CN115369334B - 一种工程机械截齿用钢aisi8740h的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，公开了一种工程机械截齿用钢AISI8740H的生产方法，主要方法是：成分设计氮含量0.0040％～0.0090％、硼含量0～0.0006％，防止影响端淬稳定性。RH工艺采用氮气作为提升气体，高真空度20Pa～200Pa，高真空保持时间≥10min。连铸工序通过控制拉速、过热度、二冷水、首/末端电磁搅拌将连铸坯中心碳偏析控制在1.10以下，防止轧后冷却过程粗大的马氏体带产生应力裂纹。轧钢工序精轧温度870℃～930℃，精轧轧制速度2.0m/min～2.5m/min，降低变形应力。根据本发明生产的工程机械截齿用钢AISI8740H棒材性能稳定，内部探伤合格率100％。

Description

一种工程机械截齿用钢AISI8740H的生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，目的是提供一种工程机械截齿用钢AISI8740H的生产方法。
背景技术
AISI8740H常用来制造采煤机、掘进机的截齿，规格一般为φ60mm～φ120mm。无论是采煤机割煤还是掘进机破岩，截齿都将与煤块或岩石直接接触碰撞，每时每刻都在承受强大的应力载荷。若截齿本身存在缺陷，在冲击载荷作用下极容易脆断。为提高截齿使用寿命，客户对原料提出了较高的要求，轧材探伤后才能交货。
AISI8740H作为中碳CrNiMo钢，合金含量较高，一般通过轧后缓冷来释放组织应力，防止产生裂纹。但是实际生产过程中即便轧后提高入坑温度、延长保温时间仍然存在中心缺陷，轧材探伤不合格。CN111270042A一种高碳当量钢的氢致裂纹控制方法指出心部偏析导致裂纹敏感性增加不利于控制氢致裂纹，但是主要关注“氢脆”及预防方法。CN108330411A一种生产具有抗氢致裂纹性能的高品质C-Mn钢的工艺指出，中心的不均匀对于圆钢抗氢致裂纹是不利的，但是没有没出铸坯冶炼方法。实际上高合金钢心部裂纹与铸坯遗传、组织偏析、氢致裂纹、轧制过程组织应力和热应力等多种因素相关，多种措施并举往往能起到事半功倍的效果。
本发明一种生产工程机械截齿用钢AISI8740H的方法，同时优化炼钢及轧钢工艺，提高棒材纯净度和中心探伤合格率。
发明内容
本发明提供一种工程机械截齿用钢AISI8740H的生产方法，通过该方法生产的钢棒洁净度高、端淬带宽窄、探伤合格率100％。
本发明的技术方案包括成分设计、炼钢工序、连铸工序和轧钢工序，
1)钢种成分按照质量百分比设计，成分配比为：C：0.37～0.44％；Si：0.20％～0.30％；Mn：0.70％～1.05％，P：0～0.025％，S：0～0.025％，Cr：0.35％～0.65％，Ni：0.35～0.75％，Mo：0.20％～0.30％，Al：0.015％～0.065％，B：0～0.0006％，N：0.0040％～0.0090％，其余为铁；
除N、B以外，本发明涉及的合金元素为CrNiMo系钢种常见的合金元素，控制原则为保证钢的力学性能及端淬稳定。微量的硼元素就会对端淬产生明显影响，本发明将硼含量上限定为0.0006％，同时添加一定的N元素(0.0040％～0.0090％)，限制硼元素作用的发挥，在稳定端淬的同时降低成本。如果对熔炼成分硼含量要求过严(如≤0.0003％)，会限制炼钢过程含硼合金或耐材的使用，显著提高冶炼成本。
2)炼钢工序包括初炼、精炼、真空处理和连铸，初炼、精炼工序为炼钢常见工艺，真空处理工艺采用RH炉。RH真空度要求20Pa～200Pa(优选的设定值为100Pa～200Pa，实际值会随着时间不断降低)，高真空保持时间要求≥10min，提升气体采用氮气。真空处理同时脱氢达1.0ppm。
传统通过控制低真空度增氮，一般真空度控制在5-10kPa，氮含量可增加至100-110ppm，在该真空度下脱氢极限一般在1.5ppm左右，还需要高真空脱氢。而本发明不需要特意控制较低的真空度，增氮和脱氢可同时进行，脱氢可达1.0ppm左右。
钢水吊包至RH炉，氮含量一般为0.0020％～0.0040％，本钢种需要进一步增氮。本发明以提升气体增氮，RH真空循环过程反应剧烈，限制增氮的条件主要为热力学条件即真空度，真空度过高，提升气体增氮效率跟不上脱氮速率，钢水氮含量难以提高；真空度过低不利于脱氢。本发明通过控制真空度，以氮气提高钢水氮含量，不喂氮锰线，可同时实现降本、脱氢，并且可以避免由于喂氮锰线导致的二次氧化。
3)连铸工序通过优化拉速、过热度、二冷水、首/末端电磁搅拌等工艺参数将连铸坯中心碳偏析控制在1.10以下，以减轻轧材中心马氏体带，从而降低轧后冷却过程的组织应力。对于本发明所用的220x260断面大方坯连铸机，拉速0.8m/min～1.0m/min，二冷水比水量0.3L/kg，末端电磁搅拌位置距离弯月面9.8m，电流200A/6Hz～300A6Hz。连铸出坯后入坑缓冷≥36h。
