一种工程机械传动部件用高淬透性中碳MnCrMoB钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械传动部件用高淬透性中碳MnCrMoB钢及其制造方法。属于钢铁冶金技术领域。

背景技术

工程机械主要包括挖掘机械、铲土运输机械、工程起重机械、叉车及工业车辆等零部件。这些机械的制造所需的焊接结构部件用材通常称为工程机械用钢。工程机械用钢种繁多，除各种级别的板材外，用于制造轨节、链板、传动部件、销轴等热轧棒材根据其不同要求有很多不同成分的钢种，因工程机械的传动机构承受了很大的扭力，对钢种的性能要求很高，采用的钢种系列也不同。

工程机械用热轧圆钢常以一般合金结构钢及碳钢为主，为满足大型工程机械使用中的恶劣环境和重载荷，在现有的碳钢或合结钢的基础上通过加入V、Ti、Nb等进一步提高其强度，近年来利用B大幅提高淬透性在提高性能的同时，大幅度的降低了成本，开发了大量含B钢。

专利号CN201110412321.9提供一种屈服强度800MPa级工程机械用调质钢及其生产方法，其化学成分为(重量)，C：0.10％～0.15％；Si：0.10％～0.40％；Mn：1.00％～1.60％；Cr：0.10％～0.50％；Mo：0.10％～0.30％；Ni：0.00％～0.20％；B：0.0010％～0.0030％；Nb：0.000％～0.030％；V：0.010％～0.050％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.010％～0.050％；P：≤0.020％；S：≤0.010％；通过优化控轧控冷、并采用合适的调质热处理工艺，所生产的800MPa级工程机械用调质钢塑性及韧性匹配良好。但因含V、Nb等成本高，且钢材表面质量较差。

专利号CN201210087346.0公开一种工程机械用高强度耐磨钢及其制备方法。所述钢的成份按重量计为：C：0.15～0.30％、Si：0.20～0.65％、Mn：1.20～1.60％、S≤0.010％、P≤0.020％、B：0.0010～0.0040％、Cr：0.30～1.00％、V：0.030～0.080％、Al：0.015～0.050％、[N]：80～200×10-6、[H]≤2×10-6、[O]≤40×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质。发明的钢可用于制作要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等行业的机械产品。例如，可用作球磨机的钢球和衬板、挖掘机的斗齿、各种破碎机的轧臼壁、齿板和锤头、拖拉机和坦克的履带板、推土机用铲刀、铲齿等。但不适于制作工程机械传动部件用钢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种工程机械传动部件用高淬透性中碳MnCrMoB钢及其制造方法，通过加入适量的B大幅度减少了合金Cr、Mo的含量或取消Ni含量，在降低生产成本的同时，其重要性能指标淬透性能够满足工程机械传动系统用钢大扭力的要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种工程机械传动部件用高淬透性中碳MnCrMoB钢，钢种化学成分的重量百分比为，C：0.30～0.38％，Si：0.10～0.35％，Mn：1.25～1.50％，Cr：0.40～0.65％，Ti：0.020～0.050％，B：0.0015～0.0040％，Mo：0.08～0.15％，S≤0.020％，P≤0.025％，Cu≤0.20％，Al≤0.04％，O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢化学成分各元素对应的主要作用及设计依据是：

C是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。为保证该钢生产的传动部件淬火回火后有良好的的强韧性并适于表面感应淬火提高表面强度，确定了本发明钢碳含量范围。

Si作为脱氧元素，以固溶强化形式提高钢的硬度、强度和淬透性。另外，Si减少摩擦发热时的氧化作用和提高钢的冷变形硬化率从而提高材料的耐磨性。但是，Si含量较高时钢材的韧性降低，而且Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明控制Si含量为0.10～0.35％。

Mn对钢起固溶强化作用，利用Mn强烈提高钢的淬透性并具有成本低的特点确定本发明钢含量范围。

Cr对钢起固溶强化作用，利用Cr与Mo配合使用提高钢的淬透性及考虑成本原则，确定本发明钢含量范围。

Mo是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性，细化晶粒，提高韧性，但Mo价格高，所以将Mo含量的范围确定为0.08～0.15％以提高回火后的稳定性。

B是表面活性元素，固溶在奥氏体的硼吸附在晶界上降低晶界能，抑制先共析铁素体和珠光体形核率，减缓过冷奥氏体的分解，推迟铁素体的转变而提高钢的淬透性。钢中加入微量B(0.0005-0.005％)即可显著提高钢的淬透性1.2～2.2倍。根据已有的研究成果，认为其效果相当于添加1.6％Ni、0.7％Cr、0.6％Mn或0.50％Mo，因而可代替部分贵重合金元素。为保证钢中有足够的有效B，本发明设计B含量控制在0.0015-0.0040％

Ti既是强碳化物形成元素，又是强氮化物形成元素。钢中的Ti与C和N结合形成TiN或Ti(C,N)质点，通过钉扎晶界能有效地阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。在本发明中Ti须与钢中N全部结合形成TiN而起到固N保B的作用，同时又不能使Ti含量过高，一方面成本较高，另一方面也会形成大块的TiN化合物，对钢的质量和细化晶粒是很不利的；因此，本发明考虑钢中N、O含量对Ti的消耗，控制钢中Ti含量满足6.0≥Ti/(N+O)≥5.5的情况下，Ti含量的范围为0.020-0.050％。

