一種高強韌性礦用圓環鏈用鋼及其制造方法

專利名稱：：一種高強韌性礦用圓環鏈用鋼及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及冶金行業結構鋼的成分設計及其制造方法，尤其是指高強度、高韌性礦山圓環鏈用鋼的成分設計及其制造方法。
背景技術：
：煤炭是我國能源構成的主要部分，其中井下采煤又在我國煤炭生產中占有很大比重。作為刮板運輸機及各種刨煤機上的傳動鏈一圓環鏈是這些設備的關鍵件和易損件。按國家標準規定，圓環鏈分為B,C和D三個級別。B級圓環鏈主要用于負荷較小、不太重要的場合，其原材料通常采用低碳合金鋼，如20MnSi和23MnSiV。D級圓環鏈要求有很高的強度(抗拉強度Rm^l470Mpa)，對應力腐蝕要求嚴格，故始終未能大量生產。C級圓環鏈是我國目前使用量較大，工業應用較廣泛的一類圓環鏈，其規格尺寸為#4mm-#45mm，其中《#18mm的采用25MnV鋼，>#22mm的采用進口的23MnNiMoCr54鋼。國內有幾十家特鋼廠在分析了日本和德國進口的23MnNiMoCr54鋼的化學成分、顯微組織結構和力學性能的基礎上，模仿生產23MnNiMoCr54鋼，但都沒有成功，組織不均勻，強韌性匹配不理想，致使許多鏈條生產廠家長期依賴進口，每年需耗費大量的外匯由國外進口這種鋼材。23MnNiMoCr54鋼為德標的牌號，其主要成分為碳0.200.26%，錳1.101.40%，鎳0.901.10%，鉻0.400.60%，鉬0.500.60%，Al:0.0200.050%，硅《0,25%，銅《0.25%，硫《0.025%，磷《0.025%，余為Fe。該鋼種不含"釩"。其制造工藝為國外內部資料，未在文獻中提到過。國外材料主要的不足在于它的價格昂貴，是國產材料的23倍。近年來，圓環鏈鋼的發明專利申請已有很多，如D級圓環鏈用鋼的發明專利申請CN85103476，組成見表1，其強度雖能達到要求，但強韌性匹配不理想，在D級圓環鏈的使用環境下無法保證抗應力腐蝕；申請號為200610013245.3、200610072702.6和200610048121.9的發明專利申請公開了C級圓環鏈用鋼，組成見表l。雖然以不添加Ni或/和Cr元素來降低成本，但在鋼材的內在質量上卻無法達到高要求的淬透性，強韌性匹配不理想，在生產規格上實際只能限制在4)26mm以下，特別是還含有易氧化元素Si，容易造成圓環鏈的焊縫組織不理想等。上述已有的發明鋼，特別是C級圓環鏈用鋼，在生產使用過程中還是出現問題很多，一旦形成批量供應時，在使用過程中，主要體現在以下幾個方面的不足首先，國產鋼的內在質量中組織為珠光體+鐵素體，未達到球粒狀，鐵素體偏多，硬度在HRW180-250，偏差較大，均勻性不理想，原始組織與進口鋼材有很大差別，碳化物顆粒粗大，而且大小極不均勻；其次，國內鋼廠參考進口材成分生產的23MnNiCrMo54鋼制造的圓環鏈，由于生產設備及軋制工藝參數等因素，強韌性的匹配不理想，疲勞壽命都達不到國標要求，編制成的圓環鏈性能較差，穩定性低，致使返工量增加，能源浪費；第三，國產鋼經熱處理后，組織不均勻，焊縫處組織粗大，存在較大的過熱傾向，這也是導致焊接性和疲勞性能不合格的重要原因之一；第四，國內在鏈條鋼生產使用規格上還是存在空白，據統計，我國目前申請發明專利的圓環鏈用鋼在實際使用中最大只能達到#26mm的規格，而在>#30mm規格的圓環鏈用鋼上，還是以進口為主，尚未實現國產化。表l近年來圓環鏈用鋼專利申請情況<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種c級礦用圓環鏈用鋼，解決現有技術的礦用圓環鏈用鋼組織不均勻，強度、塑性偏低以及強塑匹配不良，易出現疲勞壽命不合格等的問題。通過采用微合金化連鑄坯批量生產出組織均勻細致，提高綜合機械性能，提高疲勞壽命，提高整條圓環鏈整體穩定性的C級圓環鏈用鋼，使其各個技術指標均能與德標的23MnNiMoCr54鋼相當，進一步滿足礦山機械的發展，滿足國內f30mm以上規格的C級圓環鏈用鋼的需求。