专利名称：工程机械用碳锰系复合微合金化钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及合金结构钢的冶炼技术，具体涉及一种工程机械用碳锰系硼钛复合微合金化钢及其制备方法
背景技术：
推土机履带链轨节、轮体等零部件不仅承受整机的全部重量，而且还承受砂土和泥石等的磨损和冲击，使用条件苛刻，因此对所用钢材一般要求具有较高的强度、韧性和良好的焊接性能、成形性能等。
由于微量的硼可显著提高钢的淬逐性，从而可节约大量贵重的合金元素(Cr、 Mo等)，采用硼钢更为经济合理，并使碳当量Ceq和焊接裂纹敏感系数大大降低。且硼钢适于水淬，可在热加工后直接进行淬火。用较低的碳当量的材料(通过快冷)可获得所需要的硬度和强度，从而简化了热处理工艺，降低了热处理成本。因此，工程机械用钢广泛采用硼微合金化元素。硼(B)是极活泼元素之一，钢中B存在形式主要为酸溶硼和酸不溶硼。酸溶硼指固溶硼和碳硼化物中的硼，酸不溶硼指氧化硼和氮化硼中的硼。硼在钢中与残留的氮、氧化合形成稳定的酸不溶硼夹杂物即丧失其有益的作用，只有以固溶形式存在于钢中的硼才能起到有益的作用。如何控制钢中的"有效硼"含量，是含硼钢冶炼的关键环节。
该含硼钢钢种化学成分要求严格(特别是B的含量)，具有力学性能及组织成分变化敏感的特点，冶炼、连铸等工艺控制十分关键。国内早期用电炉一模注系统生产硼钢，韩丽姣等对单纯用电炉冶炼硼钢如何控制有效硼含量进行了研究，参见韩丽姣等人的论文"60CrMnBA钢冶炼中B成份的控制"，沈阳工业大学学报，第19巻第6期，1997. 12。首钢转炉连铸系统试验硼钢的生产，参见于广石等"矩形坯连铸生产40MnB钢试验研究"，钢铁研究，2004.4，第2期。
CN101016603公开了一种含颗粒状硼化物的高硼铸钢及制备方法，其化学成分及重量百分比为C: 0. 15% 0.45%; B: 0.75% 2. 70%; Ti: 0.34 % 1.50%; Cr: 0.80% 1.20%; Si: 0. 50% 1.50%; Mn: 0. 50% 1.50%; Ce: 0. 04% 0. 12%; Al: 0. 08% 0.20%; Ca: 0.03% 0. 10 %; N: 0. 01% 0. 06; P<0. 05%, S<0. 05%，余量为Fe;其中，B/C = 5.0 6.0， B/Ti = 1.8 2.2。制备采用电炉熔炼，先将普通废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，然后加入硅铁和锰铁，出炉前加入硼铁和钛铁，炉前调整成分合格后升温，加入硅-钙合金预脱氧，而后用铝终脱氧和微合金化，用铈和氮进行炉外复合变质处理。经保温后油冷淬火、低温回火。
CN101107377涉及铁-碳-锰奥氏体钢板，该钢的化学组成包括(含量以重量表示)0.45%《C《0. 75%; 15%《Mn《26Q%; Si《3%; Al《0. 050% ; S《0. 030% ; P《0. 080%; N《0. 1%;至少一种选自钒、钛、铌、铬和钼的金属元素，其中O. 050%《V《0. 50%， 0. 040%《Ti《0.50%， 0. 070%《Nb《0. 50%, 0. 070%《Cr《2%， 0. 14%《Mo《2 %;以及任选的一种或多种选自0.0005X《B《0.003%， Ni《l%， Cu《5X的元素；该组成的余量由铁和熔炼 3产生的不可避免的杂质组成，析出碳化物、氮化物或碳氮化物形式的所述至少一种金属元素的量为0. 030%《VP《0. 150%， 0. 030%《TiP《0. 130%， 0. 040%《NbP《0. 220%， 0. 070%《CrP《0.6%， 0. 14%《MoP《0, 44%。
发明内容
