CN115261734B - 一种工程机械用高均质非调质钢及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非调质钢领域，公开一种工程机械用高均质非调质钢及生产方法，按重量百分比包括：C0.4‑0.46％，Si0.2‑0.4％，Mn0.7‑0.9％，V0.03‑0.07％，Al0.01～0.025％，Ti0.01‑0.02％，Cr0.1‑0.25％，N0.006‑0.011％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni≤0.10％，Mo≤0.05％，B≤0.0005％，余为Fe及杂质元素。生产包括依次进行的初炼冶炼‑LF精炼‑RH真空处理‑连铸‑铸坯缓冷‑铸坯加热‑控轧‑缓冷。本发明的非调质钢组织均匀，热处理变形少，活塞杆同轴度高，摩擦焊异常贝氏体或马氏体组织低于8％，活塞杆疲劳寿命高。

Description

一种工程机械用高均质非调质钢及生产方法
技术领域
本发明工程机械用钢，属非调质钢领域，具体涉及一种工程机械用高均质非调质钢。
背景技术
高压油缸活塞杆一般采用中碳结构钢，例如45钢，需要调质热处理后使用，热处理对环境造成污染，并增加热处理工序和成本，生产效率较低。因此，近些年开发了一系列非调质钢，即在中碳锰钢的基础上加入钒、钛、铌微合金化元素，利用微合金元素钒、钛、铌析出的细小碳化物、氮化物，对钢材强化，使钢材在不进行调质处理时达到调质钢的强度。
活塞杆是一个运动频繁、技术要求高的运动部件，是连接活塞和十字头，传递作用于活塞上的力并带动活塞运动。活塞杆加工要求高，其表面粗糙度要求为Ra0.4～0.8μm，对同轴度、耐磨性要求严格。活塞杆用圆钢表面一般会车削银亮后使用，因此圆钢皮下质量要求高，皮下夹杂、裂纹等缺陷会导致活塞杆镀层缺陷，使用过程漏油，影响疲劳寿命。
活塞杆加工一般采用摩擦焊工艺，将活塞杆和耳环焊接起来，摩擦焊工艺温度快速升温并快速降温，严重的偏析容易形成贝氏体或马氏体组织，造成活塞杆焊接部位脆性提高而韧性降低，影响活塞杆使用的疲劳性能。因此，活塞杆用钢要保证高均质性且不能具有高的淬透性。对于中碳锰钢，锰元素是易偏析元素，且可显著增加钢的淬透性，促进摩擦焊时产生贝氏体或马氏体组织，是一直以来困扰钢厂的难点。
CN106119711B公开了一种非调质钢棒材及其制造方法，通过添加Mn 1.15-1.33wt％，Ti 0.010～0.060wt％，V 0.05～0.30wt％，并控制N 0.010～0.035％，使抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥640MPa；CN112813345A公开了一种冷加工工程机械液压活塞杆用的非调质钢及制备方法，通过添加Mn 1.10～1.16wt％，Ti 0.010～0.020wt％，V 0.12～0.14wt％，并控制N 0.011～0.013％，使力学性能达到了液压活塞杆的使用要求，抗拉强度≥820MPa；屈服强度≥545MPa。均只研究了满足活塞杆力学性能的要求，跟本发明的工程机械活塞杆用钢对比，强度过剩(本发明力学性能要求Rel≥400MPa，Rm≥700MPa)，合金成本浪费。另外，成分未识别淬透性残余元素B的影响，以及N元素过剩造成淬透性高的影响，制造方法中未考虑组织均匀性对摩擦焊异常组织的影响，进而造成对活塞杆使用疲劳寿命的影响。本发明专利旨在通过C、N、Mn、V元素的合理匹配，保证活塞杆材料所需的强度性能，控制淬透性残余元素，降低摩擦焊接口淬透性以减少硬相组织，提高材料组织均匀性，获得高质量高疲劳寿命的活塞杆。
发明内容
本发明涉及一种工程机械用高均质非调质钢，所采用的成分设计方案为：通过合理选择基础元素C、Si、Mn、Cr保证钢的强度；采用微合金化元素钒钛复合强化，V元素控制在0.05-0.10％，Ti元素控制在0.010-0.020％，铸坯凝固过程中1300℃～1410℃的高温下部分Ti元素与C、N结合析出碳氮化钛，轧制过程可起到增加位错、细化晶粒的作用，剩余Ti及V在后续相变过程及相变后析出强化软相铁素体，从而进一步提高钢强度；采用控制残余元素Ni、Mo、B，降低钢的淬透性；匹配合适的控轧缓冷工艺，活塞杆材料力学性能Rel≥420MPa，Rm≥700MPa。
