CN115537679B - 一种500MPa级农机机架用高强钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种500MPa级农机机架用高强钢及其制备方法，属于农机用钢领域。一种500MPa级农机机架用高强钢，化学成分以质量百分比计包括：C：0.03‑0.05％，Si：0.05‑0.10％，Mn：0.5‑1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02‑0.04％，Nb：0.05‑0.10％，Cr：0.30‑0.50％，N：≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。其制备得到的钢的屈服强度≥500MPa、抗拉强度≥550MPa、断后伸长率≥28％、屈强比≥0.93、‑20℃低温冲击功≥150J，能够解决现有的农机用钢无法兼顾强度和屈强比的技术问题。

Description

一种500MPa级农机机架用高强钢及其制备方法

技术领域

本发明属于农机用钢领域，特别涉及一种500MPa级农机机架用高强钢及其制备方法。

背景技术

我国是世界农机装备第一生产大国，能够生产4000多种农机产品，年产量约500万台，产品以中小型和中低档为主。由于农机装备具有服役环境复杂、应用季节性强、短时操作强度大、新产品试用验证周期长、面向农民群体的特点。我国农机装备材料整体仍处于上世纪八十年代水平，钢材年需求量约500万吨，存在着轻量化、耐磨性、耐蚀性、一致性等性能不足，关键材料仍需大量进口等问题，与国外先进水平存在较大差距。开发新型农机装备材料对进一步促进我国农业现代化具有重大意义。

国外农机普遍采用低合金高强度钢制作机架，如俄罗斯农机使用屈服强度490MPa级高强钢，美国农机使用屈服强度680MPa级高强钢；而我国农机机架采用厚度3-10mm，屈服强度235MPa和345MPa级别普碳钢制造，农机机架重量比国外增加了10-20％，各种犁平均重量高于20％、圆盘耙的重量高于30％、农用拖车重量高于30-50％。农机轻量化可减少油耗，减轻对土壤的压实程度，改善土壤可耕种性，是未来农机装备的主要发展方向之一。随着农机轻量化的发展需求，我国农机机架轻量化用钢将朝着高强度、易焊接、高疲劳方向发展，因此，需要开发一款高强度、高屈强比的农机用钢，以适应农机冷弯型材产品成形要求、焊接性能要求、表面质量及板形质量要求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种500MPa级农机机架用高强钢及其制备方法，以解决现有的农机用钢无法兼顾强度和屈强比的技术问题。

本发明实施例提供了一种500MPa级农机机架用高强钢，所述钢的化学成分以质量百分比计包括：

C：0.03-0.05％，Si：0.05-0.10％，Mn：0.5-1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02-0.04％，Nb：0.05-0.10％，Cr：0.30-0.50％，N：≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。

可选的，所述钢的金相组织包括：铁素体、珠光体及纳米析出相。

可选的，所述钢的金相组织中，铁素体的体积百分比≥85％，铁素体的平均晶粒尺寸为2.0-3.5μm。

可选的，所述钢的金相组织中，尺寸为1-50nm的纳米析出相与纳米析出相总量的体积比≥80％。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的500MPa级农机机架用高强钢的制备方法，包括如下步骤：

依次经冶炼和精炼，得到符合所述化学成分的钢水；

将所述钢水经连铸，得到钢坯；

将所述钢坯经加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、缓冷及空冷，得到所述500MPa级农机机架用高强钢。

可选的，所述加热的温度为1150-1200℃，所述加热的保温时间为1.5-2.0h。

可选的，所述粗轧的道次为6道次，所述粗轧的终点温度为930-1000℃。

可选的，所述精轧的起始温度为900-970℃，所述精轧的终轧温度为800-830℃。

可选的，所述层流冷却的冷却速度≥30℃/s，所述卷取的温度为540-570℃。

可选的，所述缓冷采用缓冷坑进行，所述缓冷的保温时间为24-48h。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的500MPa级农机机架用高强钢，通过设计钢的化学成分，有效平衡钢的强度和屈强比，具体地，由于C元素对抗拉强度的提升效果大于对屈服强度的提升，因此，在保证强度的前提下，通过下调C含量，兼顾墙度的同时有效提升屈强比；在保证固溶强化的前提下，通过控制Si和Mn含量为较低水平，提升铁素体组织的形成率，从而提升钢的屈强比；通过加入Nb元素形成析出相，发挥析出强化作用，同时具有抑制热轧工序中奥氏体的恢复、再结晶的晶粒成长、从而使铁素体相成为目标粒径的作用；通过加入Cr元素，在钢板表面形成致密的氧化膜以提高钢板的耐大气腐蚀性能，同时Cr的碳化物能够显著提高耐磨性，进一步提升钢的强度，但其含量过高会降低塑韧性，因此优化其含量，以兼顾强度和屈强比；通过上述各元素及含量的配合，有效解决了现有的农机用钢无法兼顾强度和屈强比的技术问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的500MPa级农机机架用高强钢的金相组织图；

