CN101397636B - 一种高强韧性矿用圆环链用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强韧性圆环链用钢，其以重量百分数计的化学元素成份是：碳：0.20～0.26％，锰：1.10～1.40％，镍：0.85～1.15％，铬：0.40～0.60％，钼：0.40～0.60％，钒：0.03～0.10％，Al：0.020～0.050％，硅：≤0.25％，铜≤0.25％，硫≤0.020％，磷≤0.020％，余为Fe及不可避免的杂质。按常规电弧炉熔炼、精炼工艺及给定的合金元素比例，采用连铸工艺生产铸坯；连铸铸坯均热温度：1150～1200℃，开轧温度1130～1180℃，终轧温度760～800℃；轧后穿水冷却，再空冷；热轧钢棒进行退火，退火温度680～710℃，保持时间8～12小时，出炉温度≤250℃，空冷，避风。这样得到的高强韧性圆环链用钢纯洁度高；组织均匀细致，为球状珠光体，硬度均匀适中；在热处理后综合机械性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业结构钢的成分设计及其制造方法，尤其是指高强度、高韧性矿山圆环链用钢的成分设计及其制造方法。
背景技术
煤炭是我国能源构成的主要部分，其中井下采煤又在我国煤炭生产中占有很大比重。作为刮板运输机及各种刨煤机上的传动链-圆环链是这些设备的关键件和易损件。按国家标准规定，圆环链分为B，C和D三个级别。B级圆环链主要用于负荷较小、不太重要的场合，其原材料通常采用低碳合金钢，如：20MnSi和23MnSiV。D级圆环链要求有很高的强度(抗拉强度Rm≥1470Mpa)，对应力腐蚀要求严格，故始终未能大量生产。C级圆环链是我国目前使用量较大，工业应用较广泛的一类圆环链，其规格尺寸为∮4mm-∮45mm，其中≤∮18mm的采用25MnV钢，≥∮22mm的采用进口的23MnNiMoCr54钢。国内有几十家特钢厂在分析了日本和德国进口的23MnNiMoCr54钢的化学成分、显微组织结构和力学性能的基础上，模仿生产23MnNiMoCr54钢，但都没有成功，组织不均匀，强韧性匹配不理想，致使许多链条生产厂家长期依赖进口，每年需耗费大量的外汇由国外进口这种钢材。23MnNiMoCr54钢为德标的牌号，其主要成分为：碳：0.20～0.26％，锰：1.10～1.40％，镍：0.90～1.10％，铬：0.40～0.60％，钼：0.50～0.60％，Al：0.020～0.050％，硅：≤0.25％，铜≤0.25％，硫≤0.025％，磷≤0.025％，余为Fe。该钢种不含“钒”。其制造工艺为国外内部资料，未在文献中提到过。国外材料主要的不足在于它的价格昂贵，是国产材料的2～3倍。
近年来，圆环链钢的发明专利申请已有很多，如：D级圆环链用钢的发明专利申请CN85103476，组成见表1，其强度虽能达到要求，但强韧性匹配不理想，在D级圆环链的使用环境下无法保证抗应力腐蚀；申请号为200610013245.3、200610072702.6和200610048121.9的发明专利申请公开了C级圆环链用钢，组成见表1。虽然以不添加Ni或/和Cr元素来降低成本，但在钢材的内在质量上却无法达到高要求的淬透性，强韧性匹配不理想，在生产规格上实际只能限制在φ26mm以下，特别是还含有易氧化元素Si，容易造成圆环链的焊缝组织不理想等。
上述已有的发明钢，特别是C级圆环链用钢，在生产使用过程中还是出现问题很多，一旦形成批量供应时，在使用过程中，主要体现在以下几个方面的不足：首先，国产钢的内在质量中组织为珠光体+铁素体，未达到球粒状，铁素体偏多，硬度在HRW180-250，偏差较大，均匀性不理想，原始组织与进口钢材有很大差别，碳化物颗粒粗大，而且大小极不均匀；其次，国内钢厂参考进口材成分生产的23MnNiCrMo54钢制造的圆环链，由于生产设备及轧制工艺参数等因素，强韧性的匹配不理想，疲劳寿命都达不到国标要求，编制成的圆环链性能较差，稳定性低，致使返工量增加，能源浪费；第三，国产钢经热处理后，组织不均匀，焊缝处组织粗大，存在较大的过热倾向，这也是导致焊接性和疲劳性能不合格的重要原因之一；第四，国内在链条钢生产使用规格上还是存在空白，据统计，我国目前申请发明专利的圆环链用钢在实际使用中最大只能达到∮26mm的规格，而在≥∮30mm规格的圆环链用钢上，还是以进口为主，尚未实现国产化。