本发明所涉及的一种工程机械用高均质的非调质钢，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.40-0.46％，Si 0.20-0.40％，Mn 0.70-0.90％，V 0.03-0.07％，Al 0.010～0.025％，Ti 0.010-0.020％，Cr 0.10-0.25％，N 0.0060-0.0110％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni≤0.10％，Mo≤0.05％，B≤0.0005％，余为Fe及不可避免的杂质元素，所述非调质钢内还形成有轧制中用于增加位错和细化晶粒的碳氮化钛，非调质钢的力学性能Rel≥420MPa，Rm≥700MPa，中心偏析≤1.0级，带状组织≤1.5级，异常贝氏体或马氏体≤8％(优选中心偏析≤0.5级，带状组织≤1.0级，异常贝氏体或马氏体≤7.4％)。
其成分设计原则：
(1)基础元素C、Si、Mn、Cr保证钢的强度：
C在非调质钢中能够提高强度、硬度，随着C含量的增加，铁素体减少，珠光体增多，钢的强度、硬度提高，塑性、韧性、屈强比随之降低。综合考虑含量范围在0.40-0.46％。
Si在钢中的固溶度较大，能够溶于铁素体和奥氏体中，具有较强的固溶强化作用，提高钢的硬度和强度，尤其提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比。但Si含量过高，会显著降低钢的塑性和韧性，恶化热成型性。Si含量范围为0.20-0.40％。
Mn固溶于钢基体中，能够提高钢的硬度和强度。但是锰的提高会使珠光体量增加，降低屈强比，锰可以稳定奥氏体组织，其能力仅次于镍，造成钢的带状组织加重，使摩擦焊接口处产生过多贝氏体或马氏体组织，综合考虑力学和组织的性能，锰含量范围0.70-0.90％。
Cr固溶于钢基体中，提高钢的强度、硬度、耐磨性而不使钢变脆；并且Cr可以降低C的扩散速率，抑制热处理过程的表面脱碳现象。但Cr含量过高，降低韧性，Cr含量范围为0.10-0.25％。
(2)微合金元素V、Ti及N析出强化：
V与C、N结合析出细小弥散碳氮化物，起到强化作用。随V含量的增加，可有效提高钢的强度和屈强比，但含量过高，首先作用趋于饱和，其次富裕的钒融入固溶体，提高淬透性，不利于摩擦焊工艺。综合考虑钢的性能要求，V的含量范围在0.03-0.07％。
Ti与C、N的结合能力强于V，其析出碳氮化钛的温度也高于V，在常规加热温度下可抑制晶粒长大，轧制过程中针扎作用、固定位错。对于中碳锰钢增加一定的Ti，TiN的析出温度高于AlN，防止AlN晶界析出造成的晶界裂纹。综合考虑Ti含量范围为0.010-0.020％。
N是非调质钢中主要的强化元素，可与微合金化元素Ti、V结合形成第二相粒子，一方面可以钉扎奥氏体晶界，另一方面起到析出强化作用。但过高的N含量，部分会固溶于钢中，提高淬透性，还会导致铸坯产生气泡、针孔缺陷。因此，N含量控制在0.0060-0.0110％。
(3)淬透性残余元素Ni、Mo、B，主要固溶于钢基体中起到固溶强化的效果，提高奥氏体稳定性，显著提升钢的淬透性，当钢种含有微量的B时，钢的淬透性会成倍的增加，促进摩擦焊接口处贝氏体或马氏体组织产生，因此应控制淬透性残余元素Ni≤0.10％、Mo≤0.05％、B≤0.0005％。
(4)磷和硫元素为钢中有害易偏析元素，磷会引起钢的冷脆，硫在凝固过程以MnS夹杂物形态沿偏析带析出，在钢中偏析严重，因此限制P≤0.015％、S含≤0.005％。