连铸工艺为本领域控制偏析或带状组织常见方法，其他降低铸坯中心偏析的方法如凝固末端轻压下工艺也可采用，主要是通过控制偏析减轻马氏体带避免轧后冷却产生应力开裂，从而提高探伤合格率。
控制带状偏析有利于防止锻造加工过程变形不均匀；但由于AISI8740H碳含量更高，容易加重偏析，控制带状偏析的难度大。且为了解决高合金钢产生内裂问题，传统大多通过入坑缓冷温度、延长保温时间、热材暖坑等方法，而对于连铸工艺对裂纹的影响研究甚少。
4)轧钢加热二段和均热段加热温度为1100℃～1200℃，加热时间120min～240min；精轧温度870℃～930℃，精轧轧制速度2.0m/min～2.5m/min。轧后入坑缓冷(350℃以上)，缓冷时间≥24h。
轧钢入炉时高温扩散与轧后缓冷为常规控轧组织应力的方法，除此以外，本发明通过控制精轧温度和轧制速度，降低应变速度，有利于变形过程应力释放，降低应力开裂的可能性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过成分设计条件，通过RH工艺的控制，以及连铸坯中心碳偏析控制在1.10以下，轧钢工序精轧温度870℃～930℃，精轧轧制速度2.0m/min～2.5m/min等条件的配合，最终本发明生产的工程机械截齿用钢AISI8740H棒材性能稳定，内部探伤合格率100％，同时棒材纯净度高。
说明书附图
图1为实施例中AISI8740H规格φ80mm棒材纵剖低倍。
图2为实施例中AISI8740H棒材心部纵剖高倍组织。
图3为对比例1中AISI8740H规格φ80mm棒材纵剖低倍。
图4为对比例1中AISI8740H棒材内伤纵剖高倍组织。
具体实施方式
实施例
钢水经初炼、精炼后吊包至RH工位，真空度133Pa，高真空保持时间11min，提升气体为氮气，提升气体流量90L/min。RH真空处理后上连铸，连铸中间包钢水成分：C：0.38％；Si：0.25％；Mn：0.90％，P：0.015％，S：0.005％，Cr：0.55％，Ni：0.44％，Mo：0.22％，Al：0.025％，B：0.0004％，N：0.0080％。氢为1.0ppm。
连铸中间包过热度34℃，拉速0.90m/min，二冷水0.3L/kg，首端电磁搅拌200A/6Hz，末端电磁搅拌200A/6Hz。连铸出坯后入坑缓冷≥36h。以五点取样法检测中心碳偏析，碳偏析指数1.08。
连铸坯进轧钢加热炉加热，预热段温度870℃，加热一段温度1010℃，加热二段温度1120℃，均热段温度1170℃，开轧温度980℃，精轧温度900℃，轧制速度2.1m/min。轧后入坑缓冷，入坑温度约450℃，入坑前以热轧红钢暖坑。缓冷时间≥24h。
按上述工艺生产的φ80mm规格的AISI8740H棒材，探伤合格率100％。棒材纵剖低倍样如图1所示，低倍照片心部存在带状组织，带状组织如图2(50x)所示，以铁素体和珠光体为主，存在较细的马氏体带，不存在中心裂纹。
成品非金属夹杂物检测结果如表1所示。
表1对比例非金属夹杂物(单位：级)
等级 A(细) A(粗) B(细) B(粗) C(细) C(粗) D(细) D(粗)
试样1 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5
试样2 0.5 0.0 0 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5
成品端淬检测结果如表2所示。
表2对比例末端淬透性(单位：HRC)
水冷端距离 J1.5 J3 J5 J7 J9 J11 J13 J15 J20 J25 J30
试样1 54.5 53.3 52.5 50.5 47.5 43.0 40.0 39.0 37.0 32.0 31.0
试样2 55.5 54.0 53.0 51.5 48.0 46.0 42.0 37.0 36.0 34.0 32.5
对比例1
对比例1在连铸不同流次降低了末端电磁搅拌参数，精轧速度提高到3.0m/min。
钢水经初炼、精炼后吊包至RH工位，真空度133Pa，高真空保持时间11min，提升气体为氮气，提升气体流量90L/min。RH真空处理后上连铸，连铸中间包钢水成分：C：0.38％；Si：0.25％；Mn：0.90％，P：0.015％，S：0.005％，Cr：0.55％，Ni：0.44％，Mo：0.22％，Al：0.025％，B：0.0004％，N：0.0080％。氢为1.0ppm。(对比例1与实施例1是同一炉的钢水，仅在连铸用不同流次，因此成分完全相同，夹杂物、末端淬平均值相同)
连铸中间包过热度34℃，拉速0.90m/min，二冷水0.3L/kg，首端电磁搅拌200A/6Hz，末端电磁搅拌80A/6Hz。连铸出坯后入坑缓冷≥36h。以五点取样法检测中心碳偏析，碳偏析指数1.20。
