专利名称：煤矿液压支架专用高强韧钢板及其制造方法
技术领域：
本发明属于属于金属材料技术领域，尤其涉及一种煤矿液压支架专用的高强韧钢板及其制造方法。
背景技术：
随着煤矿产量及综采的机械化程度越来越高，所需要的液压支架的数量及高度也越来越大。目前，国内外现代化矿井高产高效工作面液压支架的发展趋势是高工作阻力、高可靠性的高端液压支架。为了有效减轻液压支架的自重便于井下移动，减少能源消耗，提高生产效率，大幅度地提高其承载能力以保证安全生产，对制作液压支架的钢板的强度要求也越来越高。以往在普通支架设计中主要选用抗拉强度350MI^的16Mn钢板，近年来随着科学技术的发展，与16Mn钢板价格接近的屈服强度460MPa的钢板成为支架主体，支架的某些关键部位采用抗拉强度700MPa的Q550高强度钢板，约占20% 30%。目前，高端液压支架所用板材的强度等级更高，工作阻力在6000 SOOOkN的支架，选用抗拉强度700MPa的 Q550高强度钢板为主体，当工作阻力大于8000kN的支架，选用抗拉强度800MPa的Q690高强度钢板为主体，可保证支架性能良好，性价比高。大采高电液控制液压支架，高度为4. 5m 和5. 5m支架的结构件主要采用抗拉强度700 SOOMPa高强度钢板。液压支架的性能和造价与支架选用板材强度等级和钢板成本有很大关系。武汉钢铁公司申请的申请号为200610019667. 1的专利公开了一种具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢及其制造方法。其组份按重量百分数计为CO. 05 0. 12、 SiO. 05 0. 50,Mnl. 10 1. 70,P 彡 0. 015,S 彡 0. 010,NbO. 025 0. 070,V0. 005 0. 080、 MoO. 20 0. 50、NiO. 30 0. 80、TiO. 005 0. 025、CuO. 25 0. 80、B0. 0005 0. 0020、
CrO. 10 0. 70，余量为!^e及不可避免的夹杂，尤其适于作为制造煤矿用液压支架和起重设备的超高强度用钢。其不足之处是为了提高钢材的强度，成分设计中同时加入较高含量的贵重合金元素Ni、Mo、V和较高的Cu含量，大大提高了钢的生产成本。其实施例钢板的最大厚度为57mm。宝钢申请的申请号为200610025127. 4和200510029246. 2的专利提供了可以用于制造煤矿液压支架的高强度钢板。SOOMPa级高韧性低屈服比厚钢板，其成分质量百分比为 CO. 05 0. 09，SiO. 35 0. 55,Mnl. 50 1. 90, NiO. 30 0. 70, NbO. 04 0. 08, A10. 02 0. 04，TiO. 01 0. 04，余狗和不可避免杂质。700ΜΙ^级高韧性低屈服比厚钢板，其成分质量百分比为:C0. 03 0. 06，SiO. 35 0. 55，Mnl. 00 1. 55，NiO. 50 0. 70，NbO. 02 0. 06，A10. 02 0. 04，TiO. 01 0. 04，V0. 04 0. 07，CuO. 50 0. 70、余 Fe 和不可避免杂质。其制造方法为铸坯加热至1180 1220°C，轧制开轧温度为1050 1100°C，轧件厚度到达成品钢板厚度的2 3倍时，在辊道上待温至920 960°C，随后进行第二阶段轧制，道次变形量5 15mm，道次变形率10 25%，终轧温度820 880°C。轧制结束，空冷60 120秒钟，然后加速冷却，以10 20°C /秒速度冷却至460 600°C，钢板出水后空冷。其实施例钢板的最大厚度达到40mm。但是，在这两个级别钢中加入了贵重元素Ni和较高的Cu含量(700MPa级)，导致钢种成本明显增加。申请号为200310105914.6的专利公开了勿需调质处理其抗拉强度即能达到 560MI^以上的中厚板，并且具有良好的塑韧性，用于制造液压支架或汽车吊臂。但是其碳含量CO. 10-0. 15%，焊接性能差，同时属于高强度钢中的较低者，屈服强度难以达到500MPa 以上。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种屈服强度> 500N/mm2 1000N/mm2，厚度可达到IOOmm的煤矿液压支架专用高强韧钢板及其制造方法。本发明煤矿液压支架专用高强韧钢板的屈服强度彡500N/mm2 1000N/mm2，其厚度可达到100mm，其化学成分以低C高Nb为基本特征，以成本低廉的Mn、Cr等元素作为主要添加元素，根据强度级别及厚度，不添加或适当少量添加Cu、Mo等元素。该钢板的化学成分重量百分比为C :0. 015% 0. 