一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺，由以下元素按质量百分比组成：0.28~0.32%的C、0.20~0.35%的Si、1.45~1.60%的Mn、0.35~0.45%的Cr、0~0.1%的Mo、0~0.1%的V、0.015~0.030%的Al、0~0.025%的P、0.015~0.030%的S、0.0010~0.0025%的B、0.015~0.030%的Ti、0~0.0015%的O、0~0.0002%的H、0.0040?0.0080%的N，余量为Fe。从上述结构可知，本申请的履带用钢的化学成分中仅添加了一些常规的合金元素（Cr0.35~0.45%）来提高履带的综合力学性能，在保证力学性能的前提下，大大降低了企业的生产成本。
【专利说明】
一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及工程机械行业中的履带用钢的领域，具体涉及一种高强度、高耐磨性、 高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺。
【背景技术】
[0002] 履带用钢被广泛应用于汽车、机械等行业，特别是在工程机械领域，是用量非常大 的钢材。在各国基础设施建设的大发展和我国倡导的"一带一路"国家战略布局稳步推进的 大背景下，国内外工程机械行业将会迎来前所未有的快速发展时期，届时，履带用钢的需求 也会随之进一步增加。
[0003] 履带作为推土机、挖掘机等工程机械设备上主要的零部件，由于它直接与土壤、坚 硬石头及泥水等介质直接接触、在不平坦的路面运行、负荷大、磨损严重和受到强烈的冲击 等，使得它的工作条件非常的恶劣，这就要求履带具有较高的强度、良好的韧性和耐磨性。 如何提高在不影响履带韧性的前提下提高履带的强度和耐磨性?成为我们一个新的发展方 向？因此，开发高强度、高耐磨性的新型履带用钢符合社会发展的实际需求。
[0004] 目前，国内已公布关于履带用钢的专利主要有《V-TI-RE微合金履带用钢级其热处 理工艺》（公开号为CN103805898A)和《中碳微合金化工程机械履带链片用钢及其生产工艺》 (公开号为CN103160729B)，上述专利在实际应用中仍有缺陷： 1、成分设计方面 (1) 首先，专利CN103805898A和专利CN103160729B公开的履带用钢的元素成分中添加 了一些贵重金属元素或稀有金属元素： 公开号为CN103805898A的专利中：V0.08-0.20%、稀土RE0.010-0.025%，公开号为 CN103160729B的专利中：V0 · 008-0 · 15%、NiO · 05-0 · 30%、M〇0 · 04-0 · 15%、PbO · 005-0 · 020%、 Sn0.00 3-0.030%;这使得由上述两个专利开发生产的履带用钢的生产成本较高； (2) 其次，专利CN103805898A和专利CN103160729B公开的履带用钢元素成分中含有影 响履带淬透性的元素： 公开号为CN103805898A的专利中：Μη 0· 1-0.40%、80.0010-0.0035%，公开号为 CN103160729B 的专利中：ΜηΟ · 8-1 · 5%、Β0 · 0005-0 · 0035%; Μη和Β的范围较宽泛，不利于履带淬透性的均勾和稳定。
[0005] 2、冶炼控制方面 (1)公开号为CN103805898A的专利中所述的履带用钢中添加了稀土元素：稀土 RE0.010-0.025%，众所周知，稀土要向添加到钢水中，这对冶炼操作有一定的要求。
[0006] (2)公开号为CN103160729B的专利中所述的履带用钢中添加了 Ni、Pb和Sn元素： NiO · 05-0 · 30%、PbO · 005-0 · 020%、SnO · 003-0 · 030%，在冶炼此钢种时，冶炼钢包中残余的 Ni、 Pb和Sn元素可能会影响其他钢种的冶炼，增加冶炼难度。
[0007] 3、环境保护方面 公开号为CN103160729B的专利中所述的履带用钢中需要添加 Pb:Pb0.005-0.020%，这 可能会给操作工人的健康和环境带来危害，增加冶炼的危险性，同时也需要具备资质的钢 铁企业才能生产。
[0008] 4、产品技术指标 由于钢材的塔形发纹对履带的疲劳性能和耐磨性有非常重要的影响，因此，对于履带 用钢来说，塔形发纹应该是一个重要的技术衡量指标。公开号为CN103805898A的专利和公 开号为CN103160729B的专利中所述的履带用钢没有将塔形发纹列为一个重要的技术指标 去加以控制。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于:提供一种经济可行的高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用 钢及其生产工艺，通过合理设计化学成分、工艺流程、冶炼和乳制工艺，添加普通合金元素 Cr，改善和提高发明钢种淬透性、耐磨性和耐腐蚀性;适当增加氮元素和钛元素，发挥氮化 钛弥散强化和细化晶粒作用，提高发明钢种强韧性和耐磨性;选用合理的精炼制度和浇铸 制度，提高发明钢种的纯净度和钢坯低倍质量;采取大压下量乳制工艺，改善钢材内部质 量。该专利发明钢种具有优良的综合力学性能、高的淬透性和较好的塔形发纹，其生产工艺 操作简单，生产成本低，适应性强，可在本行业推广使用。
