一种500MPa级工程机械用钢及其制造方法与流程

文档序号:15457777发布日期:2018-09-15 01:39

本发明涉及一种合金钢技术,具体涉及一种500MPa级工程机械用钢及其制造方法。



背景技术:

目前,工程机械用钢基本采用Q235B和SS400两种,例如挖掘机动臂斗杆,装载机动臂等。其屈服强度在235MPa,满足常温冲击性能,使用寿命在30000h以内。其屈服强度和疲劳寿命均明显不足。

申请号为201310289099.7,名称为“一种500MPa级超细晶工程机械用钢及制造方法”的中国专利,公开了一种屈服强度超过500MPa的工程机械用钢,其C含量为0.04~0.08%,不利于淬火马氏体形成。该钢板存在合金成本高,板形不良,性能不稳定,下料变形较大等问题。



技术实现要素:

发明目的:为了克服现有技术的缺陷,本发明提供了一种500MPa级工程机械用钢,该钢种的屈服强度超过500MPa,具有较高的疲劳寿命。

本发明的另一目的是提供一种500MPa级工程机械用钢的制造方法,该方法能够生产具有较高疲劳寿命的500MPa级工程机械用钢。

技术方案:本发明所述的一种500MPa级工程机械用钢,包括以下质量百分比的成分:C:0.12~0.23%、

Si:0.10~0.60%、

Mn:0.80~1.90%、

P:<0.018%、

S:<0.010%;

以及选自Cr:0~0.50%、Ni:0~0.60%、Mo:0~0.45%、Cu:0~0.40%、Nb:0~0.060%、V:0~0.15%、Ti:0~0.12%、B:0~0.0030%、Al:0.010~0.050%中的一种或多种;

余量为Fe和不可避免的杂质。

该500MPa级工程机械用钢的金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织。

该500MPa级工程机械用钢中各化学组分质量百分比含量的限定理由如下:

C元素能够通过固溶强化显著增加基体强度,同时其含量过低不利于淬火马氏体的形成,但是C含量过高也不利于材料的焊接性能。因此,本发明将C含量控制在0.12~0.23%的水平。

Si在炼钢过程中为脱氧元素,适量Si能够抑制Mn和P的偏聚,而O含量过高、Mn和P偏聚都会损害韧性,此外,Si还能够产生固溶强化,适当的Si元素有利于回火组织性能稳定改善。但是,Si含量过高会形成夹杂物。本发明将Si控制在0.10~0.60%。

Mn作为本发明所述钢板的主要合金元素,是铁素体强化元素,含量过少起不到合金化和淬火作用,但是含量过多又会对焊接性能非常不利,且不太经济。因此,将Mn控制在0.80~1.90%。

P、S属于钢水中的有害元素,过多的P、S会对钢的韧性有害,对焊接性能造成影响,容易形成裂纹。理论上这两种元素越少越好,本发明将P控制在<0.018%,S控制在<0.010%;

Cr、Ni、Mo、Cu、Nb、V、Ti、B、Al等元素在本钢种中均为非主导元素,其中少量加入Cr、Ni、Mo等元素有利于钢种的合金化和淬火,适当的加入Ti、B、Al等能够改进淬透性。但是,过多加入这些元素一方面不够经济,另一方面还会形成不必要的非金属夹杂物。所以根据合金作用配合取舍,既能满足设计,更有利于节约合金资源和改善焊接弯曲等加工性能。本发明在限定C、Si、Mn、P、S的基础上,根据合金作用从Cr:0~0.50%、Ni:0~0.60%、Mo:0~0.45%、Cu:0~0.40%、Nb:0~0.060%、V:0~0.15%、Ti:0~0.12%、B:0~0.0030%、Al:0.010~0.050%等元素中选取一种或多种,合理匹配即可。

本发明所述的一种500MPa级工程机械用钢的制造方法,所采用的技术方案包括下述步骤:

(1)冶炼钢水:制备符合成分组成的钢水;

(2)浇铸成坯:将钢水送入连铸机全程氩气保护浇注,同时电磁搅拌,拉速0.75~1.2m/min,得铸坯;

(3)铸坯加热:将铸坯在1100~1220℃下均匀加热3.5~4.5小时;

(4)轧制:采用四辊可逆轧机两阶段轧制,粗轧轧制压下率大于60%,粗轧开轧温度1070~1180℃,二阶段开轧温度890~950℃,终轧温度820~900℃,得钢板;

