支重輪用40Mn2-LS 大棒材的研制

劉海濤，劉巖，張龍，張建元，杜東福

（凌源鋼鐵股份有限公司，遼寧 凌源 122500）

40Mn2-LS 為凌源鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“凌鋼”）供終端客戶技術(shù)協(xié)議牌號(hào)，屬于中碳調(diào)質(zhì)錳鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性及耐磨性，用于生產(chǎn)工程機(jī)械支重輪。 但是凌鋼生產(chǎn)的國(guó)標(biāo)40Mn2-LS 圓鋼末端淬透性J15 硬度值較協(xié)議要求高4 HRC 左右，錳含量低于協(xié)議要求，因此，必須調(diào)整工藝以滿足客戶要求。 通過(guò)優(yōu)化相關(guān)冶煉和軋制工藝，采取對(duì)應(yīng)措施后，成功生產(chǎn)了符合客戶要求的40Mn2-LS 大棒材。 本文對(duì)此做一介紹。

1 開(kāi)發(fā)方案

1.1 成分設(shè)計(jì)

40Mn2-LS 作業(yè)條件復(fù)雜、惡劣，結(jié)合下游客戶加工、熱處理工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)化學(xué)成分時(shí)應(yīng)該考慮以下6 點(diǎn)：

（1）碳含量過(guò)高影響產(chǎn)品焊接性能，同時(shí)增加淬火裂紋的敏感性；

（2）較高的錳含量可以增加產(chǎn)品的耐磨性；

（3）采用鋁、鈦微合金化細(xì)化晶粒；

（4）鋼中殘硼含量對(duì)淬透性影響較大，需控制在0.000 5%以內(nèi)；

（5）鈦能改變鋼中硼的存在形式，降低鈦會(huì)減少固溶硼中的有效硼，降低鋼的淬透性[1-2]，將鈦含量由國(guó)標(biāo)的0.030%降低至0.015%，以保證產(chǎn)品淬透性符合要求；

（6）化學(xué)成分需窄范圍控制，且磷、硫含量需分別控制在0.020%、0.015%以下。

凌鋼設(shè)計(jì)的40Mn2-LS 鋼化學(xué)成分如表1所示。

表1 40Mn2-LS 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in 40Mn2-LS Steel （Mass Fraction）%

1.2 工藝路線

120 t 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→120 t LF 爐精煉→120 t RH 真空精煉→連鑄390 mm×510 mm 大方坯→緩冷→圓材軋制。

2 工藝控制

2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝

40Mn2-LS 鋼具有白點(diǎn)敏感性，在冶煉時(shí)要盡可能保證冶煉物料干燥，合金料要求經(jīng)過(guò)烘烤400 ℃以上方可使用； 為降低鋼水中的氧含量，減少鋼中夾雜物，要求終點(diǎn)碳控制大于0.10%；出鋼時(shí)以滑板擋渣為主，配合擋渣塞及擋渣錐共同完成擋渣操作，下渣量控制在50 mm 以內(nèi)，以降低鋼中的磷含量；為降低鋼中殘硼含量，保證產(chǎn)品淬透性滿足客戶要求，控制加入鋼中含硼量高的合金和輔料，采用低硼精煉渣代替預(yù)熔型鋁酸鈣進(jìn)行頂渣改質(zhì)，采用中碳錳鐵和硅鐵代替硅錳合金進(jìn)行錳、硅成分初合金化。

2.2 LF 精煉工藝

LF 精煉采用電石、鋁粒等脫氧材料進(jìn)行快速脫氧，保證在供電10 min 內(nèi)形成白渣，以強(qiáng)化脫氧、去夾雜效果；保持白渣時(shí)間不小于20 min，渣中FeO+MnO≤1.0%；精煉處理結(jié)束后通過(guò)鈣處理模型軟件計(jì)算喂鈣線量，進(jìn)行精準(zhǔn)鈣處理，使Al2O3夾雜物與CaO 形成低熔點(diǎn)、 低密度的12CaO·7Al2O3，避免水口結(jié)瘤發(fā)生。