[0010]本发明所采取的技术方案是： 一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢，由以下元素按质量百分比组成：0.28 ~0·32%的C、0·20~0·35%的Si、1·45~1·60%的Μη、0·35~0·45%的Cr、(M) ·1%的Mo、0~0·1%的V、 0.015~0.030%的厶1、0~0.025%的卩、0.015~0.030%的5、0.0010~0.0025%的8、0.015~0.030%的 Ti、(M) · 0015%的 0、(M) · 0002%的 H、0 · 0040-0 · 0080%的 N，余量为 Fe。
[0011] 下面具体说明本发明一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢化学成分的 限定理由： C:能显著提高钢的强度、淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性恶化，显著提高钢的脆性转 变温度。所以为保证本钢种具备良好的强韧性配合，C含量取0.28~0.32%。
[0012] Si:能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性。Si含量过高，特别是与Mn、 Cr元素共存时，易引起钢的晶粒粗化和增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转 变温度元素。综合考虑，本钢种将Si含量确定为0.20~0.35%。
[0013] Μη:能提高强度和硬度，且对材料的塑性影响较小，显著提高淬透性；当Μη含量低 于1.8%时，随着其含量增加，钢材强度不断增加，而对韧性不会有显著危害。所以Μη含量确 定为 1.45~1.60%。
[0014] Cr:能显著提高钢材的淬透性，同时能提高钢的硬度抗腐蚀、耐磨性和耐候性，Cr 还有提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑，确定Cr含量为0.35~0.45%。
[0015] A1:能够将钢中氧含量控制在较低的水平;提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时作为 细化晶粒元素存在于钢种;但是A1含量过高，容易形成硬的Al 2〇3夹杂，恶化钢的冲击韧性。 所以本发明对A1含量控制范围确定为0.015~0.030%。
[0016] Ti :能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性;能使钢的内部组织致密，降 低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能;Ti能与S作用，降低硫的热脆作用;Ti也是铁素体形 成元素，所以其含量较多（>2%)就易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。所以Ti含 量控制在Ti : 0.015-0.030%。
[0017] B:钢中加入微量的硼(0.0005~0.005%)即可显著提高钢的淬透性，此时对其它性 能等无影响或影响甚小，当钢中的硼含量在〇. 001~〇. 005%时，钢的淬透性可以成倍的提 高，但其含量超过〇. 005%，则淬透性反而变劣；同时钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性 和热乳性能，提高强度。因此，B含量控制在0.0010-0.0025%。
[0018] 0:能使钢的伸长率和面缩率显著的降低，钢材的强度和塑性均随0含量的增加而 急剧降低;冲击性能方面，随着〇含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快 地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽；同时随着0含量的增加，材料的氧化夹杂物几率 大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。所以本钢种确定0含量控制在0.0015%以内。
[0019] H:能使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低，从而产生 "白点"。因此，本钢种将Η控制在0.0002%以下。
[0020] Ν:适量的氮能与钢种添加的铝和钛结合形成氮化物，起到细化晶粒和提高履带耐 磨性的作用，但氮含量过高会产生大颗粒的氮化物，降低履带的冲击性能。因此本钢种将Ν 控制在0.0040~0.0080%。
[0021] 生产如上所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，包括 下列步骤： 1) 转炉冶炼：以铁水或废钢为原料在顶底复吹式转炉中进行冶炼，双渣操作，实现预脱 磷，出钢的时候加入专用精炼渣、生石灰、复合脱氧剂、金属锰、硅锰、锰铁和中碳铬铁进行 预脱氧和成分初调； 2) LF精炼:在LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，根据到LF炉时的渣况，添加萤石或生石 灰，快速造碱度渣，用复合脱氧剂对铁水中的〇进行沉淀以及扩散脱氧，强化脱硫、去除非金 属夹杂物，添加金属锰、中碳铬铁、硼铁和钛铁进行成分微调； 3) 真空脱气:在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在负 压条件下处理20~30分钟，保证钢水中的Η的质量百分比在0~0.0002%的范围内、0的质量百 分比在0~0.0015%的范围内； 4) 夹杂物变性与软吹:真空处理之后，向钢水中喂入80~150m的钙质丝线，钙质丝线的 喂入速度在2.5~3.5m/s的范围内，钙质丝线对非金属夹杂物变性并进行软吹处理； 5) 连铸:通过连铸机，使用中间包覆盖剂和专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸； 6) 乳钢与精整:采用热送方坯入炉、加热时间大于2小时、开乳温度980~1120°C，用多 架连乳机和大压下量乳制表乳制成履带用钢;并检查和消除钢材表面缺陷。
