工程機(jī)械用鋼35MnBH的開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐

王 媛

（河鋼集團(tuán)宣化鋼鐵公司，河北宣化 075100）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),各類機(jī)械產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域,市場(chǎng)前景廣闊。35MnBH為工程機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼，具有淬透性好，強(qiáng)度、硬度和韌性高的特性，被廣泛用于工程機(jī)械零部件制造。宣化鋼鐵有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱宣鋼）經(jīng)過廣泛的市場(chǎng)調(diào)研和科學(xué)論證,決定利用現(xiàn)有150噸轉(zhuǎn)爐副槍自動(dòng)煉鋼、鐵水KR脫硫、RH真空處理等先進(jìn)冶煉技術(shù)工藝和裝備,組織工程機(jī)械用結(jié)構(gòu)鋼35MnBH的研制與開發(fā)工作。35MnBH屬于保淬透性結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)鋼材的淬透性有較高的要求，這也是此次35MnBH鋼研發(fā)的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文根據(jù)工程機(jī)械用結(jié)構(gòu)鋼35MnBH的理化性能要求，設(shè)定了35MnBH鋼化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝路線，從煉鋼、精煉、連鑄、軋制工序詳細(xì)制定了工藝操作要點(diǎn)，并對(duì)35MnBH熱軋圓鋼低倍組織、金相組織、晶粒度及發(fā)紋、淬透性、力學(xué)性能、夾雜物等檢查結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 35MnBH鋼化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝設(shè)定

1.1 化學(xué)成分設(shè)定

根據(jù)用戶對(duì)淬透性的要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外新開發(fā)35MnBH成分特點(diǎn)，以及在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中得出的各元素主要作用，確定C元素含量及合金元素成分范圍。

用Si元素提高碳鋼過冷奧氏體在中溫區(qū)的穩(wěn)定性；稍高的Mn元素含量可提高鋼淬透性；P元素含量盡量低；為改善鋼材切削加工性能，S元素含量要求下限不低于0.010%；鋼中加入微量Cr元素（含量0.10～0.20%），既可保證轉(zhuǎn)爐冶煉35MnBH鋼的淬透性要求，同時(shí)可提高鋼的機(jī)械性能，保證鋼材的耐磨性；用B提高淬透性，可節(jié)約大量貴重合金元素，同時(shí)還可以獲得優(yōu)良的機(jī)械性能；Al元素在鋼中以氮化鋁彌散物的形式存在，可阻止晶界的遷移，從而起到細(xì)化晶粒的作用，根據(jù)1600℃時(shí)Al、Ti、B元素的氧化物和氮化物形成自由能，要保證鋼中的Ti、B元素不被氧化，Al元素含量控制在0.015～0.025%較合適。Ti元素在硼鋼中并不作為合金元素考慮,主要用于固定氮,以保證B的回收率穩(wěn)定和淬透效果的發(fā)揮[1]。

優(yōu)化后35MnBH化學(xué)成分控制要求見表1。同時(shí)將成分內(nèi)控范圍進(jìn)行逐步縮窄并確定目標(biāo)值，實(shí)行窄成分控制，確保鋼坯的通體穩(wěn)定性[2]。

表1 35MnBH化學(xué)成分控制要求 %

1.2 生產(chǎn)工藝設(shè)定

根據(jù)35MnBH化學(xué)成分、力學(xué)性能要求，結(jié)合其后續(xù)加工和使用特點(diǎn)，設(shè)定了35MnBH圓鋼生產(chǎn)工藝流程，即：鐵水KR脫硫→150t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→180tLF精煉爐→180tRH真空精煉爐→165mm×165mm方坯連鑄→棒材軋機(jī)。

2 35MnBH鋼生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)

2.1 轉(zhuǎn)爐操作要點(diǎn)

（1）轉(zhuǎn)爐底吹采用N2、Ar切換工藝；冶煉采用雙渣操作，堿度≥3.0；采用高拉碳、C-T協(xié)調(diào)出鋼；出鋼時(shí)C元素含量要求≥0.10%、P元素含量要求≤0.012%。

（2）轉(zhuǎn)爐出鋼過程采用擋渣帽擋前期渣，擋渣球擋后期渣，嚴(yán)禁爐口下渣，減少轉(zhuǎn)爐氧化渣流入大包。

（3）轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí),大包全程吹A(chǔ)r，出鋼過程物料及合金加入順序?yàn)榈偷鎏紕?、鋁鐵或鋁塊、高碳錳鐵、高碳鉻鐵、硅錳合金，待合金化物料加完后加入預(yù)熔頂渣料800kg。

