CN105483539A - 一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法，属于合金钢技术领域。该钢板化学组成按重量百分含量为C：1.10-1.30；Mn：8.00-10.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.20-2.50；Ni：0.20-2.50；Mo：0.20-0.40；Ti：0.40-0.80；S≤0.010；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。该钢种的制造方法是：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。根据上述成分和工艺，轧材可得到在奥氏体基体上分布着体积分数约为0.5-1.5％的TiC析出相，析出物颗粒尺寸平均约为1-5um。材料的屈服强度约为400Pa，抗拉强度约为800MPa，延伸率大于15％，室温冲击功大于50J，材料的耐磨粒磨损性能可达Hardox450的3倍以上。

Description

一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法，是一种具有优异耐磨性和加工性能的超硬粒子增强型耐磨钢。
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。耐磨奥氏体锰钢最早于1882年由英国冶金学家发明，其基本成分为：11-14％Mn，1.0-1.4％C，这种高锰钢在水淬后具有高韧性、高冷作硬化能力，在高冲击载荷下使用，耐磨性好。高锰钢的加工硬化机理有位错堆积和或位错、形变马氏体、形变孪晶、弥散析出的微合金碳氮化物的综合作用所致。但它同时也存在一些缺点，主要是屈服强度较低和在较小载荷下使用加工硬化能力不足等。为解决这些不足，目前主要通过降低锰含量和控制碳含量来降低奥氏体的稳定性，使材料在磨粒作用下诱发马氏体相变，提高加工硬化效应，提高耐磨性，典型的材料如锰含量在8-10％的中锰钢(如专利ZL102242314A所述)。由于中锰钢和高锰钢一样，室温下组织为单一奥氏体，表面硬度只有HRC20左右，其在较小载荷下的耐磨性尽管比高锰钢有所提高，但仍难以满足某些苛刻工况要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法，进一步提高现有中高锰耐磨钢抗磨粒磨损性能，其耐磨性可达传统马氏体耐磨钢(Hardox450)的3-5倍。设计的中锰钢Ms点-20～-50℃，Md点高于室温。超硬粒子选择硬度HV≥3000的TiC析出相，析出相平均尺寸约为1-5μm，体积分数为0.5-1.5％。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。
本发明的耐磨钢板化学组成按重量百分含量(wt.％)为C：1.10-1.30；Mn：8.00-10.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.20-2.50；Ni：0.20-2.50；Mo：0.20-0.40；Ti：0.40-0.80；S≤0.010；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明各元素的作用及配比依据如下：
碳：提高钢的奥氏体稳定性，使钢的Ms点低于室温，具有强烈的固溶强化作用；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1.10-1.30wt.％。
硅：钢中脱氧元素之一，同时具有一定的固溶强化作用，但过量的硅对钢的韧性及焊接性能不利。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为0.30-0.60wt.％。
锰：提高奥氏体的稳定性，与碳元素配合，室温下可以获得介稳奥氏体，同时具有一定的固溶强化作用。锰含量过低，室温下得不到奥氏体，无法获得通过加工硬化大幅提高耐磨性的效果；锰含量过高，奥氏体稳定性较强，在低载荷作用下难以诱发相变，磨粒磨损条件下耐磨性提高不明显。本发明钢中锰含量范围为8.00-10.00wt.％。
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1-5μm。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。
采用强碳化物形成元素Ti，含量在0.40-0.80％范围能有效提高材料的耐磨性，同时材料加工性和焊接性优良，能够满足相关设备制造要求。
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0.30-0.40wt.％。
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，本发明控制铬含量范围为0.20-2.50wt.％。
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0.20-2.50wt.％。
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≤0.010wt.％，P≤0.015wt.％。
本发明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(模铸)、加热、控制轧制、控制冷却、热处理；在工艺中控制的技术参数如下：
(1)将连铸坯或铸锭开坯后装入加热炉中加热，加热温度为1050～1220℃，时间为3～8小时，加热后进行轧制；
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。
(2)采用中厚板轧机轧制或热连轧
(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℃。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(薄板坯直接进入连轧阶段)，然后经5到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℃。
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；
(3)钢板热处理：水韧淬火
水韧加热温度为1000～1100℃，加热时间为60-90分钟，钢板加热后水冷至室温。确保合适的温度使尽可能多的碳化物固溶到奥氏体中，水冷过程中碳化物析出被抑制，可得到奥氏体组织。
通过上述工艺，该耐磨钢的基体组织为奥氏体，同时基体中包含体积分数约为0.5-1.5％的TiC析出相，析出物颗粒尺寸平均约为1-5μm(如图1和图2所示)。材料的屈服强度约为400MPa，抗拉强度约为800MPa，延伸率大于15％，室温冲击功大于50J，材料的耐磨粒磨损性能可达Hardox450的3倍以上。
本发明介稳奥氏体中锰钢通过降低含C、Mn量来降低奥氏体的稳定性，在磨粒作用下诱发马氏体相变，提高加工硬化效应，提高耐磨性。同时，通过引入一定体积分数微米级超硬TiC粒子进一步提高材料耐磨性。由于材料基体是奥氏体，因此塑性及韧性较常规马氏体耐磨钢显著提高，可应用于对综合性能要求较高的工况条件，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢的光学微观组织图，图中白色粒子为TiC。
图2为本发明超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢的TiC粒子粒度分布。
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：1.15；Si：0.43；Mn：8.50；Cr：0.82；Ni：0.55；Mo：0.31；Ti：0.61；S：0.005；P：0.005；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860℃，轧制厚度30mm，轧后空冷。热处理工艺：水韧温度1050℃，保温时间60分钟，水冷至室温。
实施例2：本发明的化学组成按重量百分含量为C：1.3；Si：0.48；Mn：8.92；Cr：0.91；Ni：1.51；Mo：0.32，Ti：0.75；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1180℃，精轧终轧温度900℃，轧制厚度45mm，轧后空冷。热处理工艺：水韧温度1080℃，保温时间90分钟，水冷至室温。
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。相对耐磨性采用ML200磨粒磨损试验机检测。
表1本发明实施例与Hardox450力学性能和耐磨性检测结果

Claims (3)

1.一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板，其特征在于，钢板化学组成按重量百分含量为C：1.10-1.30；Mn：8.00-10.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.20-2.50；Ni：0.20-2.50；Mo：0.20-0.40；Ti：0.40-0.80；S≤0.010；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种权利要求1所述奥氏体耐磨钢板的制造方法，采用转炉或电炉冶炼；其特征在于：工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)将连铸坯或铸锭开坯后装入加热炉中加热，加热温度为1050～1220℃，时间为3～8小时，加热后进行轧制；
(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℃；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5到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℃。
(3)钢板热处理：水韧淬火
水韧加热温度为1000～1100℃，加热时间为60-90分钟，钢板加热后水冷至室温。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：轧材得到的钢板在奥氏体基体上分布着体积分数约为0.5-1.5％的TiC析出相，析出物颗粒尺寸平均约为1-5μm；屈服强度约为400MPa，抗拉强度约为800MPa，延伸率大于15％，室温冲击功大于50J，耐磨粒磨损性能达Hardox450的3倍以上。
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