CN107881417B - 一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低屈强比马氏体‑铁素体‑奥氏体复相耐磨钢板及其制造方法。该钢板造方法为：选取不同的合金成分进行冶炼，连铸成钢坯，经过加热、控轧、控冷、热处理等工序制造。其特征是：(1)所制造钢板的组织为马氏体‑铁素体‑奥氏体多相复合组织；(2)所制造钢板的屈强比较传统耐磨钢板大幅度降低，屈强比≤0.75，具有优异的成型性；(3)所制造钢板的硬度在300～420HB之间，为获得良好的耐磨性能提供保障；(4)耐磨性能优异，本发明获得耐磨钢板与相同硬度单一马氏体耐磨钢板相比耐磨性能提高1倍以上。上述钢板具有良好的焊接性能和更高的低温冲击韧性，特别适用于混泥土搅拌罐滚筒、自卸车车厢和航道疏浚用管道等设备或零部件的制造。

Description

一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板及其制造 方法
技术领域
本发明属于低合金化钢制造领域，具体涉及一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体多相复合组织耐磨钢板及其制备方法。
背景技术
耐磨钢板被广泛应用于矿山机械、工程机械、水泥化工机械和冶金机械等装备的制造，该类装备的工作环境一般非常恶劣，要求钢板不但具有极高的强度和硬度，而且要求具有一定的低温冲击韧性，在部分工程机械等特殊部件使用时，还要求钢板具有优异的焊接性能和冷弯成型性能。为了保证钢板具有较高的抗磨损性能，该类钢板的硬度和强度一般都非常高，其中布氏硬度常常要求≥300HB，抗拉强度要求≥1000MPa，从而使得该类钢板的低温冲击韧性、冷弯成型性能难以保证。目前，在现有比较常用的耐磨钢中，其基体组织均为板条马氏体，该类组织虽然可以使钢板获得极高的强度和硬度，保证了耐磨性能，但是由于马氏体本身具有极高脆性的特点，使得得到的钢板的低温韧性和成型性较差，尤其是高级别的钢板无法应用于成型性要求极高装备零部件如混泥土搅拌罐滚筒和航道疏浚用的耐磨管道等耐磨部件使用。在较硬的马氏体基体上引入铁素体和亚稳奥氏体复合相对软相的方法，不但可以大幅度的增加钢板的韧塑性，而且还可以在相同的硬度条件下获得更优异的耐磨性能，同时还可以大幅度的降低钢板的内应力。
发明内容
本发明的目的是获得布氏硬度在300～420HB之间的低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板，使其具有较高硬度和耐磨性的同时还具有较低的屈强比以及良好的低温韧性和成型性能，以利于在混泥土搅拌罐滚筒、自卸车车厢和航道疏浚用管道等设备或零部件的制造。
本发明提出了一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板，选取钢坯化学成分按质量百分比计包括：C 0.20～0.25％，Si 0.80～1.20％，Mn 1.50～2.00％，Al 0.30～0.50％，P≤0.014％，S≤0.004％，Ti 0.010～0.040％，B 0.0008～0.004％，N≤0.0050％，H≤1.5ppm，Ca 0.0010～0.0030％，其中Ca/S＝0.5～1.5，余量为Fe。
本发明的主要化学成分的选择和控制理由如下：
C：碳元素是钢板获得高的强度和硬度的关键元素。对于要获得布氏硬度达到300～420HB的钢板而言，碳是最重要的元素，碳元素可以显著提高钢板的位错密度和淬透性。但由于碳元素的增加，会增加冶炼难度，增加铸坯出现裂纹的几率；同时，高碳含量时还会显著的降低钢板塑性和焊接性能。所以如果钢板既要获得高硬度和一定的韧性，又要考虑冶炼时的控制难度，综合考虑，对于本发明而言，优选地，碳含量为0.20～0.25％。
Si：钢中加入硅元素能够提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高钢的强度和硬度，且能提高奥氏体的稳定性，同时，硅元素为非碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度较低，在热处理等温和低温回火过程中能够强烈抑制渗碳体的形成，从而使未转变的奥氏体富碳，提高奥氏体的稳定性，使其保留到室温。但硅元素的含量过高会导致钢的韧性下降，且高硅含量的钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重、表面质量较差。此外，较高硅元素加入还不利于钢板的焊接性能。在本发明中，为了保证获得一定量的亚稳奥氏体组织，并考虑钢板的其他性能，综合考虑硅元素各方面的影响，本发明硅含量为0.80～1.20％。
