CN115505852B - 一种耐蚀农机用钢材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐蚀农机用钢材及其制造方法，属于农机用钢技术领域。本发明采用铁水脱硫、转炉冶炼、精炼、RH真空精炼、连铸工序、蒸汽缓冷、再加热、坑冷、轧钢加热炉加热、粗轧、精轧、预矫直、超快速冷却、矫直、堆垛缓冷、切边、超声波探伤、抛丸、去掉表面过冷组织、淬火和回火工艺，得到一种农机用钢材。本发明的钢材组织为均匀细小珠光体和铁素体，珠光体团小于12μm，表面光洁无过冷组织，偏析和夹杂物含量低，气体含量低不易出现低温脆断，耐腐蚀指数高不用热处理前后喷涂防腐蚀涂层，热处理后抗拉强度1400MPa以上。利用该钢材生产的农机配件耐磨性、耐热性和耐腐蚀性优异。

Description

一种耐蚀农机用钢材及其制造方法

技术领域

本发明涉及农机用钢技术领域，尤其涉及一种耐蚀农机用钢材及其制造方法。

背景技术

农机装备的发展与水平关乎国家粮食的重大安全。农机配件用钢不断更新换代。目前较高端的入土农机配件用钢主要有两种，一种是65Mn钢油淬，强度1200MPa，耐磨性能一般，环境污染严重，高碳热轧板强度高，硬度高，屈强比一般80％以上，加工成型难度大，且热处理易开裂，耐热性和耐腐蚀性不良；另一种是国外进口的中碳30MnB5农机用钢，成品回火后硬度46-48HRC，强度1300MPa左右，屈强比一般也达70％以上，存在热处理易开裂，板形不好，耐热性和耐腐蚀性不理想等缺陷。并且上述农机用钢加工的配件均存在入土工作磨擦升温时，耐磨性下降的问题，目前还没有适合水淬、硬度52HRC、强度1500MPa以上，表面耐热性、耐磨性和耐腐蚀性优良的农机配件用钢。另外，随着环保要求不断提高，农机用钢油淬环境污染严重的问题越来越突出，适合水淬的农机用钢是行业发展发向。

上述提及的钢种及生产方法均未提及中厚板如何生产农业机械用钢，连轧生产线的宽度一般在2260mm以内，厚度超过20mm，很难实现卷取，在农业机械用钢大型化、连续化的今天其规格很难突破。而中厚板轧机可生产宽度范围1600-4800mm，厚度范围6-100mm之间的农机用钢，且中厚板生产线生产连续性不高，轧机轧制力大，可以满足合金含量较高的钢种轧制需求，工艺调节空间也相对比较大。而且目前用于热轧卷板耐热性、耐腐蚀性技术，不适于加工高端耐热、耐腐蚀入土农机配件的使用要求。为适应时代发展，满足农机配件更新换代需求，亟需制备一种具有优良耐热性和耐腐蚀性，且适合水淬的农机配件用钢。

