CN105018844A - 低成本高韧性超级耐磨钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高韧性超级耐磨钢，该钢的化学成分及其重量百分比含量为：C：0.40％～1.00％，Si：1.5％～3.5％，Mn：0.2％～0.8％，Ti：0.20％～0.35％，B：0.001％～0.005％，余量为Fe。本发明还公开了该钢的制备方法。本发明采用合适化学元素配比和热处理工艺，制备得到的低成本高韧性超级耐磨钢表面以回火马氏体为主，心部以贝氏-残余奥氏体为主，在增强耐磨性的同时提高了钢的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本高韧性超级耐磨钢及其制备方法，属于低合金耐磨材料技术领域。
背景技术
目前在矿山筛选板衬、运输链条、煤炭、化工行业的中低冲击载荷磨损工况条件下，常需要高韧性耐磨材料。
国内现阶段使用的高韧性耐磨材料主要有高锰钢、低合金铸铁、低合金钢。高锰钢的铸态组织通常由奥氏体、碳化物和珠光体组成，经过水韧处理后，在高冲击工况下，金属表面发生塑性变形，其变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅提高；在低冲击工况下，由于加工硬化效果不明显，无法达到较好的效果。低合金铸铁多通过碳化物来增强硬度，即通过高硬度来增强耐磨性，但碳化物和基体的硬度值相差较大会导致裂纹产生，降低钢的塑韧性。低合金钢通过加入少量的合金元素，产生抗磨的硬质相，得到的钢抗耐磨性较好，但硬质相与基体的硬度的差别会导致裂纹产生和扩展，降低钢的塑韧性。
随着工业发展的进步，耐磨材料尤其是耐磨钢的生产已经有很大的突破，期间产生了很多比较优秀的发明，从而促进了耐磨钢向更高级别和更优性能的研究与发展。其中CN 103014521 A“高硬度高韧性耐磨钢及其生产方法”，公开了一种高硬度和高韧性耐磨钢的制备方法，但该方法没有优化合金元素的配比，且含碳量较高，韧性较差。CN 102605272 A“一种低合金超高强度耐磨钢及其生产方法”制备的钢中加入了稀土元素且延伸率较低，最大值只有11％。CN 103255341 A“一种高强度高韧性热轧耐磨钢及其制造方法”制备的耐磨钢的延伸率和冲击韧性较低，且制造中采用TRIP效应来增强耐磨钢的硬度和耐磨性，而只有在高冲击条件下，TRIP效应效果才较好，中低冲击工况下和高锰钢类似，其表面硬化效果不明显。且其中添加的Ni元素含量价高，生产成本较高，经济效益不明显。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种耐磨性好、韧性好、综合力学性能优良的低成本高韧性超级耐磨钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述低成本高韧性超级耐磨钢的制备方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供的低成本高韧性耐磨钢的化学成分及其重量百分比含量为：C：0.40％～1.00％，Si：1.5％～3.5％，Mn：0.2％～0.8％，Ti：0.20％～0.35％，B：0.001％～0.005％，余量为Fe。
优选地，所述C的重量百分含量为0.45％～0.75％。
所述Si的重量百分含量为1.6％～2.50％，所述Mn的量百分含量为0.4％～0.7％，C/Si比值为0.18～0.46、Mn/Si比值为0.16～0.43。
为解决上述第二个技术问题，本发明所提供的低成本高韧性超级耐磨钢的制备方法包括如下步骤：
按照上述化学成分配比经真空炉冶炼、浇注成型、热轧、层流冷却、卷取后空冷至室温，然后再进行热处理。
所述浇注步骤的温度控制在1550℃～1570℃；
所述热轧步骤的轧制方法为：轧前双道次高压除鳞，保证表面质量；粗轧开轧温度为1050℃～1100℃左右，其压下量在前两道次压下量控制在25～35％范围，且保证余下每道次15～20％，累计压下量为70％～80％；精轧温度为920℃～980℃，累积压下率为65～80％，终轧温度为650℃～750℃，经50～70℃/s速度冷却后钢板返红温度为400℃～600℃。
所述热处理步骤采用空气加热炉进行，将钢板以5～20℃/S的加热速度由室温加热到850℃～910℃，保温2.5H～3.5H(H为钢板以mm为单位的厚度值)分钟后在盐浴冷却至100～250℃，然后以15～25℃/秒的加热速度由100～250℃加热到280℃～450℃保温10～100秒，随后立即在160℃～250℃保温6H～8H分钟，最后出炉空冷至室温。
优选地，所述热处理步骤中，将钢板以8～15℃/S的加热速度由室温加热到880℃～900℃，保温2.8H～3.0H分钟后在盐浴冷却至150～200℃，然后以18～21℃/秒的加热速度由150～200℃加热到320℃～390℃保温30～60秒，随后立即在180℃～220℃保温6H～7H分钟，最后出炉空冷至室温。
