CN103243277A - 一种hb400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.045～0.078%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.30～1.60%、P：≤0.015%、S：≤0.015%、Cr：0.30～0.65%、Ni：0.20～0.50%、Nb：0.02～0.05%、Ti：0.005～0.025%、B：0.001～0.005%、Als：0.010～0.040%；生产步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；分段轧制；冷却；自然冷却至室温；回火。本发明开发了一种非调质生产工艺，降低了影响抗裂纹性能的合金元素添加量；获得板条马氏体、残余奥氏体、未溶碳化物混合组织，从而提合金耐磨钢板耐磨性和抗裂纹性能。与国内外同等级别耐磨钢相比，合金添加量较少合金成本低，制造工艺简单，性能优良，更主要是解决了马氏体耐磨钢易产生裂纹的难题，后续加工工艺简单，焊接和火焰切割均不用预热。

Description

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢及生产方法

技术领域

本发明属于机械工程用耐磨钢制造领域，特别涉及一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢及其加工方法。

背景技术

耐磨钢板广泛应用于工作条件特别恶劣，要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上。如推土机，装载机，挖掘机，自卸车及各种矿山机械、抓斗、堆取料机、输料弯曲结构等。多年来一直困扰着工业界人士的一个重大问题就是磨损，尤其是接触岩石、矿料等受磨擦、撞击、冲刷的结构。据统计，工业发达的国家，机械装备及其零件的磨损所造成的经济损失占国民经济总产值4%左右。因此，解决磨损和延长机械设备及其部件的使用寿命成为工业界人士在设计、制造和使用各种机械设备所需要考虑的首要问题。 

按耐磨钢成品金相组织目前耐磨钢主要分为奥氏体锰钢和低合金马氏体钢。高锰钢是抗冲击磨损的典型耐磨钢，在冲击条件下显示出优越的耐磨性。高锰钢作为历史最悠久的一种耐磨材料，其成分(质量分数)范围为：w(C)=0.9％～1.4％，w(Mn)=10％～15％，w(Si)= 0.3％-0.8％，w(S)≤0.05％，w(P)≤0.10％。高锰钢的这种建立在加工硬化基础上的优异的耐磨性能使它的使用受到限制，为扩大高锰钢的应用范围，研究了改进性高锰钢，进一步提高其耐磨性，主要采用合金化的方法，添加Cr、Mo引起固溶强化，加入钛形成碳化钛，可引起弥散强化，并能细化结晶组织，最终达到强化基体、提高其耐磨性和屈服强度的目的，但由于其合金成本高、加工性能差，导致应用受限。

合金马氏体耐磨钢其组织主要由马氏体组成，采用Cr、Ni和Mo等元素合金化，然后通过淬火与低温回火热处理，获得回火马氏体组织。低合金马氏体钢中具有高硬度的高位错板条状马氏体，能够较好地抵抗磨损时裂纹的扩展，同奥氏体高锰钢相比，在中等冲击磨损条件下，该钢种具有明显的优越性，综合机械性能也较好，但不足之处在于，它主要靠马氏体基体硬度来抗磨，其对化学成分控制和热处理工艺要求也较高。低、中合金钢中淬硬态的组织有马氏体(包括板条马氏体和片状马氏体)、残余奥氏体和未溶碳化物等。

CN102605234A提供了一种400HB级耐磨钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.08~0.24%，Si：0.1~0.3%，Mn：0.7~1.7%，Cr：1.0%，Mo：0.6%，B：0.0005~0.004%，Ti：0.005~0.04%，其余为Fe和微量杂质元素，采用铸造-控轧-调质热处理工艺生产，性能优良，适用于制造工程机械中易磨损设备，不足之处在于成分中的C含量相对较高，对抗裂纹性能有影响，并且采用传统铸造工艺，导致生产效率彻低，并还需要进行调质热处理工艺，昂贵元素Cr也相对较高，使得成本较高和生产周期较长。

CN102127705A提供了一种高强度高硬度耐磨钢，其成分重量百分比为：C：0.2~0.3%，Si：0.5~1.0%，Mn：1.4~2.0%，Nb：0.02~0.04%，Ti：0.02~0.035%，Mo：0.3~0.5%，V：0.03~0.06%，B：0.0015~0.02%，Al≤0.03%，N: 0.002~0.004%，采用在线热处理+回火工艺，在线淬火终冷温度小于200℃，其不足在于成分中的C含量相对高，会使金相组织中有片状马氏体组织，对抗裂纹性能影响较大；工艺上需要进行淬火处理，导致生产周期长，能耗消耗大。

