CN113462986B - 2000MPa环保耐热农机用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

2000MPa环保耐热农机用钢及其制造方法，钢中化学成分按重量百分比为：C0.20％～0.5％、Si≤0.1％、Mn0.4％～1.5％、W0.2～2.0％、Al0.01～0.06％、Ca0.0005％～0.05％、Re0.001％～0.5％、Sn0.001％～0.5％、B0.0010‑0.005％、N≤0.005％、Mg≤0.05％、Ca/S≥0.2、Ca/Mg≥1、Ca/Re≥0.05、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明组织为均匀细小珠光体和铁素体，表面光洁，无氧化脱碳层，热处理后硬度均匀，耐磨性、耐热性和耐腐蚀性优异。

Description

2000MPa环保耐热农机用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料制备领域，特别涉及一种2000MPa环保耐热农机用钢及其制造方法。
背景技术
农机装备的发展与水平关乎国家粮食的重大安全。农机配件用钢不断更新换代。目前较高端的入土农机配件用钢主要有两种，一种是65Mn钢油淬，成品硬度42-45HRC，强度1200MPa，耐磨性能一般，环境污染严重，高碳热轧板强度高，硬度高，屈强比一般80％以上，加工成型难度大，且热处理易开裂，耐热性和耐腐蚀性不良；另一种是国外进口的中碳30MnB5农机用钢，成品回火后硬度46-48HRC，强度1300MPa左右，屈强比一般也达70％以上，存在热处理易开裂，板形不好，耐热性和耐腐蚀性不理想。上述农机用钢加工的配件均存在入土工作磨擦升温时，耐磨性下降的问题，目前还没有适合水淬、硬度52HRC、强度1500MPa以上，表面耐热性、耐磨性和耐腐蚀性优良的农机配件用钢。另一方面，随着环保要求不断提高，农机用钢油淬环境污染严重的问题越越来突出，适合水淬的农机用钢是行业发展发向。
申请号为CN201510174384.3的专利文件《一种免球化退火的用CSP线生产薄规格工具钢的方法》叙述的是厚度1-2.5mm薄工具钢钢板的生产方法，不能满足厚规格工具用钢板的使用需求；采用低温轧制、快冷到马氏体转变温度附近低温卷取，再回火得到回火索氏体降低强硬性的生产工艺，一方面对卷取机能力要求极高，另一方面卷取过程中发生马氏体相变，马氏体脆性极大，极易断带，且卷后要进行550～700℃高温回火处理，成本较高。该工艺控制脱碳深度不超过板厚的1％。
一种免退火型中高碳钢板制造方法CN201310076240.5和一种免退火处理热轧S45C板带生产方法CN201110411594.1采用两相区或铁素体区低温大压下轧制，高温卷取堆垛，得到60％铁素体和部分球化珠光体，软化降低钢板硬度到80-85HRB。这种工艺得到的钢板铁素体量多，块大，必须淬火回火才能使用，而且热处理后硬度低，不能满足高端工具钢使用要求。
申请号为201510687941.1的专利文件公开了一种合金工具钢及其生产方法，涉及一种中碳工具钢，钢中含有：C 0.5％，Si 0.2％，Mn 0.5％，Cr 5.0％，Mo 2.3％，V 0.5％，S≤0.003％，P≤0.02％，该合金工具钢中加入Cr、Mo、V等合金较多，冶炼需采用电渣重熔浇注铸锭，成材率低，需要软化退火、球化退火、淬火、回火等多道热处理工序，成本高，不适于加工制造形状复杂的各类工具。
申请为CN104630618A的专利文件《一种家用园艺工具用钢55MnB及其制备方法》中描述的钢板厚度仅为3～5mm，应用范围有限，不能满足更薄规格或更厚规格的需求。此专利采用含硼的成分设计，但并未强调对氧、氮的控制，钢液中的硼很容易与氧和氮化合，形成化合物，不仅减弱固溶硼的提高淬透性作用，而且，B、N的化合物相易在晶界偏聚成网状，产生硼脆现象，导致脆性大等缺陷。含硼钢的热变形抗力大，热轧板形不易控制，热轧板板形不良，后续加工热处理工艺也很难再校平，严重影响成品质量。另一方面该专利描述的钢板的屈服强度390MPa～470，抗拉强度750～820MPa，延伸率17～26％，强度仍然较高，加工仍存在一定难度。且描述的生产工艺采用750℃高温卷取，钢板表面脱碳严重，表面氧化铁皮较厚，用户打磨量较大，影响生产效率。
