一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB及其生产方法与流程

一种高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib及其生产方法
技术领域
1.本发明涉及钢板生产技术领域，具体涉及一种高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib及其生产方法。


背景技术：

2.一般挖掘机、装载机等工程机械设备在常温或0℃以上环境作业，其钢铲斗刃具备有合适的强度和硬度，就可满足使用需求。随着社会经济的迅速发展，对挖掘机、装载机等工程设备恶劣环境下的高效作业提出更大的考验，尤其是～20℃以下，混有较硬的硬土、风化石、坚石等作业环境。此时的钢铲斗刃不仅需要有合适的强度和硬度，还需要具备有良好的低温冲击韧性。一般认为，钢的强度和韧性是一对矛盾，强度越高，低温韧性越差。
3.因此，开发出一种兼具高强度和低温冲击韧性，满足使用要求的钢成为需要解决的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib，生产出的钢板不仅有合适的强度和硬度，还具有良好的低温冲击韧性，满足钢板兼具高强度和低温冲击韧性的要求。
5.本发明的另一目的在于提供一种高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib的生产方法。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib，包含如下质量百分比的化学成分：c：0.20～0.24、si：0.8～1.0、mn：1.20～1.40、p：≤0.010、s：≤0.005、cr:0.5～0.8、b:0.0015～0.0023、ti：0.04～0.06，其它为fe和残留元素；该钢板的厚度为12～75mm，金相组织是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，其抗拉强度控制在1685～1789mpa，布氏硬度控制在483～521hb，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5j。
7.上述高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib的生产方法，采用转炉冶炼、lf精炼、vd脱气、浇铸、铸坯加热、轧制、堆冷及热处理完成工艺控制：
8.1)转炉冶炼：预脱硫后，铁水中s含量≤0.015％，在转炉冶炼环节采用低拉增碳脱p工艺，出钢p≤0.005％，出钢时向钢水中加入碳粉增碳；
9.2)lf精炼：采用大渣量造渣工艺，100吨lf精炼炉中，单炉石灰用量800～900kg，白渣保持时间30～40min，控住s含量≤0.005％，硼铁在白渣形成后的二加热过程加入，到站加入2.0m/t钢铝线，过程脱氧剂采取铝粒、电石，其中铝粒用量控制在30～60kg，白渣保持时间15～18min；
10.3)vd精炼：在≤67pa下vd真空精炼保压时间按15～18min，破真空后软吹3～5min，然后准备吊包离站；
11.4)浇铸：采用电磁搅拌及低过热度浇铸，电流强度500a、频率5hz，过热度按10～20℃控制；
12.5)铸坯加热：一加热温度≤950℃，二加热温度1210～1230℃，均热段温度1200～1220℃，整体加热时间11～13min/cm；
13.6)轧制：采用两阶段轧制，一阶段开轧温度1000℃～1100℃，道次压下率12％～15％，2～2.5倍成品厚度晾钢；为获得细小弥散的晶粒，整个二阶段轧制温度820～880℃，道次压下量≥15％，充分破碎晶粒，防止晶粒长大，轧制结束钢板不采用层流冷却；
14.7)堆冷：轧后钢板入缓冷坑温度≥400℃，缓冷时间36～48小时，控制缓冷垛高1.5～2m，钢板上下表面严禁裸露在空气中；
15.8)热处理：采用调质工艺，淬火保温温度880～900℃，保温时间2.0～2.1mim/mm，出炉后采用压力淬火机淬火至常温；回火保温温度200～230℃，保温时间3.5min/mm。
16.通过合理的化学成分设计控制生产成本，lf+vd工艺来保证钢水的洁净度，并通过加热、轧制及调质处理等工艺有效实施，成功地开发出了12～75mm厚高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib。其金相组织主要是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，抗拉强度控制在1685～1789mpa，布氏硬度控制在483～521hb，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5j。完全满足低温条件下，挖掘混有较硬碎石的硬土、次坚石、风化石、坚石、爆破后的矿石装载等重载作业环境使用要求。
附图说明
17.图1为本发明实施例中60mm厚22simncrtib热轧态钢板的珠光体+铁素体网状显微组织示意图。
18.图2为本发明实施例中60mm厚22simncrtib调质后钢板的回火马氏体显微组织示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图及实施例，对本发明的技术特征作进一步描述。
20.本发明实施例提供的高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib，包含如下质量百分比的化学成分：c：0.20～0.24、si：0.8～1.0、mn：1.20～1.40、p：≤0.010、s：≤0.005、cr:0.5～0.8、b:0.0015～0.0023、ti：0.04～0.06，其它为fe和残留元素；该钢板的厚度为12～75mm，金相组织是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，其抗拉强度控制在1685～1789mpa，布氏硬度控制在483～521hb，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5j。
21.上述成分设计上采用c、mn、cr、ti、b的微合金化设计，为确保生产成本低廉，不添加贵重金属ni和mo合金。
22.根据不同强度级别，以si～mn～cr～ti合金体系为基础，各元素的作用及配比依据如下：