(5)控制冷却:加速冷区出口钢板残留水吹扫干净后,测量钢板反红温度650~690℃;

(6)矫直:对钢板进行矫直,控制矫直不平度3~6mm/m;

(7)喷丸处理:去除钢板表面氧化铁皮;

(8)对去除氧化铁皮的钢板热处理,即得。

其中,步骤(1)中制备成分组成符合要求的钢水,包括下述步骤:

(1.1)铁水预处理,使铁水中的S:<0.010%;

(1.2)将预处理后的铁水加入转炉,采用BOF法冶炼并进行脱氧合金化,加入的合金为设计钢水成分中合金配加量的90%;

(1.3)LF炉精炼15~30min,微调合金成分使合金成分满足要求,并提升钢水温度;

(1.4)RH真空脱气处理15-30分钟,RH底吹氩合理搅拌并上浮去除非金属夹杂物,减少氮氢氧含量;

(1.5)喂入钙线净化钢水,使长条状MnS非金属夹杂物变分散,变短球形化,即得。

所述步骤(8)中热处理是先采用氮气保护无氧化辊底式炉将钢板加热至880~920℃;然后对钢板进行辊压式水刀淬火;再在550~660℃高温回火处理。

有益效果:本发明所述的500MPa级工程机械用钢,通过合理的成分设计,炉外二次精炼,并采用独特的制造工艺,使钢质洁净、晶粒细化,提高强韧性。该钢种的金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织,从而获得良好的力学性能以及疲劳性能,钢种的屈服强度达到500MPa以上,抗拉强度达到600MPa以上,该钢种适用于工程机械,其疲劳寿命较现有的工程机械钢种提升30%以上,满足工程机械零下40℃低温韧性需求。并且该钢种的合金元素可根据合金作用配合取舍,有效控制钢种的生产成本。

具体实施方式

下面,结合实施例对本发明做进一步详细说明。

为了将现有的工程机械用钢从屈服强度235MPa的Q235B升级到屈服强度超过500MPa的新一代耐疲劳工程机械材料,本发明提出了一种500MPa级工程机械用钢,该钢种的成分以质量百分计,包括C:0.12~0.23%、Si:0.10~0.60%、Mn:0.80~1.90%、P:<0.018%、S:<0.010%;以及选自Cr:0~0.50%、Ni:0~0.60%、Mo:0~0.45%、Cu:0~0.40%、Nb:0~0.060%、V:0~0.15%、Ti:0~0.12%、B:0~0.0030%、Al:0.010~0.050%中的一种或多种;余量为Fe和不可避免的杂质。经过特殊的制造工艺,该钢种的金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织,从而获得良好的力学性能以及疲劳性能。

而本发明所述的一种500MPa级工程机械用钢的制造方法,所采用的技术方案包括下述步骤:

(1)首先采用下述步骤冶炼符合成分组成的钢水:先进行铁水预处理,使铁水中的S:<0.010%,紧接着将预处理后的铁水加入转炉,采用BOF法冶炼并进行脱氧合金化,期间,加入的合金为设计钢水成分中合金配加量的90%;然后将上述钢水送入LF炉精炼15~30min,脱氧、微调合金成分使合金成分满足要求,并按工艺提升钢水温度;将钢水送入RH精炼炉真空脱气处理15-30分钟,RH底吹氩合理搅拌并上浮去除非金属夹杂物,减少氮氢氧含量,控制钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;然后喂入钙线净化钢水,使长条状MnS非金属夹杂物变分散,变短球形化,即得符合要求的钢水。

(2)浇铸成坯:将钢水送入连铸机全程氩气保护浇注,同时电磁搅拌减轻低倍偏析,并控制连铸拉速0.75~1.2m/min,得铸坯;

(3)铸坯加热:将铸坯在1100~1220℃下均匀加热3.5~4.5小时,防止加热时间过短导致铸坯中心加热不透,同时,在适宜轧制的情况下合理控制轧制时间,防止加热时间过长造成能源的浪费;

(4)轧制:采用四辊可逆轧机两阶段轧制,粗轧轧制压下率大于60%,粗轧开轧温度1070~1180℃,二阶段开轧温度890~950℃,终轧温度820~900℃,得钢板;

(5)控制冷却:加速冷区出口钢板残留水吹扫干净后,测量钢板反红温度650~690℃;

(6)矫直:对钢板进行矫直,控制矫直不平度3~6mm/m;

(7)喷丸处理:去除钢板表面氧化铁皮;

