CN104388821B - TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法，属于合金钢技术领域。该钢板的化学组成按重量百分含量为C：0.20‑0.40；Mn：1.00‑2.50；Si：0.80‑1.50；Ni：0.20‑0.60；Mo：0.15‑0.50；Ti：0.40‑0.80；B:0.0005‑0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。再加入Cu：0.00～0.50wt％、Cr：0.00～0.80wt％中一种或两种合金元素。制造方法是：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸或模铸、加热、轧制、冷却、热处理。轧后得到粒状贝氏体、板条马氏体与TiC粒子的复相组织，其中粒状贝氏体组织包含贝氏体铁素体和马氏体/奥氏体岛，残余奥氏体的体积分数约为6‑12％，TiC析出相的体积分数约为0.5‑1.5％，平均粒径约为1μm；钢板硬度HB370‑420，耐磨性优于或相当于Hardox450，且加工性能及焊接性能优良，满足相关设备制造要求。

Description

TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法
技术领域
本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法,是一种具有优异耐磨性和加工性能的TiC粒子增强型复相组织耐磨钢。
背景技术
耐磨钢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，如刮板运输机、转载机、挖掘机、自卸车及各种矿山机械等。传统低合金耐磨钢的组织通常选择单相马氏体，提高其耐磨性的主要方法是提高钢中碳含量和淬火马氏体的硬度，据此开发出布氏硬度HB360～600不同级别耐磨钢。然而，随着硬度的增加，钢的加工性和焊接性将严重恶化，难以满足装备制造相关要求。如何在不提高硬度的前提下大幅改善钢的耐磨性，成为当前冶金和耐磨行业亟待解决的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢及其制造方法，解决现有高硬度耐磨钢焊接性能及加工性能差、难以满足设备制造要求的难题。本发明与传统马氏体耐磨钢相比，引入了一定体积分数的贝氏体(40-70％)和残余奥氏体(6-12％)，布氏硬度比传统马氏体耐磨钢的低30-100HB，但塑性提高了15-40％，并且采用超硬的TiC粒子提高耐磨性，其耐磨性相当于传统马氏体耐磨钢。TiC粒子的HV硬度大于3000，90％以上粒子的尺寸在0.3到3微米之间分布，体积分数为0.5-1.5％。这些超硬TiC粒子提高耐磨性原理是：阻止磨粒磨损犁沟的通过，或者破碎磨粒、钝化磨粒尖角，显著减轻基体的磨损失重。
本发明的耐磨钢板的化学组成按重量百分含量(wt.％)为C：0.20-0.40；Mn：1.00-2.50；Si：0.80-1.50；Ni：0.20-0.60；Mo：0.15-0.50；Ti：0.40-0.80；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。在上述成分基础上再加入以下一种或多种合金元素：Cu：0.00～0.50wt％、Cr：0.00～0.80wt％。
本发明各元素的作用及配比依据如下：
碳：提高钢的淬透性，具有强烈的固溶强化作用，显著提高马氏体钢的强度和硬度；适当含量的碳与钛结合形成微米级TiC粒子，可显著改善耐磨性。本发明钢控制碳含量为0.20-0.40％，碳含量低于0.20wt.％，难以形成足够体积分数的TiC粒子，且钢的淬透性和硬度都较低，碳含量高于0.40wt.％，则钢的韧塑性、加工性和焊接性恶化。
硅：抑制贝氏体相变过程中渗碳体的形成，促进碳在未转变奥氏体中富集，提高残余奥氏体及马氏体比例。当硅含量低于0.80wt.％，上述作用效果不明显，当硅含量高于1.50wt.％时，明显降低钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为0.80-1.50wt.％。
锰：明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。但锰含量较高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，钢的回火脆性敏感性增大，另外对焊接性能不利。本发明钢锰含量范围为1.00-2.50wt.％。
钛：作为强碳化物形成元素，与碳结合形成硬度HV大于3000的超硬粒子TiC，显著改善钢的耐磨性。本发明控制钛含量0.40-0.80wt.％，所形成的TiC粒子体积分数约为0.5-1.5％，平均粒度约为1μm。过多的TiC粒子恶化材料的塑性及韧性，过少的粒子不能有效提高材料的耐磨性。
钼：显著提高钢的淬透性，降低回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。同时，钼可溶入TiC形成(TiMo)C，提高TiC颗粒的体积分数。本发明控制钼含量范围为0.15-0.50wt.％。
铬：提高钢的淬透性和耐腐蚀磨损性能，但过高的铬降低加工性和焊接性，本发明可选择添加铬，含量范围为0.00-0.80wt.％。
镍：提高钢的淬透性，显著改善低温韧性，提高钢的耐蚀性能。本发明控制镍含量范围为0.20-0.60wt.％。
铜：提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，在腐蚀磨损环境下可明显提高耐磨性。本发明钢可选择添加铜，含量范围为0.00-0.50wt.％。
硼：强烈偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，加入微量硼即可显著提高淬透性，但硼含量超过0.003wt.％后上述作用饱和，而且还可能形成各种对热加工性能和韧性不利的含硼析出相，因此硼含量应控制在0.0005-0.003wt.％范围内。
磷、硫作为杂质元素严重损害钢的韧塑性，含量分别控制在S≤0.005wt.％，P≤0.015wt.％。
该耐磨钢的制造方法，工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸(模铸)、加热、控制轧制、控制冷却、热处理。工艺中控制的技术参数如下：
连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1050-1220℃，时间为1-5小时。加热温度高于1220℃，铸造过程中形成的TiC粒子会部分溶解于奥氏体中，降低耐磨性；加热温度低于1050℃，钢板变形抗力过大，轧制困难。
采用中厚板轧机轧制或热连轧：
中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-950℃，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为300-700℃。空冷过程中或加速冷却后对钢板进行矫直。
热连轧工艺为：粗轧轧制3-8道次，将铸坯轧制成20-60mm厚度的中间坯，然后经6或7机架热连轧，终轧温度为850-950℃，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为300-700℃；将钢卷开平后剪切成钢板，并在矫直机上进行矫直。
钢板热处理，包括淬火(不同介质或不同方式的冷却)和回火。
淬火加热温度为860～940℃，加热时间为5-60分钟，钢板加热后根据具体的合金成分可以采用空冷、风冷、水雾冷或20-40号机油油冷及其组合冷却方式至室温。过高的加热温度使奥氏体晶粒粗化，降低钢的韧塑性；过低的加热温度则明显降低钢的淬透性和厚规格钢板的心部硬度，不利于耐磨性。
回火温度为100-250℃，保温时间10-120分钟，保温后空冷。
通过上述工艺，该耐磨钢的基体组织为粒状贝氏体+板条马氏体组织(如图1所示)，其中粒状贝氏体组织包含贝氏体铁素体和马氏体/奥氏体岛，其中残余奥氏体的体积分数约为6-12％(如图2所示)，此外，复相组织还包括包含体积分数约为0.5-1.5％的TiC粒子(如图3所示)，析出物颗粒尺寸集中分布在0.3-3微米之间，平均尺寸约为1μm(如图4所示)。材料的屈服强度达950-1150MPa，抗拉强度达1200-1400MPa，延伸率大于14％，室温冲击功大于20J，硬度HB370-420，机加工性能及焊接性能优良，能够满足设备制造要求。材料的耐磨粒磨损性能优于或相当于Hardox450。
本发明的优点在于：突破传统马氏体耐磨钢单纯通过提高硬度来改善耐磨性的技术思路，在降低硬度提高塑性的条件下，通过引入一定体积分数微米级超硬TiC粒子提高耐磨性，有效解决了传统马氏体耐磨钢耐磨性与加工性和焊接性的突出矛盾，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢微观组织的光学显微镜照片，图中亮白色粒子为TiC。
图2为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢的XRD谱。
图3为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢中TiC粒子的光学显微镜照片，图中亮白色粒子为TiC。
图4为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢中TiC的粒度分布。
具体实施方式
实施例1：本发明的化学组成按重量百分含量为C：0.32；Si：1.20；Mn：1.95；Ni：0.25；Mo：0.18；Ti：0.52；Cu：0.36；B：0.0021；S：0.005；P：0.010；余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，RH精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度1200℃，精轧终轧温度875℃，轧制厚度40mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度900℃，保温时间0.5小时，空冷至室温，然后200℃回火1小时空冷至室温。
实施例2：本发明的化学组成按重量百分含量为C：0.35；Si：1.12；Mn：1.52；Cr：0.48；Ni：0.48；Mo：0.20，Ti，0.62，B：0.0018；S：0.005；P：0.008；余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度1220℃，精轧终轧温度900℃，轧制厚度60mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度900℃，保温时间0.5小时，水雾冷至400℃以下，然后风冷至室温，然后200℃回火1小时空冷至室温。
实施例3：本发明的化学组成按重量百分含量为C：0.30；Si：0.45；Mn：1.05；Cr：0.68；Ni：0.38；Mo：0.45；Ti：0.58；B：0.0018；S：0.005；P：0.015；余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度1200℃，精轧终轧温度885℃，轧制厚度30mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度880℃，保温时间0.5小时，20号机油油淬到底，然后200℃回火1小时空冷至室温。
本发明实施例与Hardox450力学性能和耐磨性检测结果如表1所示。
表1本发明实施例与Hardox450力学性能和耐磨性检测结果