申请号为CN202110805366.6的发明专利公开了一种制造2000MPa环保耐热农机用钢的方法。该专利的主要思路为添加元素W和稀土金属，以实现优异的耐高温性能，进而避免工作条件下升温引起的农机钢强度下降的问题。但是该专利是通过在表面热喷焊含铬70％～80％的铬铜合金粉末层提高农机钢的耐蚀性，即给农机钢表面增加耐腐蚀涂层，但是耐蚀涂层技术存在成本高的缺陷，且面临以下几个问题：1、涂层与表面的结合力与工艺水平关系很大，经过一段时间的使用和与基体不同步的热胀冷缩后易出现涂层脱落现象；2、涂层耐蚀性良好但耐磨性不够，且涂层厚度只有0.2mm～0.5mm，待涂层磨损后，基体材料耐蚀性无法保证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种耐蚀农机用钢及其制造方法，本发明通过将耐蚀合金元素Ni、Cu、Cr加入钢板中，Cu与Fe基体形成原电池，替代Fe被腐蚀；Cr在金属表面形成致密的氧化层，可以保证农机钢持久的耐腐蚀性能。强化机理上采用中高C、加Nb、V、Ni、Ti的强化方式，在保证强度的前提下提高钢板焊接性能。同时，本发明生产的农机用钢还具有表面质量高，适合水淬，更环保等优点。本发明生产的农机用钢热轧板组织为均匀细小珠光体和铁素体，珠光体团小于12μm，表面光洁无过冷组织，偏析和夹杂物含量低，气体含量低不易出现低温脆断，耐腐蚀指数高不用热处理前后喷涂防腐蚀涂层。热处理后抗拉强度可达1400MPa以上。生产的农机配件耐磨性、耐热性和耐腐蚀性优异。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐蚀农机用钢，所述农机用钢中化学成分按质量百分比为：C 0.10％～0.25％、Si≤0.15％、Mn 1.00％～1.70％、Nb 0.02％～0.05％、Al 0.02％～0.04％、B0.010％-0.020％、V 0.02％～0.04％、Ti 0.04％～0.055％，Ni 0.1％～0.3％，Cu0.1％～0.5％，Cr 0.40％-0.60％，余量为Fe和不可避免的杂质。

C在Fe基体中与Fe形成固溶体，Fe基体出现晶格畸变从而提高钢板强度。是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性，特别是焊接性有负面影响。从产品性能角度考虑C 0.10％～0.25％。

Si是提高强度的主要元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，固溶形态的Si能提高屈服强度和韧脆转变温度。Si会促使钢表面脱碳氧化，形成疏松的氧化层，氧化层中存在晶界氧化等微裂纹缺陷，严重影响表面硬度及疲劳性能。本发明Si≤0.15％，成本低，且避免钢表面氧化，改善表面质量.

Al用作炼钢时的脱氧剂，细化晶粒，抑制钢的时效，改善低温韧性，Al还能提高钢的抗氧化性能，提高对硫化氢的抗腐蚀性。Al含量超过0.06％，易与钢中氧形成大颗粒氧化物夹杂。本发明钢液中加入Al进行脱氧。本发明Al含量0.02％～0.04％。

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素。锰和铁能无限固溶形成固溶体，提高硬度和强度，对塑性的影响相对较小。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹影响工具钢的热成形性。同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。钢中Mn含量低，不能满足高强硬性的要求，Mn含量过高偏析严重，影响焊接性能和成型性，且增加生产成本，本发明中Mn 1.00％～1.70％。

Ni具有固溶强化作用，稳定奥氏体的主要合金元素，具备使Ar3点降低，CCT曲线右移，能够形成尺寸细小的马氏体组织，提高钢的强韧性，特别是低温韧性；又因为Ni会影响位错的横向滑移，降低钢的韧脆转变温度，本发明中主要用Ni来降低Cu元素导致的钢坯边部裂纹倾向，但Ni太高易造成氧化铁皮无法去除。

V有效细化钢的晶粒尺寸，同时在钢在形成纳米级第二相与位错作用显著提高强度。本发明V 0.02％～0.04％。

B(硼)作为提高淬硬性元素，可明显提高钢板淬硬性。B提高淬透性的能力很强，本发明B 0.010％-0.020％。

Nb有细晶强化和析出强化作用，在需要热处理的钢中Nb含量超过0.050％，其强化作用增加就不明显，但与N形成化合物影响表面质量的倾向明显增加。因此本发明Nb0.02％～0.05％。

Ti可以固定钢水中的N，形成TiN防止NbN形成造成坯料边部裂纹，同时Ti的固溶强化作用明显，本发明中Ti 0.04％～0.055％。

Cu可以起到一定的强化作用，最主要的是可以与Fe基体形成原电池，提高农机钢的耐腐蚀性能。但Cu含量过高易造成钢板星裂，因此需要加入适量的Ni形成Cu-Ni络合物，降低星裂风险。本发明中Cu 0.1％～0.5％。