23.碳(c)：碳是钢中不可缺少的提高钢材强度和硬度的元素之一，本钢种需要非常好的硬度来保证钢板的耐磨性，因此，较高的碳含量是必不可少的。但如果钢中碳含量高，则容易造成钢材韧性下降，同时导致焊接性能差。如果钢中碳含量低则使硬度达不到要求，从而保证不了耐磨性，因此本发明钢中c含量控制在0.20～0.24％。
24.硅(si)：在钢中有较强的固溶强化作用，能提高钢的淬透性，可阻止铁素体形核和
长大，使“c”曲线右移。在本设计合金体系下，当si含量≥0.8％时可以有效抑制渗碳体的析出，可以保证良好的塑韧性；但当si含量＞1.0％时会导致组织粗大，焊接性能降低，因此，本发明钢中si含量控制在0.8％～1.0％之间。
25.锰(mn)：锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性，与碳配合可以增大钢的加工硬化率，提高钢的强度和耐磨性。但锰含量较高时，容易造成组织中心偏析，淬火裂纹的倾向大，因此本发明钢中mn含量控制在1.2％～1.4％。
26.铬(cr)：增大钢的淬透性，并使过剩碳化物增多和变细，以增大钢的耐磨性。cr能够减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，但也会增加钢的回火脆性倾向。本技术设计的钢中，在利用cr提高淬透性的同时，要避免回火脆性的发生，因此，本发明钢中cr含量控制在0.5％～0.8％。
27.钛(ti)：钛是钢中强脱氧剂，钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强。因此，它是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒，淬火后随着碳化钛微粒的析出，显著提高钢的强度，同时降低时效敏感性和冷脆性，降低韧脆转变温度。因此，本发明钢中ti含量控制在0.04％～0.06％。
28.硼(b)：硼在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀有贵重的金属，如镍、铬、钼等。为了这一目的，其含量一般规定在0.001％～0.005％范围内。它可以代替1.6％的镍、0.3％的铬或0.2％的钼，但随着硼含量的增加，有促进回火脆性的倾向，所以硼含量也不宜太高。因此，本发明钢中b含量控制在0.0015～0.0023％。
29.本发明实施例提供的高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib的生产方法，采用转炉冶炼、lf精炼、vd脱气、浇铸、铸坯加热、轧制、堆冷及热处理完成工艺控制。
30.2.1转炉冶炼工艺点要求
31.转炉铁水预脱硫处理，铁水s含量≤0.015％。转炉采用低拉增碳脱p工艺，出钢p≤0.005％，出钢时向钢水中加入碳粉增碳。出钢结束采用挡渣锥挡渣，转炉下渣厚度控制在30mm以下，以避免下渣回p；钢水到氩站后，提前向钢水中加入200kg石灰，吹氩5min搅拌。
32.2.2lf精炼工艺点要求
33.采取大渣量进行造渣，100吨lf精炼炉，单炉石灰用量800～900kg。白渣保持时间30～40min，控住s含量≤0.005％。硼铁在白渣形成后的二加热过程加入。到站加入2.0m/t钢铝线，过程脱氧剂采取铝粒、电石，铝粒用量控制在30～60kg，白渣保持时间15～18min。
34.2.3vd真空精炼工艺点要求
35.在≤67pa下的保压时间按15～18min进行控制，破真空后软吹3～5min，然后准备吊包离站。
36.2.4连铸浇注
37.连铸环节全程氩封保护浇注，浇注过热度按10～20℃控制。需要说明的是，当连铸钢水过热度＞20℃时，铸坯柱状晶发达，中心偏析严重；当连铸钢水过热度＜10℃时，中心偏析减轻，但过热度过低容易造成水口堵塞，钢包和中间包严重结壳。连铸拉钢过程中，电磁搅拌稳定运行，电流强度500a，电流频率5hz。
38.2.5加热工艺要点
39.一加热温度≤950℃，二加热温度1210～1230℃，均热段温度1200～1220℃，加热
系数11～13min/cm。
40.2.6轧制工艺要点
41.采用两阶段轧制，一阶段开轧温度1000℃～1100℃，道次压下率12％～15％，2～2.5倍成品厚度晾钢。为获得细小弥散的晶粒，整个二阶段轧制温度控制在820～880℃，道次压下量≥15％，充分破碎晶粒，防止晶粒长大。轧制后钢板不采用层流冷却，避免高c合金钢浇水后温度不均匀，造成应力开裂。
42.2.7缓冷工艺要点
43.轧后钢板入缓冷坑温度≥400℃，缓冷时间36～48小时。控制缓冷垛高1.5～2m，钢板上下表面严禁裸露在空气中。
44.2.8热处理工艺要点
45.采用调质工艺，淬火保温温度880～900℃，保温时间2.0～2.1min/mm，出炉后采用压力淬火机淬火至常温。回火保温温度200～230℃，保温时间3.5min/mm。通过加热至880～900℃后保温，使钢完全奥氏体化，目的是改善前期坯料轧制时带来的形变不均和组织成分不均匀现象，均匀化组织和成分。钢板出炉淬火到室温得到淬火马氏体组织、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散的碳化物。低温回火后马氏体变为回火马氏体，使组织应力得以释放，尤其适合于低温条件下，混有较硬的硬土、风化石、坚石等作业环境中，钢铲斗刃高抗疲劳高耐磨高韧性的特点，可大幅提高钢铲斗刃的使用寿命。
46.通过转炉冶炼、lf精炼、真空精炼、浇注、加热、轧制、缓冷、热处理等工艺，获得如下表1所述化学成分的22simncrtib成品钢，其中各工艺参数及力学性能见如下表1、2。
47.表1 22simncrtib钢的化学成分
[0048][0049]
表2 22simncrtib的机械力学性能
[0050][0051]
通过合理的化学成分设计及生产工艺控制，成功地开发出了12～75mm厚度高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib。其抗拉强度控制在1685～1789mpa，布氏硬度483～521hb；伸长率控制在8.7％～10.6％；-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5j。铲刃性能可满足-40℃低温条件下，混有较硬碎石的硬土、次坚石、风化石或坚石、爆破后的矿石等低温恶劣环境下的正常高效作业。

