CN114934239B

CN114934239B - 一种液压缸杆头用锻造非调质钢及其生产方法

Info

Publication number: CN114934239B
Application number: CN202210712083.1A
Authority: CN
Inventors: 梁佰战; 赵岳; 徐浩; 王子健; 郑力宁; 蒋栋初; 上官福康
Original assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-02-07
Anticipated expiration: 2042-06-22
Also published as: CN114934239A

Abstract

本发明公开了一种液压缸杆头用锻造非调质钢及其生产方法，所述杆头用锻造非调质钢由以下元素按质量百分比组成：C 0.34~0.37%、Si≤0.13%、Mn 1.05~1.25%、Cr 0.15~0.25%、Cu≤0.10%、Ni≤0.10%、Mo≤0.0050%、V 0.035~0.050%、Nb≤0.0050%、As≤0.0040%、Al 0.015~0.035%、P≤0.012%、S≤0.0050%、B≤0.0008%、Ti≤0.0030%、N 0.0085~0.0110%、[O]≤20ppm、[H]≤2ppm，余量为Fe和不可避免的杂质元素；其中（Al+V）/N控制在4.55~10、V/Al控制在1~3.33。本发明规格Ø≤100mm的液压缸杆头用锻造非调质钢经过锻造和锻后控冷后所得杆头性能与调质45钢相当，现有的中小规格液压缸杆头完全可以采用本发明的非调质钢来加工。

Description

一种液压缸杆头用锻造非调质钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种液压缸杆头用锻造非调质钢及其制造方法。

背景技术

因液压缸具有结构简单、可实现往复运动和工作稳定等诸多优点，自诞生之日起就注定了其应用的广泛。由于其应用的广泛特点，使其现存各种各样的类型，但液压缸基本上都由缸筒和活塞、活塞杆、杆头、密封装置、缓冲装置与排气装置等部件组成，一般杆头与活塞杆焊接连接成为一个整体，杆头另一端则通过杆头孔与作用基体连接，从而在杆头连接下实现活塞杆带动基体实现往复运动，这就使得杆头成为一个非常重要的连接件。现在液压缸杆头使用的材质主要为GB/T699中的45钢，主要生产工艺为45钢中频感应加热-镦粗-模锻-切边-空冷-调质处理，调质后的杆头在二分之一半径处性能要求满足：抗拉强度Rm≥690Mpa、上屈服强度≥490Mpa、延伸率≥15%、U型常温冲击韧性≥49J/cm。

非调质钢顾名思义即为一类不要调质处理的钢种，在成分设计中添加微合金化元素，通过控轧控冷实现微合金化提高性能的作用，目前非调质钢主要应用于汽车制造领域，用于制造汽车上各种零部件，例如连杆、曲轴、转向节、控制臂等。由于受成本因素影响，非调质钢在工程机械领域应用受到一定程度的限制，而在液压缸制造方面，近几年也仅仅在活塞杆产品进行小范围应用。现有液压缸杆头用钢并未按照不同液压缸杆头规格进行选材，统一选用GB/T699中45钢来加工，但45钢需要调质处理后其性能才能满足液压缸杆头的要求。相对于大规格液压缸杆头的性能，同样材质的中小规格液压缸杆头在性能方面存在较大富余。非调质钢的出现使得其替代调质钢成为可能，特别是中小规格。众所周知，因非调质钢省去了调质过程，使得其成为一种相对绿色环保的钢类。同时在液压缸杆头方面并未见有非调质钢应用的相关报道，鉴于非调质钢在中小规格钢材方面应用成熟的特点，在成本允许的前提下，开发一种适用于中小规格液压缸杆头的非调质钢成为一种现实需求，特别是国家对于环境保护的日益重视，开发取代调质工艺的非调质钢也成为工程机械行业发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术方面的不足和相应国家绿色环保发展理念，在成本允许的前提条件下，开发一种经济实用的中小规格液压缸杆头用锻造非调质钢及其生产方法，从而取代现有的调质45钢。