(8)对去除氧化铁皮的钢板热处理,具体的,先采用氮气保护无氧化辊底式炉将钢板加热至880~920℃;然后对钢板进行辊压式水刀淬火;再在550~660℃高温回火处理,即得。

实施例一,75mm规格Q500E钢板,包括下述质量百分比的成分C:0.18%,Si:0.27%,Mn:1.53%,P:0.011%,S:0.006%,Cr:0.25%,V:0.035%,Ti:0.019%,B:0.0009%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼25分钟,RH真空精炼脱气30分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速0.75m/min;再加热3.8h使铸坯中心温度达到1170℃,开轧温度1120℃,二段轧制890℃,终轧温度830℃,压下率61%;钢板返红温度650℃;矫直3mm/m;淬火温度890℃,回火温度650℃。力学性能屈服强度530MPa,抗拉强度620MPa,延伸率21%,-40℃冲击功186J,191J,197J(10*10mm)。

实施例二,10mm规格Q500E钢板,包括下述质量百分比的成分C:0.15%,Si:0.23%,Mn:1.49%,P:0.013%,S:0.005%,Cr:0.17%,V:0.033%,Ti:0.016%,B:0.0011%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼30分钟,RH真空精炼脱气25分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速1.2m/min;再加热4.0h使铸坯中心温度达到1180℃,开轧温度1140℃,二段轧制900℃,终轧温度850℃,压下率65%;钢板返红温度680℃;矫直5mm/m;淬火温度900℃,回火温度650℃。力学性能屈服强度545MPa,抗拉强度650MPa,延伸率20%,-40℃冲击功97J,99J,93J(5*10mm)。

实施例三,22mm规格Q500E,包括下述质量百分比的成分C:0.16%,Si:0.20%,Mn:1.33%,P:0.013%,S:0.005%,Ni:0.20%,Nb:0.026%,Ti:0.016%,B:0.0011%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼26分钟,RH真空精炼脱气29分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速1.2m/min;再加热4.2h使铸坯中心温度达到1190℃,开轧温度1140℃,二段轧制950℃,终轧温度850℃,压下率65%;钢板返红温度690℃;矫直6mm/m;淬火温度900℃,回火温度640℃。力学性能屈服强度530MPa,抗拉强度645MPa,延伸率22%,-40℃冲击功192J,190J,192J(10*10mm)。

实施例四,8mm规格Q500E,包括下述质量百分比的成分C:0.15%,Si:0.23%,Mn:1.26%,P:0.013%,S:0.005%,Mo:0.17%,Al:0.027%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼28分钟,RH真空精炼脱气28分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速1.0m/min;再加热4.0h使铸坯中心温度达到1175℃,开轧温度1130℃,二段轧制920℃,终轧温度870℃,压下率76%;钢板返红温度690℃;矫直6mm/m;淬火温度910℃,回火温度640℃。力学性能屈服强度540MPa,抗拉强度660MPa,延伸率19%,-40℃冲击功86J,86J,83J(5*10mm)。

实施例五,18mm规格Q500E,包括下述质量百分比的成分C:0.17%,Si:0.26%,Mn:1.50%,P:0.012%,S:0.003%,Cr:0.15%,Cu:0.016%,Al:0.027%,Ti:0.022%,B:0.0015%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼26分钟,RH真空精炼脱气15分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速1.0m/min;再加热4.0h使铸坯中心温度达到1180℃,开轧温度1135℃,二段轧制920℃,终轧温度870℃,压下率73%;钢板返红温度690℃;矫直6mm/m;淬火温度910℃,回火温度630℃。力学性能屈服强度543MPa,抗拉强度659MPa,延伸率21%,-40℃冲击功126J,123J,129J(10*10mm)。

实施例六,50mm规格Q500E钢板,包括下述质量百分比的成分C:0.12%,Si:0.6%,Mn:0.8%,P:0.017%,S:0.006%,Cr:0.50%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼15分钟,RH真空精炼脱气30分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速0.75m/min;再加热3.5h使铸坯中心温度达到1100℃,开轧温度1070℃,二段轧制890℃,终轧温度820℃,压下率75%;钢板返红温度650℃;矫直4mm/m;淬火温度880℃,回火温度620℃。力学性能屈服强度542MPa,抗拉强度629MPa,延伸率21%,-40℃冲击功132J,139J,130J(10*10mm)。

