CN106893931A - 一种颗粒增强型奥氏体钢及其钢板制造工艺 - Google Patents

一种颗粒增强型奥氏体钢及其钢板制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.3~0.9；Si:0.45~0.55；Mn：8.0~9.5；Ni：1.5~2.5；Ti：0.3~0.4；V：0.05~0.07；Al：0.1~0.15；余量为Fe和不可避免的杂质，本发明制作的耐磨钢可适合恶劣工况，同时能具有高耐磨性，同时增强颗粒的硬度大，具有较高的弹性模量和热力学稳定性，耐磨性能极高，并且本产品为奥氏体基体钢，力学性能优良，冲击功50J以上，延伸率可达12%以上，焊接性能和及加工性能较好，能满足中部槽制造的要求，提高中部槽的整体使用寿命，节约能源，采用该奥氏体钢制作刮板运输机，对煤炭生产的节能节材、循环经济和可持续发展具有重要的战略意义和经济效益，本发明还公开了采用该颗粒增强型奥氏体钢的钢板制造工艺。

Description

一种颗粒增强型奥氏体钢及其钢板制造工艺
技术领域
本发明涉及一种合金钢，特别涉及一种颗粒增强型奥氏体钢。
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，其金相图如附图1所示。
但随着实际使用发现，高锰钢的使用寿命较短，在中等和较弱冲击条件下，高锰钢并不能很好的强化。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种寿命长的颗粒增强型奥氏体钢。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.3~0.9；Si:0.45~0.55；Mn：8.0~9.5；Ni：1.5~2.5；Ti：0.3~0.4；V：0.05~0.07；Al：0.1~0.15；余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优选方案，颗粒增强型奥氏体钢的重量百分比组成为：C：0.42~0.53；Si:0.454~0.483；Mn：8.08~8.34；Ni：1.5~1.7；Ti：0.3~0.33；V：0.05~0.07；Al：0.1~0.15；余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优选方案，颗粒增强型奥氏体钢的重量百分比组成为：C：0.55~0.63；Si:0.474~0.513；Mn：8.81~9.34；Ni：1.9~2.1；Ti：0.33~0.37；V：0.055~0.065；Al：0.11~0.14；余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优选方案，颗粒增强型奥氏体钢的重量百分比组成为C：0.88；Si:0.53；Mn：9.0；Ni：2.0；Ti：0.35；V：0.06；Al：0.13；余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的第二目的在于提供一种上述颗粒增强型奥氏体钢的钢板制造工艺。
本发明的上述技术目的是通过如下技术方案实现的：一种上述颗粒增强型奥氏体钢的钢板制造工艺，其中：包括如下步骤
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1050~1250，时间4-7个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧3-8次，精轧5-10次，终轧温度为800-950℃，轧后水冷采用空冷至温度为300-500℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1000-1100℃，加热时间1~2h，钢板加热后水冷至室温。
作为优选方案，S2中加热炉的加热温度为1100-1150℃。
作为优选方案，S3中粗轧次数为5-6次，精轧次数为8-10次。
作为优选方案，S4中加热温度为1050-1100℃，保温90min。
作为优选方案，S4中水冷速度为30℃/min。
Mn可以扩大铁碳平衡项圈的奥氏体相区，增加钢的淬透性，降低马氏体转变温度，降低钢的临界冷却速度；Mn和Fe可形成固溶体，提高奥氏体的强度，为获得理想的机械性能，本申请将Mn含量从常见的11%~14%降低到8.0%~9.5%，经固溶处理后具有良好的韧性，Mn还可以与合金中的S杂质形成熔点较高的MnS，防止FeS生成而导致热脆现象。
C可以稳定合金中的奥氏体，当进行快速冷却时碳可以使奥氏体保持在室温呈单相的奥氏体组织；同时C可在合金内形成固溶强化，提高合金的硬度、强度和耐磨性；本申请中C与Ti共同形成TiC颗粒，可以阻止磨粒磨损犁沟的通过，破碎磨粒，钝化磨粒的尖角，从而能显著减少合金磨损。
Ti与C形成硬度极大的TiC粒子，显著改善钢的耐磨性能，本发明控制Ti的含量为0.3~0.4wt%，形成TiC粒子体积分数约为0.4-0.7%，平均粒度约为1-4μm，过多的TiC粒子恶化材料的塑性及韧性，采用0.3~0.4wt%能有效提高合金的耐磨性，同时材料加工型和焊接性优良，能够满足相关设备制造要求。
V具有细化高锰钢组织的作用，可以提高钢的屈服强度、原始硬度和耐磨性的作用，同时V与碳能形成VC，可以在凝固过程中率先析出，弥散分布在合金内抑制晶粒长大，而V如果添加过多会析出粗大碳化物，降低钢的韧塑性，因此本发明V含量设置为0.05~0.07wt%。
Si具有强化固溶体、提高屈服强度的作用，Si的添加也会降低C在奥氏体中的溶解度，促进TiC等碳化物的析出，提高耐磨性，但是含量若大于0.6wt%时容易导致粗晶产生，因此本申请中将Si含量设置在0.45~0.55wt%。
Al主要用来脱氢和细化晶粒，能改善钢的耐腐蚀性、电、磁性能，同时在钢中会形成固溶强化，提高合金钢的耐磨性。
Ni可以提高合金钢的淬透性，显著改善合金钢的耐腐蚀性，同时扩大奥氏体相区，促进合金钢的奥氏体化。
本发明具有如下优点：
1、本发明制作的耐磨钢可适合恶劣工况，同时能具有高耐磨性，同时增强颗粒的硬度大，具有较高的弹性模量和热力学稳定性，耐磨性能极高，并且本产品为奥氏体基体钢，力学性能优良，冲击功50J以上，延伸率可达12%以上，焊接性能和及加工性能较好，能满足中部槽制造的要求，提高中部槽的整体使用寿命，节约能源，提高节约效率。