在化学成分设计方面，鉴于硅元素含量一般在0.15~0.37%范围内对于力学性能的影响相对较小，本发明将硅元素含量设计在较低的范围内，以此改善硅元素对钢材表面脱碳不利作用；由于成分设计中添加氮元素，为了控制氮化钛夹杂物的含量，而将钛元素含量控制比较低的范围内；因该发明钢种为锻造用非调质钢，为了其锻造后性能的稳定，有意将影响钢种力学性能的残余元素含量加以限制，特别钢中的钼、镍和铌。在生产工艺方面，根据脱硫后硫含量的要求，创新性的自制脱硫剂用于预脱硫；转炉出钢结束后氩气搅拌一定时间，向钢水喂入铝线进行沉淀脱氧；依据钢水中酸溶铝的含量，向钢水喂入不同量的纯钙线对钢中非金属夹杂物进行充分变性处理；根据压缩比的不同，选择合适的断面的铸坯轧制相应规格的钢材；在冷床入口放置一定数量的轴流式风机对钢材进行强制冷却，细化晶粒和改善力学性能。发明钢种经过锻造和锻后控冷，可以实现力学性能：下屈服强度530~580Mpa、抗拉强度810~860Mpa、延伸率20~24%、断面收缩率55~64%、常温U型冲击韧性55~65J/cm2；经过测算，本发明钢种在45钢基础上成本仅仅增加了大约400~500元/吨；本发明非调质钢锻造后力学性能接近调质后45钢性能，本发明钢种完全可以替代规格≤Ø100mm的锻造液压缸杆头用调质45。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种液压缸杆头用锻造非调质钢，由以下元素按质量百分比组成：C 0.34~0.37%、Si≤0.13%、Mn 1.05~1.25%、Cr 0.15~0.25%、Cu≤0.10%、Ni≤0.10%、Mo≤0.0050%、V 0.035~0.050%、Nb≤0.0050%、As≤0.0040%、Al 0.015~0.035%、P≤0.012%、S≤0.0050%、B≤0.0008%、Ti≤0.0030%、N 0.0085~0.0110%、[O]≤20ppm、[H]≤2ppm，余量为Fe和不可避免的杂质元素；其中（Al+V）/N控制在4.55~10、V/Al控制在1~3.33。

本发明进一步改进方案是，所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，由以下元素按质量百分比组成：C 0.34~0.36%、Si 0.08~0.13%、Mn 1.20~1.25%、Cr 0.15~0.20%、Cu≤0.08%、Ni≤0.04%、Mo≤0.0030%、V 0.040~0.050%、Nb≤0.0040%、As≤0.0040%、Al 0.015~0.030%、P≤0.010%、S≤0.0030%、B≤0.0005%、Ti≤0.0030%、N 0.0095~0.0110%、[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质元素，其中（Al+V）/N控制在5~8.42、V/Al控制在1.33~3.33。

一种液压缸杆头用锻造非调质钢的生产方法，包括下列步骤：

1）铁水预脱硫：采用喷吹的方法对铁水进行预脱硫处理，按照脱硫后铁水中硫含量≤0.006%目标，以氮气为载体至少分3次加入通过喷枪向铁水中喷入适量的脱硫剂（CaO+Mg+CaF2配比为7:1.6:1），待脱硫反应充分发生后，利用专用扒渣器将脱硫渣扒除干净，防止在转炉冶炼过程回硫；

2）转炉冶炼（LD）：以自产废钢和脱硫铁水为原料，其中废钢为自产碳素钢废钢，铁水与废钢的比例控制在8:2以上，采用顶底复吹式转炉粗炼，转炉终点主要成分控制：C0.12~0.28%、S≤0.015%、P≤0.008%，终点温度1610~1650℃，出钢20吨后依次向钢水分别加入低普通碳粉、金属锰、中碳铬铁、石灰、萤石，其中金属锰（W（Mn）≥98%）10~12kg/t、中碳铬铁（W（Cr）≥55%）2~4kg/t、石灰4~5kg/t、萤石1.5~3kg/t。在吹氩站处理3~5分钟后，根据出钢碳向钢水中喂入铝线4~7m/t，确保到LF炉钢水中C 0.26~0.32%、Si≤0.08%、Mn 0.90~1.05%、Cr 0.10~0.15%、Al 0.040~0.060%；