ZL201610727654.3的专利文件《一种加工性能优异的园艺工具用钢及其生产方法》得到的钢板组织为粗大片状珠光体+球化珠光体，表面脱碳层0.01mm以上，表面质量不好，折弯易开裂，加Cr\Ni\Cu成本高，淬火硬度52HRC,强度不足1500MPa。
一种适合水淬的热轧带钢耙片及其制造方法ZL 201410250576.3，一种耙片用热轧带钢及生产方法与耙片处理方法ZL 201410253770.7，一种耙片用钢、生产方法及耙片处理方法201410253772.6，一种耙片用带钢及生产方法与耙片热处理方法ZL201410250902.0，这四个专利文件中采用中碳含硼成分设计，同时加Cr\Ti\V\Nb，成本高，硼活泼特别难控制，且需要控制Ti\V\Nb与N的比例，控制精度要求高，冶炼难度大，板形不好，热处理后平整度差，卷取温度较高，表面氧化脱碳严重。
上述现有技术提及的钢种及生产方法均未提及耐热性、耐腐蚀性技术，不适于加工高端耐热、耐腐蚀入土农机配件使用要求。为适应时代发展，满足农机配件更新换代需求，急需开发硬度60HRC、强度2000MPa以上，耐热性和耐腐蚀性优良，适合水淬的农机配件用钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种2000MPa环保耐热农机用钢及其制造方法，本发明生产的农机用钢表面质量高，适合水淬，更环保。本发明生产的农机用钢热轧板组织为均匀细小珠光体和铁素体，珠光体团小于10μm，屈强比60％以下，表面光洁，无晶界氧化层，热处理后高温工作环境下基体硬度58HRC以上，拉抻强度2000MPa以上。生产的农机配件，表面硬度65HRC以上，耐磨性、耐热性和耐腐蚀性优异。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
2000MPa环保耐热农机用钢，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.20％～0.5％、Si≤0.05％、Mn 0.4％～1.5％、W 0.2～2.0％、Al 0.01％～0.06％、Ca 0.0005％～0.05％、Re 0.01％～0.5％、Sn 0.1％～1.0％、B 0.001％-0.005％、N≤0.005％、Mg 0.0008％～0.05％、Ca/S≥0.2、Ca/Mg≥1、Ca/Re≥0.05、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
以下详细阐述本发明的农机用钢各合金成分作用机理：
C是钢中主要的固溶强化元素，且本发明中需足量的C提升强硬性，C含量若低于0.40％，则很难保证钢板强硬性，另一方面C含量若高于0.50％，则热轧板强度过高，恶化钢的韧塑性，影响屈强比，成型性不好。因此，本发明C含量要控制在0.20％～0.50％。
Mn价格相对便宜，是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素。锰和铁能无限固溶形成固溶体，提高硬度和强度，对塑性的影响相对较小。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹影响工具钢的热成形性。同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。钢中Mn含量低，不能满足高强硬性的要求，Mn含量过高偏析严重，影响焊接性能和成型性，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，Mn含量应该控制在0.4％～1.5％。
Si是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，固溶形态的Si能提高屈服强度和韧脆转变温度，一般农机钢中Si0.17％～0.37％,而本发明不加Si，控制钢中残余Si尽量少。本发明Si会促使刃具钢表面脱碳氧化，形成疏松的氧化层，氧化层中存在晶界氧化等微裂纹缺陷，严重影响表面硬度及疲劳性能。本发明Si≤0.05％，成本低，且避免钢表面氧化，改善表面质量，减少打磨量。