上述工程机械用高均质非调质钢的生产方法，配材与耐材采用清洁废钢，低B合金辅料和耐材(B≤0.010％)，不使用含Ni、Mo、B废钢，步骤包括：依次进行的初炼冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-铸坯缓冷-铸坯加热-控轧-缓冷。
(1)初炼冶炼，控制初炼终点C≥0.08％、P≤0.013％，采用挡渣锥和滑板双挡渣，降低钢中初始氧；
(2)LF精炼造白渣，前期氩气大流量搅拌，流量为300-600NL/min，增大渣钢反应面积，实现强脱硫≤0.005％，减少硫化物凝固过程中的析出偏析。
(3)RH真空处理，高真空(真空度≤67Pa)时间≥15min，提升气体流量100～120Nm3/h，保证钢水循环次数10～11次，目的是脱H、脱O、去除夹杂，提升气体使用氮气，增加钢中氮含量，减少常规工艺MnN线的使用，这样会避免钢水翻腾，减少夹杂物，并且降低成本。
(4)连铸二次冷却采用中强冷，二冷水比水量0.30～0.40L/kg，使柱状晶来不及横向生长而变细；结晶器大电磁搅拌，电流350A±10A，频率2.5±0.2HZ，打碎柱状晶，增加形核点，扩大等轴晶区，减轻枝晶微观偏析；末端大电磁搅拌，电流400A±10A，频率6.0±0.2HZ，减轻铸坯中心偏析。
(5)铸坯在凝固过程中，1410℃温度时部分Ti元素与C、N结合开始析出碳氮化钛，1300℃温度碳氮化钛析出结束，在常规加热温度下可抑制晶粒长大，轧制过程中针扎作用、固定位错、细化晶粒的作用。
(6)连铸出坯后避风缓冷。
(7)铸坯加热采用高温段(加热二段和均热段)加热温度1230±20℃，高温段(加热二段和均热段)加热时间≥240min，终轧温度850～900℃，使成分偏析高温均匀扩散，中心偏析扩散缓解，晶粒度控制在5～7级，阻止铁素体成条带析出，减轻带状组织。
(8)终轧后冷床均匀逐支过钢冷却，防止圆钢冷却不均产生弯曲，热锯锯切后入坑缓冷，入坑温度≥450℃，出坑温度≤200℃。
本发明的有益效果为：通过基础元素和微合金元素Ti、V的添加，高温下部分Ti元素与C、N结合析出碳氮化钛，轧制过程可起到增加位错、细化晶粒的作用，剩余Ti及V在后续相变过程及相变后析出强化软相铁素体，从而进一步提高钢强度；采用控制残余元素Ni、Mo、B，降低钢的淬透性；匹配合适的控轧缓冷工艺，使力学性能Rel≥420MPa，Rm≥700MPa，满足活塞杆力学性能的要求；通过淬透性残余元素的控制以及组织均匀的控制，减少活塞杆加工过程的热处理变形，控制了摩擦焊异常贝氏体或马氏体组织的产生，提高活塞杆疲劳寿命。
附图说明
图1为实施例2生产低倍检测照片。
图2为实施例2生产带状组织检测照片。
图3为实施例3生产低倍检测照片。
图4为实施例3生产带状组织检测照片。
图5为对比例1生产低倍检测照片。
图6为对比例1生产带状组织检测照片。
具体实施方式
本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明下面结合实施例作进一步详述：
实施例采用连铸机断面220mm*260mm，生产工艺转炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-铸坯缓冷-铸坯加热-控轧-缓冷。其中转炉冶炼终点C≥0.08％、P≤0.013％，LF精炼强脱硫≤0.005％，连铸出坯后避风缓冷。
实施例1：
(1)化学成分：C 0.40％，Si 0.30％，Mn 0.90％，V 0.07％，Al 0.016％，Ti0.015％，Cr 0.14％，N 0.0098％，P 0.013，S 0.002％，Ni 0.011％，Mo 0.002％，B0.0003％，余为Fe及不可避免的杂质元素。
(2)配料与耐材：采用清洁废钢，低B合金辅料和耐材(B：0.0053％)，不使用含Ni、Mo、B废钢。
(3)初炼冶炼，控制初炼终点C：0.085％、P：0.012％，采用挡渣锥和滑板双挡渣；
(4)LF精炼造白渣，前期氩气大流量搅拌，流量为300-600Nl/min；
(5)RH真空处理：高真空(真空度43Pa)时间16min，提升气体氮气，流量100Nm3/h，钢水循环次数10次