3）钢包精炼（LF）：钢水到站后开通底吹氩气搅拌2~3分钟，使用电石和铝粒进行渣面脱氧；第一样中铝含量，在线向钢水喂入铝线，控制钢水的铝含量0.040~0.060%；在精炼中后期调整化学成分，其中在白渣状态下向钢水中加入0.9 kg/t钒铁（W（V）=50%），白渣时间控制在20~35min；精炼终渣主要组分满足：CaO 50~60%、Al2O3 20~30%；LF炉精炼结束后，根据钢水中酸溶铝含量，Als≤0.035%时吨钢喂入0.4～0.6m纯钙线，在Als＞0.035%时吨钢喂入0.7～1.0m纯钙线；丝线喂入结束底吹氩气搅拌2~4min，此阶段底吹氩气流量控制在20~80NL/min；

4）真空循环脱气（RH）：钢水经过RH真空循环脱气处理。在真空度≥100Pa条件下处理钢水3~5分钟，随后在高真空度（真空度≤50Pa）条件下处理钢水15~20分钟，处理过程中全程使用氩气作为提升气体，提升气体流量为50~80 Nm³/h。真空处理结束，软吹15~25min，软吹时底吹气体流量控制在40~80NL/min；

5）连铸（CCM）：采用弧形连铸机，全程氩气保护浇铸，中间包第一炉过热度按＞35~45℃控制，连浇炉次过热度按25~35℃控制，200方拉速为1.4m/min，Ø380mm圆坯拉速为0.55m/min，钢坯全部入坑缓冷，入坑温度500~650℃；

6）轧钢：钢坯冷态入炉，轧制比≥6，200方轧制钢材规格＜Ø70mm和Ø380mm圆坯轧制规格Ø70mm~Ø100mm。200方加热制度：在1000~1120℃加热3小时，开轧温度980~1010℃，200方轧制采用平立交错12架轧机，终轧温度850~880℃，在轧制＜Ø70mm钢材时，控制上冷床温度700~750℃，在冷床入口处布置10台风压400pa和风量10000m³/h的轴流式降温风机，通过降温风机对钢材进行降温处理，温降控制在12~20℃/min，钢材入坑温度控制在280~350℃；Ø380mm圆坯加热制度：在1180~1230℃加热6小时，Ø380mm圆坯轧制配有一架往复式开坯机和6架平立交错连轧机，开轧温度1100~1140℃，终轧温度930~980℃；在轧制Ø90mm~Ø100mm钢材时，控制上冷床温度800~880℃，在冷床入口处布置10台风压400pa和风量20000m³/h的轴流式降温风机，通过降温风机对钢材进行降温处理，温降控制在6~10℃/min，钢材入坑温度控制在320~450℃。

下面具体说明本发明对杆头用锻造非调质钢化学成分的限定理由：

C：碳元素可以显著提高强度指标，特别是抗拉强度，本发明钢种替代的钢种为调质45钢，因此碳元素含量以0.45%为基础进行确定，但碳元素含量的提高对产品锻造后韧性指标却是不利。根据我们的研究，在非调质钢中，碳元素对冲击韧性的影响非常明显，对此必须对碳元素含量加以限制。所以C含量取0.34~0.37%。

Si：一般硅元素含量范围为0.15~0.37%，在此范围内，硅元素对钢材力学性能的贡献有限，如果添加硅元素，硅元素易与钢中的钙、铝、氧结合形成复合夹杂物，为了改变钢中夹杂物的组成，本发明钢种在成分设计中将硅控制在较低的范围内。综合考虑成本，将Si含量确定为≤0.13%。

Mn：对锰元素来说，只要含量不过超1.40%，锰对于带状组织的作用则不会很明显，同时锰含量在1.40%范围内，锰含量的增加可以同步增加强度和韧性，结合发明钢种锻后力学性能的要求，因此将Mn含量确定为1.05~1.25%。

