CN114959486A - 用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，所述弹簧钢各组分的重量配比为：C 0.39‑0.45％，Si 1.00‑1.40％，Mn 1.10‑1.40％，P≦0.020％，S≦0.012％，Cr 0.90‑1.20％，Ni≦0.35％，Cu≦0.2％，V 0.10‑0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明适合制造大型挖掘机弹簧，而且材料强度高、韧性好，低温冲击性能也能满足要求。
Description
技术领域
本发明涉及弹簧钢生产技术领域，特别涉及一种用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢。
背景技术
大型挖掘机履带涨紧总成上使用的热卷大弹簧，它是大型挖掘机履带涨紧关键零部件，大型挖掘机的行走、转弯以及上坡均靠热卷大弹簧的张力支撑。热卷大弹簧在不仅需要很大的张力，还需要很高耐久性能确保履带涨紧总成的寿命。目前，国内大型挖掘机弹簧产品状态如下：
材料线径粗，线径一般在Φ55-Φ100mm；
目前弹簧工作应力在1400MPa左右；
产品单件质量：100-350kg；
弹簧最大工作张力：30-100吨；
弹簧疲劳寿命要求15万次以上。
而日本三菱制钢等公司最新研发和设计的大型挖掘机弹簧：
线径比我国国内目前产品小3-5mm；弹簧工作应力1600MPa左右；在弹簧寿命和最大工作张力满足的情况下，弹簧单件质量轻20％-25％。产品单件质量的巨大差异，使得目前国内大型挖掘机弹簧制造成本高出日本三菱制钢等公司很多。
目前，高强度弹簧钢(GB/T1222-2016)中，高强度(Rm≥1800MPa)弹簧钢有60Si2CrV、40SiMnVBE两种，这两种材料都存在一定的局限性：60Si2CrV：
高强度下材料韧性：断后伸长率约6％-7.5％，断面收缩率约21％-25％；材料低温冲击性能差，约6-12J/cm2。
40SiMnVBE：
该材料的强度、材料韧性及低温冲击性能都良好，但是该材料热处理淬透性一般，只适合Φ50mm以下挖掘机弹簧生产，大线径使用该牌号时，芯部金相组织无法满足要求。
国内现有的材料无法满足大线径热卷弹簧使用，因此，继续进行技术开发，以生产出符合大线径热卷弹簧使用要求的材料，从而降本增效，提高产品竞争力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，不仅适合制造大型挖掘机弹簧，而且材料强度高、韧性好，低温冲击性能也能满足要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，所述弹簧钢各组分的重量配比为：C 0.39-0.45％，Si 1.00-1.40％，Mn 1.10-1.40％，P≦0.020％，S≦0.012％，Cr 0.90-1.20％，Ni≦0.35％，Cu≦0.2％，V 0.10-0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明设计的产品不仅要求材料有很高的抗拉强度(Rm≥1850MPa)，还必须具备很高的材料韧性(断后伸长率大于9％，断面收缩率大于30％),大型挖掘机在低温下作业时，还要求材料具有良好的低温冲击性能(-40℃低温冲击大于20J/cm2)。
作为优选，所述大线径热卷弹簧的线径为Φ55-Φ100mm。
制备方法为：通过将弹簧钢原料依次经过初炼、精炼、冷却成型、轧制、淬火和回火的步骤进行。
所述初炼的温度为1620-1650℃，初炼的时间为30-60分钟；所述精炼的温度为1480-1550℃，精炼的时间为45-90分钟；所述冷却成型先以冷却速度为5-15℃/分钟将得到的弹簧钢冷却至1200℃以下，然后自然冷却至40-80℃；所述轧制包括连轧或半连轧；所述淬火的温度为830-910℃，淬火的保温时间为30-60分钟；所述回火的温度为280-320℃；回火保温的时间为90-120分钟。
本发明的有益效果是：适用于制造大型挖掘机的大线径热卷弹簧，材料强度高、韧性好，同时具有良好的低温冲击性能。本发明的产品也能在减重的同时满足性能要求。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
C 0.39-0.45％：碳是稳定奥氏体的代表元素，是在弹簧钢中所含的用于提高强度和淬火硬度、确保耐磨损性的重要元素，是获得高强度和硬度的弹簧钢所必须的。高的碳含量虽然对钢的强度、硬度、弹性和弹减性能等有利，但不利于钢的塑性和韧性，而且使屈强比降低，脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此，本发明需要控制碳的含量使弹簧钢中碳的量为0.39-0.45％。
