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（以下簡稱“凌鋼”）供終端客戶技術協議牌號，屬于中碳調質錳鋼，具有較高的強度、良好的塑性及耐磨性，用于生產工程機械支重輪。 但是凌鋼生產的國標40Mn2-LS 圓鋼末端淬透性J15 硬度值較協議要求高4 HRC 左右，錳含量低于協議要求，因此，必須調整工藝以滿足客戶要求。 通過優化相關冶煉和軋制工藝，采取對應措施后，成功生產了符合客戶要求的40Mn2-LS 大棒材。 本文對此做一介紹。

1 開發方案

1.1 成分設計

40Mn2-LS 作業條件復雜、惡劣，結合下游客戶加工、熱處理工藝特點，設計化學成分時應該考慮以下6 點：

（1）碳含量過高影響產品焊接性能，同時增加淬火裂紋的敏感性；

（2）較高的錳含量可以增加產品的耐磨性；

（3）采用鋁、鈦微合金化細化晶粒；

（4）鋼中殘硼含量對淬透性影響較大，需控制在0.000 5%以內；

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

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

凌鋼設計的40Mn2-LS 鋼化學成分如表1所示。

表1 40Mn2-LS 鋼化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in 40Mn2-LS Steel （Mass Fraction）%

1.2 工藝路線

120 t 復吹轉爐冶煉→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 轉爐冶煉工藝

40Mn2-LS 鋼具有白點敏感性，在冶煉時要盡可能保證冶煉物料干燥，合金料要求經過烘烤400 ℃以上方可使用； 為降低鋼水中的氧含量，減少鋼中夾雜物，要求終點碳控制大于0.10%；出鋼時以滑板擋渣為主，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，以降低鋼中的磷含量；為降低鋼中殘硼含量，保證產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熔型鋁酸鈣進行頂渣改質，采用中碳錳鐵和硅鐵代替硅錳合金進行錳、硅成分初合金化。

2.2 LF 精煉工藝

LF 精煉采用電石、鋁粒等脫氧材料進行快速脫氧，保證在供電10 min 內形成白渣，以強化脫氧、去夾雜效果；保持白渣時間不小于20 min，渣中FeO+MnO≤1.0%；精煉處理結束后通過鈣處理模型軟件計算喂鈣線量，進行精準鈣處理，使Al2O3夾雜物與CaO 形成低熔點、 低密度的12CaO·7Al2O3，避免水口結瘤發生。

2.3 RH 真空精煉工藝

RH 過程錳含量降低較多，最多達0.07%。 由相關文獻[3-4]可知，中高錳鋼在RH 生產過程中錳元素存在氣化的現象，錳含量越高，深真空處理時間越長，錳元素損失越多，因此將錳含量按內控目標值提高0.04%。RH 精煉對鋼液進行真空脫氣，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。 真空精煉結束后軟吹氬時間≥20 min，保證夾雜物充分上浮。

2.4 連鑄工藝

生產前檢查鑄機對弧、對中，保證對弧、對中精度，檢查二冷噴淋狀態保證冷卻均勻。生產過程中，采用中間包長水口保護澆鑄并吹氬密封，以防止鋼水二次氧化。對于裂紋敏感鋼種，傳統的二冷水量設計思路為降低比水量，緩慢冷卻，避免產生裂紋。 通過研究40Mn2 裂紋產生機理并結合凌鋼實際工況，設計40Mn2-LS 鋼的二冷比水量為0.18 L/kg，在鑄坯矯直區域避開鋼種脆性區間的前提下，提高冷卻強度，使鑄坯在矯直區具有足夠的坯殼強度抵抗應力，避免產生裂紋。 40Mn2-LS鋼錳含量較高，柱狀晶發達，等軸晶區相對較小[5]，采用M-EMS+F-EMS+輕壓下技術有效改善鑄坯內部質量。

2.5 軋制工藝

40Mn2-LS 屬于裂紋敏感鋼，鑄坯加熱時，若預熱溫度過高、加熱速度過快，易造成鑄坯內外溫差大，熱應力大，從而產生應力裂紋。 凌鋼采用預熱段不開燒嘴、 利用其它三個高溫段爐氣余溫低溫預熱鋼坯技術，使鑄坯在500 ℃之前形成緩慢預熱環境，避免了表面大裂紋的產生。 40Mn2-LS鋼鑄坯加熱溫度如表2 所示。

《中共中央國務院關于進一步加強和改進大學生思想政治教育的意見》指出：“社會實踐是大學生思想政治教育的重要環節，對于促進大學生了解社會了解國情、增長才干、奉獻社會，鍛煉毅力、培養品格，增強社會責任感具有不可替代的作用。”[1]校企合作培養模式下大學生到企業(公司)進行生產實習，是一種很好的實踐方式，在這一環節加強思想政治教育，注重理論與實踐相合，將會有效地提高思想政治教育的針對性，增強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 結果分析

3.1 鑄坯質量

生產的40Mn2-LS 化學成分見表3。從表3 看出，40Mn2-LS 鋼的化學成分均滿足協議要求。

表3 40Mn2-LS 化學成分（質量分數）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程出現裂紋等質量缺陷，對試制鑄坯進行了逐支表檢，未發現凹陷、結疤、渣坑、裂紋等表面缺陷。對試制鑄坯逐爐抽樣進行了橫截面酸洗低倍組織檢驗，40Mn2-LS 鑄坯低倍組織形貌見圖1。 鑄坯的內部質量較好，中心偏析0 級、中心疏松0.5 級、無中心縮孔。

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

3.2 圓鋼質量

（1）低倍組織

對軋制成材的圓鋼分批取樣進行低倍酸洗，以檢驗其內部低倍組織情況，低倍組織形貌見圖2所示，檢驗結果如表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、中心疏松等級均為0.5 級，中心偏析0 級，完全滿足40Mn2-LS 技術協議中的相關要求。

（2）力學性能

40Mn2-LS 作為支重輪用鋼，要求其具有較高的強度和良好的塑性。 對生產的圓鋼進行力學性能檢驗，檢驗結果如表5 所示。

表5 40Mn2-LS 圓鋼力學性能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品的塑性、韌性、強度和疲勞性能受到顯著影響。 40Mn2-LS 圓鋼非金屬夾雜物檢驗結果見表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，加強精煉造白渣操作及軟吹氬攪拌，充分脫除鋼中氣體和促進非金屬夾雜物的上浮，非金屬夾雜物含量低，完全滿足技術協議中的相關要求。

（4）晶粒度

細晶粒鋼具有較高的沖擊韌性和抗拉強度，同時具有精加工性及深沖性特點。 通常細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大達到細化晶粒目的。 40Mn2-LS 鋼中含有Al、Ti 細化晶粒元素，經檢驗，晶粒度均在8.5 級，完全滿足協議中≥5 級的要求。 40Mn2-LS 圓鋼晶粒度見圖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，淬透性對其力學性能有重要影響。 40Mn2-LS 圓鋼末端淬透性檢驗結果見表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，40Mn2-LS 大棒材J15 硬度值較國標40Mn2 明顯降低，末端淬透性檢驗結果符合協議要求。

采用的控鈦新工藝也可推廣到40Mn2、37Mn5、45Mn2 等國標牌號，能夠降低生產成本。

4 結論

（1）通過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 大棒材關鍵指標末端淬透性滿足要求。

（2）適當提高進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 大棒材內外部質量良好，鋼質純凈度較高，晶粒細小均勻，各項力學性能指標均滿足客戶要求。

（4）采用的控鈦新工藝也可推廣到40Mn2、37Mn5、45Mn2 等國標牌號，以降低生產成本。