CN117187697A - 一种900Mpa级高韧性非调质钢的生产方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
一种900Mpa高韧性非调质钢的生产方法，采用工艺路线为转炉+LF炉+RH炉+连铸+热轧，钢的化学成分重量百分比为C=0.38%～0.43%，Si=0.15%～0.35%，Mn=0.90%～1.05%，P≤0.025%，S≤0.015%，Cr=0.10%～0.25%，V=0.06%～0.15%，Al=0.005%～0.025%，Nb=0.02%～0.04%，N=0.015%～0.025%，H≤0.0002%,O≤0.0020%，其余为Fe和必不可少的杂质。用本发明方法生产的钢试制成油缸活塞杆零件，不进行零件的整断面调质处理，节能环保，其疲劳台架试验达到80万次无损坏；可广泛应用于制造挖机等工程机械用油缸活塞杆用钢。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高韧性非调质钢的生产方法。
背景技术
目前，油缸活塞杆一般采用中碳结构钢，例如45、40Cr、42CrMo钢，这些棒料在作为机加工切削用原料时需进行调质热处理，调质成本高，生产效率较低,而且由于调质过程会增加能耗并污染环境，同时还有一些废品损耗，不符合现今的节能环保要求。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，传递作用于活塞上的力并带动活塞运动。活塞杆焊接通常采用摩擦焊工艺，将活塞杆和耳环焊接起来，摩擦焊接头处材料温度快速升温并快速降温，偏析合金元素容易形成硬相组织，造成活塞杆焊接部位韧性降低，影响活塞杆使用的疲劳性能。对于中碳合金结构钢，锰元素是易偏析元素，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和企业的难点。目前主流产品均在850Mpa强度级别以下。
如何所以采用低Mn含量成分的钢来制造900Mpa级高韧性优良车削性能的液压活塞杆用非调质钢，具有实际的研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种低Mn含量成分的900Mpa级高韧性优良车削性能的液压活塞杆用非调质钢的生产方法，生产出一种节能环保、抗拉强度为900Mpa级、屈服强度≥600Mpa，延伸率≥18％、晶粒度≥7.0级，室温冲击功Aku2≥42J，圆钢表层硬度≥235HBW，圆钢心部硬度≥225HBW，疲劳寿命超过80万次的非调质钢。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种900Mpa高韧性非调质钢的生产方法，钢的化学成分重量百分比为C＝0.38％～0.43％，Si＝0.15％～0.35％，Mn＝0.90％～1.05％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr＝0.10％～0.25％，V＝0.06％～0.15％，Al＝0.005％～0.025％，Nb＝0.02％～0.04％，N＝0.015％～0.025％，H≤0.0002％,O≤0.0020％，其余为Fe和必不可少的杂质；关键工艺步骤包括：
1)冶炼：转炉出钢C≥0.08％，P≤0.012％，采用LF+RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间≥30min，过程控制Als＝0.015～0.025％；RH炉真空处理在真空度0.5tor以下真空保持时间不小于20min，RH炉全程环流氮气；破空后取样分析氮含量，根据检测结果喂入氮化包芯线调氮，控制氮含量为N＝0.015～0.025％，出站钢水H≤2ppm，O≤10ppm；
2)连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉≤25℃，开浇炉≤35℃，铸坯尺寸为280mm×280mm；
3)加热：铸坯加热时间300～480min，加热段温度1200～1260℃，均热段温度1220～1270℃；
4)轧制：棒线850二辊平立交替轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量分别按70mm、65mm控制；开轧温度≥1100℃；终轧采用三辊轧机轧制，终轧温度≥850℃；
5)冷却：轧后圆钢采用水箱强穿水冷却，保证上冷床温度为600～700℃，采用隔齿上冷床，冷速≥1.0℃/s；
6)精整：圆钢采用锯切，成品圆钢采用超声波探伤+磁粉表面探伤，得到抗拉强度为900Mpa级，屈服强度≥600Mpa，延伸率≥18％、晶粒度≥7.0级，室温冲击功Aku2≥42J，圆钢表层硬度≥235HBW，圆钢心部硬度≥225HBW，疲劳寿命超过80万次的非调质钢。