本发明添加的主要化学元素的作用为：
C：碳是廉价而有效的强化元素，在本发明钢中，碳依然是获得高硬度高耐磨性的主要元素。实验证实为获得450HBW以上的硬度，碳含量一般不小于0.40％，但过高的碳量将使贝氏体转变区显著石移，并且与高Si作用会使材料脆性增加，出现开裂现象。在本发明钢设计中，碳量控制在0.40％～1.00％范围内，C/Si比控制在0.20～0.60。
Mn：Mn为扩大奥氏体区元素，固溶于铁素体(或奥氏体)中强化基体，还能增加碳化物的弥散度和稳定性，提高钢的淬透性和冲击韧性。但含量过高会引起晶粒粗化和回火脆性，因此本发明将Mn控制在0.2％～0.8％，C/Si比值控制在0.18～0.46范围。
Si：Si固溶于钢中，起固溶强化作用，Si在钢中能降低碳在奥氏体中的溶解度。Si元素在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物沿晶界析出的特点，提高奥氏体一贝氏体组织比例，增加晶界结合力，提高韧性，并与Mn协调作用可明显提高钢的淬透性。当硅含量过高时会导致材料的塑韧性显著下降，还会降低钢的可焊性，所以Si含量控制在1.5％～3.5％范围。
考虑到Mn对钢强度和硬度的增强效果要优于Si，且Mn元素会增加晶粒度的大小，Si在小于2.5％时则减小晶粒度，所以合理控制Mn/Si比，得到较细的晶粒度，使钢具有良好的淬透性和强韧性，获得较好的耐磨性。本发明将Mn/Si控制在0.15～0.35左右。
Ti：Ti是强碳化物形成元素，Ti与C形成的碳化物结合力极强、很稳定，析出的碳化物富集在钢的晶界处抑制晶粒长大，并且析出的硬质颗粒提高钢的强度和耐磨性。一定含量的Ti具有阻止变形奥氏体再结晶的作用，能细化晶粒，能提高钢的抗蠕变性能和改善钢的热强性，但过高会导致强度和韧性急剧下降。本发明加入的Ti含量为0.25％～0.35％。
B：微量B能成倍增加钢的淬透性，强化晶界，并能提高钢的韧性。含量过高会导致钢的热脆性，影响钢的加工能力。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
通过控制C/Si的比值，控制碳化物沿晶界析出的数量，减弱C和Si总量的增加对脆性的影响，提高钢的强韧性。
通过控制Mn/Si比值，增强钢的强韧性。因为增添相同含量的Mn对钢强度和硬度的增强效果要优于相同含量的Si，且Si含量过高会对冲击韧性不利；而Mn元素会增加晶粒度的大小，Si在小于2.5％时则减小晶粒度，所以合理控制Mn/Si比，得到较细的晶粒度，使钢具有良好的淬透性和强韧性，获得较好的耐磨性。
通过加入Ti、B合金元素，以固溶或析出强化提高耐磨钢的强度，且合金元素形成的碳化钛细小颗粒有较好的耐磨作用，同时提高了钢的耐磨性；再通过适合的碳含量配比和热处理工艺得到较好的冲击韧性和延伸率。其中，在加入Ti的钢中，会大量弥散析出TiC颗粒，利于钢的结晶，且还能阻止钢晶粒长大粗化，细化晶粒，减少粗大柱状组织和带状组织形成。Ti也能溶于γ和α相中，形成固溶体使钢强化。但Ti/C比较大时，钢的强韧性均会急剧下降，所以要严格控制Ti含量。并且在含Ti量较高的高强度钛钢中，其冷成型性好，各成形方向的性能均一。所以本发明加入的Ti含量为0.20％～0.35％。
本发明采用合适化学元素配比和热处理工艺，使其析出碳化物颗粒增强钢的耐磨性，同时利用细化晶粒和控制脆性相的产生增强钢的韧性。在生产过程中，使用廉价合金元素并通过适当的元素配比，可以优化生产工艺，降低生产成本。制备得到的低成本高韧性超级耐磨钢以回火马氏体-贝氏体-残余奥氏体为主，其中，钢的表面以回火马氏体为主，心部以贝氏-残余奥氏体为主，这种以回火马氏体-贝氏体-奥氏体为微观组织的超级耐磨钢，在增强耐磨性的同时提高了钢的韧性。利用C、Mn和Si合金元素合理搭配，充分发挥Si元素在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物沿晶界析出的特点，提高奥氏体一贝氏体组织比例，增加晶界结合力，提高韧性，并与Mn协调作用可明显提高钢的淬透性。
附图说明
图1为本发明制备的低成本高韧性超级耐磨钢表面的金相组织图。
图2为本发明制备的低成本高韧性超级耐磨钢心部的金相组织图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对发明做进一步的描述。
本发明的具体实施步骤为：
本发明的耐磨钢主要通过真空炉冶炼、浇注成型、热轧、层流冷却、卷取后空冷至室温，然后再进行热处理得到。
耐磨钢冶炼使用纯铁(也可以在纯铁中加入废钢以降低成本)和铁合金，在真空加热炉中冶炼；通过合理配料和装料、熔化、吹氧脱碳，然后采用LF炉精炼，进一步净化钢液，去杂质，调整钢的成分和温度，使钢液更加纯净化。浇注温度控制在1550℃～1570℃，并快速浇注完成，以提高成型的质量。