(6)连铸：二次冷却比水量0.35L/kg，结晶器电磁搅拌电流350A频率2.5HZ，末端电磁搅拌电流400A，频率6.0HZ。
(7)铸坯凝固，1410℃温度时部分Ti元素与C、N结合开始析出碳氮化钛，1300℃温度碳氮化钛析出结束。
(8)铸坯加热：加热二段1228℃，均热段1221℃，高温段加热时间263min。
(9)轧制：规格φ88mm，终轧温度876℃，终轧后冷床上均匀过钢冷却，热锯锯切后入坑缓冷，入坑温度511℃。
实施例2：
(1)化学成分：C 0.46％，Si 0.21％，Mn 0.72％，V 0.045％，Al 0.018％，Ti0.015％，Cr 0.22％，N 0.0082％，P 0.010，S 0.003％，Ni 0.015％，Mo 0.002％，B0.0001％，余为Fe及杂质元素。
(2)铸坯加热：加热二段1248℃，均热段1240℃，高温段加热时间277min。
(3)轧制：规格φ88mm，终轧温度897℃，入坑温度562℃。
(4)其他工艺和实施例1一样。
实施例3：
(1)化学成分：C 0.44％，Si 0.29％，Mn 0.80％，V 0.055％，Al 0.014％，Ti0.016％，Cr 0.12％，N 0.0063％，P 0.015，S 0.002％，Ni 0.019％，Mo 0.002％，B0.0002％，余为Fe及杂质元素。
(3)铸坯加热：加热二段1233℃，均热段1220℃，高温段加热时间240min。
(4)轧制：规格φ88mm，终轧温度852℃，入坑温度456℃。
(5)其他工艺和实施例1一样。
对比例1：
化学成分：C 0.44％，Si 0.29％，Mn 0.80％，V 0.055％，Al 0.014％，Ti0.016％，Cr 0.12％，N 0.0063％，P 0.015，S 0.002％，Ni 0.019％，Mo 0.002％，B0.0002％，余为Fe及杂质元素。
主要区别于实施例3的工艺：连铸二次冷却采用弱冷比水量0.20L/kg，结晶器电磁搅拌电流200A频率2.5HZ，末端电磁搅拌电流100A，频率6.0HZ。
对比例2：
化学成分：0.44％，Si 0.29％，Mn 0.80％，V 0.055％，Al 0.014％，Ti 0.016％，Cr 0.12％，N 0.0063％，P 0.015，S 0.002％，Ni 0.019％，Mo 0.002％，B 0.0002％，余为Fe及杂质元素。
主要区别于实施例3的工艺：铸坯加热采用高温段温度1150～1200℃，高温段加热时间60～120min，其加热二段1167℃，均热段1161℃，高温段加热时间70min。
对比例3：
化学成分：0.44％，Si 0.29％，Mn 0.80％，V 0.055％，Al 0.014％，Ti 0.016％，Cr 0.12％，N 0.0063％，P 0.015，S 0.002％，Ni 0.019％，Mo 0.002％，B 0.0002％，余为Fe及杂质元素。
主要区别于实施例3的工艺：终轧温度820～840℃，晶粒度8～9级。
对比例4：
化学成分：C 0.45％，Si 0.29％，Mn 0.89％，V 0.06％，Al 0.014％，Ti 0.016％，Cr 0.21％，N 0.0088％，P 0.015，S 0.002％，Ni 0.022％，Mo 0.03％，B 0.0008％，余为Fe及杂质元素。
主要区别于实施例3的工艺：使用含Mo、B的废钢，造成Mo和B高，Mo 0.03％、B0.0008％。
本发明实施例1～3，对比例1～4力学性能、中心偏析、带状组织、异常组织比例情况对比如表1，在本发明的成分范围内，力学性能可很好的满足要求，采用本发明的关键工艺生产，可得到组织均匀的高均质化活塞杆非调质钢，减少异常组织比例。
表1：
Figure BDA0003806077600000091