Cr可以在Fe表面形成Cr₂O₃，Cr₂O₃是致密的氧化物，可以阻止空气对Fe的进一步腐蚀。

优选地，所述农机用钢为片状珠光体组织，晶粒半径≤6μm，经过热处理后组织为马氏体组织。

优选地，所述农机用钢钢板中非金属夹杂物不超过1.5级；偏析不超过1.5级。

优选地，所述农机用钢钢板中H含量≤1.0ppm，N含量≤25ppm。

优选地，所述农机用钢钢板表面和集体中心晶粒度差不超过1级，且表面无过冷组织。

优选地，所述农机用钢钢板的耐腐蚀性指数≥6，机械加工条件下，可以满足d＝a冷弯；工作条件下，钢板屈服强度600MPa以上，抗拉强度1400MPa以上，断后伸长率14％以上。

一种耐蚀农机用钢的制造方法，所述方法的技术路线为：铁水脱硫→转炉冶炼→精炼→RH真空精炼→连铸工序→蒸汽缓冷→再加热→坑冷→轧钢加热炉加热→粗轧→精轧→预矫直→超快速冷却→矫直→堆垛缓冷→切边→超声波探伤→抛丸→去掉表面过冷组织→淬火→回火。

一种耐蚀农机用钢的制造方法，包括以下步骤：

1)冶炼工艺：

a)采用120t顶底复吹转炉进行吹炼，终点碳≤0.04％时停止吹炼，所有入炉料必须经特制炼钢原料烘干机干燥后入炉；

b)精炼采用Al脱氧剂脱氧，用Al线与钢水中的氧反应，将钢水中的氧降到10ppm以下。Ca处理6-8分钟，目的是与Al形成铝酸钙，防止Al堵塞塞棒形成套眼。然后再加Nb、V、Ti、Cu、Ni合金，以达到预期成分值。由于B化学性质活泼，容易形成BN，造成坯料裂纹和B收得率低，因此在精炼后期加B合金化，钢水加硼后≤5分钟结束精炼，然后加入增碳剂进行增碳，以控制C含量在成分设计范围内；

c)连铸采用重压下工艺和氩气保护，铸坯厚度400mm，压下量8mm～50mm；连铸结晶器电磁搅拌电流强度500A～1000A，连铸拉速0.8m/min～1.4m/min，氩气流量80-100L/min，可以有效防止连铸水口吸气，造成钢水气体超标；

d)坯料全自动切割后进行缓冷，下线温度450-700℃，保温箱恒温150℃，保温时间8h，长时间150℃以上缓冷可以很好的让H元素从钢坯中溢出；

e)缓冷后的钢坯放入电加热炉加热，加热炉温度850±20℃，加热时间5h；加热后的钢坯在缓冷坑中静置48小时至室温，以缓解铸坯枝晶偏析；

2)轧制工艺：

a)采用双蓄热步进式加热炉进行四段式加热，为防止热装裂纹产生，采用室温装炉，加一段温度控制在900±20℃，加二段温度控制在1100±20℃，加三段温度控制在1210±20℃，均热段温度控制在1180±20℃，加热时间按照9～10min/cm控制，均热段时间按照50～60min控制，出炉温度控制在1100±20℃；

b)粗轧采用往复轧制方式，开轧温度1080±20℃，终轧温度950±20℃，前两道次展宽，展宽后首道次采用≥25％大压下率轧制，粗轧每道次压下量≥20mm，以保证组织动态再结晶完全，细化晶粒；

c)粗轧后采用自制中间坯冷却设备对中间坯进行冷却，冷却水量120L/min，冲水时间30S，终冷温度920±20℃，以保证坯料表面与芯部有50℃的温差，确保精轧阶段变形渗透完全，成品钢板表面和中心部位晶粒度差在1级以内；

