CN116790990A

CN116790990A - 一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB及其生产方法

Info

Publication number: CN116790990A
Application number: CN202310790111.6A
Authority: CN
Inventors: 许少普; 杨东; 袁清; 李忠波; 刘庆波; 康文举; 全微波; 周杨; 薛艳生; 杨阳; 郑海明; 屈小彬; 吕玉良; 朱先兴; 袁高俭
Original assignee: Nanyang Hanye Special Steel Co Ltd
Current assignee: Nanyang Hanye Special Steel Co Ltd
Priority date: 2023-06-30
Filing date: 2023-06-30
Publication date: 2023-09-22

Abstract

本发明属于钢板生产领域，具体涉及一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB及其生产方法。通过合理的化学成分设计控制生产成本，LF+VD工艺来保证钢水的洁净度，并通过加热、轧制及调质处理等工艺的有效实施，成功地开发出了12～75mm厚高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB。其金相组织主要是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度控制在483～521HB，伸长率控制在8.7～10.6％，‑40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。完全满足低温条件下，挖掘混有较硬碎石的硬土、次坚石、风化石、坚石、爆破后的矿石装载等重载作业环境使用要求。

Description

一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢板生产技术领域，具体涉及一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB及其生产方法。

背景技术

一般挖掘机、装载机等工程机械设备在常温或0℃以上环境作业，其钢铲斗刃具备有合适的强度和硬度，就可满足使用需求。随着社会经济的迅速发展，对挖掘机、装载机等工程设备恶劣环境下的高效作业提出更大的考验，尤其是～20℃以下，混有较硬的硬土、风化石、坚石等作业环境。此时的钢铲斗刃不仅需要有合适的强度和硬度，还需要具备有良好的低温冲击韧性。一般认为，钢的强度和韧性是一对矛盾，强度越高，低温韧性越差。

因此，开发出一种兼具高强度和低温冲击韧性，满足使用要求的钢成为需要解决的问题。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB，生产出的钢板不仅有合适的强度和硬度，还具有良好的低温冲击韧性，满足钢板兼具高强度和低温冲击韧性的要求。

本发明的另一目的在于提供一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB的生产方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB，包含如下质量百分比的化学成分：C：0.20～0.24、Si：0.8～1.0、Mn：1.20～1.40、P：≤0.010、S：≤0.005、Cr:0.5～0.8、B:0.0015～0.0023、Ti：0.04～0.06，其它为Fe和残留元素；该钢板的厚度为12～75mm，金相组织是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，其抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度控制在483～521HB，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。

上述高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB的生产方法，采用转炉冶炼、LF精炼、VD脱气、浇铸、铸坯加热、轧制、堆冷及热处理完成工艺控制：

1)转炉冶炼：预脱硫后，铁水中S含量≤0.015％，在转炉冶炼环节采用低拉增碳脱P工艺，出钢P≤0.005％，出钢时向钢水中加入碳粉增碳；

2)LF精炼：采用大渣量造渣工艺，100吨LF精炼炉中，单炉石灰用量800～900Kg，白渣保持时间30～40min，控住S含量≤0.005％，硼铁在白渣形成后的二加热过程加入，到站加入2.0m/t钢铝线，过程脱氧剂采取铝粒、电石，其中铝粒用量控制在30～60Kg，白渣保持时间15～18min；

3)VD精炼：在≤67Pa下VD真空精炼保压时间按15～18min，破真空后软吹3～5min，然后准备吊包离站；

4)浇铸：采用电磁搅拌及低过热度浇铸，电流强度500A、频率5HZ，过热度按10～20℃控制；

5)铸坯加热：一加热温度≤950℃，二加热温度1210～1230℃，均热段温度1200～1220℃，整体加热时间11～13min/cm；

6)轧制：采用两阶段轧制，一阶段开轧温度1000℃～1100℃，道次压下率12％～15％，2～2.5倍成品厚度晾钢；为获得细小弥散的晶粒，整个二阶段轧制温度820～880℃，道次压下量≥15％，充分破碎晶粒，防止晶粒长大，轧制结束钢板不采用层流冷却；