Al用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别能降低钢的脆性转变温度；Al还能提高钢的抗氧化性能，提高对硫化氢的抗腐蚀性。Al含量超过0.06％，易与钢中氧形成大颗粒氧化物夹杂，影响疲劳性能。本发明钢液中加入Al进行固氮处理，使氮固定在AlN中，消除N与B的脆化问题。本发明Al含量0.01％～0.06％。
B(硼)作为提高淬硬性元素，可明显提高钢板淬硬性。B提高淬透性的能力很强，0.001％～0.003％的B相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，故极少量的B即可节约大量贵重合金元素。B含量过高过低，均会影响其淬透性。钢中添加B元素，钢的淬透性显著提高，使含碳量低于0.4％时的钢板油淬火后可获得全部的马氏体组织，且显著提高钢的淬硬性。但钢中B易与N结合，生成BN，使钢中固溶B的含量减少，削减了B提高淬透性和淬硬性的作用。因此，含B要特别控制钢中游离N含量。另一方面，通常认为钢中B含量控制不好，B相会在晶界偏聚成网状，产生B脆现象，影响含B钢性能稳定性。因此，本发明控制B含量0.001％-0.005％，且用Al控制游离N含量，以充分发挥B的有益作用。
N在铁素体中可促使A体形成，由于γ相的出现，可减小晶粒粗化倾向，提高钢的强度，改善钢韧性和焊接性能。N易与合金元素生成氮化物非金属夹杂，降低合金元素的作用。铁素体溶解氮的能力很低，当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。但含硼钢如果N含量过高，易形成BN化合物，推迟奥氏体再结晶，提高含硼钢的奥氏体化温度，增加铸坯加热控制难度，而且减少沿晶偏聚的硼原子含量，降低硼钢的淬透性。因此，控制钢水中N含量小于0.0050％。本发明钢液中加入Al进行固氮处理，使氮固定在AlN中，消除时效倾向和N与B产生B脆的危害。
Ca改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能，提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能。工具钢碳较高，钢水流动性差，夹杂物不易上浮，本发明加钙，改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，加快钢水流动，促使夹杂物上浮充分，提高钢质纯净度，成品钢中各类非金属夹杂不超过1.5级，而且改善钢表面光洁度,消除组织的各向异性，改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能，延长工具的使用寿命。Ca的夹杂物变性作用与硫含量有很大关系，本发明Ca/S≥0.2，才能保证Ca夹杂物变性处理充分。本发明中添加钙能将稀土的收得率提高到60％以上,Mg的收得率提高到40％以上,有效提高稀土和镁的利用率,充分发挥他们在钢中提高高温强度和硬度，抗氧化性、抗腐蚀性和耐热性作用。
稀土元素可以提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性，提高高温强度。本发明Re能改善钢的流动性，提升钢板表面光洁度，提升表面喷焊性能。Re也能使Al2O3、MnS等氧化物和硫化物夹杂物变成细小分散的球状夹杂物，从而消除夹杂的危害性，提升疲劳性能。本发明Ca/Re≥0.05才能有足够的Ca提升稀土的收得率到60％以上，充分发挥稀土在钢中抗氧化性、抗腐蚀性和提高耐热性作用。本发明稀土在高温下使钢组织致密、提高高温强度，提升热处理后性能。钢中的Re和Mg与C反应，生成系列碳镁稀土化物，进一步促进热轧形成片间距0.3μm～0.9μm的珠光体组织，热处理碳扩散快，无需高温，节能减耗。
Mg是十分活泼的金属元素，它与氧、氮、硫都有很强的亲和力。但由于Mg太过活泼，冶炼时不易控制，收得率低。但由于Mg太过活泼，冶炼时不易控制，极易与氧、氮等形成夹杂物，影响钢质纯净度。本发明采用自创的精炼加Re-Mg冶炼技术，严格精准控制钢中Mg含量，利用Ca与Mg共同作用生成CaO·MgO·Al2O3及CaO·MgO·MnS复合夹杂，此类夹杂熔点低，在钢液中易凝固上浮排除，避免了连铸过程中的水口结瘤问题，减少钢液中夹杂含量，控制钢中夹杂物水平不超过1.0级。Ca/Mg≥1才能有足够的Ca提高Mg的收得率40％以上，有效提高镁的利用率,形成CaO·MgO·Al2O3及CaO·MgO·MnS复合夹杂,提高高温强度和硬度。Mg的另一主要作用是与Re、C生成系列碳镁稀土化物，以致热轧板中形成片间距0.3μm～0.9μm的珠光体组织，热处理碳扩散快，无需高温，节能减耗。
