一种500MPa级工程机械用钢及其制造方法

摘要

本发明公开了一种500MPa级工程机械用钢及其制造方法，该钢种包括以下质量百分比的成分：C：0.12～0.23％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.80～1.90％、P：＜0.018％、S：＜0.010％；以及选自Cr：0～0.50％、Ni：0～0.60％、Mo：0～0.45％、Cu：0～0.40％、Nb：0～0.060％、V：0～0.15％、Ti：0～0.12％、B：0～0.0030％、Al：0.010～0.050％中的一种或多种；余量为Fe和不可避免的杂质。其金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织，从而具有良好的力学性能以及疲劳性能。其疲劳寿命较现有的工程机械钢种明显提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金钢技术，具体涉及一种500MPa级工程机械用钢及其制造方法。

背景技术

目前，工程机械用钢基本采用Q235B和SS400两种，例如挖掘机动臂斗杆，装载机动臂等。其屈服强度在235MPa，满足常温冲击性能，使用寿命在30000h以内。其屈服强度和疲劳寿命均明显不足。

申请号为201310289099.7，名称为“一种500MPa级超细晶工程机械用钢及制造方法”的中国专利，公开了一种屈服强度超过500MPa的工程机械用钢，其C含量为0.04～0.08％，不利于淬火马氏体形成。该钢板存在合金成本高，板形不良，性能不稳定，下料变形较大等问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种500MPa级工程机械用钢，该钢种的屈服强度超过500MPa，具有较高的疲劳寿命。

本发明的另一目的是提供一种500MPa级工程机械用钢的制造方法，该方法能够生产具有较高疲劳寿命的500MPa级工程机械用钢。

技术方案：本发明所述的一种500MPa级工程机械用钢，包括以下质量百分比的成分：C：0.12～0.23％、

Si：0.10～0.60％、

Mn：0.80～1.90％、

P：＜0.018％、

S：＜0.010％；

以及选自Cr：0～0.50％、Ni：0～0.60％、Mo：0～0.45％、Cu：0～0.40％、Nb：0～0.060％、V：0～0.15％、Ti：0～0.12％、B：0～0.0030％、Al：0.010～0.050％中的一种或多种；

余量为Fe和不可避免的杂质。

该500MPa级工程机械用钢的金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织。

该500MPa级工程机械用钢中各化学组分质量百分比含量的限定理由如下：

C元素能够通过固溶强化显著增加基体强度，同时其含量过低不利于淬火马氏体的形成，但是C含量过高也不利于材料的焊接性能。因此，本发明将C含量控制在0.12～0.23％的水平。

Si在炼钢过程中为脱氧元素，适量Si能够抑制Mn和P的偏聚，而O含量过高、Mn和P偏聚都会损害韧性，此外，Si还能够产生固溶强化，适当的Si元素有利于回火组织性能稳定改善。但是，Si含量过高会形成夹杂物。本发明将Si控制在0.10～0.60％。

Mn作为本发明所述钢板的主要合金元素，是铁素体强化元素，含量过少起不到合金化和淬火作用，但是含量过多又会对焊接性能非常不利，且不太经济。因此，将Mn控制在0.80～1.90％。

P、S属于钢水中的有害元素，过多的P、S会对钢的韧性有害，对焊接性能造成影响，容易形成裂纹。理论上这两种元素越少越好，本发明将P控制在＜0.018％，S控制在＜0.010％；

Cr、Ni、Mo、Cu、Nb、V、Ti、B、Al等元素在本钢种中均为非主导元素，其中少量加入Cr、Ni、Mo等元素有利于钢种的合金化和淬火，适当的加入Ti、B、Al等能够改进淬透性。但是，过多加入这些元素一方面不够经济，另一方面还会形成不必要的非金属夹杂物。所以根据合金作用配合取舍，既能满足设计，更有利于节约合金资源和改善焊接弯曲等加工性能。本发明在限定C、Si、Mn、P、S的基础上，根据合金作用从Cr：0～0.50％、Ni：0～0.60％、Mo：0～0.45％、Cu：0～0.40％、Nb：0～0.060％、V：0～0.15％、Ti：0～0.12％、B：0～0.0030％、Al：0.010～0.050％等元素中选取一种或多种，合理匹配即可。