Mn：锰元素能够扩到奥氏体区，稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体和强化合金元素，同时锰元素能够增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速，从而实现在很小的冷速下即可得到强硬组织--马氏体组织，实现高硬度的目的。但过高的锰元素含量会加重铸坯或钢锭中的偏析，大大的增加冶炼难度。本发明锰的含量应控制在1.50～2.00％。
S和P：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P≤0.014％，S≤0.004％。
Al：铝元素是强脱氧元素，同时也有强烈阻止奥氏体中的渗碳体析出等作用。由于Al和Si一样同样有着类似的不溶于渗碳体和组织渗碳体析出的作用，因此，在部分钢中可以用Al来替代部分Si以避免因Si元素添加量过多带来的涂镀问题，Al元素还可以影响相变动力，是很强的铁素体稳定元素，能够提高奥氏体体积分数的同时细化晶粒尺寸。在本发明中，优选地，铝含量为0.30～0.50％。
Ti：钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N,从而使得B元素起到增强淬透性的作用，同时，Ti元素还可与N元素相结合，形成TiN阻止钢坯加热时奥氏体晶粒的过分长大，细化原始奥氏体晶粒尺寸。本发明钛含量控制在Ti 0.010～0.040％。
N：本发明不含或含有较少的Nb、V微合金元素，且主要以相变强化和回火碳化物析出强化为主要强化方式。小于等于50ppm含量的氮可以稳定0.01-0.03％的钛形成TiN,可保证加热时板坯的奥氏体晶粒不过分粗大。本发明中控制氮含量0.0050％。优选地，氮含量为0.0000-0.0040％。
上述钢板获得的组织为马氏体、铁素体和残余奥氏体多相复合组织，钢板中马氏体的体积分数≥60％，钢板的屈强比≤0.75，硬度在300～420HB之间。
上述钢板的制造方法，其工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、钢坯加热、轧制、冷却和热处理，所述的工艺参数按如下控制：
(1)钢坯加热：铸坯或铸锭在加热炉中加热，其中加热温度为1180-1250℃，保温时间为2-5小时；
(2)轧制及冷却：采用中厚板轧机或热连轧轧机进行钢板轧制，其中，中厚板轧机的轧制工艺为：粗轧道次为2-6道次，粗轧终轧温度为980-1100℃；精轧道次为4-8道次，精轧终轧温度为830-950℃；轧后先空冷至740-840℃，然后快速冷却至320-400℃之间，最后堆垛缓冷至室温；
热连轧轧机轧制工艺为：粗轧2-8道次，将钢坯轧制成20-60mm的中间坯，然后经过六机架或七机架轧机轧制成成品钢卷，其中终轧温度为830-950℃，轧后经过控制冷却，然后卷取成钢卷，控制冷却工艺为：先空冷至740-840℃，然后快速冷却至320-400℃之间，最后卷取缓冷至室温；
(3)热处理：对轧制的钢板或钢卷进行热处理：对钢板或钢卷进行回火处理，其中回火温度为0-250℃，回火保温时间t和钢板厚度h的关系满足t＝xh，其中2≤x≤6，t的单位为分钟，h的单位为毫米。
本发明中的制造工艺过程对本发明产品的影响：转炉吹炼和真空处理，目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明得到钢板组织为马氏体-铁素体-奥氏体多相复合组织，从而使得钢板具有极高的强度和硬度的同时，具有较低的屈强比和优异的低温冲击韧性和冷弯成型性能。
(2)本发明获得的钢板与现有常规耐磨钢板相比，屈强比较传统耐磨钢板大幅度降低，屈强比≤0.75，具有优异的成型性。
(3)本发明得到的钢板硬度在300～420HB之间，具有良好的冷弯性能和焊接性能，尤其是具有更高的低温冲击韧性和耐磨性能。