表1近年来圆环链用钢专利申请情况
| 专利申请 | Cwt％ | Siwt％ | Mnwt％ | Niwt％ | Crwt％ | Mowt％ | Alwt％ | 其他元素wt％ |
| CN85103476(D级) | 0.21～0.27 | 0.65～0.95 | 1.10～1.40 | 0.80～1.10 | ≤0.35 | 0.10～0.20 | 0.020～0.050 | P、S≤0.035Cu≤0.25 |
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发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种C级矿用圆环链用钢，解决现有技术的矿用圆环链用钢组织不均匀，强度、塑性偏低以及强塑匹配不良，易出现疲劳寿命不合格等的问题。通过采用微合金化连铸坯批量生产出组织均匀细致，提高综合机械性能，提高疲劳寿命，提高整条圆环链整体稳定性的C级圆环链用钢，使其各个技术指标均能与德标的23MnNiMoCr54钢相当，进一步满足矿山机械的发展，满足国内∮30mm以上规格的C级圆环链用钢的需求。
本发明的高强韧性圆环链用钢，其以重量百分数计的化学元素成份是：碳：0.20～0.26％，锰：1.10～1.40％，镍：0.85～1.15％，铬：0.40～0.60％，钼：0.40～0.60％，钒：0.03～0.10％，Al：0.020～0.050％，硅：≤0.25％，铜≤0.25％，硫≤0.020％，磷≤0.020％，余为Fe及不可避免的杂质。
本发明的成分设计理由或原理如下：
碳：是提高大规格C级圆环链用钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量，但是碳元素对塑性不利，特别是当Mn含量较高时，碳含量大于0.30％是不利于焊接性能的，为了确保C和Mn含量的匹配，所以控制0.20～0.26％的碳含量较为合理。
锰：锰是本发明钢中添加的主要合金元素之一，它是非碳化物形成元素，能增强奥氏体的稳定性，降低Ms点，在钢中起固溶强化的作用来提高强度，提高钢的淬透性；由于国家标准规定的C级圆环链用钢应具有磷、硫含量低的特征，而锰与氧的亲合力较强，在炼钢时能起到脱氧作用，有利于以后的脱硫工序。但锰元素过多，会导致晶粒长大，增加钢的脆性，所以圆环链用钢中的锰含量控制在1.10～1.40％能在本发明钢中发挥良好的作用。
镍：镍是本发明钢中添加的主要合金元素之一，镍元素的加入不仅可以提高钢的韧性，还可以提高钢的淬透性，但Ni又是贵重合金元素，过多的加入会提高制造成本，所以该发明钢的镍控制在0.85～1.15％，尤以在0.90～1.10％为宜。
铬：铬是本发明钢中添加的主要合金元素之一，它是碳化物形成元素，稳定铬的碳化物的形成，有减慢焊接接头处热影响区晶粒长大的作用，对于圆环链的焊接组织是非常有利的；同时，镍和铬元素可以增大奥氏体的过冷能力，从而细化组织，得到强化的效果，镍和铬又能发挥一定的耐腐蚀性能，有利于圆环链在较潮湿的环境下使用。所以铬含量控制在0.40～0.60％就能起到上述的有益作用。
钼：钼是本发明钢中添加的主要合金元素之一，钼对珠光体转变有明显的抑制作用，而对贝氏体转变的推迟作用甚微，有利于在空冷条件下获得贝氏体组织；钼作为中强碳化物形成元素可以强烈地阻碍碳化物的形核和长大，同时还可以有效提高淬透性，对于圆环链用钢来说，钼的加入还可以改善钢的闪光对焊性能，特别是提高对焊过程中的抗过热能力，同时，钼与锰的联合作用，又可以显著提高奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性，为确保大规格(≥∮30mm)圆环链的力学性能，本发明钢加入0.40～0.60％的钼是最经济有效的含量。