本发明主要从以下几方面来保障产品的强度、硬度、韧性和疲劳寿命。
(1)化学成分的科学设计。非调质钢是指在中碳钢中添加微量的强碳化物形成元素V、Nb、Ti等，控轧控冷后冷却到室温，利用碳(氮)化物的析出强化，使其达到中碳钢调质后的强化水平，从而省去调质处理工序。它不仅节能环保，缩短生产周期，还可以避免淬火变形及开裂，提高产品质量，降低了制造成本。
C含量的确定，C作为钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的中心偏析、塑韧性和焊接性能带来不利影响；本发明C含量的范围确定为0.38～0.43％，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；
Si含量的确定，此处的Si为强化铁素体，可提高材料的基体强度，对材料屈服强度和抗拉强度有显著贡献。本发明的Si含量范围确定为0.15～0.35％；
Mn含量的确定，此处Mn通过固溶强化能提高钢的抗拉强度，同时提高钢材淬透性，而且作为炼钢过程的脱氧元素，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生成；但是Mn元素属于易偏析元素，含量过高会造成钢材中心偏析严重；本发明Mn含量的范围确定为0.90～1.05％；
Cr含量的确定，Cr是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr可以提高淬透性。钢中的Cr，部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度；Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度；但是，Cr含量过高，会与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的塑韧性降低；且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用。综合考虑以上因素，本发明Cr含量的范围确定为0.10～0.25％；
Al含量的确定，Al元素与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al2O3等脆性夹杂，降低钢水纯净度；同时Al还作为钢中脱氧元素加入，降低了钢水中的溶解氧；本发明Al含量的范围确定为0.005～0.025％；
S元素的确定，S元素可以与Mn元素结合，形成硬脆的MnS，提高钢材的切削加工性能；促进晶内铁素体的形成；但是过多的S含量，会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，增加钢材中心偏析；本发明S含量的范围确定为≤0.015％；
V元素的确定，V元素在钢中具有较高的溶解度，是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一，形成V(C，N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性。由于V(C，N)的析出，促进了晶内铁素体的形成，使铁素体和珠光体均匀分布在晶界与晶内，晶粒明显细化。本发明V含量的范围确定为0.06％～0.15％；
P含量的确定，P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.025％；
N含量的确定，钢中的V、Al元素均需要与N结合，形成氮化物，才能发挥提高强度、细化晶粒的作用，因此需要适量的N元素，根据V、Al的含量及相应氮化物的化学计量配比，确定本发明N含量的范围确定为0.015～0.025％。
(2)降低钢中非金属夹杂物。钢中由于非金属夹杂物的存在,破坏了金属基体的连续性,易产生应力集中,成为金属疲劳的发源地。裂纹多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间,当应力足够大时就产生裂纹,并迅速扩展而破坏。非金属夹杂物塑性越低,形状越尖棱,则应力集中也就越大。为了提高产品疲劳寿命，控制好真空脱气处理和炉外精炼，减少非金属夹杂物的含量、改变夹杂物类型和分布状态。
(3)优化轧制工艺，提高产品晶粒度。圆钢表层2mm为回火层，整截面圆钢其余部位金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度在7～9级；细晶粒可以提高产品的强韧性，从而提高抗疲劳性能。
本发明的有益效果：本发明的中碳微合金成分特殊设计，LF+RH复合精炼技术，严格控制钢水的纯净度，并采用高温大压下轧制、控制轧制控制冷却新技术、在线淬火回火调质新技术，开发的油缸活塞杆用非调质钢达到了强度和塑性指标，试制成油缸活塞杆零件其疲劳台架试验达到80万次无损坏；本发明突破常规生产工艺，利用钢厂现有设备和工艺条件，充分发挥设备优势，节能环保，生产出高韧性的非调质钢可广泛应用于制造油缸活塞杆等关键零件。