图3是本发明实施例提供的500MPa级农机机架用高强钢的纳米析出相。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。例如，室温可以是指10～35℃区间内的温度。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种500MPa级农机机架用高强钢，所述钢的化学成分以质量百分比计包括：

C：0.03-0.05％，Si：0.05-0.10％，Mn：0.5-1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02-0.04％，Nb：0.05-0.10％，Cr：0.30-0.50％，N：≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。

上述主要合金元素作用和限定范围详细说明如下：

C：C是钢中最经济的强化元素之一。但由于C元素对抗拉强度的提升效果大于对屈服强度的提升，如果C含量太高，不能确保所希望的高屈强比，且对焊接性能也不利。如果碳含量太低，影响基体强度，需要添加其他合金元素，造成成本上升。因此，综合考虑材料的强度、焊接性与屈强比，本发明钢中C含量控制在0.03-0.05％。

Si：Si是一种固溶强化元素。Si元素是一种固溶强化元素，但加热时会形成铁橄榄石相，增加除鳞阶段去除难度，不利于带钢表面质量，同时对带钢塑韧性、焊接性不利。为了获得较高的表面质量，钢中Si元素控制要尽量的低。因此，综合考虑强度和表面质量，本发明钢中Si含量控制在0.05-0.10％。

Mn：Mn是固溶强化元素。Mn含量过高时会形成严重的带状组织，降低横向延伸率，影响冷成形性，另外，Mn含量对抗拉强度的贡献大于屈服强度，不利于高屈强比的控制。因此，综合考虑材料强韧性，本发明将Mn的含量设计为0.5-1.0％。

P与S：P和S为钢中杂质元素，P元素易引起钢材的中心偏析，恶化钢材的焊接性与塑韧性；S元素易于Mn元素形成MnS夹杂，会使钢的焊接性、成形性降低。因此，综合考虑材料的焊接性与塑韧性，本发明钢中P含量控制≤0.010％，S含量控制≤0.003％。

Al：Al是在炼钢时发挥脱氧剂的作用。脱氧不净将导致材料的冷成形性能下降，但Al含量过高会导致钢中AlN类夹杂物过多，降低材料的延伸率。因此，综合考虑脱氧与冷成形性，本发明的Al含量控制在0.02-0.04％。

Nb：Nb作为第二相形成元素，发挥着析出强化作用，同时具有抑制热轧工序中奥氏体的恢复、再结晶的晶粒成长、从而使铁素体相成为所希望的粒径的作用。但Nb含量过高时，会显著增加热轧过程的轧制难度。因此，综合考虑轧制难度与强硬化作用，本发明钢中Nb含量控制为0.05-0.10％。

Cr：Cr元素能够在钢板表面形成致密的氧化膜以提高钢板的耐大气腐蚀性能，同时Cr的碳化物能够显著提高耐磨性；但Cr元素含量较高时，会使塑韧性降低。因此，综合考虑耐磨性与塑韧性，本发明钢中Cr含量控制在0.3-0.5％。

N：N元素属于固溶强化元素，钢中的N元素在高温奥氏体区会与Nb、Al形成第二相析出，但该第二相尺寸粗大，有损钢的塑韧性。因此，钢中的N元素含量不易过高，本发明钢中N元素控制在0.003％以下。

作为一种可选的实施方式，所述钢的金相组织包括：铁素体、珠光体及纳米析出相。

通过过控制上述金相组织，能够使制备得到的钢材具有高强度、高刚度的同时保证优异的焊接性。

优选地，所述钢的金相组织中，铁素体的体积百分比≥85％，铁素体的平均晶粒尺寸为2.0-3.5μm。

优选地，所述钢的金相组织中，尺寸为1-50nm的纳米析出相与纳米析出相总量的体积比≥80％。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上提供的500MPa级农机机架用高强钢的制造方法，包括如下步骤：

S1、依次经冶炼和精炼，得到符合所述化学成分的钢水。

S2、将所述钢水经连铸，得到钢坯。

S3、将所述钢坯经加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、缓冷及空冷，得到所述500MPa级农机机架用高强钢。

需要说明的是，粗轧前还需进行粗除磷，精轧前还需进行精除鳞。

作为一种可选的实施方式，所述加热的温度为1150-1200℃，所述加热的保温时间为1.5-2.0h。

控制加热温度和保温时间的原因在于：通过上述控制能够促使组织充分奥氏体化，确保微合金元素回熔，保证了原始奥氏体晶粒均匀细小，为最终产品获得良好的强塑性匹配创造条件。

