CN108034886B

CN108034886B - 一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板及其制备方法

Info

Publication number: CN108034886B
Application number: CN201711126911.9A
Authority: CN
Inventors: 邓想涛; 王昭东; 田勇; 付天亮; 王丙兴; 王国栋
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: CN108034886A

Abstract

本发明提供了一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板及其制备方法。该类钢板的显著特征是：(1)以马氏体组织为基体组织；(2)所制造钢板在合金设计时为添加质量百分比为3.0‑4.0％的Al元素，(3)所制造钢板的硬度在360～480HB之间。其制造方法为：选取不同的合金成分进行冶炼，连铸或模铸成钢坯，经过加热、控轧、控冷、热处理等工序制造所需要的钢板。上述钢板特别适用于大型矿车车厢或城市渣土车车厢等设备或零件制造，通过较多Al元素的加入，降低了钢板密度，从而降低了所制造装备的质量，同时该类钢板还具有良好的成型性(适合90°冷弯)和焊接性能，尤其是具有更高的低温冲击韧性和耐磨性能。

Description

一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及低合金化钢制造领域，具体涉及一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板及其制备方法。

背景技术

近年来，随着社会和经济的高速发展，节能降耗、减少环境污染和节约资源成为大家面临的一个十分迫切的问题。对于矿山用或城市渣土车用自卸车来说，降低车身重量，不但可以节能降耗、减少环境污染，而且还可以增加车辆的载重量。为了适应这种需要，目前普遍采用的方法是使用更高强度的钢板，从而降低所使用钢板的厚度，实现减重的目标，该类方法在现有的自卸车制造过程中已经取得了良好的效果。然而，随着钢板的使用级别越来越高，当继续减薄时，所制造部件由于刚度的降低极易出现变形，因此，在使用钢板降低到一定厚度后，不宜继续减薄来降低重量实现轻量化的目标。在这种情况下，可以使用密度更低的材料如铝合金等来实现减重的目标，但是其价格极其昂贵，加工性能和焊接性能难以控制。

在钢中添加一定量密度较低的铝元素的方法，可以实现所生产钢板的密度降低，从而达到减重的目标，近年来该类方法在汽车制造用薄规格钢板中有较多的研究和应用，并已形成多项专利，但都是用于制造薄板，尚未涉及中厚钢板的制造。且铝元素含量过高时，钢中易产生使性能恶化的κ碳化物。如于西纳公司公开号为CN1688725A的名为“很高强度和低密度热轧薄钢板及其制造方法”的中国专利，该专利涉及高铝低密度钢板的生产，但是主要是涉及薄规格钢板的生产并被应用于汽车制造，尚未涉及中厚规格钢板及其生产工艺；安塞米塔尔法国公司研发的名称为“具有良好可压延性的低密度钢”，申请号为200880016091，该专利涉及一种热轧铁素体钢片材，其Al含量为6-10％，易产生使性能严重恶化的κ碳化物；中国专利CN103484771A“一种海洋平台用高铝低密度中厚钢板及其制备方法”虽然属于中厚钢板生产，但是属于超低碳热轧海洋工程用钢，其合金设计和制备工艺与本发明存在较大差异。

发明内容

本发明的目的是获得布氏硬度在360～480HB之间的低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板，使其具有较高硬度和耐磨性的同时还具有较低的密度以及良好的低温韧性，以利于在自卸车车厢等部件的制造，同时还实现在相同钢板厚度的条件下减重的目的。本发明提出了一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板，该类钢板的显著特征是：(1)以马氏体为基体组织；(2)所制造钢板在合金设计时为添加质量百分比为3.0-4.0％的Al元素。本发明还提出了一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板的制造方法：选取不同的合金成分进行冶炼，连铸或模铸成钢坯，经过加热、控轧、控冷、热处理等工序制造所需要的钢板。

本发明的具体技术方案为：

一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板，所述钢板的组分按质量百分比计包括：C0.15～0.24％，Si 0.20～0.60％，Mn 1.20～1.80％，Al 3.00～4.00％，P≤0.014％，S≤0.004％，Nb 0.015～0.05％，V 0.00～0.05％，Ti 0.010～0.040％，Mo 0.00～0.60％，Cr0.20～1.00％，B 0.0008～0.004％，N≤0.0050％，H≤1.5ppm，余量为Fe。

