CN106756489A - 布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其制造方法，其化学成分重量百分比含量为：C：0.15～0.24％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.30～1.60％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr：0.30～0.65％、Mo：0.40～0.80％、Nb：0.030～0.060％、Ti：0.015～0.035％、B：0.0010～0.0050％、Als：0.010～0.040％，其余为Fe和微量杂质元素。它是由冶炼连铸、轧制工艺、在线进行淬火、冷却工艺和回火热处理五大工艺制造而成；本发明合金添加量较少，合金成本低，采用短流程制造工艺，避免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，节约了工序成本。

Description

布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及机械工程用耐磨钢制造领域，具体地指一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其制造方法。
背景技术
目前可使用的耐磨材料分为金属和金属化合物、陶瓷及其复合材料、塑料等三大类，其中金属耐磨材料仍居主导地位。我国每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上。金属材料的80％失效于磨损，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。
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。同奥氏体高锰钢相比，在中等冲击磨损条件下，马氏体耐磨钢具有更好的综合机械性能，但缺憾之处在于，随着硬度的增加易产生裂纹，降低了使用寿命和安全系数。
发明内容
本发明目的是提供了一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其制造方法，该方法制造得到综合性能优良的马氏体耐磨钢，且该制造成本低，工艺简单，解决了马氏体耐磨钢易产生裂纹的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢，所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.15～0.24％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.30～1.60％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr：0.30～0.65％、Mo：0.40～0.80％、Nb：0.030～0.060％、Ti：0.015～0.035％、B：0.0010～0.0050％、Als：0.010～0.040％，其余为Fe和微量杂质元素。
进一步地，所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.17～0.22％、Si：0.25～0.45％、Mn：1.35～1.55％、P：0.008～0.014％、S≤0.010％、Cr：0.35～0.60％、Mo：0.50～0.70％、Nb：0.035～0.055％、Ti：0.018～0.030％、B：0.0020～0.0045％、Als：0.015～0.035％，其余为Fe和微量杂质元素。
再进一步地，所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.19％、Si：0.37％、Mn：1.53％、P：0.008％、S≤0.008％、Cr：0.42％、Mo：0.56％、Nb：0.048％、Ti：0.023％、B：0.0024％、Als：0.029％，其余为Fe和微量杂质元素。
再进一步地，所述钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm≥1250MPa，延伸率≥10％，-20℃Akv≥24J，HBW/10/3000：420～480。
再进一步地，所述钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm：1250～1500MPa，延伸率：10～15％，-20℃Akv：24～60J，HBW/10/3000：420～480。
本发明还提供了一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的制造方法，该高强度耐磨钢是由冶炼连铸、轧制工艺、在线进行淬火、冷却工艺和回火热处理五大工艺制造而成，
1)轧制工艺中，第一阶段开轧温度为1050℃～1120℃，第一阶段累积压下率≥65％，第二阶段开轧温度为960℃～1020℃，道次压下率≥16％，终轧温度≥900℃；
2)冷却工艺中，冷却速率为25～32℃/s，终冷温度为220℃～330℃；
3)回火热处理中，回火温度为300±10℃。
本发明原理：
(1)在设计钢的合金成分时，主要应考虑了以下三点：提高淬透性，获得板条马氏体组织，避免片状马氏体产生；提高强度和耐磨性；减少因合金元素添加造成的裂纹敏感性。