钢板热轧前先进行高压除磷，消除氧化表层的危害，然后进入粗轧。粗轧开轧温度为1050℃～1100℃左右，其压下量在前两道次压下量控制在25～35％范围，且保证余下每道次15～20％，累计压下量为70％～80％；精轧温度为920℃～980℃，累积压下率为65～80％，终轧温度为650℃～750℃，经50～70℃/s速度冷却后钢板返红温度为400℃～600℃。
然后将钢板以5～20℃/S的加热速度由室温加热到850℃～910℃，保温2.5H～3.5H分钟后在盐浴冷却至100～250℃，然后以15～25℃/秒的加热速度由100～250℃加热到280℃～450℃保温10～100秒，随后立即在160℃～250℃保温6H～8H分钟，最后出炉空冷至室温。
实施例1
本实施例的耐磨钢冶炼使用纯铁、废钢和铁合金，在真空加热炉中冶炼。浇注成型后，高压除磷后执行上述工艺进行热轧，然后进行热处理。
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.41％，Si：1.60％，Mn：0.22％，Ti：0.20％，B：0.001％。
本实施例中，轧后钢板随炉以12℃/S的加热速度由室温加热到910℃，保温2.5H分钟后在盐浴中冷却至100℃，然后以25℃/秒的加热速度由100℃加热到300℃保温98秒，然后在160℃保温6H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1400MPa，屈服强度980MPa，硬度值412HV，延伸率为15.8％，冲击韧性51J/cm2。
实施例2
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.98％，Si：3.3％，Mn：0.25％，Ti：0.22％，B：0.003％。
轧后钢板随炉以8℃/S的加热速度由室温加热到850℃，保温2.8H分钟后在盐浴中冷却至120℃，然后以15℃/秒的加热速度由120℃加热到281℃保温80秒，然后在250℃保温7H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1480MPa，屈服强度1080MPa，硬度值432HV，延伸率为14.7％，冲击韧性48J/cm2。
实施例3
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.55％，Si：2.5％，Mn：0.70％，Ti：0.30％，B：0.005％。
轧后钢板随炉以20℃/S的加热速度由室温加热到880℃，保温3H分钟后在盐浴中冷却至249℃，然后以20℃/秒的加热速度由249℃加热到300℃保温50秒，然后在180℃保温7.8H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1502MPa，屈服强度1178MPa，硬度值440HV，延伸率为16.7％，冲击韧性61J/cm2。
实施例4
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.66％，Si：2.0％，Mn：0.80％，Ti：0.24％，B：0.004％。
轧后钢板随炉以6℃/S的加热速度由室温加热到880℃，保温2.8H分钟后在盐浴中冷却至180℃，然后以15℃/秒的加热速度由180℃加热到450℃保温10秒，然后在250℃保温7H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1562MPa，屈服强度1206MPa，硬度值470HV，延伸率为14.2％，冲击韧性46J/cm2。
实施例5
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.78％，Si：1.6％，Mn：0.78％，Ti：0.27％，B：0.002％。
轧后钢板随炉以12℃/S的加热速度由室温加热到870℃，保温2.8H分钟后在盐浴中冷却至240℃，然后以17℃/秒的加热速度由240℃加热到430℃保温20秒，然后在200℃保温7H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1480MPa，屈服强度1067MPa，硬度值438HV，延伸率为17.7％，冲击韧性71J/cm2。
实施例6
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.81％，Si：3.48％，Mn：0.67％，Ti：0.28％，B：0.003％。
