支重轮用40Mn2-LS 大棒材的研制

刘海涛，刘岩，张龙，张建元，杜东福

（凌源钢铁股份有限公司，辽宁 凌源 122500）

40Mn2-LS 为凌源钢铁股份有限公司（以下简称“凌钢”）供终端客户技术协议牌号，属于中碳调质锰钢，具有较高的强度、良好的塑性及耐磨性，用于生产工程机械支重轮。 但是凌钢生产的国标40Mn2-LS 圆钢末端淬透性J15 硬度值较协议要求高4 HRC 左右，锰含量低于协议要求，因此，必须调整工艺以满足客户要求。 通过优化相关冶炼和轧制工艺，采取对应措施后，成功生产了符合客户要求的40Mn2-LS 大棒材。 本文对此做一介绍。

1 开发方案

1.1 成分设计

40Mn2-LS 作业条件复杂、恶劣，结合下游客户加工、热处理工艺特点，设计化学成分时应该考虑以下6 点：

（1）碳含量过高影响产品焊接性能，同时增加淬火裂纹的敏感性；

（2）较高的锰含量可以增加产品的耐磨性；

（3）采用铝、钛微合金化细化晶粒；

（4）钢中残硼含量对淬透性影响较大，需控制在0.000 5%以内；

（5）钛能改变钢中硼的存在形式，降低钛会减少固溶硼中的有效硼，降低钢的淬透性[1-2]，将钛含量由国标的0.030%降低至0.015%，以保证产品淬透性符合要求；

（6）化学成分需窄范围控制，且磷、硫含量需分别控制在0.020%、0.015%以下。

凌钢设计的40Mn2-LS 钢化学成分如表1所示。

表1 40Mn2-LS 钢化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in 40Mn2-LS Steel （Mass Fraction）%

1.2 工艺路线

120 t 复吹转炉冶炼→120 t LF 炉精炼→120 t RH 真空精炼→连铸390 mm×510 mm 大方坯→缓冷→圆材轧制。

2 工艺控制

2.1 转炉冶炼工艺

40Mn2-LS 钢具有白点敏感性，在冶炼时要尽可能保证冶炼物料干燥，合金料要求经过烘烤400 ℃以上方可使用； 为降低钢水中的氧含量，减少钢中夹杂物，要求终点碳控制大于0.10%；出钢时以滑板挡渣为主，配合挡渣塞及挡渣锥共同完成挡渣操作，下渣量控制在50 mm 以内，以降低钢中的磷含量；为降低钢中残硼含量，保证产品淬透性满足客户要求，控制加入钢中含硼量高的合金和辅料，采用低硼精炼渣代替预熔型铝酸钙进行顶渣改质，采用中碳锰铁和硅铁代替硅锰合金进行锰、硅成分初合金化。

2.2 LF 精炼工艺

LF 精炼采用电石、铝粒等脱氧材料进行快速脱氧，保证在供电10 min 内形成白渣，以强化脱氧、去夹杂效果；保持白渣时间不小于20 min，渣中FeO+MnO≤1.0%；精炼处理结束后通过钙处理模型软件计算喂钙线量，进行精准钙处理，使Al2O3夹杂物与CaO 形成低熔点、 低密度的12CaO·7Al2O3，避免水口结瘤发生。

2.3 RH 真空精炼工艺

RH 过程锰含量降低较多，最多达0.07%。 由相关文献[3-4]可知，中高锰钢在RH 生产过程中锰元素存在气化的现象，锰含量越高，深真空处理时间越长，锰元素损失越多，因此将锰含量按内控目标值提高0.04%。RH 精炼对钢液进行真空脱气，工作真空度≤67 Pa 保持20 min，保证钢水中w[H]≤0.000 2%，有效降低钢液中气体含量。 真空精炼结束后软吹氩时间≥20 min，保证夹杂物充分上浮。

2.4 连铸工艺

生产前检查铸机对弧、对中，保证对弧、对中精度，检查二冷喷淋状态保证冷却均匀。生产过程中，采用中间包长水口保护浇铸并吹氩密封，以防止钢水二次氧化。对于裂纹敏感钢种，传统的二冷水量设计思路为降低比水量，缓慢冷却，避免产生裂纹。 通过研究40Mn2 裂纹产生机理并结合凌钢实际工况，设计40Mn2-LS 钢的二冷比水量为0.18 L/kg，在铸坯矫直区域避开钢种脆性区间的前提下，提高冷却强度，使铸坯在矫直区具有足够的坯壳强度抵抗应力，避免产生裂纹。 40Mn2-LS钢锰含量较高，柱状晶发达，等轴晶区相对较小[5]，采用M-EMS+F-EMS+轻压下技术有效改善铸坯内部质量。

