CN104962834A - 一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢及其制备方法，属于金属材料制造技术领域。该耐磨钢的化学成分按重量百分比为，C：0.18％～0.22％；Si：0.10％～0.30％；Mn：0.90％～1.10％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.50％；Ni：0.10％～0.30％；Nb：0.01％～0.03％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.010％～0.030％；B：0.0015％～0.0025％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；其余为Fe及不可避免杂质。制备方法包括铸坯冶炼、铸坯浇铸、铸坯加热、钢板轧制及热处理。优点在于：通过合理的成分设计和工艺改进，钢板综合力学性能优良，冲击韧性良好，耐磨性能指标—布氏硬度值稳定，可批量应用与煤矿机械及工程机械行业具有较高的应用前景。

Description

一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制造技术领域，特别涉及一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢及其制备方法，尤其针对60mm-100mm规格特厚耐磨钢。

背景技术

一般情况下，材料破坏包括断裂、腐蚀和磨损三种形式。与另外两种破坏形式相比，磨损很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人；据初步统计，由磨损造成的经济损失，美国约150亿美元/年。在各类磨损中，磨料磨损又占有重要的地位，占金属磨损总量中的50％，在冶金矿山、建材、电力、农机、煤炭等行业磨料磨损尤为严重。因此，研究和发展用于磨料磨损条件下的耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济有重要的意义。

近几年，我国耐磨钢技术发展取得了长足进步，舞阳、宝钢、太钢等中厚板厂均能够稳定供应NM400及以下级别的耐磨钢，部分厂家甚至可生产NM500及以下级别的耐磨钢。但目前国内使用的NM400以上级别的耐磨钢还主要依赖进口；年进口量在3～5万吨之间。

国外耐磨钢的发展始于20世纪50～60年代，目前主要发达国家均有自己成熟的国家标准、企业标准和系列耐磨钢产品。如瑞典SSAB的HARDOX系列、德国TKS的XAR系列、德国DILLIDUR的400V、450V、500V、日本JFE的EH系列、日本住友的K400等。

因技术水平及设备能力限制，对于50mm及以下规格厚板，通过采取合理的成分设计，如添加必要的淬透性元素Mn、Cr、Ni、Mo等，在充分发挥自身设备能力的基础上，可获得综合力学性能良好的耐磨钢；但对于更厚规格的钢板，如50mm以上规格特厚板，其钢板淬透性、厚度方向力学性能的均匀性、内部质量的可靠性等均存在一定的问题。

对比专利“CN 101497964A—高硬韧低合金耐磨钢及其应用”，采用添加较多的合金Cr、Mo、Ni、Cu等，并辅以Nb、B及及稀土Re等，通过高温淬火+低温回火，获得“洛氏硬度HRC＝46～52，V型缺口韧度≤34J/cm2”高硬韧性低合金耐磨钢；较高的Cr、Mo及B元素的加入，虽然对材料淬透性有利，但对其韧性损害较大。同时，该专利采用较高的淬火温度，易导致奥氏体晶粒度粗化影响材料韧性，同时因其合金元素多淬透性好，也易导致淬火后材料内部微裂纹的可能性。

对比专利“CN 102618792 A—工程机械用高强度耐磨钢及其制备方法”，在不添加Mo、Ni的前提下，加入合金Cr及微合金V、B等，通过复杂的冶炼工艺、严格的轧制工艺及后续热热处理工艺，获得40mm及以下规格NM400耐磨钢；对工序过程控制要求严格，不具有实际推广应用的价值；同时，因缺少适量淬透性元素Mo等，其所能达到厚度规格仅40mm。另外，此专利过渡追求低成本，钢板的内部质量及整体综合力学性能均难以保证。另外，微合金V主要起到析出强化的作用，且析出强化的温度一般较高(600℃左右)；但对于采用较低温回火的耐磨钢，其成分设计局限性显而易见。

对比专利“CN 102021492 A—一种低碳低合金耐磨钢及其生产方法”，综合添加Mo、Cr、Ni、Nb、V等合金，所能生产的钢板最大厚度规格仅为40mm，且其终轧温度偏高，热处理后其室温冲击仅20J左右，不具有良好的冲击韧性；回火过程中，较长的回火保温时间，势必影响实际的生产效率，造成一定的资源浪费。

对比专利“CN 101555574 A—一种高回火抗力耐磨钢及其制造方法”，亦添加较多的Cr、Mo、V等合金，通过TMCP(+卷取)+回火，生产12mm及以下薄规格钢板，仅适用于卷板生产。一方面，大量合金的加入，增加了生产成本；另一方面，卷取及再次回火处理后，其硬度指标较低，HV硬度一般在350及以下，且不同规格钢板之间的硬度值存在波动，不利于生产过程稳定控制。

