专利名称：一种高强度矿山机械用钢及其制造方法
技术领域：
本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种高强度矿山机械用钢及其制造方法。
背景技术：
掘进机是煤矿井下巷道铁路和隧道施工的掘进设备。破碎煤岩等硬质物的工作机构截割头是其重要部件之一，掘进机工作时截齿会承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷， 煤岩中还含有硬的矿料如煤矸石等，会受到很大的冲击并且在采煤和凿岩过程中截齿还有升温问题，导致齿顶材质软化加速了截齿的失效过程。CN101899624A公开了一种高碳低合金大规格锻造矿用耐磨钢球及其生产方法，该耐磨钢球包含H彡1. 5ppm以及下述质量百分比组分、Si 0. 20 0. 40,Mn 0. 90 1. 00、 P 彡 0. 020、S 彡 0. 020、Cr 0. 90 1. 00、Ni 0. 05 0. 15、Mo 0. 06 0. 15、Al 0. 020 0. 050、Cu 0. 1 0. 25 ；本生产方法包括将上述热轧圆钢加热至1050 1150°C，保温后剪切成料段、锻造成磨球；待磨球锻后强冷至室温，再重新加热、保温一定时间后出炉 ’待达到淬火温度时入水淬火，再配以低温回火；本耐磨钢球的直径从125 160mm，其表面硬度可达HRC60 62，而且硬度分布均勻、内外硬度差较小，无淬火软点等缺陷，其冲击性能良好，D125 D160mm磨球的冲击值可以达到10 18J/cm2。CN101899624A发明是一种适用于选矿用的耐磨钢球用钢，根据选矿用钢工况条件，对钢的要求主要是高硬度和耐磨性。因此，该钢碳含量高，C为0.80 0.90%，但高的碳含量会影响冲击性能(10 18J/cm2)。因此，CN101899624A发明钢不能满足掘进机截割头工况条件，掘进机截割头用钢要求能承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷。并且 CN101899624A发明钢含有Ni、Mo等元素，会增加钢的制造成本。
发明内容
本发明适应高产高效矿井建设和发展的需要，解决了煤矿掘进机截齿寿命和截割效率低，生产停机时间长，截齿损耗高等问题，提供了一种高强度、高韧性和耐磨性，综合性能优异且承受重载荷的矿山机械用钢及其制造方法。本发明提供了一种矿山机械用钢，其特征在于其组成按重量百分数为C :0. 32 0. 39%Si 1. 10 --1. 40%
Mn 0. 80 --1. 10%P 0. 005 --0. 020%
S 0. 001 --0. 025%Cr 1. 10 --1. 40%
Cu 0. 01 --0. 20%Ni 0. 01 --0. 30%
Al 0. 010 0. 060%05~ 20X10_6余为!^e和不可避免的杂质。优选的，所述矿山机械用钢的强度彡1500MPa，更优选1500 2000MPa。所述矿山机械用钢的韧性彡70J/cm2，更优选70 lOOJ/cm2。
钢种成分的确定掘进机截齿作为破碎煤岩的刀具，在工作过程中除了要承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷外，还存在随着工作时间增加温度升高，导致截齿软化的问题，加速截齿磨损。钢性能主要取决钢的化学成分、纯洁度和组织均勻性三个方面， 其中以化学成分影响最大。碳是钢主要的强化元素，考虑钢高强度和韧性的综合要求，设计C 0. 32 0. 39% ；硅有较好的固溶强化作用，还能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性，但含量过高，会助长钢加热时的脱碳、石墨化和晶粒粗化倾向，设计Si 1. 10 1.40% ；锰显著提高钢的淬透性，强化基体和细化珠光体，提高钢的强度和硬度，铬显著提高钢的淬透性，同时形成铬的碳化物提高钢的耐磨性，Cr-Mn复合更有利钢淬透性，设计Mn 0. 80 1. 10%、Cr :1. 10 1.40% ；微量元素Al的加入可以细化晶粒，提高钢的强度和综合性能，设计Al :0. 010-0. 060%。S、P在钢中视为有害元素，因此，本发明控制SS 0. 025%, P^O. 025% ；Ni |、Cu为残余元素，为减少危害，控制 Ni ^0. 30%,Cu ^ 0. 20%;为提高钢的纯净度和疲劳寿命，本发明还对氧提出了控制要求
彡 20Χ10Λ在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，钢的组成按质量百分数为C :0. 33 0. 38%, Si 1. 20 1. 40%, Mn 0. 95 1. 10%, Cr 1. 25 1. 40%, P 0. 005 0. 025%,S 0. 001 0. 025%,Cu :0. 01 0. 20%,Ni :0. 01 0. 30%,Al :0. 015 0. 060%,
5 20 X ΙΟ、余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供矿山机械用钢的制备方法，包括以下步骤(1)冶炼采用电炉冶炼，终点[C]0. 10 0. 15%、[P]彡0. 015%，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630 1640°C ；LF炉外精炼，精炼渣碱度3. 0 4. 5，白渣保持时间18 20分钟；精炼后真空处理，真空度小于671 ，保持时间15 18分钟，VD后软吹氩时间12 15分钟；氧含量12 17ppm。(2)浇注采用连铸全程保护浇注，中包钢水温度控制在1500 1515°C，拉速在 0.55 0. 75/min。(3)轧制对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30 40。控制加热炉均热温度 1210 1230°C，加热时间2. 5 3小时，开轧温度1080 1120°C，终轧温度900 IOOO0C0LF炉外精炼钢包炉外精炼，是采用氩气搅拌，在大气下用石墨电极埋弧加热，再加上白渣精炼技术处理的工艺过程；VD 钢包内真空处理钢水的工艺过程。优选的，步骤(1)中真空度为30 671^。优选的，步骤O)中中包钢水温度控制在1500 1510°C。优选的，步骤O)中拉速按0. 60 0. 65/min控制。优选的，步骤O)中连铸中采用电磁搅拌。优选的，步骤(1)中，电炉炉料配比为铁水40 60%，废钢40 60%。优选的，步骤(1)中采用全程泡沫渣工艺。所述泡沫渣工艺是指在钢的冶炼过程中，在氧化期脱碳产生CO气泡，使熔池沸腾的过程。优选的，步骤O)中连铸过程实施全程保护浇注；采用高效碱性大包、中包覆盖剂，即保证了吸附夹杂物作用，又起到良好的保温工作；采用专用保护渣，提高保护渣的碱度，提高保护渣吸附夹杂物能力，净化钢水。高效碱性大包、中包覆盖剂型号TD-WX，主要理化指标见表1 ；专用保护渣主要理化指标见表2。表ITD-WX覆盖剂理化指标
