CN109023119A

CN109023119A - 一种具有优异塑韧性的耐磨钢及其制造方法

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Publication number: CN109023119A
Application number: CN201811165271.7A
Authority: CN
Inventors: 林田子; 张涛; 侯华兴; 杨颖�; 张哲�; 纪汶伯; 徐海健
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2018-12-18
Anticipated expiration: 2038-10-08
Also published as: CN109023119B

Abstract

本发明提供了一种具有优异塑韧性的耐磨钢及其制造方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.15％～0.30％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.10％～1.40％、Nb：0.03％～0.05％、Ti：0.01％～0.03％、Cr：0.15％‑0.40％、Mo：0.30％‑0.60％、Ni：0％‑0.50％、Al：0.01％～0.04％、P≤0.015％、S≤0.005、[N]≤0.0040％、[O]≤0.0020％，余量为铁和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼、连铸、板坯缓冷、板坯加热、轧制、回火，应用本发明生产的钢板具有优异的塑性韧：延伸率≥16％，180°冷弯性能D＝2a，‑40℃夏比V型纵向冲击功≥80J，钢板中温回火后表面硬度仍大于HB400，抗拉强度在1280MPa～1350MPa，具有优异的综合力学性能。

Description

一种具有优异塑韧性的耐磨钢及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有优异塑韧性的耐磨钢及其制造方法。

背景技术

耐磨钢板被广泛应用于工作条件恶劣，要求强度高、耐磨性好的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上，如推土机、装载机、挖掘机、各种矿山机械等。随着机械制造业的发展，对耐磨钢的生产提出了更高的要求。材料的耐磨性主要取决于其硬度，较高的硬度可以提供良好的抗磨损性能，而韧性对材料的使用性能也有着非常重要的影响。在我国华北、东北及西北等地区，冬季气温一般为0℃～-40℃，较低的环境温度会使钢板脆性增加，进而降低器材的使用寿命，造成较大的经济损失，因此，在寒冷地区一般要求钢板具有较高的低温韧性。此外，由于耐磨钢板用于车厢板、搅拌机等结构件制造时需要对钢板进行折弯加工，要求耐磨钢应具有较好的塑性及冷弯性能。因此，控制碳和合金元素含量，研发低成本、高性能且工艺简单的低合金耐磨钢是社会经济和钢铁工业发展的必然趋势。

虽然在本发明之前已有多个关于耐磨钢的发明专利，但均与本发明区别明显，以下简单介绍与本发明较为接近的几个：

专利1，申请号200410013944.9，高硬度高韧性耐磨钢。该专利成分为C：0.25～0.55，Mn：1.2％～4.5％，Cr：0.8％～2.5％，Mo：0.4％～1.5％，Ni：0.3％～1.0％，P、S≤0.06％，用该材质所浇注的铸件在铸态下就能够得到硬度较高的马氏体组织和综合性能较好的贝氏体组织，具有较高的强度和优异的耐磨性能。该发明专利的C及合金成分较高，且为铸造，生产工艺复杂，成本较高，不具有良好的塑性。

专利2，申请号201510099344.7，一种韧性大于50J/cm²的低合金耐磨钢及生产方法。该发明专利成分为：C：0.20％～0.45％，Si：0.4％～0.70％，Mn：1.6％～2.0％，Cr：0.50％～1.50％，Mo：0.20～0.50％，Ti：0.20％～0.35％，B：0.001％～0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％；生产步骤：经转炉及真空炉冶炼后浇铸成型；对铸坯加热；粗轧；精轧；层流冷却；保温并空冷至室温；进行淬火及回火处理。本发明在保证抗拉强度1500MPa以上，屈服强度1180MPa的前提下，并使延伸率≥16％，冲击韧性不低于51J/cm²，硬度值不低于450HV。该发明专利的C含量较高，焊接性能不好。且钢板需要离线进行淬火+回火，工艺复杂，影响生产效率。

专利3，申请号201610132305.7，高强韧性低合金耐磨钢及其制备方法。该发明公开了一种高强韧性低合金耐磨钢及其制备方法，高强韧性低合金耐磨钢，其成分的质量百分数为：C:0.40％～0.60％、Si:0.60％～1.2％、Mn:0.30％～1.0％、Cr:0.25％～0.35％、Mo:0.15％～0.25％、Cu:0.40％～0.60％、Re:0.10％～0.15％、P：0％～0.025％、S：0％～0.025％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法中的热处理工艺为液淬带温等温淬火热处理工艺，包括：1)将铸造所得的铸件加热到820-860℃进行奥氏体化；2)铸件放入淬火介质中淬火；3)待铸件表面温度冷却至200-320℃时取出；4)将铸件带温立即转入260～330℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间1-2h,然后取出空冷。所得的工件贝氏体组织细小，里层组织为下贝氏体，心部组织为上贝氏体加下贝氏体。这种组织分布表面强度高、硬度好、耐磨，心部组织韧性好。特别适宜于斗齿、曲轴等。该发明专利C含量较高，焊接性能差，且为铸件进行淬火+回火，工艺复杂，生产难度大。