秦皇岛首秦金属材料有限公司(以下简称首秦公司)拥有国内较厚的400mm板坯连铸机，同时拥有比较先进的4300mm宽厚板生产线，并配有德国LOI公司设计的热处理生产线，在特厚耐磨钢领域具有一定的设备优势。结合首秦公司现有的工装设备，采用适量的C、并适当添加淬透性元素Mo、Cr、Ni及微合金元素Nb、Ti、B等成分设计，通过控轧控冷及热处理工艺，获得高韧性、表面及厚度方向布氏硬度(HBW)稳定且差异小、厚度规格在“60mm-100mm”之间特厚耐磨钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢及其制备方法，主要解决耐磨钢因强度高导致韧性偏低及特厚耐磨钢厚度方向布氏硬度值不均匀等问题。

一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢，其化学成分为(重量百分比)，C：0.18％～0.22％；Si：0.10％～0.30％；Mn：0.90％～1.10％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.50％；Ni：0.10％～0.30％；Nb：0.01％～0.03％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.010％～0.030％；B：0.0015％～0.0025％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；其余为Fe及不可避免杂质。

一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢的制备方法，具体步骤及参数如下：

1、铸坯冶炼：对于400mm连铸坯，采用正常的工序进行冶炼，其基本工序如下：铁水脱硫扒渣→转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空处理。在冶炼过程中，严格控制钢水的成分范围，保证C含量在0.18％～0.22％之间，同时严格控制对力学性能起关键作用的合金元素Mn、Cr、Ni、Mo及微合金元素Nb、Ti、B成分范围为Mn：0.90％～1.10％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.50％；Ni：0.10％～0.30％；Nb：0.01％～0.03％；Ti：0.010％～0.020％；B：0.0015％～0.0025％。

2、铸坯浇铸：在铸坯浇铸过程中，控制铸坯表面及内部质量，防止铸坯表面出现微裂纹及次生裂纹，保证铸坯中心偏析C类≤1.0。

3、铸坯加热：在加热过程中，设定铸坯均热温度为1160℃～1220℃，在炉时间为360min～450min，保证连铸坯充分奥氏体化，为后续钢板轧制做准备。

4、钢板轧制：采用两阶段控制轧制，再结晶区轧制+非再结晶区轧制+弱水冷工艺。再结晶区轧制阶段结束温度为1000℃～1050℃，钢板待温厚度为成品钢板厚度的1.5～2.5倍，再结晶区轧制总压下量为50％～70％，再结晶区轧制最后2～3单道次压下量为32mm～40mm；非再结晶区轧制模型计算的开轧温度为840℃～880℃，终轧温度为800℃～840℃；非再结晶区轧制总压下量为40％～60％，非再结晶区轧制开始3～4单道次压下率为8％～15％，为保证钢板轧制后钢板板形良好(无瓢曲、翘钢、扣头或扣尾现象)，非再结晶区轧制最后1～2道次单道次压下量减少至1.5mm～3.0mm；钢板轧制后采用弱水冷，终冷温度为650℃～700℃，冷却速度为5℃/S～12℃/S。通过上述严格的轧制规程控制及合理的轧后弱水冷，为钢板后续热处理工序提供了良好内部及外部质量。

5、热处理：设定淬火温度为900℃～940℃，保温时间为25min～50min；回火温度为200℃～300℃，保温时间为60min～100min。

通过采用以上工艺流程，所制备的特厚耐磨钢力学性能稳定，具有较好的强度、塑性和韧性。其中，Rp0.2(屈服强度)＝1050MPa-1200MPa、Rm(抗拉强度)＝1250MPa-1400MPa；A(断后伸长率)＝10.0％-15.0％；-20℃Akv2(冲击功)＝60J-100J、-40℃Akv2(冲击功)＝30J-60J；钢板表面布氏硬度范围：450±10；钢板厚度1/4处布氏硬度范围：440±15；钢板厚度1/2处布氏硬度范围：435±20，钢板表面布氏硬度稳定，厚度方向硬度差异小；特厚耐磨钢内部质量良好，可满足GB/T 2970-2004国标Ⅰ级探伤要求；钢板表面质量良好，其不平度≤4mm/1m。

本发明的优点在于：

(1)通过合理的成分设计，综合添加Cr、Mo、Ni，并辅以微量的Nb、Ti微合金化元素，严格控制轧制过程中温度、压下量等参数，采用淬火及回火工序，稳定生产60mm-100mm特厚耐磨钢。

