张晴
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摘要：工程机械刃具钢主要用于制造推土机、挖掘机、装载机、平地机、除雪机等机械的零部件，包括刀角刀片、履带板、齿块、斗齿和护板等。刃具钢的使用工况恶劣，直接与砂石、矿石、煤等物料发生冲击、碰撞和摩擦，因此要求其在具备一定强度和硬度的同时，还需有一定的塑性、韧性和焊接性，而目前国内普通刃具钢在实际使用过程中存在硬度偏低、韧性不足、焊接性不稳定的问题。本文根据国内某知名刃具制造商需求，开发出一种强韧性良好、焊接性稳定、硬度和耐磨性优异的工程机械刃具用低合金钢30CrMnB。
关键词：30CrMnB；刃具钢；焊接性；耐磨性
1开发方案
1.1工艺路线和性能要求
刃具钢生产工艺路线:铁水预处理→转炉初炼→LF精炼→ＲH精炼→板坯连铸→堆垛缓冷→加热→轧制→矫直→精整→淬火+回火。10～80mm厚刃具钢性能要求如表1所示。
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1.2成分设计
刃具钢由于使用工况复杂，不同设备有不同的要求，成分设计尚未标准化。目前的成分体系仍以0.15%～0.35%含量的C和0.5%～1.65%含量的Mn为主，通过添加Cr、Ti、B等微合金元素提高淬透性。部分刃具钢还可添加Nb、Mo、V等贵重微合金元素来提高塑韧性、耐磨性和热处理性能稳定性，同时对S、N、H等元素提出严格要求。根据不同元素在合金耐磨钢中的作用，设计了本次试验钢的成分，如表2所示。
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其中，S在钢中的固溶量小，很容易与Mn形成MnS夹杂，影响钢的韧性，因此钢中Mn和S的含量都需要严格限制，一些高级别刃具钢中的Mn含量甚至低至0．5%，S含量≤0．005%。
钢中溶入过量的N时，N、O会和B结合形成无效的BN和B2O3，降低钢的塑韧性，因此需要严格限制钢中的N、O含量。实际生产中通常添加Ti固N、Al脱O来保证B的添加效果，但Ti添加量不宜太多，否则形成大尺寸TiN，影响刃具钢的韧性，但Ti添加量也不宜过少，刃具钢回火后形成的TiC粒子可以增强耐磨性。
H常以原子态或分子态存在于钢中，由于钢在液态吸收大量的H，冷却后因来不及析出而聚集在晶体的缺陷处，产生很大应力，并与钢组织转变时产生的局部内应力相结合，致使钢材的韧性下降，产生“氢脆”，因此对试验钢的H含量有严格要求。
1.3冶炼方案
为了保证铸坯质量满足要求，将P、S、N、H、O含量控制在较低的水平，吹氧结束后加入铬铁，保证合金充分发挥微合金化作用，控制出钢下渣量在0．005%以下，确保钢水的洁净度;LF精炼工艺中的精炼时间控制在35min以上，转炉出钢后预脱氧，精炼初期通过控制铝添加量进行深度脱氧，减少Ti的氧化，使Ti达到良好的固氮效果，当Al含量≥0．035%时，加入钛铁进行微合金化处理，然后加入硼铁，提高有效B含量，减少无效氮化硼、氧化硼的形成;ＲH精炼保证真空度在100Pa以下，纯脱气时间在6min以上，出站前净吹时间≥6min，有效控制钢中夹杂物级别总和不超过1．5级;连铸过程钢水过热度控制在8～35℃，拉速全程控制在0.75～0.95m/min，以减轻铸坯内部偏析;铸坯下线溢氢，均匀组织，减少内应力和裂纹发生率，堆垛缓冷24～36h。
1.4轧制方案
铸坯加热时，鉴于加热温度对晶粒尺寸的影响，综合考虑轧制板型、轧制难度和表面质量，将加热温度设计为1170～1200℃;刃具钢采用控温轧制，充分发挥合金元素析出强化和细晶强化作用。轧制过程分为粗轧阶段和精轧阶段，粗轧单道次压下率≥10%，后三道次压下率≥15%，以保证钢坯在再结晶区储存充分的变形能，得到细小的奥氏体组织;精轧开轧温度不超过950℃，避开双相区轧制，精轧总变形量＞50%，以促进铁素体形核，得到细小均匀的铁素体;终轧温度设计为较低的800～860℃，提高在未再结晶区的变形量，细化铁素体晶粒，充分发挥细晶强化作用。轧制完成后进行热矫直，矫直后快速通过冷床堆垛缓冷，防止钢板因温降过快而在冷床出现热裂纹或板型瓢曲。
1.5热处理方案
合适的热处理工艺可以显著提高刃具钢的综合性能，克服轧态组织的部分缺陷，使材料的组织、强度和韧性达到良好的匹配。
1.5.1淬火温度
热处理试验材料为45mm厚度热轧态刃具钢30CrMnB，淬火加热温度选择870℃、900℃、930℃，采用水冷方式冷却，淬火性能检验结果如表3所示。从表中可以看出，900℃淬火可以得到良好的性能。
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1.5.2回火温度
对淬火温度为900℃的试验钢进行系列回火试验，回火温度分别为150℃、200℃、300℃和400℃。试验钢回火性能见表4。
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从表4可知，当回火温度为200℃时，试验钢具有良好的综合力学性能;随着回火温度的升高，强度和硬度有一定程度的下降，塑性和韧性有所提高。这是由于刃具钢在200℃以下回火时，可析出细小、尺寸为纳米级的ε碳化物(Fe3C)，有利于提高硬度和耐磨性;随着回火温度升高，超过200℃以上时，ε碳化物发生转变(转变为θ碳化物)、长大、粗化和球化，造成强度和硬度下降。
2实际生产效果
2.1实际产品性能检测
将本次试验所设计的成分、工艺路线和工艺参数投入30CrMnB钢的实际生产，钢板实物性能检测结果见表5。
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从表5中可以看出，钢板的综合性能和强韧性匹配良好，抗拉强度为1698～1790MPa，延伸率为10.5%～12%，冲击功为68～125J，表面硬度为HBW487～515，硬度波动HBW28。
2.2实际焊接性能检测
根据30CrMnB钢板用户的使用情况，对2块20mm厚度的试验钢进行同钢种焊接，采用奥钢联GM120焊丝，焊接方式为80%CO2+20%Ar混合气体保护焊接，焊接电流270A，焊接电压30V，焊接速度33cm/min，预热温度150～180℃，焊接后使用保温棉进行保温。
2.3磨粒磨损检测
从30CrMnB试验钢和27MnTiB普通刃具钢各选取3块磨损试样，在MLG－130B干砂橡胶轮磨粒磨损试验机上进行检测，磨损试样的尺寸为75mm×25.5mm×3.5mm，75mm×25.5mm表面为磨损面，磨损试样表面打磨精度要求按照GB/T18658—2002标准中冲击试样加工要求加工，磨损试验按照ASTMG65—2016(E2017)标准进行。6块试样磨损检测时的载荷、转速、磨料种类、橡胶轮直径、磨损距离等检测条件相同，对比2个钢种6块试样的磨损失重情况，普通刃具钢27MnTiB的磨损失重量是30MnTiB试验钢的1.4倍左右，试验钢30CrMnB的耐磨性能比普通刃具钢27MnTiB提高40%。
结束语
对试验钢板的力学性能、焊接性能和耐磨性能进行检测，结果表明:试验钢板的综合力学性能优良，焊接性能和耐磨性能良好，耐磨性能比普通刃具钢提高40%。
参考文献
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