轧后钢板随炉以5℃/S的加热速度由室温加热到878℃，保温3.5H分钟后在盐浴中冷却至175℃，然后以18℃/秒的加热速度由175℃加热到292℃保温70秒，然后在170℃保温6H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1490MPa，屈服强度1100MPa，硬度值446HV，延伸率为16.2％，冲击韧性65J/cm2。
实施例7
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.86％，Si：3.19％，Mn：0.59％，Ti：0.29％，B：0.002％。
轧后钢板随炉以9℃/S的加热速度由室温加热到865℃，保温3.0H分钟后在盐浴中冷却至165℃，然后以19℃/秒的加热速度由165℃加热到308℃保温60秒，然后在165℃保温7H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1531MPa，屈服强度1210MPa，硬度值453HV，延伸率为16.9％，冲击韧性76J/cm2。
实施例8
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.53％，Si：1.8％，Mn：0.42％，Ti：0.31％，B：0.002％。
轧后钢板随炉以15℃/S的加热速度由室温加热到855℃，保温2.6H分钟后在盐浴中冷却至155℃，然后以21℃/秒的加热速度由155℃加热到335℃保温50秒，然后在175℃保温8H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1549MPa，屈服强度1235MPa，硬度值478HV，延伸率为17.2％，冲击韧性88J/cm2。
实施例9
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.48％，Si：2.2％，Mn：0.38％，Ti：0.33％，B：0.004％。
轧后钢板随炉以17℃/S的加热速度由室温加热到900℃，保温2.9H分钟后在盐浴中冷却至145℃，然后以22℃/秒的加热速度由145℃加热到365℃保温40秒，然后在185℃保温7.5H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1497MPa，屈服强度1148MPa，硬度值469HV，延伸率为18.1％，冲击韧性91J/cm2。
实施例10
本实施例的低合金耐磨钢，含量下列质量的化学元素：碳0.41％，Si：1.6％，Mn：0.48％，Ti：0.34％，B：0.001％。
轧后钢板随炉以18℃/S的加热速度由室温加热到905℃，保温3.3H分钟后在盐浴中冷却至135℃，然后以23℃/秒的加热速度由135℃加热到380℃保温30秒，然后在190℃保温7H分钟，最后出炉空冷至室温。
力学性能试验测得耐磨钢的抗拉强度1475MPa，屈服强度1109MPa，硬度值458HV，延伸率为15.9％，冲击韧性83J/cm2。
比较实施例和背景技术中介绍的几种专利技术中的耐磨钢的化学成分、硬度、延伸率和冲击韧性，其化学成分如表1所示，综合力学性能结果如表2所示。
表1 各耐磨钢的化学成分比较
| 材料 | C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | V | Ti | B | C/Si | Mn/Si |
| 实施例1 | 0.41 | 1.6 | 0.42 | / | / | / | / | 0.2 | 0.001 | 0.26 | 0.26 |
| 实施例2 | 0.98 | 1.7 | 0.25 | 0.22 | 0.003 | 0.58 | 0.15 | ||||
| 实施例3 | 0.55 | 2.5 | 0.7 | 0.3 | 0.005 | 0.22 | 0.28 | ||||
| 实施例4 | 0.66 | 2 | 0.8 | 0.24 | 0.004 | 0.33 | 0.4 | ||||
| 实施例5 | 0.78 | 2.6 | 0.78 | 0.27 | 0.002 | 0.3 | 0.3 | ||||
| 实施例6 | 0.81 | 3.48 | 0.67 | 0.28 | 0.003 | 0.23 | 0.19 | ||||
| 实施例7 | 0.86 | 3.19 | 0.59 | 0.29 | 0.002 | 0.27 | 0.18 | ||||
| 实施例8 | 0.53 | 1.8 | 0.42 | / | / | / | / | 0.31 | 0.002 | 0.29 | 0.23 |
| 实施例9 | 0.48 | 2.2 | 0.38 | / | / | / | / | 0.33 | 0.004 | 0.22 | 0.17 |
| 实施例10 | 0.41 | 1.6 | 0.48 | / | / | / | / | 0.34 | 0.001 | 0.26 | 0.30 |