Cr：铬元素具有防氧化，抗腐蚀与耐磨等特点，但是含量较高又会恶化钢种的韧性，对此，在钢种设计中少量添加，综合考虑，将Cr含量确定为0.15~0.25%。

V：钒作为一种在非调质钢中最常见的微合金化元素之一，几乎每种非调质钢中都或多或少添加一定的量，由于钒的固溶温度较低，在一般的加热制度下，大部分钒都会固溶于奥氏体之中，在随后的冷却过程中析出起到强化作用，还有一大部分依然固溶于奥氏体中起到固溶强化作用，而固溶强化效果远远没有析出强化显著，为了控制生产成本，同时考虑韧性和强度要求，因此将V含量确定为0.035~0.050%。

Al：在本发明钢种中铝主要用于细化晶粒和平衡钢中氧含量。一般钢水中酸溶铝含量为0.02~0.05%时，与其平衡的氧含量为3~7ppm，同时考虑铝、钒与氮复合细化晶粒的作用，在成分设计中，将Al含量设计为0.015~0.035%。

N：在本发明钢中氮与添加的钒、铝一起复合细化晶粒，结合钒的含量和铝的含量设定氮含量，为了防止氮含量过高恶化韧性，将N含量确定为0.0085~0.0110%。

为了控制生产成本和力学性能的稳定，将Ni、Cu、Mo、P、S、Nb、Ti、B、As、、[O]、[H]都作为残余元素加以控制，含量设计为：Ni≤0.10%、Cu≤0.10%、Mo≤0.0050%、P≤0.012%、S≤0.005%、Nb≤0.0050%、Ti≤0.0030%、B≤0.0008%、As≤0.0040%、[O]≤20ppm、[H]≤2ppm。特别是Mo、Nb、Ti三种元素含量的控制。

本发明的优点在于：

第一、本发明的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，为了改变发明钢种的夹杂物组成，根据硅元素在一般钢中的含量和对力学性能的作用特点，将硅元素含量设定在0.13%以内。

第二、本发明的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，在保证力学性能满足设计要求的提前下，创新的引入了钒、铝和氮复合细化晶粒的配比，最大限度的发挥钒、铝对细化晶粒作用，从而降低细化晶粒元素的用量。

第三、本发明的一种液压缸杆头用锻造非调质钢的生产工艺，在铁水预脱硫工艺上，依据脱硫后硫含量的要求，创新性选择合适的脱硫剂和配比。

第四、本发明的一种液压缸杆头用锻造非调质钢的生产工艺，根据钢水中酸溶铝的不同含量，向钢水中喂入不同量的纯钙线对钢中夹杂物进行变性处理。

第五、本发明的一种液压缸杆头用锻造非调质钢的生产工艺，在冷床入口处，布置一定数量的轴流式风机，对钢材进行强制风冷。

第六、本发明的一种液压缸杆头用锻造非调质钢及其生产方法，在轧制比≥6的前提下使用本发明生产所得液压缸杆头用锻造非调质钢的热轧状态下下屈服强度530~580Mpa、抗拉强度810~860Mpa、延伸率20~24%、断面收缩率55~64%、常温U型冲击韧性55~65J/cm2。

具体实施方式

实施列1~3采用以下生产工艺制备：

2）转炉冶炼（LD）：以自产废钢和脱硫铁水为原料，其中废钢为自产碳素钢废钢，铁水与废钢的比例控制在8:2以上，采用顶底复吹式转炉粗炼，转炉终点主要成分控制：C0.12~0.28%、S≤0.015%、P≤0.008%，终点温度1610~1650℃，出钢20吨后依次向钢水分别加入低普通碳粉、金属锰、中碳铬铁、石灰、萤石，其中金属锰（W（Mn）≥98%）10~12kg/t、中碳铬铁（W（Cr）≥55%）2~4kg/t、石灰4~5kg/t、萤石1.5~3kg/t。在吹氩站处理3~5分钟后，向渣面快速投入保温剂，同时根据出钢碳向钢水中喂入铝线4~7m/t，确保到LF炉钢水中C 0.26~0.32%、Si≤0.08%、Mn 0.90~1.05%、Cr 0.10~0.15%、Al 0.040~0.060%；