本發明的高強韌性圓環鏈用鋼，其以重量百分數計的化學元素成份是碳0.200.26%，錳1.101.40%，鎳0.851.15%，鉻0.400.60%，f目0.400.60%，爭凡0.030.10%，Al:0.0200.050%，硅《0.25%，銅《0.25%，硫《0.020%，磷《0.020%，余為Fe及不可避免的雜質。本發明的成分設計理由或原理如下碳是提高大規格C級圓環鏈用鋼強度的主要元素，保證一定的強度必須一定的碳含量，但是碳元素對塑性不利，特別是當Mn含量較高時，碳含量大于0.30%是不利于焊接性能的，為了確保C和Mn含量的匹配，所以控制0.200.26%的碳含量較為合理。錳錳是本發明鋼中添加的主要合金元素之一，它是非碳化物形成元素，能增強奧氏體的穩定性，降低Ms點，在鋼中起固溶強化的作用來提高強度，提高鋼的淬透性；由于國家標準規定的C級圓環鏈用鋼應具有磷、硫含量低的特征，而錳與氧的親合力較強，在煉鋼時能起到脫氧作用，有利于以后的脫硫工序。但錳元素過多，會導致晶粒長大，增加鋼的脆性，所以圓環鏈用鋼中的錳含量控制在1.101.40%能在本發明鋼中發揮良好的作用。鎳鎳是本發明鋼中添加的主要合金元素之一，鎳元素的加入不僅可以提高鋼的韌性，還可以提高鋼的淬透性，但Ni又是貴重合金元素，過多的加入會提高制造成本，所以該發明鋼的鎳控制在0.851.15。％，尤以在0.901.10%為宜。鉻鉻是本發明鋼中添加的主要合金元素之一，它是碳化物形成元素，穩定鉻的碳化物的形成，有減慢焊接接頭處熱影響區晶粒長大的作用，對于圓環鏈的焊接組織是非常有利的；同時，鎳和鉻元素可以增大奧氏體的過冷能力，從而細化組織，得到強化的效果，鎳和鉻又能發揮一定的耐腐蝕性能，有利于圓環鏈在較潮濕的環境下使用。所以鉻含量控制在0.400.60%就能起到上述的有益作用。鉬鉬是本發明鋼中添加的主要合金元素之一，鉬對珠光體轉變有明顯的抑制作用，而對貝氏體轉變的推遲作用甚微，有利于在空冷條件下獲得貝氏體組織；鉬作為中強碳化物形成元素可以強烈地阻礙碳化物的形核和長大，同時還可以有效提高淬透性，對于圓環鏈用鋼來說，鉬的加入還可以改善鋼的閃光對焊性能，特別是提高對焊過程中的抗過熱能力，同時，鉬與錳的聯合作用，又可以顯著提高奧氏體的穩定性，提高鋼的淬透性，為確保大規格#30mm)圓環鏈的力學性能，本發明鋼加入0.400.60%的鉬是最經濟有效的含量。釩釩在該發明鋼中作為微合金化元素添加，V能夠方便地加入鋼液中，由于釩能與鋼中一般均含有的碳和氮元素形成碳化釩或氮化釩，而碳化釩或氮化釩具有相同的氯化鈉類型的晶體結構且點陣常數相差不大，因而通常將會完全互溶而形成碳氮化釩，而且釩在加熱過程中的溶解度很大，通過它的碳氮化物的沉淀來細化晶粒，組織和提高強度。碳化物和氮化物顆粒越細小，沉淀強化作用越明顯。所以在本發明鋼中加入微量的0.030.10%釩，對于細化圓環鏈用鋼的組織，提高其強韌性的匹配和疲勞性能是非常有效的。鋁屬于細化晶粒元素。鋁元素與上述元素配合可進一步細化晶粒，并提高鋼材的韌性。但經驗表明過多的鋁易增加鋼中夾雜物產生的機會，同時為保證圓環鏈能夠穩定地抵抗使用過程中的應變脆性，該發明鋼中應包含0.0200.050%的鋁。同時銅、磷、硫在技術條件和制造過程允許的情況下其含量應盡可能低，以減少原奧氏體晶界處的偏聚，提高韌性。殘余元素和氣體含量控制在相當低含量水平，使鋼具有相當高的純凈度，特別是硅元素，硅在鋼中易于氧化，形成夾雜物，將對圓環鏈的焊縫造成嚴重危害，同時硅將增加材料的電阻，在進行閃光對焊時，將使得材料的電弧電流增大，產生高的溫度，造成材料的過熱。所以在該發明鋼中不添加。本發明的高強韌性礦山圓環鏈用鋼的制造方法，其特征在于按常規電弧爐熔煉、精煉工藝及給定的合金元素比例，采用連鑄工藝生產鑄坯；連鑄鑄坯均熱溫度11501200°C，開軋溫度11301180°C，終軋溫度760800°C;軋后穿水冷卻，再空冷；熱軋鋼棒需要進行退火，退火溫度680710°C，保持時間812小時，出爐溫度《25(TC，空冷，避風。更具體地，高強韌性圓環鏈用鋼的制備方法，采用三步法工藝流程第一步電弧爐初煉一鋼包爐真空精煉一連鑄；第二步軋鋼機熱加工軋制成鋼棒；第三步鋼棒退火。