(2)本发明所涉及特厚耐磨钢，力学性能完全满足NM450要求，其中冲击韧性良好，耐磨性能指标—布氏硬度值稳定；钢板表面及厚度方向布氏硬度值差异小，稳定性好，具有较高的应用前景，可批量应用与煤矿机械及工程机械行业。

附图说明

图1为实施例76.2mm规格钢板回火后典型金相组织。

图2为实施例中钢板表面及不同厚度位置布氏硬度(HBW)分布。

具体实施方式

实施例1

一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢，在首秦公司4300mm宽厚板生产线完成钢坯冶炼、铸坯浇铸(厚度规格：400mm)及钢板轧制(钢板厚度规格：76.2mm)、淬火及回火处理。

实际化学成分(wt％)如表1所示：

表1化学成分(wt％)

C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	P	S	Alt	Nb	Ti	B
												0.21	0.27	1.01	0.52	0.38	0.25	0.012	0.004	0.030	0.023	0.018	0.0021

实际连铸坯中心偏析C类0.5。

轧制前，铸坯轧制前均热温度为1170℃～1210℃，在炉时间420min。

本实例中钢板轧制参数设置、实际轧制规程及单道次计算温度见表2和表3：

表2轧制工艺参数设置

在本实施例中，因设备精度所限及钢坯、钢板允许厚度偏差等因素，实际所使钢坯厚度为401.01mm，实际所轧制钢板厚度为76.80mm。在具体轧制过程中，第1～10道次为再结晶区轧制，第11～20道次为再结晶区轧制；待温厚度为150mm，再结晶区轧制过程中累计压下率＝(401-150)/401≈62.34％。

表3实际轧制轧制规程及单道次计算温度

注：厚度单位-mm；温度单位-℃；；冷却速度-℃/S在结晶区轧制前，401.01mm为原始铸坯厚度。

热处理工艺参数如表4所示：

表4热处理工艺参数

钢板厚度/mm	淬火温度/℃	淬火保温时间/min	回火温度/℃	回火保温时间/min
					76.2	930	35	250	75

热处理后钢板强度、塑性及韧性指标如表5所示：

表5钢板强度、塑性及韧性指标

调质后钢板表面及厚度方向布氏硬度(HBW)如表6所示：

表6钢板表面及厚度方向硬度HBW

以上实例仅是对本发明最佳实施方式的简单描述，不对本发明的范围有任何限制。

Claims (2)

1.一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢，其特征在于，化学成分按重量百分比为，C：0.18％～0.22％；Si：0.10％～0.30％；Mn：0.90％～1.10％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.50％；Ni：0.10％～0.30％；Nb：0.01％～0.03％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.010％～0.030％；B：0.0015％～0.0025％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；其余为Fe及不可避免杂质。

2.一种权利要求1所述的特厚耐磨钢的制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：

1)铸坯冶炼：铁水脱硫扒渣→转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空处理；在冶炼过程中，C含量为0.18％～0.22％，合金元素Mn、Cr、Ni、Mo及微合金元素Nb、Ti、B成分范围为Mn：0.90％～1.10％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.50％；Ni：0.10％～0.30％；Nb：0.01％～0.03％；Ti：0.010％～0.020％；B：0.0015％～0.0025％；

2)铸坯浇铸：在铸坯浇铸过程中，控制铸坯表面及内部质量，防止铸坯表面出现微裂纹及次生裂纹，保证铸坯中心偏析C类≤1.0；

3)铸坯加热：在加热过程中，设定铸坯均热温度为1160℃～1220℃，在炉时间为360min～450min，保证连铸坯充分奥氏体化；

4)钢板轧制：采用两阶段控制轧制，再结晶区轧制+非再结晶区轧制+弱水冷工艺；再结晶区轧制阶段结束温度为1000℃～1050℃，钢板待温厚度为成品钢板厚度的1.5～2.5倍，再结晶区轧制总压下量为50％～70％，再结晶区轧制最后2～3单道次压下量为32mm～40mm；非再结晶区轧制的开轧温度为840℃～880℃，终轧温度为800℃～840℃；非再结晶区轧制总压下量为40％～60％，非再结晶区轧制开始3～4单道次压下率为8％～15％，为保证钢板轧制后钢板板形无瓢曲、翘钢、扣头或扣尾，非再结晶区轧制最后1～2道次单道次压下量减少至1.5mm～3.0mm；钢板轧制后采用弱水冷，终冷温度为650℃～700℃，冷却速度为5℃/S～12℃/S；

5)热处理：设定淬火温度为900℃～940℃，保温时间为25min～50min；回火温度为200℃～300℃，保温时间为60min～100min。