本发明Sn能改善钢的耐磨性和钢水流动性，钢水流动性好，夹杂物上浮充分，钢的纯净度好。本发明固溶Sn提高处理强硬性。本发明W含量高，易在铸坯枝晶凝固末端偏析聚集，易出液析相，影响折弯、疲劳等使用性能。另一方面，当碳在钢板表面晶界偏析聚集时，引起表面氧化严重，出现表面晶界氧化和微裂纹，这是影响表面喷焊不合格的主要原因。本发明在钢中加入一定量的Sn，可有效阻碍工具钢W和C偏析聚集和液析相析出，抑制钢板表面晶界氧化,提升表面喷焊性能、强度、耐磨性等综合性能。
W(钨)是碳化物形成元素，可以降低钢的过热敏感性、增加淬透性，提高强度和硬度，显著提高耐磨性。部分W溶入钢中形成固溶体，增加高温下性能稳定性、红硬性、热强性。本发明W还在钢中形成难熔碳化物，显著提高温性能，在较高温度时，碳化物不分解，保持较高的强硬性，提高耐热性。本发明钢表面下的W与在碳形成WC，均匀分布在表面晶界处，抑制表面氧化，使钢板表面晶界氧化层为0，提升喷焊性能。
固溶的Re、Mg、Sn、W等在特定的生产工艺下与碳形成碳化钨的复合物，如ReMg(WC)M、ReMgSn(WC)M、ReSn(WC)M、MgSn(WC)M等，均匀分布在铁素体基体中。这些Re、Sn、Mg的碳化钨的复合物耐热性特别强，1000℃仍不扩撒分解，热处理后它们仍均匀分散地分布在钢中，提升热处理后强硬性，进一步提升耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，拉抻强度2000MPa以上，硬度58HRC以上。
P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.020％，最高S含量限制在0.015％。硫在钢中以FeS、MnS形式存在，该发明中Mn高，MnS的形成倾向就高，虽然其熔点较高能避免热脆的产生，但MnS在加工变形时能沿着加工方向延伸成带状，钢的塑性，韧性，及疲劳强度显著降低，因此钢中加入Ca和Mg进行夹杂物变形处理。
所述农机用钢热轧钢板为细片状珠光体和细小铁素体块混合组织，珠光体团和铁素体块直径均不大于10μm；珠光体中渗碳体片间距0.3μm～0.9μm，热处理后组织为直径小于20nm的碳锡化物均匀分布的板条状马氏体组织。
所述农机用钢钢板为所述农机用钢钢板屈强比60％以下；适合水淬，200℃以上高温工作条件下，表面硬度65HRC以上，钢板抗拉强度2000MPa以上。
所述农机用钢钢板中非金属夹杂物不超过1.0级；偏析不超过1.5级；表面晶界氧化层为0mm。
2000MPa环保耐热农机用钢的制造方法，方法包括：本发明的钢板由转炉冶炼、电炉精炼、浇注的连铸坯轧制而成；
1)冶炼工艺：
a)采用Al脱氧剂脱氧，精炼氧含量≤0.0020％以后，加Ca处理至少5分钟，然后再加Re、Mg、Sn、W合金，在精炼后期加硼合金化，钢水加硼后≤8分钟结束精炼，提高硼的收得率，控制钢中硼含量；
b)中包吹氩时间5分钟～8分钟，确保夹杂物上浮充分，浇注过热度≤25℃；
c)连铸采用结晶器电磁搅拌，铸坯厚度170mm～250mm；压下量2mm～10mm；连铸结晶器电磁搅拌电流强度500A～1000A，电磁搅拌1分钟～3分钟；
d)连铸拉速1.0m/min～1.4m/min；
2)铸坯处理工艺：
a)铸坯不下线，快冷到500℃～650℃，直接进步进式加热炉加热；
b)加热炉采用还原性气氛，预热段温度500℃以上，加热段温度1200℃～1350℃，加热段时间30分钟～50分钟，总在炉时间2小时～4小时；
3)轧制工艺：
包括粗轧、精轧和第三次轧制三个过程，粗轧、精轧和第三次轧制之前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30MPa，保证钢板表面质量；
a)粗轧采用首道次≥50％大压下率轧制，充分破碎铸坯粗大晶粒；
b)精轧采用6道次连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，高温快轧，轧制速度≥20m/s,开轧温度1100℃～1150℃，结束温度900℃～980℃；
