CN104451409B - 低成本hb400级耐磨钢及其生产方法 - Google Patents

低成本hb400级耐磨钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本HB400级耐磨钢及其生产方法。其化学成分重量百分比含量为：C：0.08～0.19％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.30～1.60％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.30～0.65％、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。钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，‑20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。不仅大幅降低制造成本，解决了马氏体耐磨钢强度高塑性差的难题，钢板可以直接交货。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。

Description

低成本HB400级耐磨钢及其生产方法
技术领域
本发明属于机械工程用耐磨钢制造领域，具体涉及一种低成本HB400级耐磨钢及其生产方法。
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，但缺憾之处在于，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、片状马氏体和孪晶马氏体)、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，其成分中合金元素含量(Cr、Mo)均高于本发明，贵重合金的添加是比造成制造成本的增加，同时采用铸造-控轧-调质热处理工艺生产，与本发明比较不足之处在于传统铸造工艺相对连铸工艺效率较低，调质热处理工艺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，其成分重量碳及合金(Si、Mo、V)含量均较高，经济性较本发明低。同时采用在线热处理+回火工艺，节能降耗方面与本发明相差甚远。
CN1022747280A提供了一种高强度高韧性耐磨钢及其制造方法，其成分中复合添加铌钛钒等微合金化元素，同时严格控制N、H、O等气体含量，势必在冶炼过程中增加成本，与本发明比较炼钢工序控制的加严会提高冶炼成本。
发明内容
本发明目的在于解决马氏体耐磨钢强度高塑性差的问题，提供一种制造成本低、工艺简单、综合性能优良的HB400级耐磨钢。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
低成本HB400级耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.08～0.19％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.30～1.60％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.30～0.65％、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，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。
低成本HB400级耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.09～0.13％、Si：0.28～0.29％、Mn：1.53～1.56％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53～0.55％、Nb：0.03～0.04％、Ti：0.009～0.012％、B：0.002～0.003％、Als：0.018～0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。
低成本HB400级耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.13％、Si：0.29％、Mn：1.53％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53％、Nb：0.04％、Ti：0.012％、B：0.003％、Als：0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。
上述低成本HB400级耐磨钢的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1105℃-1150℃，第一阶段累积压下率55％-70％，第二阶段开轧温度1020℃-1050℃，道次压下率≥15％，终轧温度910℃-925℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在665℃-780℃，冷却速度控制在23℃-30℃/秒，终冷温度在120℃-70℃；自然冷却至室温得到产品。
一种低成本HB400级耐磨钢的生产方法，其组分及重量百分比含量：C：0.13％、Si：0.29％、Mn：1.53％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53％、Nb：0.04％、Ti：0.012％、B：0.003％、Als：0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400；
生产过程如下：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1135℃，第一阶段累积压下率62％，第二阶段开轧温度1033℃，道次压下率≥15％，终轧温度925℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在680℃，冷却速度控制在24.5℃/秒，终冷温度在95℃；自然冷却至室温得到产品。
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Ms点有关，C含量的增加大幅降低马氏体转变点，Ms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。含碳量大于0.2％时，产生片状马氏体趋势增强，从而大幅降低抗裂纹性能。因此设计该钢C含量范围为：0.08～0.19％。
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％。
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。
(2)短流程制造工艺：采用正火轧制+在线亚温淬火，替代传统的耐磨钢生产工艺，缩短生产周期，降低工序成本和工序能耗。
该工艺关键在于，采用正火轧制+在线亚温淬火工艺获得具有形变热处理效果的精细板条马氏体组织，避免孪晶马氏体的产生，控制残余奥氏体和未溶碳化物的形态和分布。
本发明的有益效果：
(1)成分设计，有利于板条马氏体组织转变，提高强度和耐磨性能，减少裂纹产生的不利因素。
(2)降低合金成本，从工艺角度弥补由于合金元素减少造成的强度和耐磨性能降低。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。
(3)短流程制造工艺：正火轧制-在线亚温淬火，替代传统的耐磨钢生产工艺，缩短生产周期，降低工序成本和工序能耗。采用本工艺获得具有形变热处理效果的马氏体+先共析铁素体组织，提高强度和塑性。采用短流程制造工艺，去除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，该钢种属于环境友好型和经济型钢种。
(4)优良的综合力学性能和抗裂纹性能，提高耐磨钢的使用安全性和高效性。钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。不仅大幅降低制造成本，解决了马氏体耐磨钢强度高塑性差的难题，钢板可以直接交货。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
图1：实施例3产品金相组织(马氏体+铁素体)。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明低成本HB400级耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.08～0.19％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.30～1.60％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.30～0.65％、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，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55。钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。不仅大幅降低制造成本，解决了马氏体耐磨钢强度高塑性差的难题，钢板可以直接交货。
其生产过程如下：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1105℃-1150℃，第一阶段累积压下率55％-70％，第二阶段开轧温度1020℃-1050℃，道次压下率≥15％，终轧温度910℃-925℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在665℃-780℃，冷却速度控制在23℃-30℃/秒，终冷温度在120℃-70℃；自然冷却至室温得到产品。
实施例1
一种低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.08％、Si：0.20％、Mn：1.60％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.65％、Nb：0.02％、Ti：0.005％、B：0.001％、Als：0.010％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55。
低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1105℃，第一阶段累积压下率68％，第二阶段开轧温度1020℃，道次压下率≥15％，终轧温度920℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在765℃，冷却速度控制在27.5℃/秒，终冷温度在120℃；
5)自然冷却至室温；
6)待用。
实施例2
一种低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.09％、Si：0.28％、Mn：1.56％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.55％、Nb：0.03％、Ti：0.009％、B：0.002％、Als：0.018％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55。
低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1119℃，第一阶段累积压下率56％，第二阶段开轧温度1035℃，道次压下率≥15％，终轧温度910℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在710℃，冷却速度控制在23℃/秒，终冷温度90℃；
5)自然冷却至室温；
6)待用。
实施例3
一种低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.13％、Si：0.29％、Mn：1.53％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53％、Nb：0.04％、Ti：0.012％、B：0.003％、Als：0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55。
低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1135℃，第一阶段累积压下率62％，第二阶段开轧温度1033℃，道次压下率≥15％，终轧温度925℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在680℃，冷却速度控制在24.5℃/秒，终冷温度在95℃；
5)自然冷却至室温；
6)待用。性能表征本实施例金相组织图(马氏体+铁素体)见附图1所示。
实施例4
一种低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.13％、Si：0.29％、Mn：1.53％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53％、Nb：0.04％、Ti：0.012％、B：0.003％、Als：0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55。
低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1135℃，第一阶段累积压下率63％，第二阶段开轧温度1038℃，道次压下率≥15％，终轧温度922℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在769℃，冷却速度控制在28.5℃/秒，终冷温度在72℃；
5)自然冷却至室温；
6)待用。
实施例5
一种低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.19％、Si：0.50％、Mn：1.30％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.30％、Nb：0.02％、Ti：0.025％、B：0.005％、Als：0.040％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55。
低制造成本HB400级高塑性高强度耐磨钢及其加工方法，其步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1150℃，第一阶段累积压下率65％，第二阶段开轧温度1050℃，道次压下率≥15％，终轧温度922℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在780℃，冷却速度控制在30℃/秒，终冷温度在90℃；
5)自然冷却至室温；
6)待用。
实施例1-5所得钢产品的性能测试见表1。
从表1中可看出，本发明钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥13％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400，从实例可以看出，采用短流程加工工艺(控制+在线亚温淬火)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。
表1