本发明主要针对硼微合金化中碳锰系工程机械用钢在冶炼过程中最佳硼含量的确定、有效硼的控制、微量Cr元素应用的问题，提供了一种碳锰系硼钛复合微合金化钢及其制备方法，本发明的复合微合金化中碳锰系工程机械用合金钢具有高耐磨性、高强韧性,属于综合性能优异的合金结构钢。
术语说明有效硼是指以固溶形式存在于钢中的硼。
本发明的技术方案如下
工程机械用碳锰系复合微合金化钢，化学成分%重量百分比为
CO. 32 0. 37, SiO. 15 0. 30' Mnl. 20 1. 40， P《0. 030, S《0. 030' BO. 0005 0. 0030CrO. 10 0. 60，A10. 01 0. 07，TiO. 01 0. 06， Ti/N为3 6,余为Fe和微量杂质;钢中有效硼含量不低于95%;按包括以下歩骤的方法制得
LF钢包精炼炉精炼过程中，喂入铝线l 2m/吨钢，LF精炼炉出钢前3 5分钟喂入钛线2 3ra/t钢，用保持渣面微动的小氩气量搅拌1 2分钟再加入硼铁。控制Ti/N为3 6，酸溶铝含量0. 030 0. 050%,使得钢中N稳定地以TiN的形式存在，钢中的硼基本上全部为有效硼；在精炼后真空脱气处理使钢中氮含量N《100X1(T、氧含量O《20X10H;均为重量百分比。
进一歩优选的，钢的化学成分％重量百分比为
CO. 33 0. 37， SiO. 15 0. 25， Mnl. 30 1. 40， P《0. 025， S《0. 015， BO. 0010 0. 0020，CrO. 15 0. 30， A10. 015 0. 040， TiO. 02 0. 05，余为Fe和微量杂质。控制Ti/N为4 5，N《80X10—1、 0《15X10一1。
本发明工程机械用碳锰系复合微合金化钢，，包括电炉冶炼、LF钢包精炼炉精炼、钢坯连铸、半连轧轧制，其特征在于，入炉原料中铁水与生铁的重量占原料总重量的40 60%;以下所有的量均为重量百分比
电炉熔清成分目标熔清碳O. 12 0. 20%，熔清磷《0. 015，全熔分析温度1540 1600
。C;
电炉冶炼终点控制[C]=0. 12 0. 20、 P《0. 012;
LF钢包精炼炉，精炼过程中在白渣下充分搅拌后，取一次样全分析，取一次样前，喂入铝线2m/吨钢，精炼过程保持白渣；根据一次样分析结果，按内控要求调整C、 Si、 Mn化学成分，LF精炼炉出钢前3 5分钟喂入钛线2 3m/t钢，然后用保持渣面微动的小氩气量搅拌1 2分钟，再加入硼铁；出钢前按2m/t钢，喂入013隱硅钙线；出钢前控制钢中Ti/N为3 6，酸溶铝含量在0. 030 0. 050;
在精炼后真空脱气处理使钢中氮含量N《100X1(T、氧含量0《20X10—4;均为质量含
量；
铸坯在加热炉的均热温度为1130 1200°C，加热时间为2 5h，开轧温度1080 1150。C，终轧温度850 100(TC，轧后缓冷；制得规格^20 150國的圆钢。
上述的程机械用碳锰系复合微合金化钢的制备,优选的工艺条件如下入炉原料配料时不允许加渣钢、罐帮铁等高磷、硫废钢。
电炉出钢时，采用包内合金化及预脱氧。钢包内预脱氧加钢芯铝量1.5 kg/t钢。出钢过程及出钢后保持钢包连续吹Ar。
钢水入真空脱气精炼炉前扒渣，真空度小于67Pa保持时间12 15分钟。破空后软吹Ar时间10 15分钟。软吹Ar时不得裸露钢水、不得大氩气量搅拌降温。
连铸中间包烘烤温度1000 1120°C;结晶器对弧、水口对中符合要求，喷嘴雾化效果良好；全程保护浇注，中包液面高度稳定在700士50mm。采用MnB连铸结晶器保护渣，中间包液面700土50mm，结晶器液面波动《士2mm。拉速控制0. 6 1. 2m/min。
轧制时加热温度1130 1200°C，加热时间2-5小时，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。
