CN105369130B - 一种多元合金化高强高耐磨钢及热轧板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供一种多元合金化高强高耐磨钢及热轧板的制造方法，所述耐磨钢化学组分重量百分比为：C：1.0‑1.2％，Si：0.6‑1.0％，Mn：8.0‑10.0％，P<0.02％，S<0.02％，Cr：1.5‑2.5％，Mo：0.2‑0.5％，V：0.6‑1.0％，Nb：0.02‑0.06％，Ti：0.01‑0.1％，Al：0.03‑0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。耐磨钢热轧板的制造过程包括炼钢、连铸、加热、热轧和热处理。使用该成分配比和工艺参数生产出的热轧中锰耐磨钢热轧板强度高、塑韧性好，抗拉强度900MPa以上，常温冲击吸收功100J以上，且热轧后热处理工艺简单，工业生产效率高。

Description

一种多元合金化高强高耐磨钢及热轧板的制造方法
技术领域
本发明创造属于高强度高耐磨性热轧钢技术领域，尤其是涉及一种多元合金化高强高耐磨钢及热轧板的制造方法。
背景技术
目前应用于煤炭开采领域最为广泛的耐磨钢是中、低合金型耐磨钢。代表钢种有瑞典的HARDOX系列(以下简称HD系列)；日本JFE的EH系列；武钢的NM系列和宝钢的B-HARD系列等。中、低合金型耐磨钢是一类经淬火+回火后，使其显微组织为马氏体或马氏体-贝氏体组织的低碳合金结构钢。此类耐磨钢的耐磨性能，尤其是厚板的耐磨性能由表层到心部明显衰减，这是马-贝型耐磨钢的主要缺点。另外，生产实践中发现中、低合金马-贝型耐磨钢在有冲击、疲劳工况下的使用效果并不理想。虽然中、低合金耐磨钢具有相对较好的冲击韧性，但长期服役于冲击、磨损工况时，材料易发生疲劳应力开裂，进而影响服役寿命。在有冲击、磨损、疲劳等复杂工况条件下服役时，对材料的抗冲击、耐磨损、耐疲劳断裂韧性、疲劳裂纹敏感性的综合性能要求非常高，此时中、低合金耐磨钢的使用性能已无法满足上述煤炭开采的复杂工况。
另一大类应用较为广泛的耐磨钢是高锰钢。锰系耐磨钢的历史悠久，使用安全性能高，在各类磨损条件下均得到了广泛的应用，特别是在冲击磨料磨损条件下更好的发挥了其加工硬化的作用。锰系耐磨钢在煤矿机械装备上的应用又以高锰耐磨钢最为广泛，其强化机理与耐磨机理非常有特点，即在较大冲击载荷下材料浅表层发生形变诱发孪晶强化、位错缠结等，钢材表面硬度与强度急剧提高，并且这种加工硬化现象仅存在于表层区域，钢材的基体仍为韧性优异的单一奥氏体组织。同时，强化后其耐磨性能、冲击韧性、疲劳裂纹扩展速率远优于中、低合金马贝相变强化型耐磨钢。但是，在实际的应用中发现，由于煤炭开采过程中外界所提供的冲击能量不足以完全发挥其形变硬化能力，高锰耐磨钢的强化系数较低，形变硬化程度并没有达到理想的数值。应用于矿石破磨机的衬板、物料输送管道、挖掘机斗齿、中部槽履带板等的钢材强化效果和耐磨性均不尽如人意。
煤机在井下工作时，刮板输送机中部槽在运行过程中要承受煤、刮板和链条的剧烈摩擦，经受磨粒、冲击等摩擦磨损；另外，还要承受采煤机的运行负荷，推、拉液压支架的侧向力和纵向力，大煤块、岩石卡死在槽中时的挤压、冲击力等。因此，中部槽应具有足够的强度、刚度和耐磨性。
发明内容
本发明的目的是解决上述机械设备中耐磨钢在中、低冲击载荷下耐磨性能及疲劳磨损性能不佳的问题。
本发明创造采用的技术方案是：
提供一种多元合金化高强高耐磨钢，化学成分重量百分比为：C：1.0-1.2％，Si：0.6-1.0％，Mn：8.0-10.0％，P<0.02％，S<0.02％，Cr：1.5-2.5％，Mo：0.2-0.5％，V：0.6-1.0％，Nb：0.02-0.06％，Ti：0.01-0.1％，Al：0.03-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述C的重量百分比为1.01-1.19％。
进一步的，所述Si的重量百分比为0.61-0.98％。