075%, Si :0. 10% 0. 50%, Mn :1. 56% 2. 00%, Nb 0. 03% 0. 12%, Ti 0. 005% 0. 030%, B :0. 0005% 0. 0030%, Cr :0. 20% 1. 20%, Als 0. 010% 0. 050%,P 彡 0. 025%,S 彡 0. 015%, [N]彡 0. 0080%，余量为 Fe 及不可避免的杂质。另外视钢板厚度及强度级别可适量加入Cu、Mo中的一种或一种以上。其含量重量百分比分别为 Cu :0. 0% 0. 3%、Mo 0. 00% 0. 25%。本发明选择的合金元素在屈服强度彡500N/mm2 1000N/mm2、厚度可达到IOOmrn的
钢中的主要作用在于C 碳对钢的强度、韧性、焊接性能影响很大。C含量低于0. 015%时，难以获得高强度，而且焊接热影响区软化；碳高于0. 075%时，加热时钢中固溶Nb量少，使高Nb含量的优势难以体现，且影响钢的焊接性能。Mn 锰是提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有较大的促进作用，在超低碳条件下效果更为显著，而且成本十分低廉，因此在本发明中把Mn元素作为主要合金元素， Mn含量控制在1. 56 % 2. 0 %。B:硼元素是超低碳贝氏体钢中较为重要的成分，它能够提高钢的淬透性，特别是在超低碳钢中加入微量的硼，可有效地抑制奥氏体向铁素体、珠光体的转变。硼含量低于 0. 0005%时，难以起到上述效果，硼含量高于0. 0030%时，严重影响钢种韧性，因此控制 B0. 0005% 0. 0030%。Nb:铌是本发明钢中的重要添加元素，它能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶， 阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，降低未再结晶轧制的轧制负荷，缩短待温时间，提高生产率，同时改善强度和韧性。它与微量的硼元素复合作用，可以显著地提高淬透性，促进贝氏体转变，可以起到Mo元素对贝氏体转变及提高强度的作用。Nb含量低于 0. 03%，上述作用不明显。Nb含量高于0. 12时，明显影响钢种韧性及焊接性能，因此控制 NbO. 03% 0. 12%，且随着钢板厚度的增加，Nb含量也增加趋于上限。Ti 加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素，从而确保硼元素的提高淬透性效果。在最佳状态下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0. 005%时，固氮效果差，超过0. 03%时，固氮效果达到饱和，过剩的钛将会使钢的韧性恶化。Ti/N比值控制在2. 75 3. 75左右为宜。Si 硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的强化作用，当含量低于0. 时，冶炼难度增大；含量超过0.5%时，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差，回火脆性增加。因此控制 SiO. 10% 0. 50%。Als 铝是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0. 01 % 时，效果较小；超过0.05%时，脱氧作用趋于饱和，增加钢中夹杂物，对母材及焊接热影响区韧性有害。因此控制AlsO. 010% 0.050%。Cr 铬是本发明钢中的重要添加元素，以提高钢的强度。从经济性、焊接性能和强度等方面考虑，在本发明中将Cr含量控制在CrO. 20% 1. 20%。Cu:作为本发明选择性加入的合金元素，除了增加强度外，还有利于获得良好的低温韧性。在钢中加入Cu，可利用Cu-B的综合作用进一步提高钢的淬透性，促进贝氏体的形成。本发明Cu含量控制在0. 30%以下，高于此值，需要加入Ni元素以防止加热或热轧时产生裂表面裂纹的倾向，从而增加钢种成本。Mo:钼有助于轧制时奥氏体晶粒的细化和微细贝氏体的生成，但是其成本高，且可焊性及韧性降低。作为本发明选择性加入的合金元素，根据钢板厚度及强度目标，本发明控制 MoO. 00% 0. 25%。钢中的杂质元素的上限控制在P彡0. 025%、S彡0. 015%、[N]彡0.0080%为宜，