上述钢板的组分优选为，按质量百分比计包括：C 0.16～0.22％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.20～1.60％，Al 3.00～4.00％，P≤0.013％，S≤0.003％，Nb 0.015～0.05％，V0.00～0.05％，Ti 0.010～0.030％，Mo 0.15～0.60％，Cr 0.30～1.00％，B0.0008～0.004％，N≤0.0040％，H≤1.4ppm，余量为Fe。

上述耐磨钢板的制备方法，包括如下步骤：

第一步，按照所述钢板中各组分的质量百分比配比，再进行冶炼，连铸或模铸得到钢坯，钢坯进行加热，加热温度控制在1180～1230℃，保温时间为180～210min；

第二步，对第一步得到的钢坯进行粗轧、精轧成钢板，其中粗轧终轧温度控制在980～1100℃，粗轧道次压下率≥10％，精轧终轧温度控制在820～940℃，精轧道次累计压下率≥40％；钢板精轧终轧后经过空冷或层流冷却，钢板厚度为20mm及以下时采用空冷，空冷终冷温度为室温；钢板厚度大于20mm时采用冷速为5-10℃/s的层流冷却，层流冷却的终冷温度控制在600-700℃范围内，然后空冷至室温；

第三步，对轧制后的钢板进行离线热处理，离线热处理时淬火温度为860～930℃，回火温度为170～250℃。

本发明所述耐磨钢板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360～480HB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，0.15～0.24％的碳是比较合适的。优选地，碳含量为0.16～0.22％。

Al：铝作为轻质化元素加入钢中，一方面使得钢铁材料的晶格常数增大，另一方面，其本身的原子质量较小，因而可以降低所制备钢铁材料的密度。同时，铝元素在钢中还可以起到固溶强化和增加钢本身的耐蚀性能的作用。但是，当铝元素添加量过多时，极易引起晶界粗化，从而使性能恶化。优选地，铝含量为3.00～4.00％。

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。但硅元素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。综合考虑硅元素各方面的影响，本发明硅含量为0.20-0.60％。优选地，硅含量为0.20-0.50％。

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1.20～1.80％。优选地，锰的含量为1.20～1.60％。

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％。优选地，P≤0.013％，S≤0.003％。

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％。优选地，钛含量为0.010-0.030％。

Cr：铬提高钢材的淬透性和耐蚀性能的元素，同时还可以增加钢的回火稳定性。铬在奥氏体中溶解度很大，稳定奥氏体，淬火后在马氏体中大量固溶，提高钢的强度和硬度。为了保持钢的强度级别，铬可以部分代替锰，增强其淬透性；同时，在耐磨钢中加入一定量的Cr元素还可以提高钢板的耐蚀性能。综合考虑铬元素各方面的影响，本发明铬元素含量为0.20～1.00％。优选地，铬元素含量为0.30～1.00％。

Mo：钼元素能显著地细化晶粒，提高淬透性，从而增加强度和韧性。此外，钼元素还能减少钢的回火脆性，同时回火时可以析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼元素是较贵的合金元素，所以本发明中可添加不超过0.60％的钼。优选地，钼含量为0.15-0.60％。

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％。

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。

本发明的有益效果是：

1.本发明所制造钢板具有极高的硬度，其值在360～480HB之间。获得的钢板与现有常规耐磨钢板相比，具有更低的密度，从而使得钢板在相同体积条件下具有更低的质量。

2.本发明得到的钢板冷弯性能、焊接性能良好，尤其是具有更高的低温冲击韧性和耐磨性能。

3.本发明具有以上显著的优点，因此更适合矿山机械、工程机械等装备的自卸车车厢制造，在具有良好的冷弯性能和焊接性能的同时，上述钢板特别适用于大型矿车车厢或城市渣土车车厢等设备或零件制造，通过钢板密度的降低，不但降低了所制造装备的质量，同时该类钢板还具有良好的成型性(适合90°冷弯)和焊接性能。