进一步的，所述Mn的重量百分比为8.02-9.99％。
进一步的，所述Cr的重量百分比为1.55-2.47％；所述Nb的重量百分比为0.02-0.06％。
进一步的，所述Mo的重量百分比为0.22-0.49％；所述Ti的重量百分比为0.03-0.09％。
进一步的，所述V的重量百分比为0.61-0.98％；所述Al的重量百分比为0.03-0.07％。
进一步的，一种元合金化高强高耐磨钢的热轧板制造方法，包括：炼钢-连铸-加热-热轧-热处理，在所述连铸过程中，连铸浇铸温度1370-1390℃，得到板坯；
在所述加热过程中，板坯保温温度为1160-1200℃；
在所述热轧过程中，板坯轧制温度区间为1000-1180℃；
在所述热处理过程中，热轧板水韧开始温度为1000-1070℃，水韧终止温度为200-300℃；
进一步的，所述耐磨钢热轧板的抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥480MPa；所述耐磨钢热轧板的开V型缺口冲击吸收功：25℃冲击功Akv≥100J，-40℃冲击功Akv为40-50J，布氏硬度为220-240HB。
进一步的，所述耐磨钢热轧板在200N载荷滑动磨损条件下，其磨损率≤20×10- 6mm3/N·m。
所述炼钢按如下成分组成的重量百分比配料：C：1.0-1.2％，Si：0.6-1.0％，Mn：8.0-10.0％，P<0.02％，S<0.02％，Cr：1.5-2.5％，Mo：0.2-0.5％，V：0.6-1.0％，Nb：0.02-0.06％，Ti：0.01-0.1％，Al：0.03-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明创造具有的优点和积极效果是：通过优化合金元素成分和含量，合理调整C、Mn元素配比，获得一种高强度高耐磨性的热轧中锰耐磨钢。此种钢的特点是：在钢中加入Ti、V、Nb等微合金化元素，具有细化晶粒的作用，并且可与碳形成合金碳化物，固溶处理后弥散分布在晶粒内，起到第二相强化作用，使钢的强度、硬度、耐磨性增加。
附图说明
图1为多元合金高强高耐磨钢200倍金相组织图；
图2为多元合金高强高耐磨钢500倍金相组织图。
具体实施方式
本发明多元合金化高强高耐磨钢的成分设计思路是通过合理调整碳和锰元素的含量，扩大奥氏体相区，在常温时获得不稳定的单一奥氏体组织，同时添加微量的Cr、Mo、Nb、V和Ti，可有效地抑制奥氏体晶粒长大，使组织晶粒细化，同时，这些微合金元素与碳形成合金碳化物，弥散分布在固溶态基体上，可起到明显的第二项强化作用，使钢管的强度、硬度和耐磨性提高。在使用时，当钢板受到冲击力，表面产生马氏体相变强化，使表面硬度提高，耐磨性得到进一步增强。
下面将详细地说明选择上述化学成分和含量范围的理由。
碳：碳是主要添加成分之一。碳在奥氏体中的溶解度较高，有利于奥氏体相的稳定，同时碳元素可与添加的微量合金元素形成碳化物，固溶处理时碳化物颗粒弥散分布在晶粒中形成固溶强化作用，提高了钢材的硬度、强度和耐磨性。但是当碳含量＞1.5％时，铸态组织中碳化物增多，若经水韧处理，奥氏体中残存的碳化物依然较多，这些碳化物会沿晶界分布而降低钢材的性能，并且提高奥氏体稳定性，不利于得到不稳定的奥氏体组织。依据高锰钢碳含量为1.0-1.4％，为降低奥氏体稳定性，本发明碳含量为1.0-1.2％，优选为1.01-1.19％。
锰：锰是主要添加成分之一，有利于稳定奥氏体，使奥氏体相区扩大，同时锰增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷却速度。当锰含量增加时，高锰钢的强度和冲击韧性有所提高，这是因为锰具有增加晶间结合力的作用。但过高的锰含量会使钢的导热性下降，影响钢的机械性能。为了室温获得亚稳态的奥氏体组织，结合Fe-Mn-C相图，本发明锰含量为8.0-10.0％，优选为8.02-9.99％。