附图说明
图1为实施例1圆棒1/4直径金相图片。
图2为实施例1圆棒表层2mm金相图片。
图3为实施例2圆棒1/4直径金相图片。
图4为实施例2圆棒表层2mm金相图片。
图5为实施例3圆棒1/4直径金相图片。
图6为实施例3圆棒表层2mm金相图片。
具体实施方式
实施例1：
一种900Mpa级高韧性液压活塞杆用非调质钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为C＝0.42％，Si＝0.25％，Mn＝1.0％，P＝0.010％，S＝0.005％，Cr＝0.20％，V＝0.09％，Al＝0.010％，Nb＝0.02％，N＝0.0210％，H＝0.0020％,O＝0.0010％，其余为Fe和必不可少的杂质。关键工艺步骤包括：
1)冶炼：转炉出钢C＝0.09％，P＝0.010％，采用LF+RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间35min，过程控制Als＝0.020％；RH真空处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间22min，RH炉全程环流氮气，破空后取样分析氮含量，根据检测结果喂入氮化包芯线调氮，保证氮含量为0.021％，出站钢水H＝1.6ppm，O＝10ppm；
2)连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉24℃，开浇炉34℃，铸坯尺寸为280×280mm；
3)加热：铸坯加热时间400min，加热段温度1250℃，均热段温度1260℃；
4)轧制：最终成品圆钢规格78mm；棒线850二辊平立交替轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量分别按70mm、65mm控制；开轧温度1120℃；终轧采用三辊轧机轧制，终轧温度860℃；
5)冷却：轧后圆钢采用水箱穿水冷却，上冷床温度为650℃，采用隔齿上冷床，冷速1.0℃/s；
6)精整：圆钢采用锯切，成品圆钢采用超声波探伤+磁粉表面探伤。
钢的性能检测结果见表1～表3；圆钢金相图见附图1、图2。
实施例2：
一种900Mpa级高韧性液压活塞杆用非调质钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为C＝0.41％，Si＝0.28％，Mn＝1.02％，P＝0.010％，S＝0.005％，Cr＝0.21％，V＝0.09％，Al＝0.010％，Nb＝0.02％，N＝0.021％，H＝0.0020％,O＝0.0010％，其余为Fe和必不可少的杂质。关键工艺步骤包括：
1)冶炼：转炉出钢C＝0.011％，P＝0.010％，采用LF+RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间40min，过程控制Als＝0.018％；RH真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间30min，RH炉全程环流氮气，破空后取样分析氮含量，根据检测结果喂入氮化包芯线调氮，保证氮含量为0.021％，出站钢水H＝1.5ppm，O＝10ppm；
2)连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉22℃，开浇炉30℃，铸坯尺寸为280×280mm；
3)加热：铸坯加热时间360min，加热段温度1240℃，均热段温度1265℃；
4)轧制：最终成品圆钢规格83mm；棒线850二辊平立交替轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量分别按70mm、65mm控制；开轧温度1110℃；终轧采用三辊轧机轧制，终轧温度870℃；
5)冷却：轧后圆钢采用水箱穿水冷却，保证上冷床温度为630℃，采用隔齿上冷床，冷速1.2℃/s；
6)精整：圆钢采用锯切，成品圆钢采用超声波探伤+磁粉表面探伤。
钢的性能检测结果见表1～表3；圆钢金相图见附图3、图4。
实施例3：
一种900Mpa级高韧性液压活塞杆用非调质钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为C＝0.40％，Si＝0.25％，Mn＝0.92％，P＝0.010％，S＝0.005％，Cr＝0.20％，V＝0.09％，Al＝0.010％，Nb＝0.02％，N＝0.021％，H＝0.0020％,O＝0.0010％，其余为Fe和必不可少的杂质。关键工艺步骤包括：