本发明钢种用于重型工程机械底盘零部件，对强度、韧性、耐磨性(常用硬度指标来表征)等要求高于一般机械零部件用钢，如对表面及心部淬透性均要求很高，故采用降低碳含量、精确控制有效硼、水淬热处理等工艺；不加贵重合金元素V，明显节约合金成本；严格控制钢中的"有效硼"含量，是冶炼的关键环节；硼是钢中活泼元素，极易形成氧化硼和氮化硼，均属于无效硼，且易于在水淬过程中造成脆裂。
为防止形成硼的氮化物而使有效硼损失，即为了严格控制"有效硼"含量，首先应使氮与强氮化物形成元素结合，Al、 Ti、 N、 O四个元素含量若控制不当，会造成钢中硼含量虽然合适但作用不大。如将硼加入脱氧不良或富氮(氮是从炉气中吸收的)的钢中，将生成硼的氧化物和氮化物，使相当一部分硼含量处于结合态，从而失去硼增加淬透性的作用。硼的优点是用量极微就能对淬透性产生明显作用，但钢对硼含量的微小变化十分敏感，通过严格控制B添加技术，使硼元素基本上全部转变为"有效硼"，对硼钢提高淬透性能及其它性能非常有利。
本发明的技术特点是不加贵重合金元素V，通过提高有效硼含量，改善力学性能，确保钢的淬透性高且稳定，从而满足重型机械底盘零部件要求；结合钢液洁净度的合理控制，确保钢中B及Ti微合金化元素的存在形式的准确控制；由于硼的控制难度较大，现有技术中只注意"固氮保硼"，本发明钢经过进行硼相实验研究和冶炼工艺优化，可以控制钢中有效硼含量大于95%，钢中N稳定地以TiN的形式存在，不仅给出了生产过程量化控制目标，而且工艺过程控制更为合理，硼铁回收率达80%以上；近两年钢材大量出口，用户使用良好。
同以前的含硼钢比较，本发明优良效果在于
(1) 本发明钢严格控制微量元素B的含量，采用复合微合金化工艺保证钢中有效硼的比例大于95%，从而确保钢的淬透性高且稳定，使得该钢适于制造重要工程机械零件。
(2) 经过电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气处理，在该过程中控制易氧化元素加入量及加入顺序、加入方法、加入时间，以确保化学成分尤其是有效硼含量的控制符合要求。
(3) 全保护浇注，防止钢水二次氧化；低过热度浇注，防止柱状晶过快生长，增加铸坯等轴晶，减轻中心疏松和偏析；稳定生产节奏，使钢水温度、拉速基本恒定。(4)轧制与精整，严格控制加热温度和轧制温度，保证钢材组织均匀、致密、表面及内在质量良好。
钢的冶炼，加强钢的脱氧去气等冶炼控制，保证钢中"有效硼"的含量；钢液浇注，模铸或连铸，控制过热度、浇注速度或连铸速度，提高连铸坯质量，保证钢锭质量。
本发明的碳锰系复合微合金化钢，广泛用于工程机械行业的合金结构钢。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例中的MnB连铸结晶器保护渣是西保冶材公司生产的15B36Cr专用保护渣。实施例1: 15B36Cr钢
1、 钢的化学成分重量百分比％为CO. 37 SiO. 22 Mnl. 25 P0. 014 SO. 009 BO. 0014 A10. 025Ti0.03 Ti/N=3. 5;余量为Fe和微量杂质。
2、 工艺路线为
配料一电炉冶炼一偏心炉底出钢一LF炉脱氧合金化一加硼铁调整硼成分一真空精炼炉脱气一方坯连铸机全程保护浇铸一轧制成材规格O70mm—检验入库。3、制备方法主要工艺措施
(1) 入炉钢铁料结构中铁水配比达到40 60%;配料时不加渣钢、罐帮铁等高磷、硫废钢。
(2) 冶炼过程造好泡沫渣、均匀脱碳，减少吸氮。
(3) 电炉熔清成分目标熔清碳》0. 12%，熔清磷《0.015%，残余元素含量符合标准要求。全熔分析温度1540 1600°C。
(4) 电炉冶炼终点控制[C] 0. 12 0. 20、 P《0.012%，残余元素含量符合标准要求。出钢温度1600 1650°C。
(5 )电炉出钢时，包内合金化及预脱氧。钢包内预脱氧加钢芯铝量1.5 kg/t钢。电炉出钢过程及出钢后保持钢包连续吹Ar。