钒：钒在该发明钢中作为微合金化元素添加，V能够方便地加入钢液中，由于钒能与钢中一般均含有的碳和氮元素形成碳化钒或氮化钒，而碳化钒或氮化钒具有相同的氯化钠类型的晶体结构且点阵常数相差不大，因而通常将会完全互溶而形成碳氮化钒，而且钒在加热过程中的溶解度很大，通过它的碳氮化物的沉淀来细化晶粒，组织和提高强度。碳化物和氮化物颗粒越细小，沉淀强化作用越明显。所以在本发明钢中加入微量的0.03～0.10％钒，对于细化圆环链用钢的组织，提高其强韧性的匹配和疲劳性能是非常有效的。
铝：属于细化晶粒元素。铝元素与上述元素配合可进一步细化晶粒，并提高钢材的韧性。但经验表明过多的铝易增加钢中夹杂物产生的机会，同时为保证圆环链能够稳定地抵抗使用过程中的应变脆性，该发明钢中应包含0.020～0.050％的铝。
同时铜、磷、硫在技术条件和制造过程允许的情况下其含量应尽可能低，以减少原奥氏体晶界处的偏聚，提高韧性。残余元素和气体含量控制在相当低含量水平，使钢具有相当高的纯净度，特别是硅元素，硅在钢中易于氧化，形成夹杂物，将对圆环链的焊缝造成严重危害，同时硅将增加材料的电阻，在进行闪光对焊时，将使得材料的电弧电流增大，产生高的温度，造成材料的过热。所以在该发明钢中不添加。
本发明的高强韧性矿山圆环链用钢的制造方法，其特征在于：按常规电弧炉熔炼、精炼工艺及给定的合金元素比例，采用连铸工艺生产铸坯；连铸铸坯均热温度：1150～1200℃，开轧温度1130～1180℃，终轧温度760～800℃；轧后穿水冷却，再空冷；热轧钢棒需要进行退火，退火温度680～710℃，保持时间8～12小时，出炉温度≤250℃，空冷，避风。
更具体地，高强韧性圆环链用钢的制备方法，采用三步法工艺流程：第一步：电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→连铸；第二步：轧钢机热加工轧制成钢棒；第三步：钢棒退火。
其中，第一步，电弧炉冶炼-钢包精炼-连铸浇注
在60～200吨的电弧炉中进行钢液初炼；相应吨位的钢包精炼；连铸浇注；生产出140×140mm2～450×450mm2断面尺寸的合格连铸坯：
(1)钢液初炼：炉料选用低P、S废钢、切头及优质生铁；合金需准备铬铁、低磷锰铁、钼铁、镍球等；还原剂：电石、碳粉、铝粉；氧化期：勤流渣去P；出钢条件：T1630～1650℃；[P]≤0.010％，[C]0.03～0.15％。出钢后期加入适量的石灰或合成渣。
(2)钢包精炼：在钢包精炼炉(容量与电炉相匹配)上，进行钢液的精炼，去除钢中的有害气体和夹杂物，钢包入座、测温、分析，根据情况调整氩气压力；LF初脱氧喂Al到0.050％，补加合金块及钒铁，搅拌5～10分钟，调整化学成分进内控。当钢液测温温度为1630～1650℃时，进入真空位脱气，真空度为66.7Pa，保持20～25分钟。保证[H]≤0.00015％；所有成分进入优化要求的范围内开始吊包，吊包温度1550～1570℃。
(3)连铸浇注：钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度20～40℃。中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，电磁搅拌充分，拉速慢，以合理的速度，浇注出140×140mm2～450×450mm2断面尺寸的合格连铸坯，依据不同的锭型尺寸浇注速度为0.9～2.10m/min。合格连铸坯在冷床上快冷至900℃，进缓冷坑缓冷，缓冷时间为36～50小时。
第二步：钢棒轧制
采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的连铸坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品钢棒，工艺要点：
1.加热炉加热工艺：均热温度1150～1200℃，加热保温时间3～4小时，钢坯出炉温度1130～1200℃，阴阳面温差≤30℃；(常规该系列结构钢均热温度为1130～1180℃，保温时间2小时30分钟，出炉温度1130～1180℃，本技术方案同现有技术相比均热温度提高20℃，以实施钢坯加热的扩散过程，有利于提高连铸坯的成分均匀性和组织均匀度。
2.控制轧制工艺：加热均匀的钢坯出炉后，正常开启高压除鳞机，开轧温度1130～1180℃，终轧温度760～800℃。