c)精轧后以冷速≥20℃/s冷却到550℃～730℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率2％～8％，侧压压下率5％～25％；
4)冷却工艺：
a)钢板进入层流冷却，急冷，冷速≥20℃/s；
b)为保证整卷得到均匀细小均匀碳化钨的复合物，采用卷头、卷中、卷尾分段冷却方式，卷头0米～30米550℃～580℃卷取，卷尾0米～30米650℃～700℃卷取，卷中其他部分580℃～700℃卷取，整卷得到片状珠光体和细小铁素体块混合组织，珠光体团和铁素体块直径均不大于10μm，珠光体中渗碳体片间距0.3μm～0.9μm；
5)用步骤4)得到的热轧钢板加工制造入土农机配件所需形状，加热到750℃～820℃，保温10分钟～30分钟，水淬到150℃以下入回火炉150℃～230℃保温24小时～36小时，空冷。
利用2000MPa环保耐热农机用钢加工的农机配件的喷焊方法，方法包括：
1)农机配件抛砂10分钟～30分钟、滚光10分钟～30分钟表面处理后，表面加热到800℃～900℃，热喷焊含铬70％～80％的铬铜合金粉末层，空冷到室温。
2)农机配件表面喷焊的铬铜合金粉末为直径80μm～150μm的球形粒状粉末。
所述农机配件表面喷焊的铬铜合金粒状粉末层厚0.2mm～0.5mm，与钢板表面下基体中的碳形成致密的CrCuC过渡层厚0.1mm～0.2mm。
喷焊后的农机配件表面硬度65HRC以上，磨销转速300r/min、载荷120N条件下磨损率小于20mg/km，土壤环境下腐蚀速率低于15g/m2.h。
本发明农机用钢碳高，氧含量难控制，钢水流动性差，为提高钢水流动性，脱氧充分，先用Al脱氧剂脱氧，氧含量≤0.0020％以后,加Ca处理至少5分钟后再加Re、Mg、Sn、W等合金。该发明成分中Ca、Mg、Re、Sn、W、B均为活跃元素，冶炼时很难控制，加入顺序至关重要。加Al脱氧后钢中会产生Al2O3夹杂，如果炉衬耐火材料不良，还会生成MgO·Al2O3夹杂，这些Al的氧化物夹杂熔点较高，在钢中不易凝固上浮，一方面会降低钢水流动性，堵塞浇注水口，另一方面也会使钢中夹杂物增多，影响钢的折弯、疲劳性能。加Al脱氧后再加Ca处理，Ca会打断原有长条状的Al2O3和MgO·Al2O3及MnS夹杂，包裹在这些断续夹杂物外部，生成弥散分布的球状CaO·MgO·Al2O3或CaO·Al2O3及CaO·MnS复合氧化物，细化球化了夹杂，而且这些小颗粒钙铝酸盐复合夹杂物熔点低，在钢液中易凝固上浮排除，避免了连铸过程中的水口结瘤问题，减少钢液中夹杂含量，保证钢中夹杂物水平不超过1.0级。Ca处理5分钟后，变性的夹杂物充分上浮，钢水纯净后，再加Re-Mg合金，此时钢水中存在的多余的游离Ca提高了Re和Mg的收得率，Ca使Re收得率提高到60％以上，Mg的收得率高达40％以上。充分发挥他们在钢中提高高温强度和硬度，抗氧化性、抗腐蚀性和耐热性作用。精炼最后加B处理，此时钢中N已与Al充分反应完，因此加入的B均以固溶态存在钢中，有助于提高B的利用率，充分发挥B提高淬透性作用。
Ca、Re、Sn均能使氧化物和硫化物夹杂变性，增加钢水流动性，提升夹杂上浮速度，中包吹氩时间5分钟～8分钟，即可促使夹杂物变性处理后充分上浮，保证钢中各类非金属夹杂不超过1.0级的纯净度，而且较普通工具钢节省近一半时间，节能减耗，且提高生产率。
本发明W含量高，连铸易产生成分偏析，影响组织均匀性，因此连铸采用压下技术和控制过热度改善铸坯宏观偏析。过热度≤25℃，连铸压下压下量为2～10mm,减轻偏析，且保证铸坯不出裂纹。压下量小于2mm偏析严重，超过1.5级,压下量大于10mm铸坯易出裂纹。
本发明W含量高，易在铸坯柱状晶凝固末端形成液态微偏析，热轧板易出液析相，影响拉伸强度和疲劳等使用性能。本发明在钢中加入一定量的锡，同时采用结晶器电磁搅拌，电流强度500A～1000A，时间1～3分钟，连铸拉速1.0m/s～1.4m/s，控制等轴晶率50％以上，控制柱状晶末端合金液态微偏析，有效阻碍W偏析聚集和液析相析出。而且在电磁搅拌作用下，铸坯表面下的W与在碳形成WC，均匀分布在表面晶界处，抑制表面氧化，使钢板表面晶界氧化层为0，提升喷焊性能。电磁搅拌电流强度低于500A，搅拌时间少于1分钟，阻碍W偏析聚集和液析相析出不明显，电磁搅拌电流强度高于1000A，浪费能源，搅拌时间多于3分钟，钢水温度降低，浇注堵水口。锡不仅能有效阻碍W偏析聚集和液析相析出，还能抑制钢板表面晶界氧化，本发明表面晶界氧化深度为0mm，提升表面喷焊性能、强度、耐磨性等综合性能。