2、本发明提供的具有耐冲击磨损性能的颗粒增强型奥氏体钢，通过合理配比C、Mn元素比例，合金化处理，降低了奥氏体稳定性，抑制渗碳体的析出长大，提高了高锰钢在中、低冲击载荷下的硬化指数；在中、低载荷工况下，其冲击磨损性能是Mn13、HARDOX400、HARDOX500等耐磨材料的1倍以上；
3、本发明通过对合金元素的优化，提高了高锰钢的连铸生产难度与轧制难度；
4、本发明采用连铸机与中厚板轧机连续运作，纯净度高，表面质量改善，同时在合理的轧制温度区间进行轧制，并采用水韧处理，防止碳析出，使合金钢得到最需要的金相组织。
附图说明
图1为传统Mn13耐磨钢的金相图；
图2为实施例一的颗粒增强型奥氏体钢的表面的显微结构图，从中可以看出耐磨钢的表面分布有大量TiC颗粒。
具体实施方式
实施例一：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.88；Si:0.53；Mn：9；Ni：2；Ti：0.35；V：0.06；Al：0.13；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1150，时间5个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧5次，精轧10次，终轧温度为850℃，轧后水冷采用空冷至温度为400℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1050℃，加热时间90min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例二：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.3；Si:0.454；Mn：8.34；Ni：2.4；Ti：0.36；V：0.055；Al：0.11；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1200，时间4个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧4次，精轧5次，终轧温度为820℃，轧后水冷采用空冷至温度为500℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1060℃，加热时间60min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例三：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.76；Si:0.531；Mn：8.08；Ni：2.5；Ti：0.4；V：0.069；Al：0.14；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1050，时间4个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧7次，精轧9次，终轧温度为830℃，轧后水冷采用空冷至温度为480℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1040℃，加热时间90min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例四：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.42；Si:0.55；Mn：8.81；Ni：1.7；Ti：0.39；V：0.07；Al：0.1；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1180，时间5个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧6次，精轧8次，终轧温度为920℃，轧后水冷采用空冷至温度为420℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1020℃，加热时间100min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例五：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.53；Si:0.474；Mn：8；Ni：1.9；Ti：0.33；V：0.065；Al：0.13；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1250，时间7个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧3次，精轧7次，终轧温度为920℃，轧后水冷采用空冷至温度为350℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1070℃，加热时间110min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例六：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.9；Si:0.513；Mn：9.34；Ni：1.5；Ti：0.32；V：0.057；Al：0.11；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1230，时间6个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧5次，精轧8次，终轧温度为900℃，轧后水冷采用空冷至温度为370℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1000℃，加热时间70min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例七：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.55；Si:0.483；Mn：9.13；Ni：2.1；Ti：0.37；V：0.062；Al：0.12；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1120，时间6个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧6次，精轧6次，终轧温度为870℃，轧后水冷采用空冷至温度为450℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1000℃，加热时间120min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