实施例七,10mm规格Q500E钢板,包括下述质量百分比的成分C:0.23%,Si:0.10%,Mn:1.9%,P:0.013%,S:0.009%,V:0.15%,Ti:0.025wt.%,B:0.003wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼15分钟,RH真空精炼脱气25分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速0.9m/min;再加热4.5h使铸坯中心温度达到1220℃,开轧温度1180℃,二段轧制950℃,终轧温度900℃,压下率63%;钢板返红温度690℃;矫直5mm/m;淬火温度920℃,回火温度660℃。力学性能屈服强度548MPa,抗拉强度646MPa,延伸率20%,-40℃冲击功55J,69J,78J(5*10mm)。

实施例八,22mm规格Q500E,包括下述质量百分比的成分C:0.12%,Si:0.53%,Mn:1.56%,P:0.012%,S:0.003%,Ni:0.60%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼20分钟,RH真空精炼脱气25分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速1.1m/min;再加热3.5h使铸坯中心温度达到1130℃,开轧温度1100℃,二段轧制910℃,终轧温度820℃,压下率61%;钢板返红温度650℃;矫直6mm/m;淬火温度880℃,回火温度620℃。力学性能屈服强度539MPa,抗拉强度642MPa,延伸率22%,-40℃冲击功191J,195J,193J(10*10mm)。

实施例九,8mm规格Q500E,包括下述质量百分比的成分C:0.16%,Si:0.13%,Mn:0.90%,P:0.011%,S:0.001%,Mo:0.45%,Al:0.05%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼26分钟,RH真空精炼脱气28分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速1.0m/min;再加热4.3h使铸坯中心温度达到1210℃,开轧温度1180℃,二段轧制940℃,终轧温度900℃,压下率89%;钢板返红温度690℃;矫直3mm/m;淬火温度910℃,回火温度640℃。力学性能屈服强度556MPa,抗拉强度662MPa,延伸率20%,-40℃冲击功58J,47J,48J(5*10mm)。

实施例十,30mm规格Q500E,包括下述质量百分比的成分C:0.12%,Si:0.17%,Mn:1.21%,P:0.010%,S:0.003%,Cu:0.40%,Al:0.010%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼21分钟,RH真空精炼脱气25分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速0.85m/min;再加热4.0h使铸坯中心温度达到1150℃,开轧温度1130℃,二段轧制900℃,终轧温度820℃,压下率61%;钢板返红温度650℃;矫直3mm/m;淬火温度920℃,回火温度620℃。力学性能屈服强度546MPa,抗拉强度655MPa,延伸率21%,-40℃冲击功217J,219J,221J(10*10mm)。

实施例十一,20mm规格Q500E钢板,包括下述质量百分比的成分C:0.23%,Si:0.46%,Mn:0.95%,P:0.016%,S:0.009%,Nb:0.06%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼30分钟,RH真空精炼脱气30分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速0.9m/min;再加热3.9h使铸坯中心温度达到1200℃,开轧温度1180℃,二段轧制950℃,终轧温度900℃,压下率66%;钢板返红温度680℃;矫直3mm/m;淬火温度920℃,回火温度600℃。力学性能屈服强度545MPa,抗拉强度636MPa,延伸率21%,-40℃冲击功188J,193J,199J(10*10mm)。

实施例十二,10mm规格Q500E钢板,包括下述质量百分比的成分C:0.17%,Si:0.10%,Mn:1.10%,P:0.013%,S:0.003%,Ti:0.12%,B:0.0030%,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后,LF精炼25分钟,RH真空精炼脱气25分钟,使钢水氮含量不高于38ppm,氢含量不高于1.5ppm,氧含量不高于20ppm;板坯连铸,拉速0.95m/min;再加热4.2h使铸坯中心温度达到1210℃,开轧温度1170℃,二段轧制940℃,终轧温度890℃,压下率64%;钢板返红温度690℃;矫直4mm/m;淬火温度910℃,回火温度550℃。力学性能屈服强度551MPa,抗拉强度643MPa,延伸率20%,-40℃冲击功57J,58J,63J(5*10mm)。

通过上述实施例,可知本发明的500MPa级工程机械用钢具有较好的力学性能以及疲劳性能,能够提高工程机械的使用寿命,并且也满足了工程机械零下40℃低温韧性需求。在工程机械用钢上可以完美替代屈服强度仅有235MPa的Q235B普通材料,推动冶金和工程机械行业产品质量升级换代。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出在不脱离本发明的构思的前提下,还可以做出若干推演或替代,这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

再多了解一些
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