(4)本发明得到的钢板耐磨性能优异，本发明获得耐磨钢板与相同硬度单一马氏体耐磨钢板相比耐磨性能提高1倍以上。
本发明具有以上显著的优点，因此适合用于混泥土搅拌罐滚筒、自卸车车厢和航道疏浚用管道等成型要求较高的设备或零部件制造，通过多相复合组织的设计，降低了钢板屈强比，从而有利于钢板的成型，同时该类钢板还具有良好的焊接性能，尤其是具有更高的低温冲击韧性和耐磨性能的同时，具有更好的成型性和更低的屈强比。
附图说明
图1是实施例3得到的典型的组织马氏体-铁素体-残余奥氏体复相组织。
图2是项目实施工艺示意图。
具体实施方式
本发明所述的布氏硬度达300～420HB的低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板及其制造方法，选取连铸坯的厚度为150-300mm。
按照本发明所述的方法试制钢板进行实施，实施列的化学成分如下表1所示。实施的工艺流程为：铁水预处理-转炉-LF-RH精炼-连铸/模铸-钢坯检验-空冷-钢坯验收-钢坯加热-钢坯除磷-控轧-控冷-矫直/卷取-表面质量检查-热处理-喷标-检验入库。
表1实施例中耐磨钢板的化学成分
实施例1
实施例1的化学成分如表1所示。按表1中实施例1的化学成分进行电炉或转炉的冶炼，精炼后浇注成连铸坯，将连铸坯加热至1200℃，保温3小时，然后采用中厚钢板轧机进行控制轧制和控制冷却工艺，其中粗轧道次为4道次，粗轧终轧温度为1020℃；精轧道次为5道次，精轧终轧温度为840℃；钢板轧制厚度为20mm；轧后先空冷至780℃，然后快速冷却至380℃，最后堆垛缓冷至室温；对轧制的钢板进行回火热处理，其中回火温度为220℃，回火保温时间48min。
本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度820MPa，抗拉强度为1160MPa，屈强比为0.71，延伸率为14.2％，-40℃冲击功为48J，布氏硬度376±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。
耐磨性能采用具有一定冲击的MLD-10磨损试验机测试，同时在磨损时采用石英砂和水混合，二者比例为1:1，石英砂尺寸为8-10钼，冲击力为3J，本实施例获得耐磨钢板与相同硬度单一马氏体耐磨钢板相比耐磨性能提高1.08倍。
实施例2
实施例2的化学成分如表1所示。按表1中实施例2的化学成分进行电炉或转炉的冶炼，精炼后浇注成连铸坯，将连铸坯加热至1180℃，保温3.5小时，然后采用热连轧轧机进行控制轧制和控制冷却工艺，轧制工艺为：粗轧7道次，将钢坯轧制成30mm的中间坯，然后经过7机架轧机轧制成6mm的成品钢卷，其中终轧温度为880℃，轧后经过控制冷却，然后卷取成钢卷，控制冷却工艺为：先空冷至770℃，然后快速冷却至350℃左右，最后卷取缓冷至室温；对轧制的钢卷在罩式退火炉中进行低温回火热处理，其中回火温度为220℃，回火保温时间36min。
本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度910MPa，抗拉强度为1350MPa，屈强比为0.67，延伸率为16.6％，-40℃冲击功为88J，布氏硬度395±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。
耐磨性能采用具有一定冲击的MLD-10磨损试验机测试，同时在磨损时采用石英砂和水混合，二者比例为1:1，石英砂尺寸为8-10钼，冲击力为3J，本实施例获得耐磨钢板与相同硬度单一马氏体耐磨钢板相比耐磨性能提高1.23倍。
实施例3
实施例3的化学成分如表1所示。按表1中实施例3的化学成分进行电炉或转炉的冶炼，精炼后浇注成连铸坯或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1250℃，保温2小时，然后采用热连轧轧机进行控制轧制和控制冷却工艺，轧制工艺为：粗轧5道次，将钢坯轧制成50mm的中间坯，然后经过7机架轧机轧制成10mm的成品钢卷，其中终轧温度为880℃，轧后经过控制冷却，然后卷取成钢卷，控制冷却工艺为：先空冷至790℃，然后快速冷却至380℃左右，最后卷取缓冷至室温；对轧制的钢卷在罩式退火炉中进行低温回火热处理，其中回火温度为200℃，回火保温时间40min。得到的典型的组织马氏体-铁素体-残余奥氏体复相组织如图1所示。