（4）第一爐進(jìn)LF爐的鋼水，C元素含量要求控制在0.27～0.30%，溫度要求≥1530℃。具體進(jìn)LF爐成分要求詳見表2。

表2 進(jìn)LF爐成分要求（按目標(biāo)成分下限） %

2.2 LF精煉操作要點(diǎn)

（1）鋼包入LF工位后立即送電，同時(shí)加入預(yù)熔合成渣250kg、白灰1000kg，精煉過程可視情況用螢石調(diào)整爐渣流動(dòng)性。

（2）精煉取第一樣前，前期使用鋁粒和電石強(qiáng)化脫氧，中后期用電石強(qiáng)化脫氧，并保證爐渣發(fā)泡，提高埋弧效果；精煉取第一樣后，粗調(diào)成分并喂鋁線調(diào)整鋼中Alt含量，鋁線吸收率按80%考慮，Alt含量調(diào)整目標(biāo)值為0.050～0.060%；精煉過程加鋁粒保持，喂鈣線前Alt控制在0.04～0.05%。

（3）保證白渣時(shí)間≥20min，中后期要勤加電石以保持白渣；精煉渣堿度大于3.5，目標(biāo)值控制在5.0；渣中Al2O3含量控制在20～30%，目標(biāo)值為25～30%，F(xiàn)eO+MnO≤1.0%。

（4）鋼水成分、溫度合格后進(jìn)行鈣處理，出LF精煉成分要求詳見表3；喂鈣線后軟吹10min；整個(gè)精煉周期控制在60～70min。

表3 出LF精煉成分要求 %

2.3 RH真空精煉操作要點(diǎn)

RH真空精煉周期控制在60～80 min；真空度＜100Pa、吹A(chǔ)r流量≥120m3/h條件下脫氣20～25min，確保RH出站N元素含量≤40ppm；為保證鋼中B元素含量，確定RH真空處理后各種合金料的加入順序?yàn)楣桠}鋇線、鈦線、硼線，軟吹后喂硫線。

表4 出RH真空精煉成分要求 %

2.4 連鑄工序操作要點(diǎn)

（1）中間包采用全過程保護(hù)澆注。中間包必須嚴(yán)格密封，開澆前用Ar吹掃中間包；采用改型后大包保護(hù)套管，確保長(zhǎng)水口+密封墊+吹A(chǔ)r封保護(hù)效果（鋼包→中包,N元素增加量≤10ppm）；浸入式水口采用φ30mm防絮流水口，水口安裝密封、對(duì)中良好，插入結(jié)晶器鋼水深度控制在100～140mm；使用低碳中包覆蓋劑及碳化稻殼。

（2）結(jié)晶器銅管過鋼量≤2000t，確保鑄坯不出現(xiàn)角部裂紋；結(jié)晶器電磁攪拌采用小攪拌電流，避免鑄坯產(chǎn)生白亮帶，參數(shù)控制為：頻率4Hz、電流120A。

（3）二冷采取弱冷，保證鑄坯冷卻均勻，提高鑄坯等軸晶比率。二冷比水量控制在0.30L/kg；35MnBH鋼液相線溫度為1500℃，連鑄第1爐鋼水過熱度控制在60℃以內(nèi)，正常爐次控制在40℃以內(nèi)；嚴(yán)格執(zhí)行恒速拉鋼，拉速控制在1.2～1.45m/min，拉速波動(dòng)≤0.1m/min。

（4）每爐鑄坯每流取樣作低倍；連鑄坯分爐集中堆放，緩冷放置24h后軋制；軋制生產(chǎn)時(shí)，遵照按爐送鋼、單爐組批的原則進(jìn)行組織；裝爐時(shí)，爐與爐之間作明顯標(biāo)識(shí)，送鋼過程專人跟蹤。

圖1為35MnBH鋼連鑄坯低倍圖片。由圖1可見，連鑄坯低倍質(zhì)量良好，說明連鑄工藝制定合理，操作控制效果較好。

圖1 35MnBH鋼連鑄坯低倍圖片

2.5 軋鋼工序操作要點(diǎn)

（1）嚴(yán)格執(zhí)行35MnBH鋼溫度制度，保證鋼坯加熱時(shí)間、加熱溫度，鋼坯上、下溫差應(yīng)小于30℃（目標(biāo)）；爐內(nèi)保證還原氣氛；鋼坯全數(shù)使用高壓水除鱗設(shè)備去除爐生氧化鐵皮。35MnBH鋼溫度制度如表5所示。

表5 35MnBH鋼溫度制度

（2）軋制要嚴(yán)格按軋制程序表執(zhí)行，確保軋件中間料型尺寸；軋機(jī)區(qū)保留軋輥、導(dǎo)衛(wèi)必要的冷卻水，不允許冷卻水四處飛濺，軋機(jī)機(jī)架間導(dǎo)槽、空過輥道、軋機(jī)區(qū)后的輥道和冷床不得有水；軋后快速收集，入緩冷坑堆垛緩冷，入坑溫度大于450℃，溫度降低到200℃以下出坑。

（3）圓鋼直徑允許偏差應(yīng)該符合GB/T 702第2組規(guī)定；熱軋圓鋼重量、長(zhǎng)度、不圓度、彎曲度及允許偏差按GB/T 702中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