CN102605272A提供了一种低合金超高强度耐磨钢及其生产方法，采用模铸方法获得铸锭，其成分重量百分比为：C：0.20~0.35%，Si：0.3~0.7%，Mn：0.6~1.0%，Cr：0.7~1.1%，Ni：0.6~1.0%，Mo：0.3~0.7%，其余为Fe和微量杂质元素， 将铸锭进行锻造加工，然后进行900℃~940℃正火（保温时间1~3小时）-880℃~920℃淬火（保温时间1~3小时）-150℃~220℃低温回火（保温时间2~4小时）处理，获得具有高强度高、高韧性、高耐磨性的钢板，不足之处在于：不仅成分中的C含量相对高，会使金相组织中有片状马氏体组织，对抗裂纹性能影响较大；工艺上需要进行淬火处理，导致生产周期长，能耗消耗大，而且贵重合金Ni、Cr、Mo添加量大，合金成本仍然较高。

发明内容

本发明针在于克服现有技术存在的不足，提供一种不仅合金少，生产成本低，工艺流程短，工序能耗低，而且金相组织为板条马氏体、残余奥氏体、未溶碳化物混合组织，抗裂纹性能优良的HB400级抗裂纹高强度板条马氏体耐磨钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.045~0.078%、Si：0.20~0.50%、Mn：1.30~1.60%、P：≤0.015%、S：≤0.015%、Cr：0.30~0.65%、Ni：0.20~0.50%、Nb：0.02~0.05%、Ti：0.005~0.025%、B：0.001~0.005%、Als：0.010~0.040%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15≤0.55；金相组织为板条马氏体、残余奥氏体、未溶碳化物混合组织。

生产一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，加热温度为1180℃～1240℃；

3）分段进行轧制：控制第一阶段开轧温度在1100℃～1150℃，第一阶段累积压下率不低于55%；控制第二阶段开轧温度在1000℃～1050℃，控制每道次压下率不低于15%，终轧温度不低于910℃；

4）进行冷却，在冷却速率为23～30℃/s下，控制终冷温度控制在200℃～350℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在220~380℃；回火时间根据板厚常规确定。

在设计钢的合金成分时，主要应考虑了以下三点：提高淬透性，获得板条马氏体组织，避免片状马氏体产生；提高综合强化能力，获得高强度和高耐磨性；减少因合金元素添加造成的裂纹敏感性。其优点在于控制成本并满足钢种强度和硬度设计要求，同时具有优良的焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性。

C、Mn是最有效的固溶强化元素，传统耐磨钢均以高C-Mn为成分设计基础，随着钢中的C、Mn含量的增加，强度和耐磨性能提高十分明显。

C对塑性和韧性十分不利，含碳量高的产品在加工使用过程中极易产生裂纹。对于马氏体钢，马氏体的形态主要取决于奥氏体的含碳量，从而与钢的马氏体转变开始温度M_s点有关，C含量的增加大幅降低马氏体转变点，M_s点越低变越不利于板条马氏体的转变，易于转变为裂纹敏感性强的片状马氏体。而片状马氏体的存在，会大幅降低抗裂纹性能。因此设计该钢C含量范围为：0.045~0.078%。

Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区得奥氏体，降低淬火时的临界冷却速度，提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小。但是马氏体Mn钢，Mn含量增加易使之发脆、淬裂。Mn易溶于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强，加热过程中极易完全溶入奥氏休中，加之其临界点又低，所以晶粒极易粗化、极易淬裂。Mn将降低钢的塑性，促使其回火脆性增强，增强钢对白点的敏感性，这些因素均对抗裂纹性能不利。因此设计该钢Mn含量范围为：1.30~1.60%。

Si脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂，故一般钢中均含Si，适量的硅可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃）时的分解速度，增加回火稳定性，并使回火时析出的碳化物不易聚集，对抗裂纹性能有利。硅含量增加会造成Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物增加，塑性比硫化物低，会降低钢的各种力学性能，低熔点硅酸盐会增加熔渣和融化金属的流动性，影响焊缝质量。因此设计该钢Si含量范围为：0.2~0.5%。