本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度805MPa，抗拉强度为1080MPa，屈强比为0.75，延伸率为16.5％，-40℃冲击功为94J，布氏硬度325±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。
耐磨性能采用具有一定冲击的MLD-10磨损试验机测试，同时在磨损时采用石英砂和水混合，二者比例为1:1，石英砂尺寸为8-10钼，冲击力为3J，本实施例获得耐磨钢板与相同硬度单一马氏体耐磨钢板相比耐磨性能提高1.03倍。
实施例4
实施例4的化学成分如表1所示。按表1中实施例4的化学成分进行电炉或转炉的冶炼，精炼后浇注成连铸坯或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1210℃，保温3.5小时，然后采用热连轧轧机进行控制轧制和控制冷却工艺，轧制工艺为：粗轧5道次，将钢坯轧制成44mm的中间坯，然后经过7机架轧机轧制成8mm的成品钢卷，其中终轧温度为910℃，轧后经过控制冷却，然后卷取成钢卷，控制冷却工艺为：先空冷至770℃，然后快速冷却至310℃左右，最后卷取缓冷至室温。
本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度1020MPa，抗拉强度为1370MPa，屈强比为0.74，延伸率为13.2％，-40℃冲击功为64J，布氏硬度415±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。
耐磨性能采用具有一定冲击的MLD-10磨损试验机测试，同时在磨损时采用石英砂和水混合，二者比例为1:1，石英砂尺寸为8-10钼，冲击力为3J，本实施例获得耐磨钢板与相同硬度单一马氏体耐磨钢板相比耐磨性能提高1.24倍。

Claims (2)

1.一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板的制造方法，其工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、钢坯加热、轧制、冷却和热处理，其特征在于，所述的工艺参数按如下控制：
(1)钢坯加热：铸坯或铸锭在加热炉中加热，其中加热温度为1180-1250℃，保温时间为2-5小时；选取铸坯化学成分按质量百分比计包括：C 0.20～0.25％，Si 0.80～1.20％，Mn1.50～2.00％，Al 0.30～0.50％，P≤0.014％，S≤0.004％，Ti 0.010～0.040％，B 0.0008～0.004％，N≤0.0050％，H≤1.5ppm，Ca 0.0010～0.0030％，其中Ca/S＝0.5～1.5，余量为Fe；
(2)轧制及冷却：采用中厚板轧机或热连轧轧机进行钢板轧制，其中，中厚板轧机的轧制工艺为：粗轧道次为2-6道次，粗轧终轧温度为980-1100℃；精轧道次为4-8道次，精轧终轧温度为830-950℃；轧后先空冷至740-840℃，然后快速冷却至320-400℃之间，最后堆垛缓冷至室温；
热连轧轧机轧制工艺为：粗轧2-8道次，将钢坯轧制成20-60mm的中间坯，然后经过六机架或七机架轧机轧制成成品钢卷，其中终轧温度为830-950℃，轧后经过控制冷却，然后卷取成钢卷，控制冷却工艺为：先空冷至740-840℃，然后快速冷却至320-400℃之间，最后卷取缓冷至室温；
(3)热处理：对轧制的钢板或钢卷进行热处理：对钢板或钢卷进行回火处理，其中回火温度为0-250℃，回火保温时间t和钢板厚度h的关系满足t＝xh，其中2≤x≤6，t的单位为分钟，h的单位为毫米。
2.根据权利要求1所述的方法其特征在于，该方法制备得到的低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板获得的组织为马氏体、铁素体和残余奥氏体多相复合组织，钢板中马氏体的体积分数≥60％，钢板的屈强比≤0.75，硬度在300～420HB之间。
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