2.3 RH 真空精煉工藝

RH 過(guò)程錳含量降低較多，最多達(dá)0.07%。 由相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]可知，中高錳鋼在RH 生產(chǎn)過(guò)程中錳元素存在氣化的現(xiàn)象，錳含量越高，深真空處理時(shí)間越長(zhǎng)，錳元素?fù)p失越多，因此將錳含量按內(nèi)控目標(biāo)值提高0.04%。RH 精煉對(duì)鋼液進(jìn)行真空脫氣，工作真空度≤67 Pa 保持20 min，保證鋼水中w[H]≤0.000 2%，有效降低鋼液中氣體含量。 真空精煉結(jié)束后軟吹氬時(shí)間≥20 min，保證夾雜物充分上浮。

2.4 連鑄工藝

生產(chǎn)前檢查鑄機(jī)對(duì)弧、對(duì)中，保證對(duì)弧、對(duì)中精度，檢查二冷噴淋狀態(tài)保證冷卻均勻。生產(chǎn)過(guò)程中，采用中間包長(zhǎng)水口保護(hù)澆鑄并吹氬密封，以防止鋼水二次氧化。對(duì)于裂紋敏感鋼種，傳統(tǒng)的二冷水量設(shè)計(jì)思路為降低比水量，緩慢冷卻，避免產(chǎn)生裂紋。 通過(guò)研究40Mn2 裂紋產(chǎn)生機(jī)理并結(jié)合凌鋼實(shí)際工況，設(shè)計(jì)40Mn2-LS 鋼的二冷比水量為0.18 L/kg，在鑄坯矯直區(qū)域避開(kāi)鋼種脆性區(qū)間的前提下，提高冷卻強(qiáng)度，使鑄坯在矯直區(qū)具有足夠的坯殼強(qiáng)度抵抗應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。 40Mn2-LS鋼錳含量較高，柱狀晶發(fā)達(dá)，等軸晶區(qū)相對(duì)較小[5]，采用M-EMS+F-EMS+輕壓下技術(shù)有效改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

2.5 軋制工藝

40Mn2-LS 屬于裂紋敏感鋼，鑄坯加熱時(shí)，若預(yù)熱溫度過(guò)高、加熱速度過(guò)快，易造成鑄坯內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大，從而產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。 凌鋼采用預(yù)熱段不開(kāi)燒嘴、 利用其它三個(gè)高溫段爐氣余溫低溫預(yù)熱鋼坯技術(shù)，使鑄坯在500 ℃之前形成緩慢預(yù)熱環(huán)境，避免了表面大裂紋的產(chǎn)生。 40Mn2-LS鋼鑄坯加熱溫度如表2 所示。

《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)大學(xué)生思想政治教育的意見(jiàn)》指出：“社會(huì)實(shí)踐是大學(xué)生思想政治教育的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于促進(jìn)大學(xué)生了解社會(huì)了解國(guó)情、增長(zhǎng)才干、奉獻(xiàn)社會(huì)，鍛煉毅力、培養(yǎng)品格，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感具有不可替代的作用?！盵1]校企合作培養(yǎng)模式下大學(xué)生到企業(yè)(公司)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，是一種很好的實(shí)踐方式，在這一環(huán)節(jié)加強(qiáng)思想政治教育，注重理論與實(shí)踐相合，將會(huì)有效地提高思想政治教育的針對(duì)性，增強(qiáng)思想政治教育的育人功能。

表2 40Mn2-LS 鋼鑄坯加熱制度Table 2 Heating Schedule for 40Mn2-LS Casting Blanks

3 結(jié)果分析

3.1 鑄坯質(zhì)量

生產(chǎn)的40Mn2-LS 化學(xué)成分見(jiàn)表3。從表3 看出，40Mn2-LS 鋼的化學(xué)成分均滿足協(xié)議要求。

表3 40Mn2-LS 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Chemical Compositions in 40Mn2-LS Steel （Mass Fraction）%

為避免鑄坯在軋制圓鋼和用戶深加工過(guò)程出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量缺陷，對(duì)試制鑄坯進(jìn)行了逐支表檢，未發(fā)現(xiàn)凹陷、結(jié)疤、渣坑、裂紋等表面缺陷。對(duì)試制鑄坯逐爐抽樣進(jìn)行了橫截面酸洗低倍組織檢驗(yàn)，40Mn2-LS 鑄坯低倍組織形貌見(jiàn)圖1。 鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量較好，中心偏析0 級(jí)、中心疏松0.5 級(jí)、無(wú)中心縮孔。