Ni的有益作用是：高的强度、高的韧性和良好的淬透性。一方面既强烈提高钢的强度，另一方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以可成连续固溶体，这就有利于提高钢的淬硬性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均匀分布，所以塑性、韧性也好。Cr钢均有优良的淬透性，且淬火变形较小。Cr在与Ni结合的钢中对性能提高尤其显著。但Cr-Ni钢容易感受回火脆性和易形成白点，且Ni价钱高。因此设计该钢Cr、Ni含量范围分别为：Cr：0.30~0.65%、Ni：0.20~0.50%。

Ti能形成很强固的TiC，可稳定到1300℃，有此稳定到高温的高度分散的TiC质点，所以可细化晶粒，降低钢的过热倾向性，Ti能防止产生晶间腐蚀现象，可改善焊接性能，Ti能与S作用，降低硫的热脆作用。含Ti钢，特别是低碳Ti钢，往往因其钢液粘度较大，而使其中非金属夹杂不易分离浮出，易产生裂纹源。Nb能生成高度分散的强固的碳化物NbC（熔点3500℃），所以可细化晶粒，直加热至于1100～1200℃，仍可阻止晶粒长大，同Ti能防止产生晶间腐蚀，减少裂纹源的产生。固溶在奥氏体中的Nb、Ti 能很好的控制加工后的再结晶，还能将再结晶温度提高100℃以上。这一作用使一般程度的控制轧制在较高的温度也可以获得。固溶在奥氏体中的Nb、Ti在相变时或相变后作为极微细的碳化物、碳氮化物析出，使强度升高。因此设计该钢Nb、Ti含量范围分别为：Nb：0.02~0.05%、Ti：0.005~0.025%。

为了提高淬透性向钢中加入微量的B元素。固溶的B向淬火前的奥氏体晶界处偏析，通过抑制铁素体相变，提高了淬透性。由于在奥氏体中B会以BN 的形式析出而影响提高淬透性的效果，因此，还要通过添加Al来固定N。B含量增加会向晶界偏聚增加裂纹敏感性。因此设计该钢B、ALs含量范围分别为：B：0.001~0.005%、Als：0.010~0.040%，

钢中S、P是有害杂质元素，钢中P、S含量越低越好。当钢中S含量较多时，热轧时容易产生热脆等问题；而钢中P含量较多时，钢容易发生冷脆，此外，磷还容易发生偏析。

本发明采取短流程制造工艺：即在控轧后直接进行回火工艺，替代了传统的耐磨钢生产工艺，能获得具有形变热处理效果的精细板条马氏体组织，而避免片状马氏体的产生，及控制残余奥氏体和未溶碳化物的形态和分布。

板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单元而消耗断裂功，从而提高了韧性，而片状马氏体断裂单元大，并有微裂纹造成脆性。残余奥氏体存在于马氏体板条间，因其能使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧性改善。过多残余奥氏体对耐磨性不利。基体中分布细小弥散碳化物对耐磨性有利，未溶碳化物会引起应力集中，形成裂纹源，有利于裂纹扩展，加速脆断，降低韧性。

本发明与现有技术相比，开发了一种非调质生产工艺，从工艺角度提高强度和耐磨性能，降低了影响抗裂纹性能的合金元素添加量，从而提高抗裂纹性能，另外，通过非调质工艺控制组织结构类型，获得适当比例的板条马氏体、残余奥氏体、未溶碳化物混合组织，从而提合金耐磨钢板耐磨性和抗裂纹性能。与国内外同等级别耐磨钢相比，合金成本低，制造工艺简单，性能优良；而且合金添加量较少，合金成本低，属于资源节约型钢种。采用短流程制造工艺，避免了复杂热处理工艺带来的能源损耗，同时大幅缩短生产周期，工艺可操作性提高，节约了工序成本，更主要是解决了马氏体耐磨钢易产生裂纹的难题，后续加工工艺简单，焊接和火焰切割均不用预热，提高了耐磨钢使用安全性和高效性。因此具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，经济效益和社会效益明显。

附图说明

附图为本发明钢的金相组织为板条状的结构图（晶粒尺寸约为5～10μm）。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例经检测后的力学性能列表；

实施例1

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.046%，Si：0.35%，Mn：1.55%，Als：0.023%，P： 0.012%，S： 0.0078%，Cr：0.41 %，Ni：0.33%，Nb：0.039 Ti：0.012%，B：0.0017%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.452。