Claims (4)

1.一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板，其特征在于，采用转炉或电炉冶炼，化学组成按重量百分含量为C：0.20-0.40；Mn：1.00-2.50；Si：0.80-1.50；Ni：0.20-0.60；Mo：0.15-0.50；Ti：0.40-0.80；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板，其特征是：在上述成分基础上再加入Cu：0.00-0.50wt％、Cr：0.00-0.80wt％中的一种或两种。
3.一种权利要求1所述的TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板的制造方法，工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸或模铸、加热、控制轧制、控制冷却、热处理；其特征在于：工艺中控制的技术参数如下：
(1)连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1050-1220℃，时间为1-5小时；
(2)采用中厚板轧机轧制或热连轧：
中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-950℃，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为300-700℃；
热连轧工艺为：粗轧轧制3-8道次，将铸坯轧制成20-60mm厚度的中间坯，然后经6或7机架热连轧，终轧温度为850-950℃，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为300-700℃；
将钢卷开平后剪切成钢板，并在矫直机上进行矫直；
(3)钢板热处理：
淬火加热温度为860-940℃，加热时间为5-60分钟，钢板加热后根据具体的合金成分采用空冷、风冷、水雾冷或20-40号机油油冷及其组合冷却方式至室温；
回火温度为100-250℃，保温时间10-120分钟，保温后空冷。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：轧后得到粒状贝氏体、板条马氏体与TiC粒子的复相组织，其中粒状贝氏体组织包含贝氏体铁素体和马氏体/奥氏体岛，残余奥氏体的体积分数为6-12％，TiC析出相的体积分数为0.5-1.5％，平均粒径为1μm；钢板硬度HB370-420，耐磨性优于或相当于Hardox450。
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