圖1 40Mn2-LS 鑄坯低倍組織形貌Fig. 1 Macrostructure Appearances of 40Mn2-LS Casting Blanks

3.2 圓鋼質(zhì)量

（1）低倍組織

對(duì)軋制成材的圓鋼分批取樣進(jìn)行低倍酸洗，以檢驗(yàn)其內(nèi)部低倍組織情況，低倍組織形貌見(jiàn)圖2所示，檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

圖2 40Mn2-LS 圓鋼低倍組織形貌Fig. 2 Macrostructure Appearances of 40Mn2-LS Round Steel

表4 40Mn2-LS 鑄坯低倍組織Table 4 Macrostructures in 40Mn2-LS Casting Blanks

由表4 看出，試樣一般疏松、中心疏松等級(jí)均為0.5 級(jí)，中心偏析0 級(jí)，完全滿足40Mn2-LS 技術(shù)協(xié)議中的相關(guān)要求。

（2）力學(xué)性能

40Mn2-LS 作為支重輪用鋼，要求其具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。 對(duì)生產(chǎn)的圓鋼進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 40Mn2-LS 圓鋼力學(xué)性能Table 5 Mechanical Properties of 40Mn2-LS Round Steel

（3）非金屬夾雜物

非金屬夾雜物通常使產(chǎn)品的塑性、韌性、強(qiáng)度和疲勞性能受到顯著影響。 40Mn2-LS 圓鋼非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 40Mn2-LS 圓鋼非金屬夾雜物Table 6 Non-metallic Inclusions in 40Mn2-LS Round Steel

由表6 看出，由于40Mn2-LS 鋼采用LF+RH精煉工藝，加強(qiáng)精煉造白渣操作及軟吹氬攪拌，充分脫除鋼中氣體和促進(jìn)非金屬夾雜物的上浮，非金屬夾雜物含量低，完全滿足技術(shù)協(xié)議中的相關(guān)要求。

（4）晶粒度

細(xì)晶粒鋼具有較高的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有精加工性及深沖性特點(diǎn)。 通常細(xì)化晶粒的手段是向鋼中加入Al、Nb、Ti、V 等微合金化元素，通過(guò)上述元素與鋼中氮、碳形成氮化物、碳化物在鋼中彌散分布以阻止晶粒長(zhǎng)大達(dá)到細(xì)化晶粒目的。 40Mn2-LS 鋼中含有Al、Ti 細(xì)化晶粒元素，經(jīng)檢驗(yàn)，晶粒度均在8.5 級(jí)，完全滿足協(xié)議中≥5 級(jí)的要求。 40Mn2-LS 圓鋼晶粒度見(jiàn)圖3。

圖3 40Mn2-LS 圓鋼晶粒度Fig. 3 Grain Size of 40Mn2-LS Round Steel

（5）末端淬透性

鋼的淬透性是鋼的熱處理工藝性能，支重輪用鋼在淬火條件下，淬透性對(duì)其力學(xué)性能有重要影響。 40Mn2-LS 圓鋼末端淬透性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 40Mn2-LS 圓鋼末端淬透性Table 7 Hardenability of 40Mn2-LS Round Steel End

由表7 看出，通過(guò)將鈦含量由原工藝的0.030% 降低至0.015%，采用低硼物料，將鋼中殘硼由0.000 6%～0.000 8%降低至0.000 5%以內(nèi)，40Mn2-LS 大棒材J15 硬度值較國(guó)標(biāo)40Mn2 明顯降低，末端淬透性檢驗(yàn)結(jié)果符合協(xié)議要求。

采用的控鈦新工藝也可推廣到40Mn2、37Mn5、45Mn2 等國(guó)標(biāo)牌號(hào)，能夠降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)控制加入鋼中含硼高的合金和輔料，成品殘硼控制在0.000 5%以下；減少鋼中鈦加入量，降低有效硼含量，使40Mn2-LS 大棒材關(guān)鍵指標(biāo)末端淬透性滿足要求。

（2）適當(dāng)提高進(jìn)RH 真空的鋼水錳含量，滿足了40Mn2-LS 大棒材的錳含量要求。

（3）40Mn2-LS 大棒材內(nèi)外部質(zhì)量良好，鋼質(zhì)純凈度較高，晶粒細(xì)小均勻，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足客戶要求。

（4）采用的控鈦新工藝也可推廣到40Mn2、37Mn5、45Mn2 等國(guó)標(biāo)牌號(hào)，以降低生產(chǎn)成本。