Si 1.00-1.40％：硅元素是弹簧钢弹性的最主要贡献元素，是强化铁素体组织的元素，同时还能控制结晶粒生长，提高耐酸性，在铸造铸件时增强熔钢的流动性，减少表面缺陷。但是，硅含量过高时会导致降低钢的塑性和韧性，并导致碳的活性增加，从而在钢的轧制和加热过程中发生脱碳和石墨化的倾向，并使冶炼困难、易形成夹杂物因而恶化钢的抗疲劳性能。因此，本发明需要控制硅的含量为1.00-1.40％。
Mn 1.10-1.40％：在回火时，锰与磷有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性。但另一方面，锰是脱氧和脱硫的有效元素，作为脱氧剂使用，在热处理时还可以提高弹簧钢的淬透性和强度。
P≦0.020％：磷能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以应该尽量低地控制弹簧钢中磷的含量。
S≦0.012％：是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性。
Cr 0.90-1.20％：铬能够有效地提高弹簧钢的淬火性和回火阻抗性，提高钢的强度。并且铬还可以降低碳的活度，提高钢的浸碳性，并形成微细碳化物，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳和石墨化倾向，提高韧性和耐磨损性。但含量过高时，反而大量形成铬的碳化物，恶化钢的弹减性能和韧性。因此，本发明弹簧钢中铬含量为0.90-1.20％。
Ni≦0.35％：镍是提高冲击韧性的非常重要的元素，能提高硬化能，使大型材料的热处理变得更容易，防止低温脆性，改善耐腐蚀性。添加少量时，能大幅度提高钢的韧性，但大量添加时不但成本过高，而且容易形成残留奥氏体，引起脆化。
Cu≦0.2％：在高强度弹簧钢中，属于有害金属，将严格控制含量。
V 0.10-0.20％：钒加入钢中形成VC、VN和/或VCN，在弹簧钢中以VC为主，细小弥散的VC粒子通过其对原始奥氏体晶界的钉扎作用，阻止奥氏体晶粒的长大，可以细化奥氏体晶粒。含钒钢有明显的第二相粒子析出，起到沉淀强化的作用，利于提高弹簧钢的强度、韧性和抗疲劳性能，但当含钒钢的钒含量过多时，析出粒子明显变粗，失去了上述作用，另外，考虑到所制成的弹簧钢的类型而对钢中钒的含量进行控制。因此本发明的弹簧钢中钒的量为0.10-0.20％。
实施例：
将铁水(其中各微量成分的含量：0.42重量％的C、0.14重量％的V、0.008重量％的P、0.005重量％的S、0.25重量％的Ni、0.06重量％的Cu)加入120吨转炉进行初炼，吹炼40分钟后出钢，出钢温度为1640℃，出钢后通过添加沥青焦、硅铁、锰铁、铬铁、铝线调整钢水的组成至表1
所示的组成，然后在LF炉内加入850公斤的含CaO为45重量％、CaF2为10重量％的精炼
渣，在1530-1550℃温度条件下精炼60分钟，精炼后的钢水在RH真空装置抽真空12分钟(真空度小于300Pa的条件下)，最后在6机6流连铸机上浇铸成420×480mm铸坯，铸机强制冷却段冷却速度为12℃/分钟，冷却到1200℃以下后，采用自然空冷方式冷却到40-80℃，制得如表1所示的组成的铸坯(各化学组分的含量均在连铸机的中间包内取样分析后获得，单位：重量％)。
将表1的铸坯加热到1250℃后，全部连轧轧制成φ90，然后空冷到室温。
按照上述方法制得的φ90圆棒经880℃保温30分钟正火处理后，根据GB/T 2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》在外圆离表面12.5位置取试样毛坯2件，再按表2的淬火和回火温度进行油淬和回火热处理，热处理后的毛坯样按GB/T228-2002(金属材料室温拉伸试验方法)的要求加工成拉伸试样2个，测定试样的规定非比例延伸强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)。其中规定非比例延伸强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)采用GB/T228-2002规定的方法，在WEW600KN微机液压万能试验机上测试。规定非比例延伸强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)的测定结果见表2。
表1化学成分(％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | V |
| 实施例1 | 0.40 | 1.05 | 1.12 | 0.006 | 0.005 | 0.95 | 0.15 | 0.05 | 0.12 |
| 实施例2 | 0.40 | 1.05 | 1.25 | 0.006 | 0.005 | 0.95 | 0.15 | 0.05 | 0.15 |
| 实施例3 | 0.42 | 1.35 | 1.25 | 0.008 | 0.005 | 1.10 | 0.25 | 0.06 | 0.14 |