技术特征：
1.一种高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib，其特征在于：包含如下质量百分比的化学成分：c：0.20～0.24、si：0.8～1.0、mn：1.20～1.40、p：≤0.010、s：≤0.005、cr:0.5～0.8、b:0.0015～0.0023、ti：0.04～0.06，其它为fe和残留元素；该钢板的厚度为12～75mm，金相组织是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，其抗拉强度控制在1685～1789mpa，布氏硬度控制在483～521hb，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5j。2.根据权利要求1所述的高强韧性铲斗刃用钢22simncrtib的生产方法，其特征在于：采用转炉冶炼、lf精炼、vd脱气、浇铸、铸坯加热、轧制、堆冷及热处理完成工艺控制：1)转炉冶炼：预脱硫后，铁水中s含量≤0.015％，在转炉冶炼环节采用低拉增碳脱p工艺，出钢p≤0.005％，出钢时向钢水中加入碳粉增碳；2)lf精炼：采用大渣量造渣工艺，100吨lf精炼炉中，单炉石灰用量800～900kg，白渣保持时间30～40min，控住s含量≤0.005％，硼铁在白渣形成后的二加热过程加入，到站加入2.0m/t钢铝线，过程脱氧剂采取铝粒、电石，其中铝粒用量控制在30～60kg，白渣保持时间15～18min；3)vd精炼：在≤67pa下vd真空精炼保压时间按15～18min，破真空后软吹3～5min，然后准备吊包离站；4)浇铸：采用电磁搅拌及低过热度浇铸，电流强度500a、频率5hz，过热度按10～20℃控制；5)铸坯加热：一加热温度≤950℃，二加热温度1210～1230℃，均热段温度1200～1220℃，整体加热时间11～13min/cm；6)轧制：采用两阶段轧制，一阶段开轧温度1000℃～1100℃，道次压下率12％～15％，2～2.5倍成品厚度晾钢；为获得细小弥散的晶粒，整个二阶段轧制温度820～880℃，道次压下量≥15％，充分破碎晶粒，防止晶粒长大，轧制结束钢板不采用层流冷却；7)堆冷：轧后钢板入缓冷坑温度≥400℃，缓冷时间36～48小时，控制缓冷垛高1.5～2m，钢板上下表面严禁裸露在空气中；8)热处理：采用调质工艺，淬火保温温度880～900℃，保温时间2.0～2.1mim/mm，出炉后采用压力淬火机淬火至常温；回火保温温度200～230℃，保温时间3.5min/mm。

技术总结
本发明属于钢板生产领域，具体涉及一种高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB及其生产方法。通过合理的化学成分设计控制生产成本，LF+VD工艺来保证钢水的洁净度，并通过加热、轧制及调质处理等工艺的有效实施，成功地开发出了12～75mm厚高强韧性铲斗刃用钢22SiMnCrTiB。其金相组织主要是马氏体板条、薄膜状残余奥氏体以及纳米级细小的碳化钛弥散析出的碳化物，抗拉强度控制在1685～1789MPa，布氏硬度控制在483～521HB，伸长率控制在8.7～10.6％，-40℃低温冲击功控制在51.2～64.5J。完全满足低温条件下，挖掘混有较硬碎石的硬土、次坚石、风化石、坚石、爆破后的矿石装载等重载作业环境使用要求。用要求。用要求。


技术研发人员：许少普 杨东 袁清 李忠波 刘庆波 康文举 全微波 周杨 薛艳生 杨阳 郑海明 屈小彬 吕玉良 朱先兴 袁高俭
受保护的技术使用者：南阳汉冶特钢有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/23