具体实施方式

本发明所述的布氏硬度达360～480HB的低密度轻质自卸车车厢用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-表面质量检查-剪切-淬火-回火-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或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1200℃，保温3小时，然后进行控制轧制和控制冷却工艺，其中粗轧终轧温度为1025℃，道次压下率大于15％；精轧开轧温度为900℃，终轧温度为850℃，精轧道次的累计压下率为50％，钢板轧制厚度为25mm；轧后钢板进行控制冷却，冷速为10℃/s，终冷温度为680℃，然后空冷至室温；最后将钢板进行热处理，其中淬火温度为920℃，回火温度为200℃。

本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度1260MPa，抗拉强度为1520MPa，延伸率为12.2％，-40℃冲击功为43J，布氏硬度456±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。

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或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1180℃，保温3.5小时，然后进行控制轧制和控制冷却工艺，其中粗轧终轧温度为1020℃，道次压下率大于15％；精轧开轧温度为930℃，终轧温度为830℃，精轧道次的累计压下率为60％，钢板轧制厚度为12mm；轧后钢板空冷至室温；最后将钢板进行热处理，其中淬火温度为930℃，回火温度为250℃。

本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度1030MPa，抗拉强度为1380MPa，延伸率为13.6％，-40℃冲击功为53J，布氏硬度384±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。

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1230℃，保温3小时，然后进行控制轧制和控制冷却工艺，其中粗轧终轧温度为1060℃，道次压下率大于15％；精轧开轧温度为900℃，终轧温度为845℃，精轧道次的累计压下率为45％，钢板轧制厚度为20mm；轧后钢板空冷至室温；最后将钢板进行热处理，其中淬火温度为905℃，回火温度为230℃。

本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度1140MPa，抗拉强度为1420MPa，延伸率为12.5％，-40℃冲击功为49J，布氏硬度426±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。

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1230℃，保温3小时，然后进行控制轧制和控制冷却工艺，其中粗轧终轧温度为1050℃，道次压下率大于15％；精轧开轧温度为940℃，终轧温度为820℃，精轧道次的累计压下率为55％，钢板轧制厚度为10mm；轧后钢板空冷至室温；最后将钢板进行热处理，其中淬火温度为900℃，回火温度为200℃。

本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度1235MPa，抗拉强度为1480MPa，延伸率为13.2％，-40℃冲击功为34J，布氏硬度460±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。

实施例5

实施例5的化学成分如表1所示。按表1中实施例5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1230℃，保温3小时，然后进行控制轧制和控制冷却工艺，其中粗轧终轧温度为1040℃，道次压下率大于15％；精轧开轧温度为880℃，终轧温度为820℃，精轧道次的累计压下率为40％，钢板轧制厚度为30mm；轧后钢板进行控制冷却，冷速为5℃/s，终冷温度为660℃，然后空冷至室温；最后将钢板进行热处理，其中淬火温度为860℃，回火温度为170℃。

本实施例得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度1285MPa，抗拉强度为1520MPa，延伸率为11.2％，-40℃冲击功为36J，布氏硬度470±5HB，d＝4a时90°冷弯良好。

Claims

1.一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板，其特征在于，所述钢板的组分按质量百分比计包括：C0.15～0.24％，Si0.20～0.60％，Mn1.20～1.80％，Al3.00～4.00％，P≤0.014％，S≤0.004％，Nb0.015～0.05％，V0.00～0.05％，Ti0.010～0.040％，Mo0.00～0.60％，Cr0.20～1.00％，B0.0008～0.004％，N≤0.0050％，H≤1.5ppm，余量为Fe；该低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板，其特征在于，所述钢板的组分按质量百分比计包括：C0.16～0.22％，Si0.20～0.50％，Mn1.20～1.60％，Al3.00～4.00％，P≤0.013％，S≤0.003％，Nb0.015～0.05％，V0.00～0.05％，Ti0.010～0.030％，Mo0.15～0.60％，Cr0.30～1.00％，B0.0008～0.004％，N≤0.0040％，H≤1.4ppm，余量为Fe。