4）鋼材表面不得有目視可見的裂紋、結(jié)疤、折疊、夾雜等缺陷，發(fā)現(xiàn)上述缺陷必須清除，清除深度不超過鋼材尺寸公差范圍，清除寬度不小于深度的5倍，同一截面達(dá)到最大清除深度不應(yīng)多于1處；允許存在不超過1/2公差尺寸的細(xì)小劃痕、壓痕、麻點(diǎn)、裂紋等缺陷，但深度不得超過0.2mm。

3 成品檢測(cè)分析

3.1 低倍組織檢測(cè)分析

表6為35MnBH圓鋼低倍檢驗(yàn)情況。由表6可以看出，低倍組織均勻致密，未發(fā)現(xiàn)縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、折疊、白點(diǎn)及有害夾雜物，低倍組織符合技術(shù)要求。

表6 35MnBH鋼低倍組織情況 級(jí)

3.2 晶粒度及發(fā)紋檢測(cè)分析

表7為35MnBH圓鋼晶粒度級(jí)別及發(fā)紋檢驗(yàn)情況，圖2為35MnBH圓鋼塔形發(fā)紋檢測(cè)情況。

由表7可以看出，熱軋35MnBH圓鋼晶粒級(jí)別大于技術(shù)要求，穩(wěn)定在7～8級(jí)[3]。這主要是采用喂鋁線、鈦線，使鈦-鋁化合物在鋼中以細(xì)小彌散質(zhì)點(diǎn)形式分布于晶界，阻止了晶粒長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒的目的。

表7 35MnBH鋼晶粒度級(jí)別及發(fā)紋情況

由圖2可以看出，35MnBH鋼塔形試驗(yàn)未出現(xiàn)發(fā)紋裂。這主要是冶煉采用轉(zhuǎn)爐+LF精煉+RH真空精煉工藝，同時(shí)強(qiáng)化工藝操作，并嚴(yán)格執(zhí)行物流料干燥、鋼包烘烤制度。

圖2 35MnBH鋼塔形發(fā)紋檢測(cè)情況

3.3 末端淬透性檢測(cè)分析

淬火后，鋼材截面上個(gè)點(diǎn)的硬度代表鋼淬透能力，高的淬透性能保證了所加工的零件在整個(gè)截面能得均勻的力學(xué)性能[4]。表8為35MnBH圓鋼末端淬透性檢驗(yàn)情況，由表8可以看出，個(gè)點(diǎn)硬度值均滿足國(guó)標(biāo)要求。按GB 225-88檢驗(yàn)，試生產(chǎn)的35MnBH圓鋼淬透性帶寬已控制在≤4HRC，表明圓鋼淬透性穩(wěn)定，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

表8 35MnBH鋼末端淬透性檢驗(yàn)情況 HRC

3.4 力學(xué)性能檢測(cè)分析

表9為35MnBH圓鋼力學(xué)性能檢驗(yàn)情況。從表8、表9可以看出，35MnBH化學(xué)成分設(shè)計(jì)的內(nèi)控范圍合理、準(zhǔn)確，使鋼材的綜合力學(xué)性能、末端淬透性帶中個(gè)點(diǎn)硬度值均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，并實(shí)現(xiàn)窄淬透性帶控制目標(biāo)。

表9 35MnBH鋼力學(xué)性能檢驗(yàn)情況

3.5 非金屬夾雜物檢測(cè)分析

表10為35MnBH鋼非金屬夾雜物檢驗(yàn)情況。按ASTM E45 JK評(píng)級(jí)圖A法檢驗(yàn)鋼的非金屬夾雜物，檢測(cè)值符合合格級(jí)別要求。

表10 35MnBH鋼非金屬夾雜物檢驗(yàn)情況 級(jí)

4 結(jié)語

本文對(duì)35MnBH工程機(jī)械用鋼的性能要求和使用特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了35MnBH鋼的化學(xué)成分控制范圍及生產(chǎn)工藝路線，并從煉鋼、精煉、連鑄、軋鋼等方面提出重點(diǎn)工藝控制要點(diǎn)。實(shí)踐證明，通過嚴(yán)格執(zhí)行重點(diǎn)工藝控制要點(diǎn)，按上述化學(xué)成分控制范圍和工藝路線生產(chǎn)的35Mn-BH鋼純凈度高、晶粒細(xì)小、淬透性穩(wěn)定，圓鋼淬透性帶寬已控制在≤4HRC。

宣鋼開發(fā)的35MnBH工程機(jī)械用鋼經(jīng)由某工程機(jī)械公司使用，其各項(xiàng)指標(biāo)滿足了客戶要求，且具備良好的強(qiáng)韌性配合。目前產(chǎn)品銷量已達(dá)到7000多噸，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平。工程機(jī)械用履帶鋼35MnBH的開發(fā)成功，不僅顯著提高了產(chǎn)品技術(shù)含量與附加值，為品種結(jié)構(gòu)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定了基礎(chǔ)，還提高了公司產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。