其生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1180~1187℃；

3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1105~1110℃，第一阶段累积压下率65%，第二阶段开轧温度1020~1027℃，每道次压下率在18%，终轧温度920℃；

4）进行冷却，开冷温度在905℃，冷却速度控制在26℃/秒，终冷温度在265~270℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在330~335℃。

实施例2

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.053%，Si：0.33%，Mn：1.52%，Als：0.025%，P： 0.013%，S： 0.0088%，Cr：0.38 %，Ni：0.31%，Nb：0.041 ，Ti：0.017%，B：0.0027%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.521。

其生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1190~1198℃；

3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1117~1125℃，第一阶段累积压下率62%，第二阶段开轧温度1030℃，道次压下率19%，终轧温度922℃；

4）进行冷却，开冷温度在910℃，冷却速度控制在27℃/秒，终冷温度在275~280℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在275~282℃。

实施例3

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.059%，Si：0.26%，Mn：1.31%，Als：0.028%，P： 0.014%，S： 0.0068%，Cr：0.32 %，Ni：0.42%，Nb：0.028， Ti：0.017%，B：0.0014%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.523。

其生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1205~1210℃；

3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1130~1137℃，第一阶段累积压下率58%，第二阶段开轧温度1010~1017℃，道次压下率15%，终轧温度910℃；

4）进行冷却，开冷温度在900℃，冷却速度控制在24℃/秒，终冷温度在300~310℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在240~250℃。

实施例4

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.069%，Si：0.42%，Mn：1.42%，Als：0.022%，P： 0.013%，S： 0.009%，Cr：0.51 %，Ni：0.21%，Nb：0.043， Ti：0.025%，B：0.005%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.536。

其生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1234~1240℃；

3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1145~1150℃，第一阶段累积压下率61%，第二阶段开轧温度1045~1050℃，道次压下率17%，终轧温度930℃；

4）在线进行淬火，开冷温度在915℃，冷却速度控制在28℃/秒，终冷温度在305~315℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在320~330℃。

实施例5

一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.0775%，Si：0.25%，Mn：1.45%，Als：0.016%，P： 0.011%，S： 0.008%，Cr：0.65 %，Ni：0.5%，Nb：0.045 ，Ti：0.008%，B：0.0011%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.5435。

其生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1215~1222℃；

3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1128~1232℃，第一阶段累积压下率63%，第二阶段开轧温度1005~1112℃，道次压下率15.5%，终轧温度920℃；

4）在线进行淬火，开冷温度在905℃，冷却速度控制在26℃/秒，终冷温度在340~348℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在370~380℃。

表1  各实施例经检测后力学性能结果列表

实施例	规格/mm	ReL/MPa	Rm/MPa	延伸率A/%	-20℃冲击功/J	HBW/10/3000
							1	10	1180	1260	13	65	420
2	20	1170	1240	13.5	75	410
							3	35	1175	1255	13	80	415
4	40	1165	1245	14	75	415
							5	50	1160	1225	14.5	80	410

从表1中可看出，本发明钢板厚度规格范围为10~50mm，屈服强度≥1100MPa，Rm≥1200MPa，延伸率≥13%，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400，从实例可以看出，采用热机械加工+回火工艺生产的钢板性能稳定。实例钢板焊接和火焰切割不用采取预热措施，无裂纹产生。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.045~0.078%、Si：0.20~0.50%、Mn：1.30~1.60%%、P：≤0.015%%、S：≤0.015%、Cr：0.30~0.65%、Ni：0.20~0.50%、Nb：0.02~0.05%、Ti：0.005~0.025%、B：0.001~0.005%、Als：0.010~0.040%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15≤0.55；金相组织为板条马氏体、残余奥氏体、未溶碳化物混合组织。

2.生产权利要求1所述的一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，加热温度为1180℃～1240℃；

3）分段进行轧制：控制第一阶段开轧温度在1100℃～1150℃，第一阶段累积压下率不低于55%；控制第二阶段开轧温度在1000℃～1050℃，控制每道次压下率不低于15%，终轧温度不低于910℃；

4）进行冷却，在冷却速率为23～30℃/s下，控制终冷温度控制在200℃～350℃；

5）空冷至室温；

6）进行回火，回火温度控制在220~380℃；回火时间根据板厚常规确定。

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