C、Mn是最有效的固溶强化元素，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，但对塑性和韧性十分不利。对于马氏体钢，马氏体的形态主要取决于奥氏体的含碳量，C含量的增加大幅降低马氏体转变点，易于转变为裂纹敏感性强的片状马氏体。因此设计该钢C含量范围为：0.15～0.24％。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，含量增加会造成Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物增加，降低钢的各种力学性能，和焊缝质量。因此设计该钢Si含量范围为：0.2～0.5％。
Cr与Mo复合添加，可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性，并可细化晶粒，提高强度和韧性。Cr在钢中可以形成多种碳化物，提高强度和硬度，Mo在钢中固溶于铁素体和奥氏体中，具有固溶强化和碳化物弥散强化作用。本发明中Cr、Mo的含量为Cr：0.30～0.65％、Mo：0.40～0.80％。
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：0.03～0.06％、Ti：0.015～0.035％。
为了提高淬透性向钢中加入微量的B元素。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％，
(2)短流程制造工艺：控制轧制-DQ-T，替代传统的调质工艺，缩短生产周期，降低工序成本和工序能耗。
采用该工艺可获得具有形变热处理效果的精细板条马氏体组织，避免片状马氏体的产生，控制残余奥氏体和未溶碳化物的形态和分布。
板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单元而消耗断裂功，残余奥氏体存在于马氏体板条间，因其能使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧性改善。
本发明的有益效果在于：
本发明合金添加量较少，合金成本低，属于资源节约型钢种。采用短流程制造工艺，避免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，节约了工序成本。解决了马氏体耐磨钢易产生裂纹的难题，提高了耐磨钢使用安全性和高效性。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为实例钢板回火板条马氏体组织(晶粒尺寸约为5～10μm)；
图1A为表层组织；
图1B为心部组织。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.15％、Si：0.45％、Mn：1.60％、P：0.012％、S：0.010％、Cr：0.36％、Mo：0.72％、Nb：0.043％、Ti：0.019％、B：0.0025％、Als：0.035％，其余为Fe和微量杂质元素。
其生产步骤：
1)冶炼并连铸成200mm厚的连铸坯；
2)对铸坯进行加热，轧制工艺：第一阶段开轧温度1120℃，第一阶段累积压下率75％，第二阶段开轧温度1020℃，道次压下率≥15％，终轧温度925℃；
3)在线进行淬火，开冷温度在910℃，冷却速度控制在27℃/秒，终冷温度在290℃；
4)自然冷却至室温；
5)进行回火，回火温度控制在300℃；
6)待用。
实施例2
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.24％、Si：0.25％、Mn：1.35％、P：0.014％、S：≤0.009％、Cr：0.30％、Mo：0.65％、Nb：0.053％、Ti：0.028％、B：0.0035％、Als：0.038％，其余为Fe和微量杂质元素。
其生产步骤：
1)冶炼并连铸成200mm厚的连铸坯；
2)对铸坯进行加热，轧制工艺：第一阶段开轧温度1108℃，第一阶段累积压下率70％，第二阶段开轧温度1010℃，道次压下率≥15％，终轧温度919℃；
3)在线进行淬火，开冷温度在902℃，冷却速度控制在31℃/秒，终冷温度在240℃；
4)自然冷却至室温；
5)进行回火，回火温度控制在300℃；
6)待用。
实施例3
一种布氏硬度450级抗裂纹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：0.37％、Mn：1.53％、P：0.012％、S：≤0.008％、Cr：0.42％、Mo：0.56％、Nb：0.048％、Ti：0.023％、B：0.0024％、Als：0.029％，其余为Fe和微量杂质元素。
其生产步骤：
1)冶炼并连铸成200mm厚的连铸坯；
2)对铸坯进行加热，轧制工艺：第一阶段开轧温度1089℃，第一阶段累积压下率68％，第二阶段开轧温度997℃，道次压下率≥15％，终轧温度905℃；
3)在线进行淬火，开冷温度889℃，冷却速度25℃/秒，终冷温度在310℃；
4)自然冷却至室温；
5)进行回火，回火温度控制在300℃；
6)待用。
实施例4
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.22％、Si：0.41％、Mn：1.47％、P：0.011％、S：≤0.007％、Cr：0.63％、Mo：0.49％、Nb：0.052％、Ti：0.031％、B：0.0041％、Als：0.039％，其余为Fe和微量杂质元素。
其生产步骤：
1)冶炼并连铸成200mm厚的连铸坯；
2)对铸坯进行加热，轧制工艺：第一阶段开轧温度1050℃，第一阶段累积压下率70％，第二阶段开轧温度964℃，道次压下率≥15％，终轧温度917℃；