硅：硅在钢中起脱氧和固溶强化的作用，其含量增加有利于提高钢的强度和硬度。但是硅含量过高会导致钢的韧性下降，且在钢板表面形成氧化硅层，钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除磷困难，导致热轧后钢板表面红色氧化皮严重，表面质量较差，同时焊接性能也会变差。本发明硅含量为0.6-1.0％，优选为0.61-0.98％。
硫和磷：硫和磷都是钢中不可避免的杂质元素，对钢的塑性和韧性不利，因此硫和磷的含量应越少越好，考虑到实际的炼钢水平，本发明硫和磷的含量≤0.02％。
铬：铬在奥氏体中的溶解度很大，提高了奥氏体稳定性，加快了碳化物在冷却时的析出。铬和碳形成碳化物固溶在奥氏体中，提高了钢的强度、硬度和耐磨性。本发明铬含量为1.5-2.5％，优选为1.55-2.47％。
铝：铝是强脱氧元素，为了保证钢中的氧含量尽量地低，本发明铝含量为0.03-0.08。脱氧后多余的铝元素和钢中氮元素能形成AlN，提高钢的强度，细化奥氏体晶粒。
钼、钛、钒、铌：Mo、Ti、V和Nb与碳亲和力较强，可置换渗碳体中的Fe原子而形成合金渗碳体，增加了渗碳体的稳定性。同时Mo、Ti、V和Nb与碳可形成新的合金碳化物，固溶处理后弥散分布在晶粒内，起到第二相强化作用，使钢的强度、硬度、耐磨性增加，并且有细化晶粒的作用。但加入过量会导致塑韧性下降过大，因此本发明钼含量为0.2-0.5％，优选0.22-0.49％；钛含量为0.01-0.1％，优选为0.03-0.09％；钒含量为0.6-1.0％，优选0.61-0.98％；铌含量为0.02-0.06％。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
1、选取十组不同组分重量百分比(％)配比原料，各组组分具体配比如表1所示：
表1实施例的组分重量百分比(％)
实施例 C Si Mn P S Cr Mo V Nb Ti Al
1 1.02 0.94 9.99 0.018 0.012 1.55 0.22 0.61 0.027 0.04 0.037
2 1.02 0.72 8.84 0.016 0.011 2.15 0.47 0.67 0.043 0.06 0.070
3 1.04 0.98 9.52 0.017 0.012 1.87 0.31 0.72 0.036 0.05 0.046
4 1.04 0.64 9.38 0.013 0.009 2.36 0.27 0.62 0.028 0.03 0.057
5 1.06 0.85 9.22 0.015 0.012 2.43 0.49 0.68 0.060 0.07 0.051
6 1.06 0.62 9.07 0.012 0.009 2.25 0.37 0.73 0.041 0.04 0.065
7 1.08 0.83 8.90 0.017 0.010 2.36 0.27 0.60 0.034 0.08 0.041
8 1.08 0.63 8.81 0.016 0.013 1.99 0.33 0.65 0.020 0.09 0.056
9 1.15 0.81 8.31 0.012 0.009 1.64 0.25 0.84 0.023 0.06 0.043
10 1.19 0.61 8.02 0.014 0.011 2.47 0.45 0.95 0.057 0.04 0.030
对十种实施例热轧板进行取样，通过打磨、抛光和腐蚀后在显微镜下观察其组织，确定为单一奥氏体组织，晶界弥散分布少量颗粒状碳化物，且热轧后晶粒度较小。
2、对十组实施例样品进行工艺加工，工艺流程为：熔炼-连铸-加热-热轧-热处理，每组实施例样品对应的工艺处理参数如表2所示：
表2实施例的工艺参数
3、十组实施例最终形成的热轧板力学性能如表3所示
表3实施例的热轧板力学性能
从表3中可以看出，十种实施例的抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥480Mpa，开V型缺口冲击吸收功：25℃冲击功Akv≥100J，-40℃冲击功Akv为40-50J，布氏硬度为220-240HB，其中实施例6的综合性能较高。