| 实施例4 | 0.40 | 1.35 | 1.12 | 0.006 | 0.005 | 1.15 | 0.01 | 0.01 | 0.12 |
| 实施例5 | 0.44 | 1.40 | 1.35 | 0.008 | 0.005 | 1.18 | 0.28 | 0.02 | 0.18 |
| 实施例6 | 0.40 | 1.05 | 1.35 | 0.008 | 0.005 | 1.15 | 0.25 | 0.02 | 0.14 |
表2力学性能
本发明的产品应满足以下条件：
1尺寸、外形及允许偏差
1.1热轧圆钢直径的允许偏差应符合GB/T702第1组的规定，不圆度应符合GB/T702的要求，弯曲度不大于2.5mm/m。
1.2银亮材尺寸允许偏差及不圆度应符合表3的规定，银亮材弯曲度不大于1.5mm/m。
表3
1.3钢材长度：钢材以定尺或倍尺交货，具体长度在订货合同中注明，定尺长度允许偏差为：热轧材0-+50mm，银亮材：0-+50mm。
2技术要求
2.1牌号和化学成分
21.1钢的牌号及化学成分(熔炼分析)应符合表4的规定。
表4化学成分(％)
注：钢材氧含量≤0.0015％。
2.1.2成品钢材化学成分允许偏差应符合GB/T222的规定。
2.2生产工艺
钢以电炉或转炉冶炼+LF精炼+真空脱气方式冶炼。
2.3交货状态
钢材以热轧黑皮或银亮状态交货，具体交货状态在订货合同中注明。钢材交货状态硬度≤320HBW。
2.4力学性能
力学性能测定采用直径10mm的比例试样，留有一定加工余量的试样毛坯(尺寸一般为11mm～12mm)，经热处理并去除加工余量后，测定钢材的纵向力学性能，其结果应符合表5的规定。
表5力学性能
2.5低倍组织
在钢材横向酸浸低倍试片上检验低倍组织，不得有缩孔、裂缝、分层、白点、气泡、翻皮及夹杂。钢材低倍组织合格级别应符合表6的规定。
表6低倍组织(级)
| 一般疏松 | 中心疏松 | 中心偏析 | 锭型偏析 |
| ≤2.0 | ≤2.0 | ≤2.0 | ≤2.0 |
2.6末端淬透性
按GB/T 225进行末端淬透性试验，试样经880-900℃正火后，在850±5℃进行端淬，检验J1.5≤62HRC、J50≥53HRC点的端淬硬度值。
2.7非金属夹杂物
钢材的非金属夹杂物按GB/T 10561方法检测，其合格级别应符合表7的规定。
表7非金属夹杂物(级)
2.8晶粒度
钢材奥氏体晶粒度级别应不粗于6级。
2.9脱碳层
热轧材单边总脱碳层深度不大于钢材直径的1％，最大值不得大于0.50mm；全脱碳层深度不大于0.1mm。银亮材表面不允许存在脱碳。
2.10带状组织
钢材热轧状态带状组织，根据标准GB/T 34474.1部分E系列评定，不得大于2级。
2.11表面质量
钢材表面不应有裂纹、折叠、结疤、夹杂、分层及压入的氧化铁皮。钢材的局部缺陷应清除，清除时不应对钢材的使用造成有害影响，且保证钢材允许的最小尺寸，清除的宽度不小于清除深度的5倍。允许有从实际尺寸算起不超过公称尺寸公差之半的个别细小划痕、压痕存在。
2.12探伤
钢材进行表面探伤和超声波探伤。表面探伤精度0.5mm，超声波探伤精度GB/T4162A级。
3试验方法
每批钢材的检验项目、取样数量、取样部位及试验方法按表8规定执行。
表8取样表
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (4)
1.一种用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢各组分的重量配比为：C 0.39-0.45％，Si 1.00-1.40％，Mn 1.10-1.40％，P≦0.020％，S≦0.012％，Cr 0.90-1.20％，Ni≦0.35％，Cu≦0.2％，V 0.10-0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，其特征在于，所述大线径热卷弹簧的线径为Φ55-Φ100mm。
3.根据权利要求1所述的用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，其特征在于，制备方法为：通过将弹簧钢原料依次经过初炼、精炼、冷却成型、轧制、淬火和回火的步骤进行。
4.根据权利要求3所述的用于大型挖掘机上大线径热卷弹簧的42SiCrV6弹簧钢，其特征在于，所述初炼的温度为1620-1650℃，初炼的时间为30-60分钟；所述精炼的温度为1480-1550℃，精炼的时间为45-90分钟；所述冷却成型先以冷却速度为5-15℃/分钟将得到的弹簧钢冷却至1200℃以下，然后自然冷却至40-80℃；所述轧制包括连轧或半连轧；所述淬火的温度为830-910℃，淬火的保温时间为30-60分钟；所述回火的温度为280-320℃；回火保温的时间为90-120分钟。
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