3.控冷工艺：穿水冷却至表面温度500～600℃，再空冷。(常规结构钢不采用该控制冷却工艺)。
第三步：钢棒退火
退火温度680～710℃，保持时间8～12小时，出炉温度≤250℃，空冷，避风。
由本发明的方法得到的C级圆环链用钢具有以下特点：
1.本发明的C级圆环链用钢纯洁度高：夹杂物级别低(A2B2C1D1)，气体含量(氧≤15ppm，氢≤1.5ppm)。
2.本发明的C级圆环链用钢组织均匀细致，为球状珠光体，硬度均匀适中，在HBW185-211，奥氏体晶粒度细于7级。
3.本发明的C级圆环链用钢在热处理设备上进行热处理(870～890℃水淬+380～420℃回火)可获得优良的综合机械性能：抗拉强度(Rm)≥1300MPa，屈服强度(ReL)≥1150MPa，延伸率(A)≥10％，断面收缩率(Z)≥50％，冲击韧性(Akv)≥40J。
附图说明
图1为本发明钢在500倍下的显微组织照片。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明。
本发明实施例的化学成分如表2所示。
本发明实施例的制备方法采用三步法工艺流程：第一步：电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→连铸；第二步：轧钢机热加工轧制成钢棒；第三步：钢棒退火。其具体工艺条件如表3所示。
本发明实施例的性能如表4所示。
表2实施例钢棒的化学成分，wt％
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| 化学成分 | C | 0.24 | 0.25 | 0.23 | 0.22 | 0.21 | 0.20 | 0.26 |
| Mn | 1.20 | 1.14 | 1.18 | 1.22 | 1.33 | 1.40 | 1.10 | |
| Ni | 0.96 | 1.15 | 0.99 | 0.90 | 1.01 | 1.10 | 0.85 | |
| Mo | 0.60 | 0.49 | 0.54 | 0.53 | 0.45 | 0.40 | 0.55 | |
| Cr | 0.60 | 0.40 | 0.51 | 0.50 | 0.49 | 0.45 | 0.58 | |
| V | 0.03 | 0.05 | 0.07 | 0.03 | 0.10 | 0.06 | 0.08 | |
| Al | 0.036 | 0.030 | 0.034 | 0.020 | 0.025 | 0.045 | 0.050 | |
| P | 0.016 | 0.019 | 0.010 | 0.011 | 0.011 | 0.012 | 0.015 | |
| S | 0.010 | 0.007 | 0.004 | 0.007 | 0.003 | 0.017 | 0.012 | |
| Cu | 0.12 | 0.12 | 0.14 | 0.12 | 0.13 | 0.12 | 0.12 | |
| Si | 0.22 | 0.19 | 0.18 | 0.20 | 0.18 | 0.20 | 0.19 | |
表3
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
| 工艺参数 | 初炼 | 出钢温度，℃ | 1635 | 1642 | 1638 | 1650 | 1648 | 1630 | 1640 |
| [P]％ | 0.007 | 0.005 | 0.005 | 0.006 | 0.005 | 0.005 | 0.006 | ||
| [C]％ | 0.10 | 0.08 | 0.08 | 0.09 | 0.03 | 0.06 | 0.15 | ||
| 精炼 | 钢液温度，℃ | 1630 | 1640 | 1635 | 1647 | 1650 | 1632 | 1640 | |
| [H]％ | 0.00012 | 0.00010 | 0.00015 | 0.00014 | 0.00012 | 0.00013 | 0.00009 | ||