B相在650℃～830℃析出速度最快，在此温度区间，冷却速度越慢，B扩散越充分，析出的B相越多，偏聚越严重，越易形成网状。另一方面，本发明合金较多，为避免铸坯开裂，采用热送热装生产工艺，因此，铸坯不下线，快冷到500℃～650℃，直接进加热炉加热，避免铸坯冷却过程中析出网状B相，产生硼脆等原因的开裂。铸坯不下线直接进加热炉，在炉时间短，抑制钢板表面晶界氧化，提升表面喷焊性能、强度、耐磨性等综合性能。
铸坯轧制前采用步进式加热炉加热，铸坯入加热炉加热段前预热段温度500℃以上，防止加热段铸坯内外温差太大，产生内应力和热应力开裂；加热炉采用还原性气氛，阻抗铸坯表面氧化脱碳。加热段温度1200℃～1350℃，加热段时间30分钟～50分钟，在炉总时间1小时～2小时，保证铸坯加热均匀，均匀成分，减小偏析。
粗轧之前2次除鳞，精轧之前2次除鳞，第三次轧制之前1次除鳞，除鳞压力均30MPa以上，钢板表面氧化铁皮清除干净，钢板表面无明显氧化脱碳，提升钢板的电镀性能；粗轧采用首道次≥50％大压下率轧制，充分破碎铸坯粗大柱状晶粒，促进形成细小奥氏体；粗轧后Mg、Re、C生成系列碳镁稀土化物，以致热轧板中形成片间距0.3μm～0.9μm的珠光体组织，热处理碳扩散快，无需高温，节能减耗。
精轧采用6道次高温快轧，开轧温度≥1100℃，结束温度900℃～980℃，固溶的Re、Mg、Sn、W等与碳形成碳化钨的复合物，如ReMg(WC)M、ReMgSn(WC)M、ReSn(WC)M、MgSn(WC)M等，均匀分布在铁素体基体中。这些Re、Sn、Mg的碳化钨的复合物耐热性特别强，1000℃仍不扩撒分解，热处理后它们仍均匀分散地分布在钢中，提升热处理后强硬性，进一步提升耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，拉抻强度2000MPa以上，硬度58HRC以上。总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，为形成碳化钨的复合物提供足够的相变能；采用高温快轧，轧制速度≥20m/s的工艺，奥氏体均匀细小，以便形成不超过10μm的珠光体团和铁素体块。另一方面，轧制速度快，精轧停留时间短，钢板表面来不及氧化脱碳，表面光洁。
这些Re、Sn、Mg的碳化钨的复合物在精轧期间不断长大，形成长条状，韧塑性差，影响热轧板成型性。长条状的碳化钨的复合物也影响钢热处理后耐磨性。因此，为了破碎上述精轧过程中长大的碳化钨的复合物，同时增加铁素体和珠光体团形核率，细化先析铁素体块和珠光体团到10μm以下，为后续热处理后形成细小马氏体板条提供组织保证，钢板出精轧机后以≥20℃/s冷速冷却到550℃～730℃入轧机上下压下率2％～8％、侧压压下率5％～25％进行第三次轧制。
第三次轧制采用四水平辊轧机连续两道次轧制，增加破碎所需的相变能。轧制温度550℃～730℃℃，上下压下率2％～8％，侧压压下率5％～25％保证所有碳化钨的复合物破碎到20nm以下。另一方面，第三次低温轧制也能破碎上述精轧形成的大的珠光体团，让珠光体重新形核成团，使珠光体团直径不超过10μm，提升韧塑性，屈强比60％以下，成型性优异。第三次轧制轧制温度高于730℃、压下率低于2％，侧压压下率小于5％碳化钨的复合物不易破碎。轧制温度低于550℃、压下率大于8％，侧压压下率大于25％轧制力大，轧机负荷过大，钢的储存能大，形成的珠光体多，铁素体块少，折弯性能不好。
20℃/s为该发明得到全珠光体的临界冷速，大于这个冷速，无铁素体析出，防止氧化脱碳。580℃～700℃为该发明生成全珠光体的终冷温度，采用卷头、卷中、卷尾分段冷却方式，卷头0米～30米550℃～580℃卷取，卷尾0米～30米700℃～730℃卷取，卷中其他部分580℃～700℃卷取，有阻于整卷钢板组织性能均匀，使整卷钢板表面细密，提升整卷表面质量，表面光洁、无氧化层。这个温度范围卷取，可以有效抑制表面晶界氧化。同时在Mg和Re作用下，有助于形成片间距0.3μm～0.9μm的片层状珠光体，珠光体团直径不超过10μm，提升整卷组织性能均匀性。卷取温度低于530℃，会出贝氏体或马氏体脆硬相，钢板硬度过高，易开裂。卷取温度高于730℃，冷速小于20℃/s均会析出大块先析铁素体，强度低，且表面二次氧化，出晶界氧化层，影响表面喷焊，成型易开裂。还可能产生硼脆问题，严重影响使用性能。