3)在线进行淬火，开冷温度884℃，冷却速度控制在32℃/秒，终冷温度在236℃；
4)自然冷却至室温；
5)进行回火，回火温度控制在300℃；
6)待用。
实施例5
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.17％、Si：0.49％、Mn：1.32％、P：0.012％、S：≤0.009％、Cr：0.33％、Mo：0.74％、Nb：0.044％、Ti：0.032％、B：0.0029％、Als：0.033％，其余为Fe和微量杂质元素。
其生产步骤：
1)冶炼并连铸成200mm厚的连铸坯；
2)对铸坯进行加热，轧制工艺：第一阶段开轧温度1114℃，第一阶段累积压下率65％，第二阶段开轧温度1014℃，道次压下率≥15％，终轧温度942℃；
3)在线进行淬火，开冷温度923℃，冷却速度控制在31℃/秒，终冷温度在292℃；
4)自然冷却至室温；
5)进行回火，回火温度控制在300℃；
6)待用。
表1为上述各实施例经检测后的力学性能情况列表。
表1各实施例经检测后力学性能结果列表
实施例 规格/mm Rm/MPa A/％ -20℃冲击功/J HBW/10/3000
1 10 1280 11 45 460/475/465
2 16 1260 13.5 55 440/430/435
3 19 1275 12 50 435/460/465
4 24 1265 14 45 450/445/445
5 30 1270 12.5 60 430/445/435
从表1中可看出，本发明钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm≥1250MPa，延伸率≥10％，-20℃Akv≥24J，HBW/10/3000：420～480，从实例可以看出，采用控制轧制+DQ+T工艺生产的钢板性能稳定。实例钢板焊接、火焰切割、使用过程中无裂纹产生。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢，其特征在于：所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.15～0.24％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.30～1.60％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr：0.30～0.65％、Mo：0.40～0.80％、Nb：0.030～0.060％、Ti：0.015～0.035％、B：0.0010～0.0050％、Als：0.010～0.040％，其余为Fe和微量杂质元素。
2.根据权利要求1所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢，其特征在于：所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.17～0.22％、Si：0.25～0.45％、Mn：1.35～1.55％、P：0.008～0.014％、S≤0.010％、Cr：0.35～0.60％、Mo：0.50～0.70％、Nb：0.035～0.055％、Ti：0.018～0.030％、B：0.0020～0.0045％、Als：0.015～0.035％，其余为Fe和微量杂质元素。
3.根据权利要求2所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢，其特征在于：所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.19％、Si：0.37％、Mn：1.53％、P：0.008％、S≤0.008％、Cr：0.42％、Mo：0.56％、Nb：0.048％、Ti：0.023％、B：0.0024％、Als：0.029％，其余为Fe和微量杂质元素。
4.根据权利要求1或2或3所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢，其特征在于：所述钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm≥1250MPa，延伸率≥10％，-20℃Akv≥24J，HBW/10/3000：420～480。
5.根据权利要求4所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢，其特征在于：所述钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm：1250～1500MPa，延伸率：10～15％，-20℃Akv：24～60J，HBW/10/3000：420～480。
6.一种权利要求1所述布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢的制造方法，该高强度耐磨钢是由冶炼连铸、轧制工艺、在线进行淬火、冷却工艺和回火热处理五大工艺制造而成，其特征在于：
1)轧制工艺中，第一阶段开轧温度为1050℃～1120℃，第一阶段累积压下率≥65％，第二阶段开轧温度为960℃～1020℃，道次压下率≥16％，终轧温度≥900℃；
2)冷却工艺中，冷却速率为25～32℃/s，终冷温度为220℃～330℃；
3)回火热处理中，回火温度为300±10℃。
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