| CN 103014521 A | 0.39 | 1.08 | 2.25 | 1.9 | / | / | 0.044 | 0.038 | 0.003 | 0.36 | 2.08 |
| CN 102605272 A | 0.25 | 0.42 | 0.68 | 1.04 | 0.56 | 0.63 | / | / | / | 0.60 | 1.62 |
| CN 103255341 A | 0.35 | 1.03 | 1.98 | / | / | 1.27 | 0.012 | / | / | 0.34 | 1.92 |
从图1、图2可以看出，本发明制备的低成本高韧性超级耐磨钢以回火马氏体-贝氏体-残余奥氏体为主，其中，表面以回火马氏体为主，心部以贝氏-残余奥氏体为主。从表2可以看出，这种以回火马氏体-贝氏体-奥氏体为微观组织的超级耐磨钢，在增强耐磨性的同时提高了钢的韧性。
表2 各耐磨钢的性能比较
| 材料 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 硬度/HV | 延伸率/％ | 冲击韧性/J |
| 实施例1 | 1400 | 980 | 412 | 15.8 | 51 |
| 实施例2 | 1480 | 1080 | 432 | 14.7 | 48 |
| 实施例3 | 1502 | 1178 | 440 | 16.7 | 61 |
| 实施例4 | 1562 | 1206 | 470 | 14.2 | 46 |
| 实施例5 | 1480 | 1067 | 438 | 17.7 | 71 |
| 实施例6 | 1490 | 1100 | 446 | 16.2 | 65 |
| 实施例7 | 1531 | 1210 | 453 | 16.9 | 76 |
| 实施例8 | 1549 | 1235 | 478 | 17.2 | 88 |
| 实施例9 | 1497 | 1148 | 469 | 18.1 | 91 |
| 实施例10 | 1475 | 1109 | 458 | 15.9 | 83 |
| CN 103014521 A | 1730 | / | 53HRC | / | 61.2 |
| CN 102605272 A | 1649 | 1593 | 49.6HRC | 11 | 35 |
| CN 103255341 A | 1644 | 1255 | / | 12.0 | 40 |
Claims (5)
1.一种低成本高韧性超级耐磨钢，其特征在于：
该钢的化学成分及其重量百分比含量为：C：0.40％～1.00％，Si：1.5％～3.5％，Mn：0.2％～0.8％，Ti：0.20％～0.35％，B：0.001％～0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的低成本高韧性超级耐磨钢，其特征在于：
所述C的重量百分含量为0.45％～0.75％。
3.根据权利要求1或2所述的低成本高韧性超级耐磨钢，其特征在于：
所述Si的重量百分含量为1.6％～2.50％，所述Mn的量百分含量为0.4％～0.7％，C/Si比值为0.18～0.46、Mn/Si比值为0.16～0.43。
4.一种权利要求1所述的低成本高韧性超级耐磨钢的制备方法，包括真空炉冶炼、浇注成型、热轧、层流冷却、卷取后空冷至室温和热处理的步骤，其特征在于：
所述浇注步骤的温度控制在1550℃～1570℃；
所述热轧步骤的轧制方法为：轧前双道次高压除鳞，保证表面质量；粗轧开轧温度为1050℃～1100℃左右，其压下量在前两道次压下量控制在25～35％范围，且保证余下每道次15～20％，累计压下量为70％～80％；精轧温度为920℃～980℃，累积压下率为65～80％，终轧温度为650℃～750℃，经50～70℃/s速度冷却后钢板返红温度为400℃～600℃。
所述热处理步骤采用空气加热炉进行，将钢板以5～20℃/S的加热速度由室温加热到850℃～910℃，保温2.5H～3.5H分钟后在盐浴冷却至100～250℃，然后以15～25℃/秒的加热速度由100～250℃加热到280℃～450℃保温10～100秒，随后立即在160℃～250℃保温6H～8H分钟，最后出炉空冷至室温；所述H为钢板以mm为单位的厚度值。
5.根据权利要求4所述的低成本高韧性超级耐磨钢的制备方法，其特征在于：
所述热处理步骤中，将钢板以8～15℃/S的加热速度由室温加热到880℃～900℃，保温2.8H～3.0H分钟后在盐浴冷却至150～200℃，然后以18～21℃/秒的加热速度由150～200℃加热到320℃～390℃保温30～60秒，随后立即在180℃～220℃保温6H～7H分钟，最后出炉空冷至室温。
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