d)精轧往复轧制，轧制道次6-8道，总压下率≥70％，首道次压下率≥25％，轧制速度≥6m/s，开轧温度870℃～910℃，终轧温度780℃～820℃；

e)精轧用9辊预矫机先进行矫直，后用东北大学第四代UFC超快速冷却系统进行水冷，冷速35-40℃/s，返红温度650℃～730℃，上下水比1.4，投入头尾遮蔽，冷却后采用11辊矫直机矫直；

f)矫直后的钢板加铺盖钢板堆垛缓冷，缓冷开始温度350±20℃，缓冷24h后切边，切边后的钢板进行超声波探伤，即得热轧钢板或热轧中厚板；

3)加工与热处理工艺：

用步骤2)得到的热轧钢板加工制造农机配件所需形状，加工后进行表面抛丸处理，用铣床去掉表面2mm的过冷组织后，加热到880℃～920℃，保温20～30分钟，水淬到150℃以下，入回火炉180～240℃保温6小时，空冷。

优选地，步骤1)中所述结晶器的外弧倒角工艺的具体做法是：连铸结晶器采用外弧50mm倒角，内弧直角设计，可以有效减少外弧直角引起的应力集中在矫直段引起的外弧角裂，目前大多采用内外弧全直角或者全倒角结晶器设计。

优选地，步骤1)中所述缓冷采用的是蒸汽保温箱缓冷的方式。

优选地，步骤2)中所述精轧采用的是80000KN轧机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用中厚板轧机生产农机用钢，宽度规格上限从2260mm，提高到4800mm；厚度上限从20mm提高到100mm，且无需开平。

2、本发明所述农机用钢钢板为片状珠光体组织，晶粒半径径均不大于6μm，在中厚板组织中晶粒相对更加细小。

3、本发明所述的耐蚀农机用钢耐腐蚀性指数≥6；机械加工条件下，可以满足d＝a冷弯；工作条件下，钢板屈服强度600MPa以上，抗拉强度1400MPa以上，断后伸长率14％以上。其碳含量在0.10％～0.25％之间，碳当量低，易于常温加工成型和焊接，不需要进行表面喷涂即可有效防止大气腐蚀和土壤中酸性物质腐蚀，其重要原理是：Cr、Al元素在钢板表面形成致密的氧化层，Cu与钢板集体形成原电池有效保护钢板集体不被腐蚀。

4、本发明所述的耐蚀农机用钢钢板中非金属夹杂物不超过1.5级；偏析不超过1.5级，钢板分层的可能性大大降低。

5、本发明所述的耐蚀农机用钢钢板中H含量不超过1.0ppm、N含量不超过25ppm，低温脆断的可能性低。

6、本发明所述的耐蚀农机用钢的成品钢板表面和集体中心晶粒度差不超过1级，且表面无过冷组织，在使用过程中抗常温和抗低温冲击性能优异。

7、本发明采用外弧倒角结晶器技术，大大减少了外弧角裂的发生概率。

附图说明

图1是本发明实施例1热处理后的金相组织照片；

图2是本发明实施例2热处理后的金相组织照片，本实施例中热处理后的金相组织为细小的马氏体组织；

图3是本发明实施例3轧后金相组织照片，轧后金相组织为铁素体加珠光体组织。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述原料和助剂，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。

实施例1-3和对比例1-2

钢中化学成分见表1；耐蚀农机用钢生产工艺见表2、表3和表4；钢板成品性能见表5。

表1钢中化学成分，wt％

表2冶炼工艺

表3轧制工艺

表4铸坯处理工艺

表5钢板及成品性能

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）冶炼工艺：

a）进行吹炼，终点碳≤ 0.04%时停止吹炼，所有入炉料必须经特制炼钢原料烘干机干燥后入炉；

b）精炼采用Al脱氧剂脱氧，Ca处理6-8分钟，然后再加Nb、V、Ti、Cu、Ni合金，在精炼后期加硼合金化，钢水加硼后≤5分钟结束精炼，然后加入增碳剂；

c）连铸采用重压下工艺和氩气保护，铸坯厚度400mm，压下量8mm～50mm；连铸结晶器电磁搅拌电流强度500A～1000A，连铸拉速0.8m/min～1.4m/min，氩气流量80-100L/min；