作为一种可选的实施方式，所述粗轧的道次为6道次，所述粗轧的终点温度为930-1000℃。

控制粗轧道次的原因在于：充分进行粗除磷和精除鳞，利用粗除磷确保表面炉生一次氧化铁皮完全除掉，利用精除鳞进一步完善除掉粗轧阶段二次氧化铁皮。

控制粗轧终点温度的原因在于：确保粗轧阶段原始奥氏体充分的再结晶细化组织。

作为一种可选的实施方式，所述精轧的起始温度为900-970℃，所述精轧的终轧温度为800-830℃。

控制精轧起始温度和终轧温度的原因在于：实现未再结晶区轧制，避免混晶组织出现，并确保较高的抛钢速度，以获得均匀细小的铁素体组织及更薄的氧化铁皮。

作为一种可选的实施方式，所述层流冷却的冷却速度≥30℃/s，所述卷取的温度为540-570℃。

通过层流冷却进行快冷，确保带钢厚度方向组织均匀性及冷却均匀性，保证良好的性能均匀性和板形质量；通过控制卷取温度，获得均匀细小的铁素体和珠光体组织，同时带钢表面氧化铁皮粘附性较高不易脱落。

作为一种可选的实施方式，所述缓冷采用缓冷坑进行，所述缓冷的保温时间为24-48h。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请进行详细说明。

实施例1

一种500MPa级农机机架用高强钢，钢的化学成分以质量百分比计见表1。

金相组织包括：铁素体、珠光体及纳米析出相(见图2和图3)。

上述500MPa级农机机架用高强钢的制备方法，包括如下步骤：

S1、依次经冶炼和精炼，得到符合化学成分的钢水。

S2、将钢水经连铸，得到钢坯。

S3、将钢坯经加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、缓冷及空冷，得到500MPa级农机机架用高强钢。

制备方法的参数见表2。

实施例2

一种500MPa级农机机架用高强钢，钢的化学成分以质量百分比计见表1。

上述500MPa级农机机架用高强钢的制备方法，与实施例1的制备方法仅参数不同，参数见表2。

实施例3

一种500MPa级农机机架用高强钢，钢的化学成分以质量百分比计见表1。

上述500MPa级农机机架用高强钢的制备方法，与实施例1的制备方法仅参数不同，参数见表2。

对比例

一种农机机架用高强钢，钢的化学成分以质量百分比计见表1。

上述农机机架用高强钢的制备方法，与实施例1的制备方法仅参数不同，参数见表2。

表1钢的化学成分

	C	Si	Mn	P	S	Alt	Nb	Cr	Ti	N
											实施例1	0.03	0.09	0.9	0.008	0.002	0.035	0.09	0.30		0.003
实施例2	0.04	0.07	0.7	0.007	0.002	0.025	0.07	0.40		0.002
											实施例3	0.05	0.05	0.5	0.009	0.001	0.030	0.06	0.50		0.003
对比例	0.08	0.10	1.5	0.009	0.005	0.040	0.03	0.2	0.05	0.005

表2制备方法的参数

实验例

对实施例1-3和对比例提供的农机机架用高强钢进行性能检测，具体结果见下表。

由上表可知，实施例1-3提供的钢的屈服强≥500MPa，最高达到了545MPa；抗拉强度≥550MPa，最高达到了580MPa；延伸率均≥28.0％，最高可达30.0％；屈强比均≥0.93；同时，180°d＝0a冷弯测试均合格；-20℃冲击功≥150J。对比例虽然力学性能满足屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率达到24.5％，但其屈强比仅为0.85，-20冲击功＜150J。

并且，该钢生产中轧制稳定，无表观浪形；带钢表面不存在边部翘皮与红色氧化铁皮，制管中氧化铁皮不脱落；同时具有优良的冷成形性与焊接性，满足辊压成形生产农机机架型材的加工性能要求。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种500MPa级农机机架用高强钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量百分比计包括：

C：0.03-0.05％，Si：0.05-0.10％，Mn：0.5-1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02-0.04％，Nb：0.05-0.10％，Cr：0.30-0.50％，N：≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述钢的金相组织包括：铁素体、珠光体及纳米析出相；

所述钢的金相组织中，铁素体的体积百分比≥85％，铁素体的平均晶粒尺寸为2.0-3.5μm；

所述钢的金相组织中，尺寸为1-50nm的纳米析出相与纳米析出相总量的体积比≥80％；

所述钢的屈强比≥0.93、-20℃冲击功≥150J；

所述的500MPa级农机机架用高强钢的制备方法包括如下步骤：

依次经冶炼和精炼，得到符合所述化学成分的钢水；

将所述钢水经连铸，得到钢坯；

将所述钢坯经加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、缓冷及空冷，得到所述500MPa级农机机架用高强钢；

所述加热的温度为1150-1200℃，所述加热的保温时间为1.5-2.0h；

所述粗轧的道次为6道次，所述粗轧的终点温度为930-1000℃；

所述精轧的起始温度为900-970℃，所述精轧的终轧温度为800-830℃；

所述层流冷却的冷却速度≥30℃/s，所述卷取的温度为540-570℃；

所述缓冷采用缓冷坑进行，所述缓冷的保温时间为24-48h。