5）连铸（CCM）：采用弧形连铸机，全程氩气保护浇铸，中间包第一炉过热度按＞35~45℃控制，连浇炉次过热度按25~35℃控制，200方连铸机弧半径R=12m，Ø380mm圆坯连铸机弧半径R=16m，200方拉速为1.4m/min，Ø380mm圆坯拉速为0.55m/min，200方配有结晶器（电流310A，频率6HZ）与末端（电流140A，频率10HZ）两段电磁搅拌，Ø380mm圆坯配有结晶器（电流220A，频率3HZ）、二冷（电流190A，频率10HZ）与末端（电流410A，频率8HZ）三段电磁搅拌，钢坯全部入坑缓冷，入坑温度500~650℃；

7）锻造：将非调质钢利用中频感应加热炉加热到1260℃，出炉后粗锻和模锻，终锻结束后风冷，风冷至580℃后空冷。所得液压缸杆头用锻造非调质钢的化学成分（%）如表1和表2所示。

表1液压缸杆头用锻造非调质钢的主要化学成分（%）

表2液压缸杆头用锻造非调质钢的主要化学成分（%）

根据GB/T228.1和GB/T229对实施例1~3制造的非调质钢力学性能进行检验，对锻造后液压缸杆头二分之一半径处的力学性能进行检验，同时对比了相同锻造工艺下调质45钢的性能，具体结果见表3和表4。

表3液压缸杆头用锻造非调质钢的力学性能

表4液压缸杆头力学性能

Claims

1.一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：

由以下元素按质量百分比组成：C0.34 ~ 0.37%、Si≤0.13%、Mn 1.05 ~ 1.25%、Cr0.15 ~ 0.25%、Cu≤0.10%、Ni≤0.10%、Mo≤0.0050%、V 0.035 ~ 0.050%、Nb≤0.0050%、As≤0.0040%、Al 0.015 ~ 0.035%、P≤0.012%、S≤0.0050%、B≤0.0008%、Ti≤0.0030%、N0.0085 ~ 0.0110%、[O]≤20ppm、[H]≤2ppm，余量为Fe和不可避免的杂质元素；其中（Al+V）/N控制在4.55 ~ 10、V/Al控制在1 ~ 3.33；

包括下列生产步骤：

1）铁水预脱硫：采用喷吹的方法对铁水进行预脱硫处理，按照脱硫后铁水中硫含量≤0.006%目标，以氮气为载体至少分3次向铁水中喷入脱硫剂，待脱硫反应充分发生后，利用扒渣器将脱硫渣扒除干净；

2）转炉冶炼（LD）：以废钢和脱硫铁水为原料，采用顶底复吹式转炉冶炼，终点温度为1610 ~ 1650℃，出钢20吨后依次向钢水分别加入低氮增碳剂碳粉、金属锰、中碳铬铁、石灰、萤石，在吹氩站处理3 ~ 5分钟后，向渣面快速投入保温剂，同时根据出钢碳向钢水中喂入铝线，确保到LF炉钢水中C 0.26 ~ 0.32%、Si≤0.08%、Mn 0.90 ~ 1.05%、Cr 0.10~0.15%、Al 0.040 ~ 0.060%；

3）钢包精炼（LF）：钢水到站后开通底吹氩气搅拌2 ~ 3分钟，使用脱氧剂进行渣面脱氧；根据第一样中铝含量向钢水喂入铝线，在精炼中后期调整化学成分，其中在白渣状态下向钢水中加入0.9 kg/t钒铁重量含量为50%，白渣时间控制在20 ~ 35min；精炼终渣主要组分满足：CaO 50 ~ 60%、Al₂O ₃ 20 ~ 30%；LF炉精炼结束后，根据钢水中酸溶铝含量向钢水中喂入纯钙线，丝线喂入结束后底吹氩气搅拌2 ~ 4min，氩气流量控制在20 ~ 80NL/min；