含量越低，钢种性能越好。在本发明中，应根据目标强度级别和钢板厚度，适当确定添加元素的种类及含量。本发明所述高强度煤矿液压支架专用高强韧钢板的制造方法包括以下工艺步骤: 铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，其特点是在轧制过程采用HTP工艺，轧前加热温度为1140 1220°C，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度彡980°C，中间坯空冷或强制冷却(强制空冷、水冷、雾冷等)，未再结晶区轧制温度为970°C (Ar3+0 100°C)，未再结晶区积累变形量大于50%，轧后加速冷却，钢板表面冷却速度为1 40°C /S，终止冷却温度为300 630°C，之后空冷。为获得最佳效果，本发明钢板还要进行回火处理，以充分发挥 Nb的析出强化作用，消除内应力，改善韧性和塑性，降低钢种的时效敏感性。本发明钢板的回火温度为500 680°C。在回火过程中，通过析出强化提高钢的强度，同时改善钢的韧性和塑性。回火后钢板的屈服强度和抗拉强度也有不同程度提高，并能保证厚钢板厚度方向的性能均勻性。本发明高强韧钢板采用低C含量、高Nb含量、不添加或少添加贵重元素Mo，通过 HTP+回火工艺就能获得满足要求的屈服强度大于500 IOOOMI^级别的高强度钢板，厚度可达到100mm。该钢板焊接性能优良，其强韧性、塑性和焊接性能匹配良好，生产成本低，生产操作方便，生产效率高，板厚方向性能差小。本发明钢板除了用于煤矿液压支架外，还可广泛应用于工程机械等领域。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明作进一步的描述。本发明实施例的具体化学成分见表1，实际工艺参数见表2，实物性能检验结果见
表3o
5
表1本发明实施例钢种的冶炼成分(Wt % )
权利要求
1.一种煤矿液压支架专用高强韧钢板，其特征在于该钢板的化学成分重量百分比为 C 0. 015% 0. 075%, Si :0. 10% 0. 50%, Mn :1. 56% 2. 00%, Nb :0. 03% 0. 12%, Ti 0. 005 % 0. 030 %、B :0. 0005 % 0. 0030 %、Cr :0. 20 % 1. 20 %、Als :0. 010 % 0. 050%,P ^ 0. 025%, S ^ 0. 015%, [N]彡 0. 0080%，余量为!^e 及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧钢板，其特征在于在所述钢板的化学成分中还含有 Cu 0. 0% 0. 3%,Mo 0. 00% 0. 25%。
3.根据权利要求1或2所述的高强韧钢板，其特征在于所述钢板的厚度为16 100mm。
4.一种权利要求1、2或3所述高强韧钢板的制造方法，包括铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，其特征在于轧制过程采用HTP工艺，轧前加热温度为1140 1220°C，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度彡980°C，中间坯空冷或强制冷却，未再结晶区轧制温度为970°C (Ar3+0 100°C )，未再结晶区积累变形量大于50%，轧后加速冷却， 钢板表面冷却速度为1 40°C /S，终止冷却温度为300 630°C，之后空冷，并进行回火处理，回火温度为500 680°C。
全文摘要
本发明提供一种煤矿液压支架专用高强韧钢板及其制造方法，钢板成分为C0.015％～0.075％、Si0.10％～0.50％、Mn1.56％～2.00％、Nb0.03％～0.12％、Ti0.005％～0.030％、B0.0005％～0.0030％、Cr0.20％～1.20％、Als0.010％～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法包括铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，轧制采用HTP工艺，加热温度1140～1220℃，再结晶区轧制温度≥980℃，未再结晶区轧制温度为970℃～(Ar3+0～100℃)，未再结晶区积累变形量大于50％，轧后加速冷却，冷速为1～40℃/S，终冷温度300～630℃，之后空冷，回火温度为500～680℃。本发明钢板焊接性能优良，生产成本低，生产效率高，板厚方向性能差小。
文档编号B21B37/74GK102268607SQ20101020173
公开日2011年12月7日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者侯华兴, 刘明, 张哲 , 李新玲, 杨军, 杨颖 , 赵坦 申请人:鞍钢股份有限公司