[0022]本发明更进一步改进方案是，所述步骤1)中，所述专用精炼渣的加入量在400~ 500kg范围内、所述生石灰的加入量在400~600kg范围内、所述复合脱氧剂的加入量在100~ 200Kg范围内。
[0023]本发明更进一步改进方案是，所述步骤1)中，采用挡渣留渣出钢防止回磷。
[0024]本发明更进一步改进方案是，所述步骤2)中，所述萤石的添加量在50~150kg范围 内，所述生石灰的添加量在100~200kg范围内。
[0025]本发明更进一步改进方案是，所述步骤2)中，所述碱度渣的碱度为R:3.0~6.0。 [0026]本发明更进一步改进方案是，所述步骤2)中，精炼过程采用全程氩气搅拌，避免钢 水与空气接触。
[0027] 本发明更进一步改进方案是，所述步骤3)中，真空度小于或等于67Pa。
[0028] 本发明更进一步改进方案是，所述步骤4)中，软吹时间控制在15~30分钟。
[0029]本发明更进一步改进方案是，所述步骤5)中，控制过热度在20~30 °C，拉速1.2~ 1.4m/min，选取此钢种专用配水表，保障生产的连铸方坯低倍质量。
[0030] 本发明更进一步改进方案是，所述步骤5)中，采用4机4流弧型连铸机，浇铸生产 200mm X 200mm连铸方坯。
[0031] 本发明更进一步改进方案是，所述步骤6)中，用14架连乳机和大压下量乳制表乳 制成Φ 50~90mm的履带用钢。
[0032] 本发明更进一步改进方案是，所述步骤6)中，采用矫直、抛丸、倒棱、超声波探伤、 磁粉探伤、人工检查修磨精整工艺对刚才表面缺陷进行检查和消除。
[0033]本发明的有益效果在于： 第一、本发明的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺，本申请 的履带用钢的化学成分中仅添加了一些常规的合金元素(CrO. 35~0.45%)来提高履带的综 合力学性能，在保证力学性能的前提下，大大降低了企业的生产成本。
[0034]第二、本发明的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺，本 申请将影响履带强度和耐磨性的合金元素设计在合适的范围(Μη: 1.45~1.60%、B :0.0010~ 0.0025%、Si : 0.20~0.35%)，并在不影响履带强度的情况下，适当降低了碳含量，以便提高履 带的韧性。
[0035]第三、本发明的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢及其生产工艺，本 发明所生产的履带用钢将塔形发纹作为一个非常重要的技术来进行控制，以此来进一步改 善履带的疲劳性能和耐磨性。
[0036]【具体实施方式】： 目前国内专利钢1(公开号为CN103805898A)和专利钢2(公开号为CN103160729B)与本 发明的化学成分对比情况如下表1所示。
[0037] 表1化学成分对比（wt%)
采用以下生产工艺制备： 1)转炉冶炼:在90吨或90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼(本发明采用90吨的顶底复 吹式转炉），以铁水与废钢为原料按照9:1的质量比进行初炼，双渣操作，实现预脱磷，出钢 加入专用精炼渣400kg、生石灰400kg、复合脱氧剂1 OOKg、金属锰、硅锰、锰铁、中碳铬铁及其 他合金进行预脱氧及成分初调，采用挡渣留渣出钢防止回磷； 所述复合脱氧剂为钙铝复合脱氧剂； 2) 精炼:在90吨或90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化(本发明采用90吨的LF 炉），根据到LF炉渣况，添加萤石80kg和生石灰100kg，快速造适宜碱度(碱度为R: 5.0)渣，用 复合脱氧剂进行沉淀和扩散脱氧，强化脱硫、去非金属夹杂物，添加金属锰、中碳铬铁、硼 铁、钛铁进行成分微调，精炼过程采用全程氩气搅拌，避免钢水与空气接触； 3) 真空脱气:在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在真 空度为60Pa条件下，处理20分钟，保证Η的质量百分比小于或等于0.0002%、0的质量百分比 小于或等于0.0015%，其它元素成分进入工艺内控要求的范围； 4) 夹杂物变性与软吹：真空处理之后，以3m/s的速度向钢水中喂入100m钙质丝线对非 金属夹杂物变性并进行软吹处理，软吹时间控制在15分钟； 所述钙质丝线为硼钙丝线； 5) 连铸:采用弧型连铸机，使用中间包覆盖剂和专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇 铸，控制过热度在25°C、拉速为1.2m/min、选取此钢种专用配水表，保障生产的200mmX 200mm连铸方坯低倍质量； 6) 乳钢与精整:采用热送方坯入炉、加热时间2.5小时、开乳温度~1050°C，用14架连乳 机和大压下量乳制表乳制Φ 80mm高强度、高耐磨性的履带用钢;采用矫直、抛丸、倒棱、超声 波探伤、磁粉探伤、人工检查修磨精整工艺检查和消除钢材表面缺陷。