本发明所述的一种500MPa级工程机械用钢的制造方法，所采用的技术方案包括下述步骤：

(1)冶炼钢水：制备符合成分组成的钢水；

(2)浇铸成坯：将钢水送入连铸机全程氩气保护浇注，同时电磁搅拌，拉速0.75～1.2m/min，得铸坯；

(3)铸坯加热：将铸坯在1100～1220℃下均匀加热3.5～4.5小时；

(4)轧制：采用四辊可逆轧机两阶段轧制，粗轧轧制压下率大于60％，粗轧开轧温度1070～1180℃，二阶段开轧温度890～950℃，终轧温度820～900℃，得钢板；

(5)控制冷却：加速冷区出口钢板残留水吹扫干净后，测量钢板反红温度650～690℃；

(6)矫直：对钢板进行矫直，控制矫直不平度3～6mm/m；

(7)喷丸处理：去除钢板表面氧化铁皮；

(8)对去除氧化铁皮的钢板热处理，即得。

其中，步骤(1)中制备成分组成符合要求的钢水，包括下述步骤：

(1.1)铁水预处理，使铁水中的S：＜0.010％；

(1.2)将预处理后的铁水加入转炉，采用BOF法冶炼并进行脱氧合金化，加入的合金为设计钢水成分中合金配加量的90％；

(1.3)LF炉精炼15～30min，微调合金成分使合金成分满足要求，并提升钢水温度；

(1.4)RH真空脱气处理15-30分钟，RH底吹氩合理搅拌并上浮去除非金属夹杂物，减少氮氢氧含量；

(1.5)喂入钙线净化钢水，使长条状MnS非金属夹杂物变分散，变短球形化，即得。

所述步骤(8)中热处理是先采用氮气保护无氧化辊底式炉将钢板加热至880～920℃；然后对钢板进行辊压式水刀淬火；再在550～660℃高温回火处理。

有益效果：本发明所述的500MPa级工程机械用钢，通过合理的成分设计，炉外二次精炼，并采用独特的制造工艺，使钢质洁净、晶粒细化，提高强韧性。该钢种的金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织，从而获得良好的力学性能以及疲劳性能，钢种的屈服强度达到500MPa以上，抗拉强度达到600MPa以上，该钢种适用于工程机械，其疲劳寿命较现有的工程机械钢种提升30％以上，满足工程机械零下40℃低温韧性需求。并且该钢种的合金元素可根据合金作用配合取舍，有效控制钢种的生产成本。

具体实施方式

下面，结合实施例对本发明做进一步详细说明。

为了将现有的工程机械用钢从屈服强度235MPa的Q235B升级到屈服强度超过500MPa的新一代耐疲劳工程机械材料，本发明提出了一种500MPa级工程机械用钢，该钢种的成分以质量百分计，包括C：0.12～0.23％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.80～1.90％、P：＜0.018％、S：＜0.010％；以及选自Cr：0～0.50％、Ni：0～0.60％、Mo：0～0.45％、Cu：0～0.40％、Nb：0～0.060％、V：0～0.15％、Ti：0～0.12％、B：0～0.0030％、Al：0.010～0.050％中的一种或多种；余量为Fe和不可避免的杂质。经过特殊的制造工艺，该钢种的金相组织为均匀细小的马氏体高温回火组织，从而获得良好的力学性能以及疲劳性能。

而本发明所述的一种500MPa级工程机械用钢的制造方法，所采用的技术方案包括下述步骤：

(1)首先采用下述步骤冶炼符合成分组成的钢水：先进行铁水预处理，使铁水中的S：＜0.010％，紧接着将预处理后的铁水加入转炉，采用BOF法冶炼并进行脱氧合金化，期间，加入的合金为设计钢水成分中合金配加量的90％；然后将上述钢水送入LF炉精炼15～30min，脱氧、微调合金成分使合金成分满足要求，并按工艺提升钢水温度；将钢水送入RH精炼炉真空脱气处理15-30分钟，RH底吹氩合理搅拌并上浮去除非金属夹杂物，减少氮氢氧含量，控制钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；然后喂入钙线净化钢水，使长条状MnS非金属夹杂物变分散，变短球形化，即得符合要求的钢水。

(2)浇铸成坯：将钢水送入连铸机全程氩气保护浇注，同时电磁搅拌减轻低倍偏析，并控制连铸拉速0.75～1.2m/min，得铸坯；

(3)铸坯加热：将铸坯在1100～1220℃下均匀加热3.5～4.5小时，防止加热时间过短导致铸坯中心加热不透，同时，在适宜轧制的情况下合理控制轧制时间，防止加热时间过长造成能源的浪费；

(4)轧制：采用四辊可逆轧机两阶段轧制，粗轧轧制压下率大于60％，粗轧开轧温度1070～1180℃，二阶段开轧温度890～950℃，终轧温度820～900℃，得钢板；