2.5 轧制工艺

40Mn2-LS 属于裂纹敏感钢，铸坯加热时，若预热温度过高、加热速度过快，易造成铸坯内外温差大，热应力大，从而产生应力裂纹。 凌钢采用预热段不开烧嘴、 利用其它三个高温段炉气余温低温预热钢坯技术，使铸坯在500 ℃之前形成缓慢预热环境，避免了表面大裂纹的产生。 40Mn2-LS钢铸坯加热温度如表2 所示。

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表2 40Mn2-LS 钢铸坯加热制度Table 2 Heating Schedule for 40Mn2-LS Casting Blanks

3 结果分析

3.1 铸坯质量

生产的40Mn2-LS 化学成分见表3。从表3 看出，40Mn2-LS 钢的化学成分均满足协议要求。

表3 40Mn2-LS 化学成分（质量分数）Table 3 Chemical Compositions in 40Mn2-LS Steel （Mass Fraction）%

为避免铸坯在轧制圆钢和用户深加工过程出现裂纹等质量缺陷，对试制铸坯进行了逐支表检，未发现凹陷、结疤、渣坑、裂纹等表面缺陷。对试制铸坯逐炉抽样进行了横截面酸洗低倍组织检验，40Mn2-LS 铸坯低倍组织形貌见图1。 铸坯的内部质量较好，中心偏析0 级、中心疏松0.5 级、无中心缩孔。

图1 40Mn2-LS 铸坯低倍组织形貌Fig. 1 Macrostructure Appearances of 40Mn2-LS Casting Blanks

3.2 圆钢质量

（1）低倍组织

对轧制成材的圆钢分批取样进行低倍酸洗，以检验其内部低倍组织情况，低倍组织形貌见图2所示，检验结果如表4 所示。

图2 40Mn2-LS 圆钢低倍组织形貌Fig. 2 Macrostructure Appearances of 40Mn2-LS Round Steel

表4 40Mn2-LS 铸坯低倍组织Table 4 Macrostructures in 40Mn2-LS Casting Blanks

由表4 看出，试样一般疏松、中心疏松等级均为0.5 级，中心偏析0 级，完全满足40Mn2-LS 技术协议中的相关要求。

（2）力学性能

40Mn2-LS 作为支重轮用钢，要求其具有较高的强度和良好的塑性。 对生产的圆钢进行力学性能检验，检验结果如表5 所示。

表5 40Mn2-LS 圆钢力学性能Table 5 Mechanical Properties of 40Mn2-LS Round Steel

（3）非金属夹杂物

非金属夹杂物通常使产品的塑性、韧性、强度和疲劳性能受到显著影响。 40Mn2-LS 圆钢非金属夹杂物检验结果见表6。

表6 40Mn2-LS 圆钢非金属夹杂物Table 6 Non-metallic Inclusions in 40Mn2-LS Round Steel

由表6 看出，由于40Mn2-LS 钢采用LF+RH精炼工艺，加强精炼造白渣操作及软吹氩搅拌，充分脱除钢中气体和促进非金属夹杂物的上浮，非金属夹杂物含量低，完全满足技术协议中的相关要求。

（4）晶粒度

细晶粒钢具有较高的冲击韧性和抗拉强度，同时具有精加工性及深冲性特点。 通常细化晶粒的手段是向钢中加入Al、Nb、Ti、V 等微合金化元素，通过上述元素与钢中氮、碳形成氮化物、碳化物在钢中弥散分布以阻止晶粒长大达到细化晶粒目的。 40Mn2-LS 钢中含有Al、Ti 细化晶粒元素，经检验，晶粒度均在8.5 级，完全满足协议中≥5 级的要求。 40Mn2-LS 圆钢晶粒度见图3。

图3 40Mn2-LS 圆钢晶粒度Fig. 3 Grain Size of 40Mn2-LS Round Steel

（5）末端淬透性

钢的淬透性是钢的热处理工艺性能，支重轮用钢在淬火条件下，淬透性对其力学性能有重要影响。 40Mn2-LS 圆钢末端淬透性检验结果见表7。

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

由表7 看出，通过将钛含量由原工艺的0.030% 降低至0.015%，采用低硼物料，将钢中残硼由0.000 6%～0.000 8%降低至0.000 5%以内，40Mn2-LS 大棒材J15 硬度值较国标40Mn2 明显降低，末端淬透性检验结果符合协议要求。

采用的控钛新工艺也可推广到40Mn2、37Mn5、45Mn2 等国标牌号，能够降低生产成本。

4 结论

（1）通过控制加入钢中含硼高的合金和辅料，成品残硼控制在0.000 5%以下；减少钢中钛加入量，降低有效硼含量，使40Mn2-LS 大棒材关键指标末端淬透性满足要求。

（2）适当提高进RH 真空的钢水锰含量，满足了40Mn2-LS 大棒材的锰含量要求。

（3）40Mn2-LS 大棒材内外部质量良好，钢质纯净度较高，晶粒细小均匀，各项力学性能指标均满足客户要求。

（4）采用的控钛新工艺也可推广到40Mn2、37Mn5、45Mn2 等国标牌号，以降低生产成本。