[0038]以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
[0039]所得履带用钢的化学成分如表2所示，力学性能、塔形发纹和末端淬透性情况如表 3、表4、表5所不。
[0040]表2高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢(wt%)
钢在870 °C淬火后，在510 °C回火，测定力学性能见表3 表3力学性能
按照GB/T17511检验钢材塔形发纹，结果见表4; 表4塔形发纹
试样在900 °C正火后，加工成端淬试样后在860 °C淬火，测定末端淬透性，结果见表5: 表5末端淬透性
【主权项】
1. 一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢，其特征在于：由以下元素按质量百 分比组成：0·28~0·32%的C、0·2(M)·35%的Si、1 ·45~1 ·60%的Μη、0·35~0·45%的Cr、(M)· 1%的 Mo、0~0.1%的V、0.015~0.030%的A1、0~0.025%的Ρ、0·015~0.030%的S、0.0010~0.0025%的B、 0.015~0.030%的11、0~0.0015%的0、0~0.0002%的!1、0.0040-0.0080%的1余量为卩6。2. 生产如权利要求1所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工 艺，其特征在于包括下列步骤： 1) 转炉冶炼：以铁水或废钢为原料在顶底复吹式转炉中进行冶炼，双渣操作，实现预脱 磷，出钢的时候加入专用精炼渣、生石灰、复合脱氧剂、金属锰、硅锰、锰铁和中碳铬铁进行 预脱氧和成分初调； 2. LF精炼:在LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，根据到LF炉时的渣况，添加萤石或生石 灰，快速造碱度渣，用复合脱氧剂对铁水中的〇进行沉淀以及扩散脱氧，强化脱硫、去除非金 属夹杂物，添加金属锰、中碳铬铁、硼铁和钛铁进行成分微调； 3) 真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在负 压条件下处理20~30分钟，保证钢水中的Η的质量百分比在0~0.0002%的范围内、0的质量百 分比在0~0.0015%的范围内； 4) 夹杂物变性与软吹：真空处理之后，向钢水中喂入80~150m的钙质丝线，钙质丝线的 喂入速度在2.5~3.5m/s的范围内，钙质丝线对非金属夹杂物变性并进行软吹处理； 5 )连铸:通过连铸机，使用中间包覆盖剂和专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸； 6)乳钢与精整：采用热送方坯入炉、加热时间大于2小时、开乳温度980~1120°C，用多 架连乳机和大压下量乳制表乳制成履带用钢;并检查和消除钢材表面缺陷。3. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤1)中，所述专用精炼渣的加入量在400~500kg范围内、所述生石灰的加 入量在400~600kg范围内、所述复合脱氧剂的加入量在100~200Kg范围内。4. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤1)中，采用挡渣留渣出钢防止回磷。5. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于：所述步骤2)中，所述萤石的添加量在50~150kg范围内，所述生石灰的添加量在 100~200kg范围内。6. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤2 )中，所述碱度渣的碱度为R: 3.0~6.0。7. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤2)中，精炼过程采用全程氩气搅拌，避免钢水与空气接触。8. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤3)中，真空度小于或等于67Pa。9. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤4)中，软吹时间控制在15~30分钟。10. 如权利要求2所述的一种高强度、高耐磨性、高疲劳寿命的履带用钢的生产工艺，其 特征在于:所述步骤5)中，控制过热度在20~30°C，拉速1.2~1.4m/min，选取此钢种专用配 水表，保障生产的连铸方坯低倍质量。
【文档编号】C22C38/02GK105970095SQ201610507885
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】梁佰战, 郑力宁, 马建超, 孙大文, 卢洪星, 吴朝兵, 袁敏, 韩勇, 石可伟
【申请人】江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司