(5)控制冷却：加速冷区出口钢板残留水吹扫干净后，测量钢板反红温度650～690℃；

(6)矫直：对钢板进行矫直，控制矫直不平度3～6mm/m；

(7)喷丸处理：去除钢板表面氧化铁皮；

(8)对去除氧化铁皮的钢板热处理，具体的，先采用氮气保护无氧化辊底式炉将钢板加热至880～920℃；然后对钢板进行辊压式水刀淬火；再在550～660℃高温回火处理，即得。

实施例一，75mm规格Q500E钢板，包括下述质量百分比的成分C：0.18％，Si：0.27％，Mn：1.53％，P：0.011％，S：0.006％，Cr：0.25％，V：0.035％，Ti：0.019％，B：0.0009％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼25分钟，RH真空精炼脱气30分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速0.75m/min；再加热3.8h使铸坯中心温度达到1170℃，开轧温度1120℃，二段轧制890℃，终轧温度830℃，压下率61％；钢板返红温度650℃；矫直3mm/m；淬火温度890℃，回火温度650℃。力学性能屈服强度530MPa，抗拉强度620MPa，延伸率21％，-40℃冲击功186J,191J,197J(10*10mm)。

实施例二，10mm规格Q500E钢板，包括下述质量百分比的成分C：0.15％，Si：0.23％，Mn：1.49％，P：0.013％，S：0.005％，Cr：0.17％，V：0.033％，Ti：0.016％，B：0.0011％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼30分钟，RH真空精炼脱气25分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速1.2m/min；再加热4.0h使铸坯中心温度达到1180℃，开轧温度1140℃，二段轧制900℃，终轧温度850℃，压下率65％；钢板返红温度680℃；矫直5mm/m；淬火温度900℃，回火温度650℃。力学性能屈服强度545MPa，抗拉强度650MPa，延伸率20％，-40℃冲击功97J,99J,93J(5*10mm)。

实施例三，22mm规格Q500E，包括下述质量百分比的成分C：0.16％，Si：0.20％，Mn：1.33％，P：0.013％，S：0.005％，Ni：0.20％，Nb：0.026％，Ti：0.016％，B：0.0011％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼26分钟，RH真空精炼脱气29分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速1.2m/min；再加热4.2h使铸坯中心温度达到1190℃，开轧温度1140℃，二段轧制950℃，终轧温度850℃，压下率65％；钢板返红温度690℃；矫直6mm/m；淬火温度900℃，回火温度640℃。力学性能屈服强度530MPa，抗拉强度645MPa，延伸率22％，-40℃冲击功192J,190J,192J(10*10mm)。

实施例四，8mm规格Q500E，包括下述质量百分比的成分C：0.15％，Si：0.23％，Mn：1.26％，P：0.013％，S：0.005％，Mo：0.17％，Al：0.027％,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼28分钟，RH真空精炼脱气28分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速1.0m/min；再加热4.0h使铸坯中心温度达到1175℃，开轧温度1130℃，二段轧制920℃，终轧温度870℃，压下率76％；钢板返红温度690℃；矫直6mm/m；淬火温度910℃，回火温度640℃。力学性能屈服强度540MPa，抗拉强度660MPa，延伸率19％，-40℃冲击功86J,86J,83J(5*10mm)。

实施例五，18mm规格Q500E，包括下述质量百分比的成分C：0.17％，Si：0.26％，Mn：1.50％，P：0.012％，S：0.003％，Cr：0.15％，Cu：0.016％，Al：0.027％，Ti：0.022％，B：0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼26分钟，RH真空精炼脱气15分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速1.0m/min；再加热4.0h使铸坯中心温度达到1180℃，开轧温度1135℃，二段轧制920℃，终轧温度870℃，压下率73％；钢板返红温度690℃；矫直6mm/m；淬火温度910℃，回火温度630℃。力学性能屈服强度543MPa，抗拉强度659MPa，延伸率21％，-40℃冲击功126J,123J,129J(10*10mm)。

实施例六，50mm规格Q500E钢板，包括下述质量百分比的成分C：0.12％，Si：0.6％，Mn：0.8％，P：0.017％，S：0.006％，Cr：0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼15分钟，RH真空精炼脱气30分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速0.75m/min；再加热3.5h使铸坯中心温度达到1100℃，开轧温度1070℃，二段轧制890℃，终轧温度820℃，压下率75％；钢板返红温度650℃；矫直4mm/m；淬火温度880℃，回火温度620℃。力学性能屈服强度542MPa，抗拉强度629MPa，延伸率21％，-40℃冲击功132J,139J,130J(10*10mm)。