本发明热轧板加工制造的入土农机配件采用水淬，淬火温度750℃～820℃，保温10～30分钟，回火温度150～230℃，保温24～36小时。本发明采用水淬工艺，回火温度低于普能高碳钢，淬火和回火保温时间短，节省能耗，水淬更环保，符合节能减排环保要求。
淬火温度750℃以下，珠光体片中的渗碳体不能完全扩散分解，淬火后仍存在铁素体，强硬性不足。淬火温度高于820℃，钢表面易氧化脱碳。这个温度区间淬火，20nm以下细小弥散的碳化钨复合物仍均匀分布在钢中，提升热处理后强硬性，进一步提升耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，拉抻强度2000MPa以上，基体硬度58HRC以上。
抛砂10分钟～30分钟、滚光10分钟～30分钟表面处理后，表面加热到800℃-900℃，热喷焊含铬70％～80％的铬铜合金粉末层，层厚0.2mm～0.5mm，粉末由直径80μm-150μm的球形粒子组成，这些球形粒子粉末附着在钢表面，有效提升了表面耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，表面硬度65HRC以上，磨损率小于20mg/km(磨销转速300r/min，载荷120N)。组成粉末的球形粒子直径小于80μm或大于150μm耐磨性都不好。另一方面表面喷焊的粉末一部分在高温下渗入钢基本表面，与碳形成厚0.1mm～0.2mm致密的CrCuC层，提升钢的耐腐蚀性能，土壤环境下，腐蚀速率低于15g/m2·h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用利用Sn、Re、Mg、W与碳形成的碳化钨复合物，同时采用三次轧制技术破碎碳化钨复合物，让他们细小弥散分布在钢中，热处理后组织为直径20nm以下球形细小碳化钨复合物均匀分布的板条状马氏体组织，200℃以上高温工作条件下，基体硬度58HRC以上，拉抻强度2000MPa以上，耐热性能和耐磨性能明显提升；
2)用Mg、Re及Sn控制冷速形成渗碳体片间距0.3μm～0.9μm的片层状珠光体和铁素体混合组织，珠光体团直径不超过10μm，屈强比60％以下，成型性优异；
3)本发明用Ca和Mg联合脱氧对钢中夹杂物进行变性处理，各类非金属夹杂物不超过1.0级；
4)采用低Si、低C加Sn、W的成分设计，抑制表面氧化，晶界氧化层为0mm；
5)加Sn并采用电磁搅拌及铸坯压下技术，有效阻碍W和C偏析聚集和液析相析出，偏析不超过1.5级；
6)表面喷焊直径80μm-150μm的球形铬铜粉末粒子，铬铜层厚0.2-0.5mm，与钢表面下基本中的碳形成致密的过渡层CrCuC层厚0.1mm～0.2mm，有效提升了表面硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性能，200℃以上高温工作条件下，表面硬度65HRC以上，磨销转速300r/min、载荷120N条件下磨损率小于20mg/km，土壤环境下腐蚀速率低于15g/m2·h；
7)本发明适合水淬热处理工艺，更环保。
具体实施方式
通过实施例对本发明进行更详细的描述，这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何的限制。
实施例钢中化学成分见表1；热轧带钢生产工艺见表2和表3；喷焊工艺见表4；其成品性能见表5。
表1钢中化学成分，wt％
Figure BDA0003166155540000111
Figure BDA0003166155540000121
表2冶炼生产工艺
Figure BDA0003166155540000122
表3铸坯处理及热轧、冷却工艺
Figure BDA0003166155540000123
Figure BDA0003166155540000131
表4热处理及喷焊工艺参数
Figure BDA0003166155540000132
表5钢板及成品性能
Figure BDA0003166155540000133
Figure BDA0003166155540000141

Claims (9)