(6) LF钢包精炼炉精炼过程，在白渣下充分搅拌后，喂入铝线1 2m/吨钢，精炼过程保持白渣。按内控窄成分要求调整C、 Si、 Mn化学成分，LF精炼炉出钢前3 5分钟喂入钛线2 3m/t钢，小氩气量搅拌(保持渣面微动).1 2分钟后加入硼铁。出钢前按2m/t钢喂入0)13mm硅f丐线。
LF白渣下，钢液中氧含量己较低，通过喂入量的Al线及Ti线后，在钢液中A1、 Ti与钢中的氧、氮生产高度细小的A1203、 A1N、 TiN质点，从而可以细化晶粒，同时由于加入Al、 Ti后的脱氧固氮作用，控制钢中Ti 0.030%、 Ti/N=3 5，酸溶铝含量0. 030 0. 050%,使得钢中N稳定地以TiN的形式存在，钢中的硼基本上全部为"有效硼"，有效酸溶硼中的硼含量不低于95%。对硼钢提高淬透性能及其它性能非常有利，并且易于控制"有效硼"的含量，能准确控制钢的淬透性。
(7) 钢水入真空脱气(VD)精炼炉前扒渣，真空度小于67Pa保持时间12 15分钟。破空后软吹Ar时间10 15分钟。软吹Ar时不得裸露钢水、不得大氩气量搅拌降温。VD处理后上钢温度1565 1585°C。(8) 连铸中间包烘烤温度1000 1120°C;结晶器对弧、水口对中符合要求，喷嘴雾化 效果良好；全保护浇注，采用MnB连铸结晶器保护渣(西保冶材公司生产15B36Cr专用保护 渣)。中间包液面700土50mm，结晶器液面波动《土2mm。拉速控制0. 6 1. 2m/min。结晶器 电磁搅拌参数150A/3. OHz，中包过热度按20 30。C控制，拉速0. 6 1. 2 m/min，铸坯进拉 矫机温度92(TC 950。C。
(9) 轧制时加热温度1130 120(TC(允许温差《30'C)，加热时间2. 5_3小时，既要 保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉；开轧温度108(TC 115(TC;加强对轧制节奏的 控制，保证终轧温度85(TC 100(TC;轧后及时收集缓冷。
实施例2:15B36Cr钢
1、钢的化学成分重量百分比％为 CO. 35 SiO. 20 Mnl. 35 PO. 016 SO. 001 BO. 0029 CrO. 20 AlO. 023 TiO. 05 Ti/N=5;余量为Fe和微量杂质。 实施例3: 15B36Cr钢
钢的化学成分重量百分比％为CO. 33 SiO. 23 Mnl. 35 PO. 012 SO. 005 BO. 0016 AlO. 035 TiO. 03 Ti/N=4;余量为Fe和微量杂质。 制备方法同实施例1。
实施例1、实施例2、实施例3的炉号分别为T208-4899、 T208-4904、 T208-4912，其 轧材的力学性能和末端淬透性见下表1和表2。
表l 轧材力学性能
炉号Rm (MPa )ReL ( MPa )A ( % )Z (%)Aku(J)
抗拉强度屈服强度延伸率收缩率冲击功
T208-48991075/1070940/93016/1552/53110/115
T208-49041060/1065965/96514/1553/52112/97
T208-49121055/1045945/95516/1656/57104/113
表2 轧材末端淬透性(HRC)
炉号Jl. 5 19J15
T208-48995348. 535
T208-4904554940
T208-4912534637
o
权利要求
1、工程机械用碳锰系复合微合金化钢，其特征在于钢的化学成分％重量百分比为C0.32～0.37，Si0.15～0.30，Mn1.20～1.40，P≤0.030，S≤0.030，B0.0005～0.0030Cr0.10～0.60，Al0.01～0.07，Ti0.01～0.06，余为Fe和微量杂质；钢中有效硼含量不低于95％；按包括以下步骤的方法制得LF钢包精炼炉精炼过程中，喂入铝线1～2m/吨钢，LF精炼炉出钢前3～5分钟喂入钛线2～3m/t钢，用保持渣面微动的小氩气量搅拌1～2分钟再加入硼铁；控制Ti/N为3～6，酸溶铝含量0.030～0.050％；在精炼后真空脱气处理使钢中氮含量N≤100×10-4、氧含量O≤20×10-4，均为重量百分比。