实施例七，10mm规格Q500E钢板，包括下述质量百分比的成分C：0.23％，Si：0.10％，Mn：1.9％，P：0.013％，S：0.009％，V：0.15％，Ti：0.025wt.％，B：0.003wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼15分钟，RH真空精炼脱气25分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速0.9m/min；再加热4.5h使铸坯中心温度达到1220℃，开轧温度1180℃，二段轧制950℃，终轧温度900℃，压下率63％；钢板返红温度690℃；矫直5mm/m；淬火温度920℃，回火温度660℃。力学性能屈服强度548MPa，抗拉强度646MPa，延伸率20％，-40℃冲击功55J,69J,78J(5*10mm)。

实施例八，22mm规格Q500E，包括下述质量百分比的成分C：0.12％，Si：0.53％，Mn：1.56％，P：0.012％，S：0.003％，Ni：0.60％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼20分钟，RH真空精炼脱气25分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速1.1m/min；再加热3.5h使铸坯中心温度达到1130℃，开轧温度1100℃，二段轧制910℃，终轧温度820℃，压下率61％；钢板返红温度650℃；矫直6mm/m；淬火温度880℃，回火温度620℃。力学性能屈服强度539MPa，抗拉强度642MPa，延伸率22％，-40℃冲击功191J,195J,193J(10*10mm)。

实施例九，8mm规格Q500E，包括下述质量百分比的成分C：0.16％，Si：0.13％，Mn：0.90％，P：0.011％，S：0.001％，Mo：0.45％，Al：0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼26分钟，RH真空精炼脱气28分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速1.0m/min；再加热4.3h使铸坯中心温度达到1210℃，开轧温度1180℃，二段轧制940℃，终轧温度900℃，压下率89％；钢板返红温度690℃；矫直3mm/m；淬火温度910℃，回火温度640℃。力学性能屈服强度556MPa，抗拉强度662MPa，延伸率20％，-40℃冲击功58J,47J,48J(5*10mm)。

实施例十，30mm规格Q500E，包括下述质量百分比的成分C：0.12％，Si：0.17％，Mn：1.21％，P：0.010％，S：0.003％，Cu：0.40％，Al：0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼21分钟，RH真空精炼脱气25分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速0.85m/min；再加热4.0h使铸坯中心温度达到1150℃，开轧温度1130℃，二段轧制900℃，终轧温度820℃，压下率61％；钢板返红温度650℃；矫直3mm/m；淬火温度920℃，回火温度620℃。力学性能屈服强度546MPa，抗拉强度655MPa，延伸率21％，-40℃冲击功217J,219J,221J(10*10mm)。

实施例十一，20mm规格Q500E钢板，包括下述质量百分比的成分C：0.23％，Si：0.46％，Mn：0.95％，P：0.016％，S：0.009％，Nb：0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼30分钟，RH真空精炼脱气30分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速0.9m/min；再加热3.9h使铸坯中心温度达到1200℃，开轧温度1180℃，二段轧制950℃，终轧温度900℃，压下率66％；钢板返红温度680℃；矫直3mm/m；淬火温度920℃，回火温度600℃。力学性能屈服强度545MPa，抗拉强度636MPa，延伸率21％，-40℃冲击功188J,193J,199J(10*10mm)。

实施例十二，10mm规格Q500E钢板，包括下述质量百分比的成分C：0.17％，Si：0.10％，Mn：1.10％，P：0.013％，S：0.003％，Ti：0.12％，B：0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。炼钢合金化脱氧后，LF精炼25分钟，RH真空精炼脱气25分钟，使钢水氮含量不高于38ppm，氢含量不高于1.5ppm，氧含量不高于20ppm；板坯连铸，拉速0.95m/min；再加热4.2h使铸坯中心温度达到1210℃，开轧温度1170℃，二段轧制940℃，终轧温度890℃，压下率64％；钢板返红温度690℃；矫直4mm/m；淬火温度910℃，回火温度550℃。力学性能屈服强度551MPa，抗拉强度643MPa，延伸率20％，-40℃冲击功57J,58J,63J(5*10mm)。

通过上述实施例，可知本发明的500MPa级工程机械用钢具有较好的力学性能以及疲劳性能，能够提高工程机械的使用寿命，并且也满足了工程机械零下40℃低温韧性需求。在工程机械用钢上可以完美替代屈服强度仅有235MPa的Q235B普通材料，推动冶金和工程机械行业产品质量升级换代。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。