连铸坯进轧钢加热炉加热，预热段温度870℃，加热一段温度1010℃，加热二段温度1120℃，均热段温度1170℃，开轧温度980℃，精轧温度900℃，精轧轧制速度3.0m/min。轧后入坑缓冷，入坑温度约450℃，入坑前以热轧红钢暖坑。缓冷时间≥24h。
按上述工艺生产的φ80mm规格的AISI8740H棒材，探伤合格率89％。棒材纵剖低倍样如图3所示，低倍照片心部存在带状组织，带状组织如图4(100x)所示，存在粗大的马氏体带和沿马氏体分布的裂纹。
成品非金属夹杂物检测结果如表3所示。
表3对比例1非金属夹杂物(单位：级)
等级 A(细) A(粗) B(细) B(粗) C(细) C(粗) D(细) D(粗)
试样1 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5
试样2 0.5 0.0 0 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5
成品端淬检测结果如表4所示。
表4对比例1末端淬透性(单位：HRC)
水冷端距离 J1.5 J3 J5 J7 J9 J11 J13 J15 J20 J25 J30
试样1 54.5 53.3 52.5 50.5 47.5 43.0 40.0 39.0 37.0 32.0 31.0
试样2 55.5 54.0 53.0 51.5 48.0 46.0 42.0 37.0 36.0 34.0 32.5
对比例2
对比例2改变了RH真空度，并以氮锰线增氮，连铸及轧钢工艺参数不变；轧材探伤合格率100％，但夹杂物等级有提高的趋势。
钢水经初炼、精炼后吊包至RH工位，真空度67Pa，高真空保持时间11min，提升气体为氩气，提升气体流量90L/min。RH真空处理后氮含量0.0025％，喂氮锰线增氮。RH真空处理后上连铸，连铸中间包钢水成分：C：0.37％；Si：0.23％；Mn：0.89％，P：0.015％，S：0.003％，Cr：0.55％，Ni：0.44％，Mo：0.21％，Al：0.021％，B：0.0006％，N：0.0060％。
连铸中包过热度30℃，拉速0.90m/min，二冷水0.3L/kg，首端电磁搅拌200A/6Hz，末端电磁搅拌200A/6Hz。连铸出坯后入坑缓冷≥36h。以五点取样法检测中心碳偏析，碳偏析指数1.10。
连铸坯进轧钢加热炉加热，预热段温度850℃，加热一段温度1000℃，加热二段温度1150℃，均热段温度1180℃，开轧温度1010℃，精轧温度900℃，精轧轧制速度2.1m/min。轧后入坑缓冷，入坑温度约450℃，入坑前以热轧红钢暖坑。按上述工艺生产的φ80mm规格的AISI8740H棒材，内伤合格率100％。
成品非金属夹杂物检测结果如表5所示，与实施例相比，B类非金属夹杂物级别有提高的趋势。
表5对比例2非金属夹杂物(单位：级)
成品端淬检测结果如表6所示。
表6对比例2末端淬透性(单位：HRC)
水冷端距离 J1.5 J3 J5 J7 J9 J11 J13 J15 J20 J25 J30
试样1 57.0 56.5 55.5 53.5 52.0 49.5 45.5 42.5 38.0 35.0 33.5
试样2 54.5 54.0 53.5 52.5 50.0 47.5 44.0 41.0 36.5 34.0 32.0

Claims (2)

1.一种工程机械截齿用钢AISI8740H的生产方法，其特征在于：包括成分设计、炼钢工序、连铸工序和轧钢工序；
成分设计得到的钢成分按照质量百分比设计，成分配比为：C：0.37~0.44%；Si：0.20%~0.30%；Mn：0.70%~1.05%，P：0~0.025%，S：0~0.025%，Cr：0.35~0.65%，Ni：0.35~0.75%，Mo：0.20%~0.30%，Al：0.015%~0.065%，B：0~0.0006%，N：0.0040%~0.0090%，其余为铁；
炼钢工序中的真空处理工艺采用RH炉，RH真空度设定值100Pa~200Pa，高真空保持时间要求≥10min，提升气体采用氮气，真空处理同时脱氢达1.0ppm；
连铸工序通过控制拉速、过热度、二冷水、首/末端电磁搅拌将连铸坯中心碳偏析控制在1.10以下；其中拉速0.8m/min~1.0m/min，二冷水比水量0.3L/kg，末端电磁搅拌位置距离弯月面9.8m，电流200A/6Hz~300A/6Hz；
轧钢加热二段和均热段加热温度为1100℃~1200℃，加热时间120min~240min；精轧温度870℃~930℃，精轧轧制速度2.0m/min~2.5m/min；轧后入坑缓冷；
轧制后轧材不存在中心裂纹，探伤合格率100%，心部存在带状组织。
2.根据权利要求1所述工程机械截齿用钢AISI8740H的生产方法，其特征在于：入坑缓冷时间≥24h。
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