| 吊包温度，℃ | 1658 | 1662 | 1670 | 1659 | 1655 | 1650 | 1565 | ||
| 连铸 | 过热度，℃ | 40 | 35 | 35 | 30 | 32 | 30 | 30 | |
| 缓冷时间，h | 36 | 42 | 48 | 48 | 50 | 40 | 42 | ||
| 钢坯加热 | 均热温度，℃ | 1190 | 1180 | 1175 | 1180 | 1175 | 1200 | 1150 | |
| 加热时间，h | 3:20 | 3:40 | 3:50 | 3:30 | 3:40 | 3:10 | 4:00 | ||
| 出炉温度，℃ | 1170 | 1165 | 1165 | 1170 | 1160 | 1180 | 1130 | ||
| 轧制 | 开轧温度，℃ | 1165 | 1160 | 1160 | 1165 | 1155 | 1175 | 1130 | |
| 终轧温度，℃ | 760 | 765 | 770 | 780 | 785 | 800 | 760 | ||
| 冷 | 表面温度，℃ | 505 | 520 | 540 | 550 | 570 | 600 | 540 | |
| 退火 | 温度，℃ | 680 | 685 | 690 | 695 | 705 | 710 | 705 | |
| 时间，h | 12 | 12 | 10 | 10 | 8 | 8 | 9 |
表4
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| 力学性能 | 抗拉强度Rm，Mpa | 1360 | 1320 | 1340 | 1320 | 1380 | 1350 | 1310 |
| 屈服强度Rel，Mpa | 1180 | 1190 | 1210 | 1240 | 1270 | 1200 | 1160 | |
| 伸长率A，％ | 14 | 15 | 16 | 14 | 19 | 17 | 14 | |
| 断面收缩率Z，％ | 55 | 58 | 63 | 62 | 60 | 63 | 56 | |
| 冲击功，Akv，J | 45 | 46 | 78 | 55 | 52 | 75 | 45 | |
表5是本发明产品性能与国标要求和进口材料要求的力学性能指标的对比结果：
表5
| 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 伸长率％ | 断面收缩率％ | 冲击韧性J | |
| 本发明钢性能 | ≥1300 | ≥1150 | ≥14 | ≥55 | (Akv)≥45 |
| 进口23MnNiMoCr54 | ≥1180 | ≥980 | ≥10 | ≥50 | (Akv)≥40 |
| 钢要求 | |||||
| GB/T10560标准要求 | ≥1080 | ≥885 | ≥10 | ≥50 | (Aku)≥35 |
表6是进口钢及模仿进口钢的化学成分及性能。
表6
| 对比例 | 进口钢 | 模仿进口钢 | |
| 力学性能 | 抗拉强度Rm，Mpa | 1280 | 1200 |
| 屈服强度Rel，Mpa | 1120 | 1000 | |
| 伸长率A，％ | 14 | 12 | |
| 断面收缩率Z，％ | 54 | 52 | |
| 冲击功，Akv，J | 50 | 43 | |
| 疲劳循环次数 | ＞3万次 | ＜3万次 | |
| 化学成分 | C | 0.24 | 0.21 |
| Mn | 1.22 | 1.25 | |
| Ni | 0.93 | 0.97 | |
| Mo | 0.57 | 0.56 | |
| Cr | 0.51 | 0.58 | |
| V | 0 | 0 | |
| Al | 0.038 | 0.031 | |
| P | 0.015 | 0.010 | |
| S | 0.005 | 0.004 | |
本发明的C级圆环链和GB/T12718的机械性能各项指标对比数据如下表7，本发明圆环链用钢同时具有良好的疲劳性能和焊接性能。
表7