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种工程机械用高均质非调质钢，其特征在于：该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.40-0.46%，Si 0.20-0.40%，Mn 0.70-0.90%，V 0.03-0.07%，Al 0.010~0.025%，Ti0.015-0.016%，Cr 0.10-0.25%，N 0.0060-0.0110%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ni≤0.10%，Mo≤0.05%，B≤0.0005%，余为Fe及不可避免的杂质元素，所述非调质钢内还形成有轧制中用于增加位错和细化晶粒的碳氮化钛，非调质钢的力学性能Rel≥420MPa，Rm≥700MPa，中心偏析≤1.0级，带状组织≤1.5级，异常贝氏体或马氏体≤8%；
工程机械用高均质非调质钢的生产方法包括如下步骤：
配材与耐材采用清洁废钢，B≤0.010%的低B合金辅料和耐材，不使用含Ni、Mo、B废钢，步骤包括：依次进行的初炼冶炼-LF精炼- RH真空处理-连铸-铸坯缓冷-铸坯加热-控轧-缓冷；
（1）初炼冶炼，控制初炼终点C≥0.08%、P≤0.013%，采用挡渣锥和滑板双挡渣，降低钢中初始氧；
（2）LF精炼造白渣，前期氩气大流量搅拌，流量为300-600 NL/min，增大渣钢反应面积，实现强脱硫≤0.005%；
（3）RH真空处理，真空度≤67Pa，时间≥15min，提升气体流量100~120 Nm3/h，保证钢水循环次数10~11次，提升气体使用氮气；
（4）连铸二次冷却采用中强冷，二冷水比水量0.30~0.40L/kg；结晶器大电磁搅拌，电流350A±10A，频率2.5±0.2Hz；末端大电磁搅拌，电流400A±10A，频率6.0±0.2Hz；铸坯在凝固过程中，1410℃温度时部分Ti元素与C、N结合开始析出碳氮化钛，1300℃温度碳氮化钛析出结束；
（5）连铸出坯后避风缓冷，铸坯加热采用高温均匀扩散，加热二段和均热段加热温度1230±20℃，高温段加热时间≥240min；终轧温度850~900℃，控制晶粒度在5~7级；
（6）终轧后轧材缓冷。
2.如权利要求1所述工程机械用高均质非调质钢，其特征在于：中心偏析≤0.5级，带状组织≤1.0级，摩擦焊接口处异常贝氏体或马氏体组织比例≤7.4%。
3.一种如权利要求1或2所述工程机械用高均质非调质钢的生产方法，其特征在于：配材与耐材采用清洁废钢，B≤0.010%的低B合金辅料和耐材，不使用含Ni、Mo、B废钢，步骤包括：依次进行的初炼冶炼-LF精炼- RH真空处理-连铸-铸坯缓冷-铸坯加热-控轧-缓冷；
（1）初炼冶炼，控制初炼终点C≥0.08%、P≤0.013%，采用挡渣锥和滑板双挡渣，降低钢中初始氧；
（2）LF精炼造白渣，前期氩气大流量搅拌，流量为300-600 NL/min，增大渣钢反应面积，实现强脱硫≤0.005%；
（3）RH真空处理，真空度≤67Pa，时间≥15min，提升气体流量100~120 Nm3/h，保证钢水循环次数10~11次，提升气体使用氮气；
（4）连铸二次冷却采用中强冷，二冷水比水量0.30~0.40L/kg；结晶器大电磁搅拌，电流350A±10A，频率2.5±0.2Hz；末端大电磁搅拌，电流400A±10A，频率6.0±0.2Hz；铸坯在凝固过程中，1410℃温度时部分Ti元素与C、N结合开始析出碳氮化钛，1300℃温度碳氮化钛析出结束；
（5）连铸出坯后避风缓冷，铸坯加热采用高温均匀扩散，加热二段和均热段加热温度1230±20℃，高温段加热时间≥240min；终轧温度850~900℃，控制晶粒度在5~7级；
（6）终轧后轧材缓冷。
4.根据权利要求3所述工程机械用高均质非调质钢的生产方法，其特征在于：终轧后轧材缓冷步骤包括：终轧后冷床均匀逐支过钢冷却，热锯锯切后入坑缓冷，入坑温度≥450℃，出坑温度≤200℃。
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