1)冶炼：转炉出钢C＝0.09％，P＝0.010％，采用LF+RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间32min，过程控制Als＝0.018％；RH真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间22min，RH炉全程环流氮气，破空后取样分析氮含量，根据检测结果喂入氮化包芯线调氮，保证氮含量为0.021％，出站钢水H＝1.3ppm，O＝10ppm；
2)连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉20℃，开浇炉30℃，铸坯尺寸为280×280mm；
3)加热：铸坯加热时间420min，加热段温度1230℃，均热段温度1250℃；
4)轧制：最终成品圆钢规格48mm；棒线850二辊平立交替轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量分别按70mm、65mm控制；开轧温度1110℃；终轧采用三辊轧机轧制，终轧温度880℃；
5)冷却：轧后圆钢采用水箱穿水冷却，保证上冷床温度为660℃，采用隔齿上冷床，冷速1.5℃/s；
6)精整：圆钢采用锯切，成品圆钢采用超声波探伤+磁粉表面探伤。
钢的性能检测结果见表1～表3；圆钢金相图见附图5、图6。
表1实施例钢的力学性能
| 序号 | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率％ | 断面收缩率％ |
| 实施例1 | 920 | 630 | 19 | 45 |
| 实施例2 | 915 | 625 | 20.5 | 48 |
| 实施例3 | 930 | 617 | 21 | 50 |
表2实施例钢冲击功、热轧硬度、晶粒度、带状组织检验情况
表3实施例钢非金属夹杂物检验情况
| 序号 | A | B | C | D | Ds |
| 实施例1 | 1.5 | 0 | 0 | 1.0 | 0 |
| 实施例2 | 0.5 | 0 | 0 | 1.0 | 0 |
| 实施例3 | 0.5 | 0 | 0 | 1.0 | 0 |
从表1～表3测试结果可见，采用本发明方法生产的油缸活塞杆产品用非调质钢，各项检验指标优秀，钢材气体含量、非金属夹杂物低，能够很好的满足油缸活塞杆产品高强度、高韧性和疲劳寿命的使用需求。
Claims (1)
1.一种900Mpa高韧性非调质钢的生产方法，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C=0.38%～0.43%，Si=0.15%～0.35%，Mn=0.90%～1.05%，P≤0.025%，S≤0.015%，Cr=0.10%～0.25%，V=0.06%～0.15%，Al=0.005%～0.025%，Nb=0.02%～0.04%，N=0.015%～0.025%，H≤0.0002% ,O≤0.0020%，其余为Fe和必不可少的杂质；关键工艺步骤包括：
1）冶炼：转炉出钢C≥0.08%，P≤0.012%，采用LF+RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间≥30min，过程控制Als=0.015～0.025%；RH炉真空处理在真空度0.5tor以下真空保持时间不小于20min，RH炉全程环流氮气；破空后取样分析氮含量，根据检测结果喂入氮化包芯线调氮，控制氮含量为N=0.015～0.025%，出站钢水 H≤2ppm，O≤10ppm；
2）连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉≤25℃，开浇炉≤35℃，铸坯尺寸为280mm×280mm；
3）加热：铸坯加热时间300～480min，加热段温度1200～1260℃，均热段温度 1220～1270℃；
4）轧制：棒线850二辊平立交替轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量分别按70mm、65mm控制；开轧温度≥1100℃；终轧采用三辊轧机轧制，终轧温度≥850℃；
5) 冷却：轧后圆钢采用水箱强穿水冷却，保证上冷床温度为600~700℃，采用隔齿上冷床，冷速≥1.0℃/s；
6) 精整：圆钢采用锯切，成品圆钢采用超声波探伤+磁粉表面探伤，得到抗拉强度为900Mpa级，屈服强度≥600Mpa，延伸率≥18%、晶粒度≥7.0级，室温冲击功Aku2≥42J，圆钢表层硬度≥235HBW，圆钢心部硬度≥225HBW，疲劳寿命超过80万次的非调质钢。
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