工程机械用钢35MnBH的开发生产实践

王 媛

（河钢集团宣化钢铁公司，河北宣化 075100）

0 引言

随着国民经济的快速发展、产业结构的调整也呈现出不断增长的态势,各类机械产品被广泛应用于国民经济各领域,市场前景广阔。35MnBH为工程机械制造用结构钢，具有淬透性好，强度、硬度和韧性高的特性，被广泛用于工程机械零部件制造。宣化钢铁有限责任公司（以下简称宣钢）经过广泛的市场调研和科学论证,决定利用现有150吨转炉副枪自动炼钢、铁水KR脱硫、RH真空处理等先进冶炼技术工艺和装备,组织工程机械用结构钢35MnBH的研制与开发工作。35MnBH属于保淬透性结构钢，对钢材的淬透性有较高的要求，这也是此次35MnBH钢研发的控制重点和难点。

本文根据工程机械用结构钢35MnBH的理化性能要求，设定了35MnBH钢化学成分及生产工艺路线，从炼钢、精炼、连铸、轧制工序详细制定了工艺操作要点，并对35MnBH热轧圆钢低倍组织、金相组织、晶粒度及发纹、淬透性、力学性能、夹杂物等检查结果进行了总结分析。

1 35MnBH钢化学成分及生产工艺设定

1.1 化学成分设定

根据用户对淬透性的要求，结合国内外新开发35MnBH成分特点，以及在长期生产实践中得出的各元素主要作用，确定C元素含量及合金元素成分范围。

用Si元素提高碳钢过冷奥氏体在中温区的稳定性；稍高的Mn元素含量可提高钢淬透性；P元素含量尽量低；为改善钢材切削加工性能，S元素含量要求下限不低于0.010%；钢中加入微量Cr元素（含量0.10～0.20%），既可保证转炉冶炼35MnBH钢的淬透性要求，同时可提高钢的机械性能，保证钢材的耐磨性；用B提高淬透性，可节约大量贵重合金元素，同时还可以获得优良的机械性能；Al元素在钢中以氮化铝弥散物的形式存在，可阻止晶界的迁移，从而起到细化晶粒的作用，根据1600℃时Al、Ti、B元素的氧化物和氮化物形成自由能，要保证钢中的Ti、B元素不被氧化，Al元素含量控制在0.015～0.025%较合适。Ti元素在硼钢中并不作为合金元素考虑,主要用于固定氮,以保证B的回收率稳定和淬透效果的发挥[1]。

优化后35MnBH化学成分控制要求见表1。同时将成分内控范围进行逐步缩窄并确定目标值，实行窄成分控制，确保钢坯的通体稳定性[2]。

表1 35MnBH化学成分控制要求 %

1.2 生产工艺设定

根据35MnBH化学成分、力学性能要求，结合其后续加工和使用特点，设定了35MnBH圆钢生产工艺流程，即：铁水KR脱硫→150t复吹转炉→180tLF精炼炉→180tRH真空精炼炉→165mm×165mm方坯连铸→棒材轧机。

2 35MnBH钢生产工艺控制要点

2.1 转炉操作要点

（1）转炉底吹采用N2、Ar切换工艺；冶炼采用双渣操作，碱度≥3.0；采用高拉碳、C-T协调出钢；出钢时C元素含量要求≥0.10%、P元素含量要求≤0.012%。

（2）转炉出钢过程采用挡渣帽挡前期渣，挡渣球挡后期渣，严禁炉口下渣，减少转炉氧化渣流入大包。

（3）转炉出钢时,大包全程吹Ar，出钢过程物料及合金加入顺序为低氮增碳剂、铝铁或铝块、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金，待合金化物料加完后加入预熔顶渣料800kg。

（4）第一炉进LF炉的钢水，C元素含量要求控制在0.27～0.30%，温度要求≥1530℃。具体进LF炉成分要求详见表2。

表2 进LF炉成分要求（按目标成分下限） %

2.2 LF精炼操作要点

（1）钢包入LF工位后立即送电，同时加入预熔合成渣250kg、白灰1000kg，精炼过程可视情况用萤石调整炉渣流动性。

（2）精炼取第一样前，前期使用铝粒和电石强化脱氧，中后期用电石强化脱氧，并保证炉渣发泡，提高埋弧效果；精炼取第一样后，粗调成分并喂铝线调整钢中Alt含量，铝线吸收率按80%考虑，Alt含量调整目标值为0.050～0.060%；精炼过程加铝粒保持，喂钙线前Alt控制在0.04～0.05%。

（3）保证白渣时间≥20min，中后期要勤加电石以保持白渣；精炼渣碱度大于3.5，目标值控制在5.0；渣中Al2O3含量控制在20～30%，目标值为25～30%，FeO+MnO≤1.0%。

（4）钢水成分、温度合格后进行钙处理，出LF精炼成分要求详见表3；喂钙线后软吹10min；整个精炼周期控制在60～70min。

表3 出LF精炼成分要求 %

2.3 RH真空精炼操作要点

RH真空精炼周期控制在60～80 min；真空度＜100Pa、吹Ar流量≥120m3/h条件下脱气20～25min，确保RH出站N元素含量≤40ppm；为保证钢中B元素含量，确定RH真空处理后各种合金料的加入顺序为硅钙钡线、钛线、硼线，软吹后喂硫线。

表4 出RH真空精炼成分要求 %

2.4 连铸工序操作要点

（1）中间包采用全过程保护浇注。中间包必须严格密封，开浇前用Ar吹扫中间包；采用改型后大包保护套管，确保长水口+密封垫+吹Ar封保护效果（钢包→中包,N元素增加量≤10ppm）；浸入式水口采用φ30mm防絮流水口，水口安装密封、对中良好，插入结晶器钢水深度控制在100～140mm；使用低碳中包覆盖剂及碳化稻壳。