1.2000MPa环保耐热农机用钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.20％～0.4％、Si≤0.05％、Mn 0.4％～1.5％、W 0.2～2.0％、Al 0.01％～0.06％、Ca 0.0005％～0.05％、RE 0.069％～0.5％、Sn 0.3％～1.0％、B 0.001％-0.005％、N≤0.005％、Mg0.0008％～0.05％、Ca/S≥0.2、Ca/Mg≥1、Ca/RE ≥0.05、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的2000MPa环保耐热农机用钢，其特征在于，所述农机用钢钢板为细片状珠光体和细小铁素体块混合组织，珠光体团和铁素体块直径均不大于10μm；钢板中珠光体片间距0.3μm～0.9μm；热处理后组织为直径小于20nm的碳锡化物均匀分布的板条状马氏体组织。
3.根据权利要求1所述的2000MPa环保耐热农机用钢，其特征在于，所述农机用钢钢板屈强比60％以下；热处理后200℃以上温度工作条件下，钢板基体硬度58HRC以上，钢板抗拉强度2000MPa以上。
4.根据权利要求1所述的2000MPa环保耐热农机用钢，其特征在于，所述农机用钢钢板中非金属夹杂物不超过1.0级；钢板表面晶界氧化层为0mm；偏析不超过1.5级。
5.如权利要求1-4其中任意一项所述的2000MPa环保耐热农机用钢的制造方法，其特征在于，方法包括：
1)冶炼工艺：
a)采用Al脱氧剂脱氧，精炼氧含量≤0.0020％以后，加Ca处理至少5分钟，然后再加RE、Mg、Sn、W合金，在精炼后期加硼合金化，钢水加硼后≤8分钟结束精炼；
b)连铸采用压下工艺和结晶器电磁搅拌，铸坯厚度170mm～250mm，压下量2mm～10mm；连铸结晶器电磁搅拌电流强度500A～1000A，电磁搅拌1分钟～3分钟，连铸拉速1.0m/min～1.4m/min；
2)轧制工艺：
包括粗轧、精轧、第三次轧制三个过程：
a)粗轧采用首道次≥50％大压下率轧制；
b)精轧采用连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，轧制速度≥20m/s,开轧温度1100℃～1150℃，结束温度900℃～980℃；
c)精轧后以冷速≥20℃/s冷却到550℃～630℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率2％～8％，侧压压下率5％～25％；
3)冷却工艺：
a)钢板出精轧机后进入层流冷却，冷速≥20℃/s；
b)采用卷头、卷中、卷尾分段冷却方式，卷头0米～30米550℃～580℃卷取，卷尾0米～30米650℃～700℃卷取，卷中其他部分580℃～700℃卷取；
4)用步骤3)得到的热轧钢板加工制造入土农机配件所需形状，加热到750℃～820℃，保温10～30分钟，水淬到150℃以下入回火炉150～230℃保温24～36小时，空冷。
6.根据权利要求5所述的2000MPa环保耐热农机用钢的制造方法，其特征在于，还包括铸坯处理工艺：铸坯不下线，快冷到500℃～650℃，直接进步进式加热炉加热；加热炉采用还原性气氛，预热段温度500℃以上，加热段温度1200℃～1350℃，加热段时间30分钟～50分钟，总在炉时间2小时～4小时。
7.利用权利要求1所述2000MPa环保耐热农机用钢加工的农机配件的喷焊方法，其特征在于，方法包括：
1)农机配件抛砂10分钟～30分钟、滚光10分钟～30分钟表面处理后，表面加热到800℃～900℃，热喷焊含铬70％～80％的铬铜合金粉末层，空冷到室温。
2)农机配件表面喷焊的铬铜合金粉末为直径80μm～150μm的球形粒状粉末。
8.根据权利要求7所述的利用2000MPa环保耐热农机用钢加工的农机配件的喷焊方法，其特征在于，所述农机配件表面喷焊的铬铜合金粒状粉末层厚0.2mm～0.5mm，CrCuC过渡层厚0.1～0.2mm。
9.根据权利要求7所述的利用2000MPa环保耐热农机用钢加工的农机配件的喷焊方法，其特征在于，喷焊后的农机配件表面硬度65HRC以上，磨削转速300r/min、载荷120N条件下磨损率小于20mg/km，土壤环境下腐蚀速率低于15g/m2.h。
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