权利要求
1. 一种高强度矿山机械用钢，其组成按重量百分数为C :0. 32 0.39%Si :1. 10 1. 40%Mn :0. 80 1. 10%P :0. 005 0. 020%S :0. 001 0. 025%Cr :1. 10 1. 40%Cu :0. 01 0. 20%Ni :0. 01 0. 30%Al :0. 010 0. 060% 0:5 20Χ1(Γ6 余为！^和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度矿山机械用钢，其特征在于，所述矿山机械用钢的强度彡1500MPa,更优选1500 2000MPa。所述矿山机械用钢的韧性彡70J/cm2,更优选70
3.如权利要求1所述的高强度矿山机械用钢，其特征在于，钢的组成按质量百分数为余为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求1 3任一项所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，包括以下步骤(1)冶炼采用电炉冶炼，终点[C]0.10 0. 15%、[P]彡0. 015%，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630 1640°C ；LF炉外精炼，精炼渣碱度3. 0 4. 5，白渣保持时间18 20分钟；精炼后真空处理，真空度小于671 ，保持时间15 18分钟，VD后软吹氩时间12 15分钟；氧含量12 17ppm ；(2)浇注采用连铸全程保护浇注，中包钢水温度控制在1500 1515°C，拉速在 0. 55 0. 75/min ；(3)轧制对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30 40。控制加热炉均热温度 1210 1230°C，加热时间2. 5 3小时，开轧温度1080 1120°C，终轧温度900 1000°C。
5.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中真空度为30 67Pa。
6.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中中包钢水温度控制在1500 1510°C。
7.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中拉速按0. 60 0. 65/min控制；步骤O)中连铸中采用电磁搅拌。
8.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，电炉炉料配比为铁水40 60%，废钢40 60%。
9.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用全程泡沫渣工艺。
10.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤100J/cm2。C :0. 33 0. 38% Mn 0. 95 1. 10% P 0. 005-0. 025% Cu 0. 01-0. 20% Al 0. 015-0. 060%S 0. 001-0. 025% Ni 0. 01-0. 30% 05~ 20X10_6Si :1. 20 1. 40% Cr 1. 25 1. 40%⑴冶炼电炉炉料配比为铁水40 60%，废钢40 60%。全程泡沫渣工艺；电炉终点控制技术，终点碳含量控制在0. 10 0. 15%，达到控制终点氧含量的目的；控制精炼炉渣组成，精炼渣组成，见下表。 冶炼精炼渣组成种类Σ FeSiO2P2O5SCaOMgOAl2O3R精炼渣3. 0811. 820. 0061. 2449. 377. 2013. 474. 218采用智能吹氩技术；(2)浇注连铸过程实施全程保护浇注；采用高效碱性大包、中包覆盖剂；采用专用保护渣； 中包钢水温度控制在1500 1510°C，拉速依照过热度高拉速低的原则调整，按照 0. 55 0. 75m/min控制；结晶器和末端采用电磁搅拌；(3)轧制为保证钢的内部质量，对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30 40。控制加热炉均热温度1210 1230°C，加热时间2. 5 3小时，开轧温度1080 1120°C，终轧温度900 1000°C。
全文摘要
本发明涉及一种高强度矿山机械用钢，其组成按重量百分数为C0.32～0.39％、Si1.10～1.40％、Mn0.80～1.10％、P0.005～0.020％、S0.001～0.025％、Cr1.10～1.40％、Cu0.01～0.20％、Ni0.01～0.30％、Al0.010～0.060％、O5～20×10-6余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了所述高强度矿山机械用钢的制备方法。本发明钢综合性能优异，制造的掘进机截齿较好地满足了大型矿山机械使用要求，提高了煤炭生产效率和经济效益。
文档编号C22C38/40GK102251186SQ20111016752
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者卢栋, 吴希周, 徐锋, 戈文英, 毛建强, 翟正龙, 郑桂芸, 郭晖 申请人:莱芜钢铁集团有限公司