| 破断负荷KN | 破断时最小总伸长率，％ | 试验负荷下最大伸长率，％ | 疲劳循环次数万次 | |
| GB/T12718标准要求 | ＞800 | ≥12 | ≤1.6 | ≥3 |
| φ30mm本发明钢 | 1384 | 15.40 | 1.11 | 3.67 |
| φ34mm本发明钢 | 1670 | 12.8 | 1.21 | 3.90 |
图1为本发明钢在500倍下的显微组织照片。图中组织为球状珠光体，组织分布均匀，该类型的组织对于提高发明钢的强度和韧性起到非常重要的作用，从而提高了圆环链的疲劳性能。
以上通过实施例较详细地说明了本发明，但这些实施例并不构成对本发明的任何限制，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以有更多其他等效的实施例。
Claims (7)
1.一种高强韧性矿用圆环链用钢，其以重量百分数计的化学成分为：
碳：0.20～0.26％，
锰：1.10～1.40％，
镍：0.85～1.15％，
铬：0.40～0.60％，
钼：0.40～0.60％，
钒：0.03～0.10％，
铝：0.020～0.050％，
硅：≤0.25％，
铜：≤0.25％，
硫：≤0.020％，
磷：≤0.020％，
其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧性矿用圆环链用钢，其特征在于，所述的镍含量为0.90～1.10％。
3.一种高强韧性矿用圆环链用钢的制造方法，包括：
按常规电弧炉熔炼、精炼工艺及给定的合金元素比例，采用连铸工艺生产铸坯；
连铸铸坯均热温度：1150～1200℃，开轧温度1130～1180℃，终轧温度760～800℃；
轧后穿水冷却，再空冷；
热轧钢棒进行退火，退火温度680～710℃，保持时间8～12小时，出炉温度≤250℃，空冷，避风。
4.根据权利要求3所述的高强韧性矿用圆环链用钢的制造方法，包括如下步骤：
第一步骤，进行钢液初炼，钢包精炼，连铸浇注，生产出铸坯：
(1)钢液初炼：出钢条件：温度1630～1650℃；[P]≤0.010％，[C]0.03～0.15％；
(2)钢包精炼：当钢液测温温度为1630～1650℃时，进入真空位脱气，真空度为66.7Pa，保持20～25分钟，保证[H]≤0.00015％；所有成分进入优化要求的范围内开始吊包，吊包温度1550～1570℃；
(3)连铸浇注：钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度20～40℃；浇注速度为0.9～2.10m/min；冷却后进缓冷坑缓冷；
第二步骤，钢棒轧制
(1)加热炉加热工艺：均热温度1150～1200℃，加热保温时间3～4小时，钢坯出炉温度1130～1200℃；
(2)控制轧制工艺：开轧温度1130～1180℃，终轧温度760～800℃；
(3)控冷工艺：冷却至表面温度500～600℃，再空冷；
第三步骤，钢棒退火
退火温度680～710℃，保持时间8～12小时，出炉温度≤250℃，空冷，避风。
5.根据权利要求4所述的高强韧性矿用圆环链用钢的制造方法，其特征在于，所述的连铸浇注步骤中，浇注后的合格连铸坯在冷床上快冷至900℃。
6.根据权利要求4所述的高强韧性矿用圆环链用钢的制造方法，其特征在于，所述的进缓冷坑缓冷的时间为36～50小时。
7.根据权利要求4所述的高强韧性矿用圆环链用钢的制造方法，其特征在于，所述的加热炉加工工艺中，阴阳面温差≤30℃ 。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 石巨岩,张 猛,程毅德,王步康,刘风雷.矿用圆环链钢23MnNiCrMo54的安定机理研究.材料热处理学报26 3.2005,26(3),90-93. |
| 石巨岩,张 猛,程毅德,王步康,刘风雷.矿用圆环链钢23MnNiCrMo54的安定机理研究.材料热处理学报26 3.2005,26(3),90-93. * |
| 说明书第3页第19-21行. |
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