其中，第一步，電弧爐冶煉一鋼包精煉一連鑄澆注在60200噸的電弧爐中進行鋼液初煉；相應噸位的鋼包精煉；連鑄澆注；生產出140X140mn^450X450mn^斷面尺寸的合格連鑄坯(1)鋼液初煉爐料選用低P、S廢鋼、切頭及優質生鐵；合金需準備鉻鐵、低磷錳鐵、鉬鐵、鎳球等；還原劑電石、碳粉、鋁粉；氧化期勤流渣去P;出鋼條件T16301650。C;[P]《0.010%，[C]0.030.15%。出鋼后期加入適量的石灰或合成渣。(2)鋼包精煉在鋼包精煉爐(容量與電爐相匹配)上，進行鋼液的精煉，去除鋼中的有害氣體和夾雜物，鋼包入座、測溫、分析，根據情況調整氬氣壓力；LF初脫氧喂Al到0.050%，補加合金塊及釩鐵，攪拌510分鐘，調整化學成分進內控。當鋼液測溫溫度為1630165(TC時，進入真空位脫氣，真空度為66.7Pa，保持2025分鐘。保證[H]《0.00015。/。；所有成分進入優化要求的范圍內開始吊包，吊包溫度15501570°C。(3)連鑄澆注鋼包內高溫鋼液通過保護套管，澆進中間包，中間包過熱度2040。C。中間包使用前完全清理、內表面為耐火涂層且不得有裂縫；中間包內的鋼液經連鑄結晶器，電磁攪拌充分，拉速慢，以合理的速度，澆注出140X140mm2450X450mm2斷面尺寸的合格連鑄坯，依據不同的錠型尺寸澆注速度為0.92.10m/min。合格連鑄坯在冷床上快冷至900°C，進緩冷坑緩冷，緩冷時間為3650小時。第二步鋼棒軋制采用軋鋼機熱加工軋制方法，先將合格的連鑄坯表面進行清理，再將其熱加工軋制至成品鋼棒，工藝要點1.加熱爐加熱工藝均熱溫度11501200°C，加熱保溫時間34小時，鋼坯出爐溫度11301200°C，陰陽面溫差《30。C;(常規該系列結構鋼均熱溫度為11301180°C，保溫時間2小時30分鐘，出爐溫度11301180°C，本技術方案同現有技術相比均熱溫度提高20。C，以實施鋼坯加熱的擴散過程，有利于提高連鑄坯的成分均勻性和組織均勻度。2.控制軋制工藝加熱均勻的鋼坯出爐后，正常開啟高壓除鱗機，開軋溫度1130~1180°C，終軋溫度760800°C。3.控冷工藝穿水冷卻至表面溫度500600°C，再空冷。(常規結構鋼不采用該控制冷卻工藝)。第三步鋼棒退火退火溫度680710°C，保持時間812小時，出爐溫度《250。C，空冷，避風。由本發明的方法得到的C級圓環鏈用鋼具有以下特點1.本發明的C級圓環鏈用鋼純潔度高夾雜物級別低(A2B2C1D1)，氣體含量(氧《15ppm，氫《1.5ppm)。2.本發明的C級圓環鏈用鋼組織均勻細致，為球狀珠光體，硬度均勻適中，在HBW185-211，奧氏體晶粒度細于7級。3.本發明的C級圓環鏈用鋼在熱處理設備上進行熱處理(870890"C水淬+38042(TC回火)可獲得優良的綜合機械性能抗拉強度(Rm)》1300MPa，屈服強度(ReL)^1150MPa，延伸率(A)>10%，斷面收縮率(Z)>50%，沖擊韌性(Akv)>40J。圖1為本發明鋼在500倍下的顯微組織照片。具體實施方式以下通過具體實施例詳細說明本發明。本發明實施例的化學成分如表2所示。本發明實施例的制備方法釆用三步法工藝流程第一步電弧爐初煉—鋼包爐真空精煉一連鑄；第二步軋鋼機熱加工軋制成鋼棒；第三步鋼棒退火。其具體工藝條件如表3所示。本發明實施例的性能如表4所示。表2實施例鋼棒的化學成分，wt%<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表5是本發明產品性能與國標要求和進口材料要求的力學性能指標的對比結果表5<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>鋼要求<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表6是進口鋼及模仿進口鋼的化學成分及性能。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>本發明的C級圓環鏈和GB/T12718的機械性能各項指標對比數據如下表7，本發明圓環鏈用鋼同時具有良好的疲勞性能和焊接性能。