2、 如权利要求1所述的工程机械用碳锰系复合微合金化钢，其特征在于钢的化学成分％重量百分比为CO. 33 0. 37， SiO. 15 0. 25， Mnl. 30 1. 40， P《0. 025， S《0. 015， BO. 0010 0. 0020，CrO. 15 0. 30， A10. 015 0. 040， TiO. 02 0. 05，余为Fe和微量杂质，控制Ti/N为3 6，N《80X10—4、 0《15X10—4。
3、 权利要求1或2所述的工程机械用碳锰系复合微合金化钢的制备方法，包括电炉冶炼、LF钢包精炼炉精炼、钢坯连铸、半连轧轧制，其特征在于，入炉原料中铁水与生铁的重量占原料总重量的40 60%;以下所有的量均为重量百分比电炉熔清成分目标熔清碳》0. 12，熔清磷《0.015，全熔分析温度1540 1600°C;电炉冶炼终点控制[C] 0. 12 0. 20、 P《0.012;LF钢包精炼炉，精炼过程中在白渣下充分搅拌后，取一次样全分析，取一次样前，喂入铝线2m/吨钢，精炼过程保持白渣；根据一次样分析结果，按内控要求调整C、 Si、 Mn化学成分，LF精炼炉出钢前3 5分钟喂入钛线2 3m/t钢，然后用保持渣面微动的小氩气量搅拌1 2分钟，再加入硼铁；出钢前按2m/t钢，喂入013mm硅钙线；出钢前控制钢中Ti/N为3 6，酸溶铝含量在O. 030 0. 050;在精炼后真空脱气处理使钢中氮含量N《100X l(T、氧含量0《20X l(T;铸坯在加热炉的均热温度为1130 體。C，加热时间为2 5h，开轧温度1080 1150。C，终轧温度850 1000°C，轧后缓冷；制得规格①20 150mm的圆钢。
4、 如权利要求3所述的工程机械用碳锰系复合微合金化钢的制备方法，其特征在于电炉出钢时，采用包内合金化及预脱氧；钢包内预脱氧加钢芯铝量1.5 kg/t钢；出钢过程及出钢后保持钢包连续吹Ar。
5、 如权利要求3所述的工程机械用碳锰系复合微合金化钢的制备方法，其特征在于钢水入真空脱气精炼炉前扒渣，真空度小于67Pa保持时间12 15分钟；破空后软吹Ar时间10 15分钟。
6、 如权利要求3所述的工程机械用碳锰系复合微合金化钢的制备方法，其特征在于连铸中间包烘烤温度1000 112(TC;结晶器对弧、水口对中符合要求，喷嘴雾化效果良好；全程保护浇注，中包液面高度稳定在700土50醒；釆用MnB连铸结晶器保护渣，中间包液面700士50mra，结晶器液面波动《士2mm;拉速控制0. 6 1. 2m/min。
全文摘要
本发明涉及一种工程机械用碳锰系复合微合金化钢及其制备方法。钢的化学成分％重量百分比为C 0.32～0.37，Si 0.15～0.30，Mn 1.20～1.40，P≤0.030，S≤0.030，B 0.0005～0.0030，Cr 0.10～0.60，Al 0.01～0.07，Ti 0.01～0.06，余为Fe和微量杂质；钢中有效硼含量不低于95％；本发明还提供该复合微合金化钢的制备方法，控制Ti/N为3～6，酸溶铝含量0.030～0.050％，使得钢中的硼基本上全部为有效硼。本发明通过控制微量元素B的含量，保证钢的淬透性，使得该钢适于制造重要机械零件。
文档编号C22C38/32GK101654761SQ20091001546
公开日2010年2月24日 申请日期2009年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者孙永喜, 伟 张, 张春苗, 张海霞, 戈文英, 猛 李, 王学利, 窦圣鹏, 翟正龙, 郑桂芸 申请人:莱芜钢铁股份有限公司