一般来说，P、S为杂质元素和有害元素，对钢及钢球的力学性能和热加工性能均有害，易形成偏析、夹杂等缺陷，引起塑性、冲击韧性显著降低；应尽量减少其含量。考虑到降低P含量和S含量的成本因素，本发明控制P≤0.025％，S≤0.020％。

Al是脱氧非常有效的元素，Al也会与N接合形成AlN，可以细化晶粒，但AlN细化晶粒的温度是有限的，一般温度超过1000℃后它就起不到细化晶粒的效果了，当温度进一步升高时采用Ti来细化晶粒是非常有效的措施，由于本发明的钢材轧钢加热温度和钢球轧制的加热温度都远远在1000℃以上，因此，在本发明中Al的主要作用是脱氧；另一方面，Al含量过高，会在钢中形成大量的脆性夹杂物(例如Al

氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0020％。

本发明对于上述一种工程机械传动部件用高淬透性中碳MnCrMoB钢的工艺流程：按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入铁水及优选的废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→连续式加热炉加热→高压水除鳞→轧制→棒材缓冷→精整及检测-入库。

上述方法包括以下具体步骤：

(1)LF炉精炼过程中加强钢液的脱氧，渣面加入FeSi粉及SiC粉进行扩散脱氧，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧，钢中[Al]足以保证真空脱气后的[Al]控制在目标范围内；(2)较低真空度下处理5-8分钟后，钢水离线进行软吹氩30分钟以上，吊包前5分钟按顺序加入Ti、B至内控范围；(3)为减少成分偏析，连铸工艺采用结晶器电磁搅拌、二冷段电磁搅拌技术；连铸全程作好钢水防氧化保护浇注；(4)轧制后钢材应在600℃以上温度放入缓冷坑保温，以降低硬度及改善钢材组织。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明钢种区别于常规工程机械传动系统用CrMo或CrNiMo钢中Cr、Mo含量较高且CrNiMo钢中含有贵重元素Ni，通过取消贵重合金元素Ni，降低Cr和Mo元素的含量并加入B，充分利用Mn、B元素能强烈提高淬透性的作用的技术手段，通过提高钢中Mn并结合Cr、Mo对钢材淬透性不同深度的的影响效果，加入B后进一步提升了钢材的淬透深度，从而满足工程机械传动系统用钢的淬透性要求，具有较高的市场的竞争力和推广价值。

2)本发明钢通过对电炉出钢终点[C]、LF精炼工艺采用铝深脱氧及炉渣高碱度控制、VD真空处理后增加软吹氩时间大于30分钟以及连铸全过程保护浇注等各工序的重点控制技术，有别于VD高真空度及真空处理时间的限制，通过延长软吹氩时间保证钢中氧含量，吊包前5分钟加入FeTi后再加入FeB，提高了Ti及B的回收率，减少加入量，更好的起到固N保B的作用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

一、电炉冶炼

1)入炉原料中铁水占40～50％，其余为精选优质废钢；

2)电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：对电炉进行终点出钢碳控制，[C]终点不小于0.10％，[P]≤0.015％；钢包部分合金化，并定量加入造渣材料及其它脱氧剂，EBT出钢过程中防止下氧化渣。

二、LF炉精炼

1)LF炉送电10分钟后补加石灰150kg，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧，精炼渣面加入FeSi粉及SiC粉进行扩散脱氧，为加强脱氧效果造较高碱度炉渣并加入稀渣剂保持炉渣流动性良好；

2)精炼取第1个化学成分样，调整Cr、Mn、Mo至内控下限，分析第2个样后，微调所有成分进入目标值，温度合格后至少5分钟出钢；LF精炼时间控制在40-50分钟。

三、VD真空脱气及软吹氩

1)适当真空度(≤500Pa)下保持时间5-8分钟；

2)破空后钢包吊离VD罐软吹氩时间≥30分钟。

3)软吹30分钟后取样分析，根据[Al]、[N]含量按计算配比加入FeTi，再加入FeB调整[B]至目标含量，继续软吹氩5分钟以上，吊包至连铸作业。

四、连铸

1)连铸全过程保护浇铸，设定结晶器、二冷段电磁搅拌参数；

2)连铸钢水过热度目标控制在10～30℃，第一炉过热度允许高出连浇炉10℃，拉速控制在0.5～0.85m/min；

3))连铸坯热送轧制或500℃以上温度入缓冷坑保温24小时以上。

五、轧制

1)连铸坯在低氧化性气氛的加热炉内加热，预热段温度控制在400-750℃，加热段及均热段温度均控制在1100～1200℃，保温3.5～5小时；

2)开轧温度1000-1100℃，终轧温度≥850℃。

3)钢材冷却工艺：钢材在600℃以上温度入坑缓冷至200℃以下。

本发明钢各实施例中的检测结果

1)本发明各实施例与对比例化学成分(wt％)见表1。

表1

表1(续)

2)各实施例钢材与对比例淬透性检验结果,见表2。

表2

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。