4）真空循环脱气（RH）：在真空度≥100Pa条件下处理钢水3 ~ 5分钟，随后在真空度≤50Pa条件下处理钢水15 ~ 20分钟，处理过程中全程使用氩气作为提升气体，软吹15 ~25min；

5）连铸（CCM）：采用弧形连铸机，全程氩气保护浇铸，中间包第一炉过热度按35 ~ 45℃控制，连浇炉次过热度按25 ~ 35℃控制，200方拉速为1.4m/min，Ø380mm圆坯拉速为0.55m/min，钢坯全部入坑缓冷，入坑温度500 ~ 650℃；

6）轧钢：钢坯冷态入炉，轧制比≥6，200方轧制钢材规格＜Ø70mm和Ø380mm圆坯轧制规格Ø70mm ~ Ø100mm；200方加热制度：在1000 ~ 1120℃加热3小时，开轧温度980 ~ 1010℃，200方轧制采用平立交错12架轧机，终轧温度850 ~ 880℃，在轧制＜Ø70mm钢材时，控制上冷床温度700 ~ 750℃，在冷床入口处通过降温风机对钢材进行降温处理，温降控制在12 ~20℃/min，钢材入坑温度控制在280 ~ 350℃；Ø380mm圆坯加热制度：在1180 ~1230℃加热6小时，Ø380mm圆坯轧制配有一架往复式开坯机和6架平立交错连轧机，开轧温度1100 ~1140℃，终轧温度930 ~ 980℃；在轧制Ø90mm ~ Ø100mm钢材时，控制上冷床温度800 ~880℃，在冷床入口处通过降温风机对钢材进行降温处理，温降控制在6 ~ 10℃/min，钢材入坑温度控制在320 ~ 450℃；

步骤1）中，所述脱硫剂配比为：CaO+Mg+CaF2配比为7:1.6:1。

2.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：由以下元素按质量百分比组成：C 0.34 ~ 0.36%、Si 0.08 ~ 0.13%、Mn 1.20 ~ 1.25%、Cr 0.15 ~0.20%、Cu≤0.08%、Ni≤0.04%、Mo≤0.0030%、V 0.040 ~ 0.050%、Nb≤0.0040%、As≤0.0040%、Al 0.015 ~0.030%、P≤0.010%、S≤0.0030%、B≤0.0005%、Ti≤0.0030%、N 0.0095~ 0.0110%、[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质元素，其中（Al+V）/N控制在5 ~ 8.42、V/Al控制在1.33 ~ 3.33。

3.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：所述步骤2）中，转炉终点成分控制要求为：C 0.12 ~ 0.28%、S≤0.015%、P≤0.008%。

4.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：所述步骤2）中，其中金属锰质量含量Mn≥98%，吨钢加入10 ~ 12kg/t，中碳铬铁质量含量Cr≥55%，吨钢加入2 ~ 4kg/t，石灰吨钢加入4 ~ 5kg/t，萤石吨钢加入1.5 ~ 3kg/t；在吹氩站理3 ~ 5分钟后向钢水中喂入铝线4 ~ 7m/t。

5.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：所述步骤3）中，第一样后向钢水喂入铝线，使铝质量含量控制在0.040 ~ 0.060%。

6.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：所述步骤3）中，根据钢水中酸溶铝的成分向钢水中喂入纯钙线，在Als≤0.035%时吨钢喂入0.4～0.6m纯钙线，在Als＞0.035%时吨钢喂入0.7～1.0m纯钙线。

7.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：所述步骤4）中，在RH真空处理时，提升气体流量控制在50 ~ 80 Nm³/h，软吹时底吹气体流量控制在40 ~80NL/min。

8.如权利要求1所述的一种液压缸杆头用锻造非调质钢，其特征在于：在轧制＜Ø70mm钢材时，在冷床入口处布置10台风压400pa和风量10000m³ /h的轴流式降温风机；在轧制Ø90mm ~ Ø100mm钢材时，在冷床入口处布置10台风压400pa和风量20000m ³/h的轴流式降温风机。