Claims (4)

1.低成本HB400级耐磨钢，其特征在于化学成分重量百分比含量为：C：0.09～0.13％、Si：0.28～0.29％、Mn：1.53～1.56％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53～0.55％、Nb：0.03～0.04％、Ti：0.009～0.012％、B：0.002～0.003％、Als：0.018～0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。
2.低成本HB400级耐磨钢，其特征在于组分及重量百分比含量：C：0.13％、Si：0.29％、Mn：1.53％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53％、Nb：0.04％、Ti：0.012％、B：0.003％、Als：0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400。
3.权利要求1或2所述低成本HB400级耐磨钢的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1105℃-1150℃，第一阶段累积压下率55％-70％，第二阶段开轧温度1020℃-1050℃，道次压下率≥15％，终轧温度910℃-925℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在665℃-780℃，冷却速度控制在23℃-30℃/秒，终冷温度在120℃-70℃；自然冷却至室温得到产品。
4.一种低成本HB400级耐磨钢的生产方法，其特征在于组分及重量百分比含量：C：0.13％、Si：0.29％、Mn：1.53％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.53％、Nb：0.04％、Ti：0.012％、B：0.003％、Als：0.028％，其余为Fe和微量杂质元素，CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.55；钢板厚度规格范围为10～50mm，Rm≥1300MPa，延伸率≥15％，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥400；
生产过程如下：
1)冶炼并连铸成坯；
2)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1240℃；
3)轧制工艺：第一阶段开轧温度1135℃，第一阶段累积压下率62％，第二阶段开轧温度1033℃，道次压下率≥15％，终轧温度925℃；
4)在线进行亚温淬火，开冷温度在680℃，冷却速度控制在24.5℃/秒，终冷温度在95℃；自然冷却至室温得到产品。
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