一种稳定提高淬透性的工程用钢及其制备方法和应用与流程

本发明属于合金冶炼，具体涉及一种稳定提高淬透性的工程用钢及其制备方法和应用。

背景技术：

1、支重轮是工程机械的底盘装置中重要的组成部分，广泛应用在挖掘机，起重机以及推土机等中。支重轮的主要作用是用来支撑机体的重量，同时在支重轮的导轨（轨链节）或支重轮板面上滚动，它还用来防止横向滑脱。

2、随着使用工况的复杂化和严峻化，客户对支重轮的使用提出了更高的要求。根据市场调查和统计，市场上支重轮常规使用的材料是40mn2。但是该材料的淬透性不稳定，时高时低，从而导致热处理品质不稳定，有时淬硬层深不足，有时却淬硬层较深发生淬裂，淬透性的稳定性有待进一步提高。磨损会导致硬化层的减少，如果支重轮淬硬层深不足，轮体就会过早地进入异常磨损期，会大大地缩短支重轮的实际使用寿命。由于旧材料本身固有特性的限制，仅依靠调整热处理工艺难以获得突破性的改良。如果钢材中增加价格昂贵的成分如ni、cr、mo、v、nb等的用量，虽然会使支重轮的淬透性更好、力学性能更高，但是产品的材料成本将大幅度增加，这对企业和客户而言都是很难接受和认可的。

3、因此，以不增加成本为大原则，提高支重轮用材料的淬透性和淬透性的稳定性，改善支重轮产品质量，提高产品的使用寿命，将会具有广泛的应用前景。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中支重轮材料的淬透性低、淬透性不稳定，以及现有改良方法成本较高等缺陷，从而提供一种稳定提高淬透性的工程用钢及其制备方法和应用。

2、为此，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种稳定提高淬透性的工程用钢，以元素计，包括如下质量百分含量的成分：

4、碳 0.38~0.43wt%、硅 0.20~0.30wt%、锰 1.55~1.70wt%、磷≤0.02wt%、硫≤0.015wt%、铬 0.10~0.30wt%、镍≤0.10wt%、铜≤0.06wt%、钛0.022~0.035wt%、硼 0.0008~0.0030wt%、铝 0.015~0.045 wt%，氮≤0.0055wt%，氢≤0.0002wt%，氧≤0.0018wt%，其余为铁和不可避免的杂质元素，其中，钛/氮的质量比≥4。

5、现有技术中，40mn2材料在支重轮上被大量使用，淬透性不稳定，时高时低，造成热处理品质不稳定，经常出现淬裂和淬不透的现象。主要是因为：在40mn2材料炼钢过程中，废钢带来的残余b时多时少，使得40mn2钢材中的游离态b含量难以保持稳定，而游离态b含量的高低会直接影响钢材的淬透性，造成40mn2钢材的淬透性波动较大。炼钢过程中气体元素的控制能力有限，而且硼的化学性质活泼，易与钢中的o、n反应，生成b2o3、bn，降低钢中游离态硼（b）含量，降低钢材的淬透性。

6、本发明中，在对主控元素c、si、mn、cr及残余元素ni、cu等做精准管控以外，无论是添加的b还是利用残余的b，都要将钢中的b浓度精准控制在规定的范围内；严格控制ti、n含量和比例，并同时采用al作为脱氧剂，来严格控制o的含量，减少o对b及ti的消耗，此为提高钢材的淬透性，并使之更稳定的关键点。其中，ni，cu和h是本发明不期望含有的成分，但是ni和cu不可避免随废钢原料带进来，脱h也无法脱到无，因此只需低于本发明限定的含量值即可，但是如果原料中不含有这些成分也是可以的。

7、本发明具有成本优势，因为不额外添加或增加ni、mo、v、nb等任何昂贵的合金元素，仅通过精准控制b浓度，并且严格控制ti、n含量和比例，同时采用al作为脱氧剂，并对其含量进行限定来严格控制o的含量，减少o对b及ti的消耗，维持必要的游离态b的量来提高钢材的淬透性，并使钢材的淬透性能更加稳定。

8、可选地，以元素计，包括如下质量百分含量的成分：碳 0.39~0.41wt%、硅 0.22~0.27wt%、锰 1.55~1.60wt%、磷≤0.015wt%、硫≤0.01wt%、铬 0.15~0.20wt%、镍≤0.10wt%、铜≤0.06wt%、钛0.022~0.027wt%、硼 0.0010~0.0020wt%、铝 0.020~0.040wt%，氮≤0.0050wt%，氢≤0.0002wt%，氧≤0.0015wt%，其余为铁和不可避免的杂质元素，其中，钛/氮的质量比≥4。

9、本发明中，通过对钢材中元素含量的进一步限定，能够进一步提升产品的淬透性和淬透性的稳定性。

10、本发明还提供一种上述的稳定提高淬透性的工程用钢的制备方法，包括如下工序：转炉粗炼、lf精炼、真空脱气、连铸、热轧，其中，炼钢过程中，先采用铝进行脱氧处理，再采用钛进行除氮处理。

11、通常钢厂的精炼和真空脱气可将氧元素控制在15ppm以下，可将氮元素控制在40~55ppm之间。具体而言是在精炼和脱气过程中添加合金元素，降低氧元素和氮元素的影响，抑制钢中b2o3、bn的生成，控制游离态b浓度，保证材料的淬透性，并使钢的淬透性能更稳定。