（2）结晶器铜管过钢量≤2000t，确保铸坯不出现角部裂纹；结晶器电磁搅拌采用小搅拌电流，避免铸坯产生白亮带，参数控制为：频率4Hz、电流120A。

（3）二冷采取弱冷，保证铸坯冷却均匀，提高铸坯等轴晶比率。二冷比水量控制在0.30L/kg；35MnBH钢液相线温度为1500℃，连铸第1炉钢水过热度控制在60℃以内，正常炉次控制在40℃以内；严格执行恒速拉钢，拉速控制在1.2～1.45m/min，拉速波动≤0.1m/min。

（4）每炉铸坯每流取样作低倍；连铸坯分炉集中堆放，缓冷放置24h后轧制；轧制生产时，遵照按炉送钢、单炉组批的原则进行组织；装炉时，炉与炉之间作明显标识，送钢过程专人跟踪。

图1为35MnBH钢连铸坯低倍图片。由图1可见，连铸坯低倍质量良好，说明连铸工艺制定合理，操作控制效果较好。

图1 35MnBH钢连铸坯低倍图片

2.5 轧钢工序操作要点

（1）严格执行35MnBH钢温度制度，保证钢坯加热时间、加热温度，钢坯上、下温差应小于30℃（目标）；炉内保证还原气氛；钢坯全数使用高压水除鳞设备去除炉生氧化铁皮。35MnBH钢温度制度如表5所示。

表5 35MnBH钢温度制度

（2）轧制要严格按轧制程序表执行，确保轧件中间料型尺寸；轧机区保留轧辊、导卫必要的冷却水，不允许冷却水四处飞溅，轧机机架间导槽、空过辊道、轧机区后的辊道和冷床不得有水；轧后快速收集，入缓冷坑堆垛缓冷，入坑温度大于450℃，温度降低到200℃以下出坑。

（3）圆钢直径允许偏差应该符合GB/T 702第2组规定；热轧圆钢重量、长度、不圆度、弯曲度及允许偏差按GB/T 702中相关规定执行。

4）钢材表面不得有目视可见的裂纹、结疤、折叠、夹杂等缺陷，发现上述缺陷必须清除，清除深度不超过钢材尺寸公差范围，清除宽度不小于深度的5倍，同一截面达到最大清除深度不应多于1处；允许存在不超过1/2公差尺寸的细小划痕、压痕、麻点、裂纹等缺陷，但深度不得超过0.2mm。

3 成品检测分析

3.1 低倍组织检测分析

表6为35MnBH圆钢低倍检验情况。由表6可以看出，低倍组织均匀致密，未发现缩孔、裂纹、气泡、夹杂、折叠、白点及有害夹杂物，低倍组织符合技术要求。

表6 35MnBH钢低倍组织情况 级

3.2 晶粒度及发纹检测分析

表7为35MnBH圆钢晶粒度级别及发纹检验情况，图2为35MnBH圆钢塔形发纹检测情况。

由表7可以看出，热轧35MnBH圆钢晶粒级别大于技术要求，稳定在7～8级[3]。这主要是采用喂铝线、钛线，使钛-铝化合物在钢中以细小弥散质点形式分布于晶界，阻止了晶粒长大，起到细化晶粒的目的。

表7 35MnBH钢晶粒度级别及发纹情况

由图2可以看出，35MnBH钢塔形试验未出现发纹裂。这主要是冶炼采用转炉+LF精炼+RH真空精炼工艺，同时强化工艺操作，并严格执行物流料干燥、钢包烘烤制度。

图2 35MnBH钢塔形发纹检测情况

3.3 末端淬透性检测分析

淬火后，钢材截面上个点的硬度代表钢淬透能力，高的淬透性能保证了所加工的零件在整个截面能得均匀的力学性能[4]。表8为35MnBH圆钢末端淬透性检验情况，由表8可以看出，个点硬度值均满足国标要求。按GB 225-88检验，试生产的35MnBH圆钢淬透性带宽已控制在≤4HRC，表明圆钢淬透性稳定，符合产品质量要求。

表8 35MnBH钢末端淬透性检验情况 HRC

3.4 力学性能检测分析

表9为35MnBH圆钢力学性能检验情况。从表8、表9可以看出，35MnBH化学成分设计的内控范围合理、准确，使钢材的综合力学性能、末端淬透性带中个点硬度值均能满足技术指标要求，并实现窄淬透性带控制目标。

表9 35MnBH钢力学性能检验情况

3.5 非金属夹杂物检测分析

表10为35MnBH钢非金属夹杂物检验情况。按ASTM E45 JK评级图A法检验钢的非金属夹杂物，检测值符合合格级别要求。

表10 35MnBH钢非金属夹杂物检验情况 级

4 结语

本文对35MnBH工程机械用钢的性能要求和使用特性进行了分析，在此基础上提出了35MnBH钢的化学成分控制范围及生产工艺路线，并从炼钢、精炼、连铸、轧钢等方面提出重点工艺控制要点。实践证明，通过严格执行重点工艺控制要点，按上述化学成分控制范围和工艺路线生产的35Mn-BH钢纯净度高、晶粒细小、淬透性稳定，圆钢淬透性带宽已控制在≤4HRC。

宣钢开发的35MnBH工程机械用钢经由某工程机械公司使用，其各项指标满足了客户要求，且具备良好的强韧性配合。目前产品销量已达到7000多吨，实现了批量生产，产品质量达到同行业先进水平。工程机械用履带钢35MnBH的开发成功，不仅显著提高了产品技术含量与附加值，为品种结构全面转型升级奠定了基础，还提高了公司产品的市场竞争力，经济效益显著。