210℃，保温1000min。连铸大圆坯出炉后使用两道次高压水喷射至钢材表面除鳞，第一道次高压水水压为10MPa,水温为6℃；第二道次高压水水压为16MPa,水温为25℃。然后进行三段式轧制。第一阶段为粗轧，开轧温度为1130℃，粗轧累计道次横截面形变率为37.7％；第二阶段为中轧，中轧温度为1015℃，中轧累计道次横截面形变率为43.9％；第三阶段为精轧，精轧温度为870℃，精轧累计道次横截面形变率为45.2％；热轧圆棒的轧制压缩比为5.22，最终热轧圆棒的轧制规格为φ350mm；最后将高温的热轧圆棒吊装至坑内缓冷,下坑温度为720℃，圆棒的平均冷却速度为20℃/h，圆棒出坑空冷的温度为360℃。

实施例1和2制得的热轧圆棒化学成分见表1：

表1(wt％)

实施例1和2制得的热轧圆棒的淬透性、硬度及贝氏体组织含量见表2。

表2

实施例1和2制得的热轧圆棒在1/2R处取φ25mm的试样后，试样经850℃油淬，500℃回火并且水冷后的力学性能见表3。

表3

本发明采用中碳设计，添加硼元素以降低钢中的合金含量，从而降低钢的碳当量；控制钢中的氮含量，以减少钢中的非金属夹杂物TiN的数量；通过合理的轧制与冷却工艺成功制造了大规格高强度低屈强比耐-43℃的挖掘机引导轮外轮圈用钢，填补了国内空白

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种挖掘机引导轮外轮圈用钢，其特征在于，所述钢的化学成分重量百分比为C:0.32～0.39%，Si:0.08～0.32%，Mn:1.00～1.35%，Cr:0.10～0.30%，B:0.0005～0.0030%，S:0.020～0.050%，Al:0.005～0.035%，Ni:0.05～0.25%，P:≤0.018%,Cu:≤0.10%,Mo:≤0.05%,Ti:0.030～0.060%,N:≤0.0030%,Ti/N≥20,碳当量C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.58%,余量为Fe及不可避免的杂质；所述钢的淬透性满足J1.5mm=51～58HRC，J13mm≥36HRC，J16mm≤44HRC；所述钢板的金相组织分布为贝氏体组织含量控制在7%以下，其余组织为珠光体与铁素体组织，钢材硬度控制在200-230HBW。

2.一种如权利要求1所述的挖掘机引导轮外轮圈用钢的制造方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：

（1）采用转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气处理，钢水经过真空脱气处理后，钢包底部吹氩并静置9分钟，静置后的钢水取样测定钢材的氮含量，使满足设计要求，根据钢水的氮含量加入钛块，将钛含量及Ti/N调整到位；吊装钢水至连铸回转平台开始浇铸，浇铸过程中大包长水口与中间包水口均采用氩封处理；最终通过连铸圆形结晶器浇铸出φ500～φ800mm直径的连铸大圆坯；

（2）将连铸圆坯加热至1100-1210℃，保温700-1000min，连铸圆坯出加热炉后采用高压水除鳞，高压水连续喷射至连铸圆坯表面，高压水水压控制为10-17MPa，水温控制为5-25℃；

（3）将高温状态的连铸圆坯进行三阶段轧制，热轧圆棒的轧制规格为φ180-φ350mm；

（4）将高温的热轧圆棒吊装至坑内缓冷,下坑温度控制在720-750℃，圆棒出坑温度控制在350-380℃。

3.根据权利要求2所述的一种挖掘机引导轮外轮圈用钢的制造方法，其特征在于：所述钢材拉伸与冲击试样经过淬火：850℃油淬，与高温回火：500℃回火后水冷，其屈服强度为830-980MPa，抗拉强度为950-1120MPa，屈强比≤0.88，延伸率≥13%，断面收缩率≥55%；-43℃夏比冲击功KU2≥63J，可在-43℃的低温环境下正常服役。

4.根据权利要求2所述的一种挖掘机引导轮外轮圈用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤（2）中的连铸大圆坯出加热炉后采用两道次高压水除鳞，第一道次高压水除磷的水压控制在10-12MPa，水温控制为5-10℃；第二道次高压水除磷的水压控制在15-17MPa，水温控制为20-25℃。

5.根据权利要求2所述的一种挖掘机引导轮外轮圈用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中的三阶段轧制具体包括第一阶段为粗轧，开轧温度为1080-1190℃，粗轧累计道次横截面变形率≥37%；第二阶段为中轧，中轧温度为970-1080℃，中轧累计道次横截面变形率≥40%；第三阶段为精轧，精轧温度为810-920℃，精轧累计道次横截面变形率≥45%；热轧圆棒的轧制压缩比≥5。

6.根据权利要求2所述的一种挖掘机引导轮外轮圈用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤（4）中缓冷坑的深度为3米，缓冷坑的底层与四周铺设50mm厚的无缝钢板，坑内装填满圆棒后，缓冷坑表面采用保温盖板进行全覆盖，确保圆棒的平均冷却速度控制在16-20℃/h。