实施例八：
一种颗粒增强型奥氏体钢，其中：由以下重量百分比物质组成：C：0.63；Si:0.45；Mn：9.5；Ni：2.3；Ti：0.3；V：0.053；Al：0.15；余量为Fe和不可避免的杂质。
采用该颗粒增强型奥氏体钢制备钢板的制造工艺包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1100，时间5个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧8次，精轧5次，终轧温度为800℃，轧后水冷采用空冷至温度为300℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1100℃，加热时间80min，钢板加热后以30℃/min的冷却速度水冷至室温。
对比例一：
Hardox450高锰钢
将实施例一至八和对比例中的钢材进行力学性能测试、耐磨测试、硬度测试、疲劳测试和冲击韧性测试，测试结果见下表1。
硬度测试：采用GB/T231.1-2002测试钢材的布氏硬度。
磨损试验：采用GB/T12444.2-90金属磨损试验方法环块型磨损试验测定质量磨损分别在正压力为50N和150N的条件下测定磨损质量。
疲劳测试：采用GB/T12443-90测试循环106次时疲劳应力。
冲击韧性测试：采用GB/T229-1994以标准夏比V型缺口冲击试样进行测试，得到冲击功。
表1 钢材性能测试结果表
屈服强度σ0.2(MPa) 抗拉强度σb（MPa） 硬度（HBS） 疲劳应力（MPa） 磨损质量（50N）（mg） 磨损质量（150N）（mg） 冲击功（J）
实施例一 405 820 565 371 46.2 267.1 63
实施例二 421 798 540 353 53.4 289.8 58
实施例三 435 816 537 361 55.7 301.7 57
实施例四 427 833 517 355 50.8 320.8 62
实施例五 415 840 527 360 48.6 311.5 59
实施例六 455 823 545 372 49.7 307.6 61
实施例七 447 838 533 364 51.2 279.8 58
实施例八 417 788 516 349 53.6 286.1 66
对比例一 1135 1437 368 600 220.7 652.7 37
从上表可以看出本发明在低负荷的情况下（压力为50N磨损试验），磨损相较于普通的Mn13耐磨钢磨损小，从而在中低载荷的情况下的使用寿命较长。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种颗粒增强型奥氏体钢，其特征在于：由以下重量百分比物质组成：C：0.3~0.9；Si:0.45~0.55；Mn：8.0~9.5；Ni：1.5~2.5；Ti：0.3~0.4；V ：0.05~0.07；Al：0.1~0.15；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强型奥氏体钢，其特征在于：颗粒增强型奥氏体钢的重量百分比组成为：C：0.42~0.53；Si:0.454~0.483；Mn：8.08~8.34；Ni：1.5~1.7；Ti：0.3~0.33；V ：0.05~0.07；Al：0.1~0.15；余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强型奥氏体钢，其特征在于：颗粒增强型奥氏体钢的重量百分比组成为：C：0.55~0.63；Si:0.474~0.513；Mn：8.81~9.34；Ni：1.9~2.1；Ti：0.33~0.37；V ：0.055~0.065；Al：0.11~0.14；余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强型奥氏体钢，其特征在于：颗粒增强型奥氏体钢的重量百分比组成为：C：0.88；Si:0.53；Mn：9.0；Ni：2.0；Ti：0.35；V ：0.06；Al：0.13；余量为Fe和不可避免的杂质。
5.一种权利要求1-4任一所述颗粒增强型奥氏体钢的钢板制造工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将各组分原料按照上述重量配比在转炉中冶炼；
S2：将S1中炼制的钢水经过连铸机铸造成连铸坯，将连铸坯装入加热炉，加热温度1050~1250，时间4-7个小时；
S3：将S2中得到的坯料在中厚板轧机上粗轧3-8次，精轧5-10次，终轧温度为800-950℃，轧后水冷采用空冷至温度为300-500℃；
S4：将S3中得到的钢板水韧处理，加热温度为1000-1100℃，加热时间1~2h，钢板加热后水冷至室温。
6.根据权利要求5所述的钢板制造工艺，其特征在于：S2中加热炉的加热温度为1100-1150℃。
7.根据权利要求5所述的钢板制造工艺，其特征在于：S3中粗轧次数为5-6次，精轧次数为8-10次。
8.根据权利要求5所述的钢板制造工艺，其特征在于：S4中加热温度为1050-1100℃，保温90min。
9.根据权利要求5所述的钢板制造工艺，其特征在于：S4中水冷速度为30℃/min。
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