12、由钢中脱氧元素在1600℃下的自由焓变可知，钢中元素的脱氧能力强弱为：al>ti>si>b>mn>c>fe，其中铝的脱氧能力要远大于其余几种元素，优先同氧反应。一般钢水采用铝脱氧，以渣的形式脱离钢水，为保证氧的充分反应，钢材中的残余铝含量控制在0.015~0.045wt%，确保脱氧充分，降低氧对b的影响。

13、由钢中氮化合元素在1600℃下的自由焓变可知，钢中元素脱氮能力强弱为：ti>b>al，ti与n的亲和性比b与n的亲和性强，通过控制ti、n浓度和ti/n比，优先生成tin，防止bn的生成。由tin的分子式及摩尔质量可知， w(ti)/w(n)约3.42，为了确保n元素被充分化合成tin，本发明控制w(ti)/w(n)≥4，这个比例的ti优先与n反应，使n几乎全部被化合成tin，从而防止了n与b化合成bn，保护了钢中的游离态硼，使得40mn2钢材的淬透性和稳定性得到了保证。

14、因为al和ti均可以与氧进行反应，为减少氧对ti的消耗，因此，先采用al进行脱氧处理，然后再采用ti进行除n处理。

15、可选地，所述连铸工序中，采用电磁搅拌；

16、和/或，所述热轧工序中进行防氧化处理，轧制压缩比≥6。

17、本发明中，电磁搅拌可改善偏析，大的轧制比可消除源于坯的缺陷（如气孔、缩松等），改善轧材的内部质量。

18、本发明中，炼钢过程中其他工序的操作和参数控制均为领域内常规的做法，在此不做具体限定，只要所得产品的元素组成满足要求即可。

19、本发明还提供一种上述的稳定提高淬透性的工程用钢或上述的制备方法制备得到的稳定提高淬透性的工程用钢在工程机械领域中的应用。典型非限定性地，可以是在挖掘机，起重机以及推土机等中的应用；进一步地，在这些工程机械中的支重轮上进行应用。

20、本发明还提供一种支重轮，组成同上述的稳定提高淬透性的工程用钢。

21、本发明还提供一种上述支重轮的制备方法，包括如下工序：下料-锻造-粗加工-焊接-淬火-回火-抛丸-探伤-精加工。

22、可选的，所述淬火为喷淋淬火，喷淋淬火的时间为150~210s；

23、和/或，所述淬火的整体加热温度为850℃~870℃，淬火保温时间为1.0h~1.5h。

24、可选地，所述回火的温度为190℃~210℃，回火保温时间为2h~3.5h。

25、可选地，所述锻造的温度为1150℃~1250℃。

26、本发明中，通过喷淋淬火时间的限定，能够保证淬火充分得到马氏体组织，同时防止开裂，降低裂纹率。淬火的加热温度是此种钢材淬火最合适温度，过低会造成淬硬层硬度偏低，或者层深偏浅，过高会有开裂风险或组织性能缺陷。淬火保温时间的限定是根据具体产品限定的时间，目的是使工件得到充分加热，组织充分转变为奥氏体。回火温度的限定是为了使得产品表面硬度在合理区间范围内，从而能保证耐磨性，另一方面是使马氏体转变为回火马氏体，消除应力防止开裂。回火时间的限定是为了组织得到充分的转变，应力得到充分的释放。锻造温度的限定是使钢材强度降低方便锻造，若过低则不易锻造也容易开裂，过高则容易晶粒粗大或发生过烧情况。

27、本发明中，支重轮制备过程中其他工序的操作和参数控制均为领域内常规的做法，在此不做具体限定。

28、本发明技术方案，具有如下优点：

29、本发明提供的稳定提高淬透性的工程用钢，以元素计，包括如下质量百分含量的成分：碳 0.38~0.43wt%、硅 0.20~0.30wt%、锰 1.55~1.70wt%、磷≤0.02wt%、硫≤0.015wt%、铬 0.10~0.30wt%、镍≤0.10wt%、铜≤0.06wt%、钛0.022~0.035wt%、硼 0.0008~0.0030wt%、铝 0.015~0.045 wt%，氮≤0.0055wt%，氢≤0.0002wt%，氧≤0.0018wt%，其余为铁，其中，钛/氮的质量比≥4。本发明中，在对主控元素c、si、mn、cr及残余元素ni、cu等做精准管控以外，无论是添加的b还是利用残余的b，都要将钢中的b浓度精准控制在规定的范围内；严格控制ti、n含量和比例，并同时采用al作为脱氧剂，并对其含量进行限定来严格控制o的含量，减少o对b及ti的消耗，从而提高钢材的淬透性，并使之更稳定。本发明具有成本优势，因为不额外添加或增加ni、mo、v、nb等任何昂贵的合金元素。

30、本发明提供的稳定提高淬透性的工程用钢，通过对钢材中元素含量的进一步限定，能够进一步提升产品的淬透性和淬透性的稳定性。

31、本发明提供的稳定提高淬透性的工程用钢的制备方法，先采用al进行脱氧处理，然后再采用ti进行除n处理，能够减少氧对ti的消耗。