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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