7)堆冷：轧后钢板入缓冷坑温度≥400℃，缓冷时间36～48小时，控制缓冷垛高1.5～2m，钢板上下表面严禁裸露在空气中；

8)热处理：采用调质工艺，淬火保温温度880～900℃，保温时间2.0～2.1mim/mm，出炉后采用压力淬火机淬火至常温；回火保温温度200～230℃，保温时间3.5min/mm。

通过合理的化学成分设计控制生产成本，LF+VD工艺来保证钢水的洁净度，并通过加热、轧制及调质处理等工艺有效实施，成功地开发出了12～75mm厚高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB。其金相组织主要是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度控制在483～521HB，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。完全满足低温条件下，挖掘混有较硬碎石的硬土、次坚石、风化石、坚石、爆破后的矿石装载等重载作业环境使用要求。

附图说明

图1为本发明实施例中60mm厚22SiMnCrTiB热轧态钢板的珠光体+铁素体网状显微组织示意图。

图2为本发明实施例中60mm厚22SiMnCrTiB调质后钢板的回火马氏体显微组织示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术特征作进一步描述。

本发明实施例提供的高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB，包含如下质量百分比的化学成分：C：0.20～0.24、Si：0.8～1.0、Mn：1.20～1.40、P：≤0.010、S：≤0.005、Cr:0.5～0.8、B:0.0015～0.0023、Ti：0.04～0.06，其它为Fe和残留元素；该钢板的厚度为12～75mm，金相组织是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，其抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度控制在483～521HB，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。

上述成分设计上采用C、Mn、Cr、Ti、B的微合金化设计，为确保生产成本低廉，不添加贵重金属Ni和Mo合金。

根据不同强度级别，以Si～Mn～Cr～Ti合金体系为基础，各元素的作用及配比依据如下：

碳(C)：碳是钢中不可缺少的提高钢材强度和硬度的元素之一，本钢种需要非常好的硬度来保证钢板的耐磨性，因此，较高的碳含量是必不可少的。但如果钢中碳含量高，则容易造成钢材韧性下降，同时导致焊接性能差。如果钢中碳含量低则使硬度达不到要求，从而保证不了耐磨性，因此本发明钢中C含量控制在0.20～0.24％。

硅(Si)：在钢中有较强的固溶强化作用，能提高钢的淬透性，可阻止铁素体形核和长大，使“C”曲线右移。在本设计合金体系下，当Si含量≥0.8％时可以有效抑制渗碳体的析出，可以保证良好的塑韧性；但当Si含量＞1.0％时会导致组织粗大，焊接性能降低，因此，本发明钢中Si含量控制在0.8％～1.0％之间。

锰(Mn)：锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性，与碳配合可以增大钢的加工硬化率，提高钢的强度和耐磨性。但锰含量较高时，容易造成组织中心偏析，淬火裂纹的倾向大，因此本发明钢中Mn含量控制在1.2％～1.4％。

铬(Cr)：增大钢的淬透性，并使过剩碳化物增多和变细，以增大钢的耐磨性。Cr能够减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，但也会增加钢的回火脆性倾向。本申请设计的钢中，在利用Cr提高淬透性的同时，要避免回火脆性的发生，因此，本发明钢中Cr含量控制在0.5％～0.8％。

钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂，钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强。因此，它是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒，淬火后随着碳化钛微粒的析出，显著提高钢的强度，同时降低时效敏感性和冷脆性，降低韧脆转变温度。因此，本发明钢中Ti含量控制在0.04％～0.06％。

硼(B)：硼在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀有贵重的金属，如镍、铬、钼等。为了这一目的，其含量一般规定在0.001％～0.005％范围内。它可以代替1.6％的镍、0.3％的铬或0.2％的钼，但随着硼含量的增加，有促进回火脆性的倾向，所以硼含量也不宜太高。因此，本发明钢中B含量控制在0.0015～0.0023％。

本发明实施例提供的高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB的生产方法，采用转炉冶炼、LF精炼、VD脱气、浇铸、铸坯加热、轧制、堆冷及热处理完成工艺控制。