d）坯料全自动切割后进行缓冷，下线温度450-700℃，保温箱恒温150℃，保温时间8h；

e）缓冷后的钢坯放入电加热炉加热，加热炉温度850±20℃，加热时间5h；加热后的钢坯在缓冷坑中静置48小时至室温；

2）轧制工艺：

a）采用四段式加热，加一段温度控制在900±20℃，加二段温度控制在1100±20℃，加三段温度控制在1210±20℃，均热段温度控制在1180±20℃，加热时间按照9～10min/cm控制，均热段时间按照50～60min控制，出炉温度控制在1100±20℃；

b）粗轧采用往复轧制方式，开轧温度1080±20℃，终轧温度950±20℃，前两道次展宽，展宽后首道次采用≥25％大压下率轧制，粗轧每道次压下量≥20mm；

c）粗轧后采用自制中间坯冷却设备对中间坯进行冷却，冷却水量120L/min，冲水时间30S，终冷温度920±20℃，以保证坯料表面与芯部有50℃的温差，确保精轧阶段变形渗透完全，成品钢板表面和中心部位晶粒度差在1级以内；

d）精轧往复轧制，轧制道次6-8道，总压下率≥70％，首道次压下率≥25％，轧制速度≥6m/s，开轧温度870℃～910℃，终轧温度780℃～820℃；

e）精轧用9辊预矫机先进行矫直，后用UFC超快速冷却系统进行水冷，冷速35-40℃/s，返红温度650℃～730℃，上下水比1.4，投入头尾遮蔽，冷却后矫直；

f）矫直后的钢板加铺盖钢板堆垛缓冷，缓冷开始温度350±20℃，缓冷24h后切边，切边后的钢板进行超声波探伤，即得热轧钢板；

3）加工与热处理工艺：

用步骤2）得到的热轧钢板加工制造农机配件所需形状，加工后进行表面抛丸处理，用铣床去掉表面2mm的过冷组织后，加热到880℃～920℃，保温20～30分钟，水淬到150℃以下，入回火炉180～240℃保温6小时，空冷；

所述农机用钢材中化学成分按质量百分比为：C 0.10％～0.25％、Si≤0.15％、Mn1.00％～1.70％、Nb 0.02%～0.05％、Al 0.02％～0.04％、B 0.010％-0.020％、V 0.02%～0.04％、Ti 0.04%～0.055％，Ni 0.1%～0.3％，Cu 0.1%～0.5％，Cr 0.40%-0.60％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，所述农机用钢材为片状珠光体组织，晶粒半径≤ 6 μm，经过热处理后组织为马氏体组织。

3.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢的制造方法，其特征在于，所述农机用钢材中非金属夹杂物不超过1.5级；偏析不超过1.5级。

4.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，所述农机用钢材中H含量≤ 1.0ppm，N含量≤ 25 ppm。

5.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，所述农机用钢材表面和集体中心晶粒度差不超过1级，且表面无过冷组织。

6.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，所述农机用钢材的耐腐蚀性指数≥6，工作条件下，钢板屈服强度600MPa以上，抗拉强度1400MPa以上，断后伸长率14%以上。

7.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，步骤1）中所述结晶器的外弧倒角工艺的具体做法是：连铸结晶器采用外弧50mm倒角，内弧直角设计。

8.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，步骤1）中所述缓冷采用的是蒸汽保温箱缓冷的方式。

9.根据权利要求1所述的耐蚀农机用钢材的制造方法，其特征在于，步骤2）中所述精轧采用的是80000KN轧机。

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