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>圖1為本發明鋼在500倍下的顯微組織照片。圖中組織為球狀珠光體，組織分布均勻，該類型的組織對于提高發明鋼的強度和韌性起到非常重要的作用，從而提高了圓環鏈的疲勞性能。以上通過實施例較詳細地說明了本發明，但這些實施例并不構成對本發明的任何限制，在不脫離本發明的構思的前提下，還可以有更多其他等效的實施例。權利要求1.一種高強韌性礦用圓環鏈用鋼，其以重量百分數計的化學成分為碳0.20～0.26％，錳1.10～1.40％，鎳0.85～1.15％，鉻0.40～0.60％，鉬0.40～0.60％，釩0.03～0.10％，鋁0.020～0.050％，硅≤0.25％，銅≤0.25％，硫≤0.020％，磷≤0.020％，其余為Fe及不可避免的雜質。2.根據權利要求l所述的高強韌性礦用圓環鏈用鋼，其特征在于，所述的鎳含量為0.901.10%。3.—種高強韌性礦用圓環鏈用鋼的制造方法，包括按常規電弧爐熔煉、精煉工藝及給定的合金元素比例，采用連鑄工藝生產鑄坯；連鑄鑄坯均熱溫度U50120(TC，開軋溫度11301180。C，終軋溫度760800。C;軋后穿水冷卻，再空冷；熱軋鋼棒進行退火，退火溫度680710。C，保持時間812小時，出爐溫度《250。C，空冷，避風。4.根據權利要求3所述的高強韌性礦用圓環鏈用鋼的制造方法，包括如下步驟第一步驟，進行鋼液初煉，鋼包精煉，連鑄澆注，生產出鑄坯(1)鋼液初煉出鋼條件溫度16301650°C;[P]《0.010%，[C]0.030.15%;(2)鋼包精煉當鋼液測溫溫度為16301650。C時，進入真空位脫氣，真空度為66.7Pa，保持2025分鐘，保證[H]《0.00015%;所有成分進入優化要求的范圍內開始吊包，吊包溫度15501570°C;(3)連鑄澆注鋼包內高溫鋼液通過保護套管，澆進中間包，中間包過熱度2040。C;澆注速度為0.92.10m/min;冷卻后進緩冷坑緩冷；第二步驟，鋼棒軋制(1)加熱爐加熱工藝均熱溫度11501200°C，加熱保溫時間34小時，鋼坯出爐溫度U301200。C;(2)控制軋制工藝:開軋溫度U301180。C，終軋溫度760~800°C;(3)控冷工藝冷卻至表面溫度500~600°C，再空冷；第三步驟，鋼棒退火退火溫度680710°C，保持時間812小時，出爐溫度《25(TC，空冷，避風。5.根據權利要求4所述的高強韌性礦用圓環鏈用鋼的制造方法，其特征在于，所述的連鑄澆注步驟中，澆注后的合格連鑄坯在冷床上快冷至900。C。6.根據權利要求4所述的高強韌性礦用圓環鏈用鋼的制造方法，其特征在于，所述的進緩冷坑緩冷的時間為3650小時。7.根據權利要求4所述的高強韌性礦用圓環鏈用鋼的制造方法，其特征在于，所述的加熱爐加工工藝中，陰陽面溫差《30'C全文摘要一種高強韌性圓環鏈用鋼，其以重量百分數計的化學元素成份是碳0.20～0.26％，錳1.10～1.40％，鎳0.85～1.15％，鉻0.40～0.60％，鉬0.40～0.60％，釩0.03～0.10％，Al0.020～0.050％，硅≤0.25％，銅≤0.25％，硫≤0.020％，磷≤0.020％，余為Fe及不可避免的雜質。按常規電弧爐熔煉、精煉工藝及給定的合金元素比例，采用連鑄工藝生產鑄坯；連鑄鑄坯均熱溫度1150～1200℃，開軋溫度1130～1180℃，終軋溫度760～800℃；軋后穿水冷卻，再空冷；熱軋鋼棒進行退火，退火溫度680～710℃，保持時間8～12小時，出爐溫度≤250℃，空冷，避風。這樣得到的高強韌性圓環鏈用鋼純潔度高；組織均勻細致，為球狀珠光體，硬度均勻適中；在熱處理后綜合機械性能優良。文檔編號C21D8/00GK101397636SQ20071004639公開日2009年4月1日申請日期2007年9月25日優先權日2007年9月25日發明者劉湘江,張社明,胡俊輝,袁濟國,趙亞平申請人:寶山鋼鐵股份有限公司