2.1转炉冶炼工艺点要求

转炉铁水预脱硫处理，铁水S含量≤0.015％。转炉采用低拉增碳脱P工艺，出钢P≤0.005％，出钢时向钢水中加入碳粉增碳。出钢结束采用挡渣锥挡渣，转炉下渣厚度控制在30mm以下，以避免下渣回P；钢水到氩站后，提前向钢水中加入200kg石灰，吹氩5min搅拌。

2.2LF精炼工艺点要求

采取大渣量进行造渣，100吨LF精炼炉，单炉石灰用量800～900Kg。白渣保持时间30～40min，控住S含量≤0.005％。硼铁在白渣形成后的二加热过程加入。到站加入2.0m/t钢铝线，过程脱氧剂采取铝粒、电石，铝粒用量控制在30～60Kg，白渣保持时间15～18min。

2.3VD真空精炼工艺点要求

在≤67Pa下的保压时间按15～18min进行控制，破真空后软吹3～5min，然后准备吊包离站。

2.4连铸浇注

连铸环节全程氩封保护浇注，浇注过热度按10～20℃控制。需要说明的是，当连铸钢水过热度＞20℃时，铸坯柱状晶发达，中心偏析严重；当连铸钢水过热度＜10℃时，中心偏析减轻，但过热度过低容易造成水口堵塞，钢包和中间包严重结壳。连铸拉钢过程中，电磁搅拌稳定运行，电流强度500A，电流频率5HZ。

2.5加热工艺要点

一加热温度≤950℃，二加热温度1210～1230℃，均热段温度1200～1220℃，加热系数11～13min/cm。

2.6轧制工艺要点

采用两阶段轧制，一阶段开轧温度1000℃～1100℃，道次压下率12％～15％，2～2.5倍成品厚度晾钢。为获得细小弥散的晶粒，整个二阶段轧制温度控制在820～880℃，道次压下量≥15％，充分破碎晶粒，防止晶粒长大。轧制后钢板不采用层流冷却，避免高C合金钢浇水后温度不均匀，造成应力开裂。

2.7缓冷工艺要点

轧后钢板入缓冷坑温度≥400℃，缓冷时间36～48小时。控制缓冷垛高1.5～2m，钢板上下表面严禁裸露在空气中。

2.8热处理工艺要点

采用调质工艺，淬火保温温度880～900℃，保温时间2.0～2.1min/mm，出炉后采用压力淬火机淬火至常温。回火保温温度200～230℃，保温时间3.5min/mm。通过加热至880～900℃后保温，使钢完全奥氏体化，目的是改善前期坯料轧制时带来的形变不均和组织成分不均匀现象，均匀化组织和成分。钢板出炉淬火到室温得到淬火马氏体组织、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散的碳化物。低温回火后马氏体变为回火马氏体，使组织应力得以释放，尤其适合于低温条件下，混有较硬的硬土、风化石、坚石等作业环境中，钢铲斗刃高抗疲劳高耐磨高韧性的特点，可大幅提高钢铲斗刃的使用寿命。

通过转炉冶炼、LF精炼、真空精炼、浇注、加热、轧制、缓冷、热处理等工艺，获得如下表1所述化学成分的22SiMnCrTiB成品钢，其中各工艺参数及力学性能见如下表1、2。

表1 22SiMnCrTiB钢的化学成分

表2 22SiMnCrTiB的机械力学性能

通过合理的化学成分设计及生产工艺控制，成功地开发出了12～75mm厚度高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB。其抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度483～521HB；伸长率控制在8.7％～10.6％；-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。铲刃性能可满足-40℃低温条件下，混有较硬碎石的硬土、次坚石、风化石或坚石、爆破后的矿石等低温恶劣环境下的正常高效作业。

Claims

1.一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB，其特征在于：包含如下质量百分比的化学成分：C：0.20～0.24、Si：0.8～1.0、Mn：1.20～1.40、P：≤0.010、S：≤0.005、Cr:0.5～0.8、B:0.0015～0.0023、Ti：0.04～0.06，其它为Fe和残留元素；该钢板的厚度为12～75mm，金相组织是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，其抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度控制在483～521HB，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。

2.根据权利要求1所述的高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB的生产方法，其特征在于：采用转炉冶炼、LF精炼、VD脱气、浇铸、铸坯加热、轧制、堆冷及热处理完成工艺控制：