4、摩擦磨损性能测试
采用M2000摩擦磨损试验机进行试验，试验条件为：载荷200N，转数200转/分钟，磨损试验时间2h，实验样品尺寸10×10×20mm，摩擦副为GCr15钢环，直径40mm。磨损率计算采用体积磨损率，计算公式如下：KV＝△m/ρ·P·L。
其中KV为体积磨损率，单位为mm3/N·m；△m为磨损失重，单位mg；ρ为实验材料密度，取7.89g/cm3；P为加载压力，单位为N；L为磨损行程，单位为m。
十组实施例的摩擦磨损性能测试结果如表4所示：
表4实施例与HARDOX450和Mn13的磨损性能对比
表4给出了十种实施例与HARDOX450和Mn13的磨损率对比结果，从表中可以看出，十组实施例的磨损率接近，比HARDOX450和Mn13的耐磨性分别提高到2.02倍和2.25倍以上。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于：化学成分重量百分比为：C：1.0-1.2％，Si：0.6-1.0％，Mn：8.0-10.0％，P<0.02％，S<0.02％，Cr：1.5-2.5％，Mo：0.2-0.5％，V：0.6-1.0％，Nb：0.02-0.06％，Ti：0.01-0.1％，Al：0.03-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质；一种多元合金化高强高耐磨钢制成的多元合金化高强高耐磨钢热轧板的抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥480MPa；所述多元合金化高强高耐磨钢热轧板开V型缺口冲击吸收功：25℃冲击功Akv≥100J，-40℃冲击功Akv为40-50J；所述多元合金化高强高耐磨钢热轧板布氏硬度为220-240HB；所述多元合金化高强高耐磨钢热轧板在200N载荷滑动磨损条件下，其磨损率≤20×10-6mm3/N·m。
2.根据权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于：所述C的重量百分比为1.01-1.19％。
3.根据权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于：所述Si的重量百分比为0.61-0.98％。
4.根据权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于:所述Mn的重量百分比为8.02-9.99％。
5.根据权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于:所述Cr的重量百分比为1.55-2.47％；所述Nb的重量百分比为0.02-0.06％。
6.根据权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于：所述Mo的重量百分比为0.22-0.49％；所述Ti的重量百分比为0.03-0.09％。
7.根据权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢，其特征在于：所述V的重量百分比为0.61-0.98％；所述Al的重量百分比为0.03-0.07％。
8.一种权利要求1所述的多元合金化高强高耐磨钢的热轧板制造方法，包括：炼钢-连铸-加热-热轧-热处理，其特征在于：
在所述连铸过程中，连铸浇铸温度1370-1390℃，得到板坯；
在所述加热过程中，板坯保温温度为1160-1200℃；
在所述热轧过程中，板坯轧制温度区间为1000-1180℃；
在所述热处理过程中，热轧板水韧开始温度为1000-1070℃，水韧终止温度为200-300℃。
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