专利4，申请号201210596516.8，一种高耐磨高锰钢及其制备方法。该发明公开了一种高耐磨高锰钢及其制备方法及其制备方法，该耐磨高锰钢成分为：Mn：6.0％～14.0％；C：1.00％～1.25％；Si：0.45％～0.60％；S：≤0.03％；Cr：1.8％～2.2％；Ti：0％～2.0％；Mo：0％～1.0％；Fe：80.0％～90.0％。制备方法，包括以下步骤：A、熔炼：将Mn、C、Si、P、S、Cr、Ti、Mo、Fe加入到炉内进行熔炼；B、变质处理：采用变质剂对步骤A中的熔炼液体进行变质处理C、浇注成型：将步骤B中的熔炼液体加入铸模中成型，得到初品；D、热处理：对步骤C中的初品进行水韧处理，然后在250℃-800℃下进行时效处理。该发明的目的是提供一种高韧性、高强度、高耐磨，长寿命高锰钢的制备方法。该发明专利C含量较高，焊接性能差，Mn含量较高，冶炼难度大，采用铸造工艺较为复杂，生产效率低。

论文1，刘兴刚,韩明博,王学鹏,张国志.均匀化退火和锻造对双相耐磨钢强韧性的影响[J].东北大学学报(自然科学版),2016,37(04):496-499。该文献研究了一种低合金双相耐磨钢经均匀化退火和锻造处理后的微观组织和强韧性能。结果表明:经980℃均匀化退火4、8h和1150℃锻造处理后,实验钢显微组织主要为板条状马氏体、针状贝氏体及少量残余奥氏体,锻造处理后的晶粒度最小为7.0～7.5级,均匀化退火处理后的晶粒度最大为6.5～7.0级.均匀化退火的保温时间是影响双相耐磨钢力学性能的主要因素。该文献主要介绍了一种实验室耐磨钢进行均匀化退火和锻造后的组织和性能，与本发明专利无关。

以上文献中公开的专利中耐磨钢的硬度指标大都可以满足指标要求，但-40℃冲击功韧性及塑性及折弯性能较差，不能满足相关工程应用。有的合金成分较高，贵重金属元素较多，成本高。大部分耐磨钢生产工艺为铸造，工艺复杂，生产效率低，与本发明无关。本发明采用低C、高Nb成分设计，添加少量的Mo、Cr等合金元素，不添加对延伸率不利的B元素，通过TMCP+中温回火的工艺，获得马氏体、贝氏体和残余奥氏体组织，使产品具有良好的-40℃冲击韧性及延伸率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有优异塑韧性的耐磨钢及其制造方法，本发明钢板钢板具有优异的塑性韧：延伸率≥16％，180°冷弯性能D＝2a，-40℃夏比V型纵向冲击功≥80J，钢板中温回火后表面硬度仍大于HB400，抗拉强度在1280MPa～1350MPa，具有优异的综合力学性能。

本发明目的是这样实现的：

一种具有优异塑韧性的耐磨钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.15％～0.30％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.10％～1.40％、Nb：0.03％～0.05％、Ti：0.01％～0.03％、Cr：0.15％-0.40％、Mo：0.30％-0.60％、Ni：0％-0.50％、Al：0.01％～0.04％、P≤0.015、S≤0.005、[N]≤0.0040％、[O]≤0.0020％，余量为铁和不可避免的杂质。

本发明成分设计理由如下：

C：是耐磨钢中最基本最重要的元素，通过固溶强化和析出强化来提高钢的强度与硬度，为了保证钢的硬度与强度，需要0.15％以上的C含量，但是过高的C含量对钢的延伸性及韧性有负面影响，且对焊接性能不利，因此C的含量不宜超过0.30％，本发明C含量为0.15％～0.30％。

Si：：缩小奥氏体相圈，提高钢的淬火温度。亚共析钢中，钢的临界冷却速度随Si含量的增加而降低。本发明所涉及耐磨钢中加入Si，降低了钢的临界冷却速度，使最终产物形成细化的马氏体组织。Si固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而Si含量过高会导致钢的韧性急剧下降。同时考虑到硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，增加了熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量。因此综合考虑Si对淬透性、强度、韧性及焊接性能的影响，本发明Si含量为0.10％～0.30％。

Mn：降低临界冷却速度，显著推迟奥氏体向珠光体转变，大大提高钢板淬透性，同时Mn具有很好的固溶强化作用，能够提高钢的强度、硬度和耐磨性。但Mn含量过高，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，而且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，本发明Mn含量为1.10％～1.40％。

Nb：具有细化晶粒和析出强化作用，对提高材料强韧性贡献是极为显著的，是强烈的C、N化物的形成元素，强烈地抑制奥氏体晶粒长大。Nb通过晶粒细化同时提高钢的强度和韧性，Nb主要通过析出强化和相变强化来改善和提高钢的性能，Nb还可以提高钢的回火稳定性，降低钢的回火脆性，但Nb属于贵金属，本发明Nb含量为0.030％～0.050％。

Ti：是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒。TiC颗粒细小，分布在晶界，达到细化晶粒的效果，较硬的TiC颗粒提高钢的耐磨性，Ti含量过多会形成较大的碳氮化物颗粒，对刚的塑韧性产生不利影响，本发明中Ti含量为0.010％-0.030％。

Cr：可以降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。Cr在钢中可以形成多种碳化物，提高强度和硬度。Cr在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性，Cr属于贵重金属，本发明中Cr含量为0.15-0.40％。

Mo：降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，Mo钼可以细化晶粒，提高强度和韧性。钼在钢中存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含钼钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。但Mo属于贵重金属，本发明Mo的含量0.30％-0.60％。

Ni：降低临界冷却速度，促使生成马氏体，具有固溶强化作用，可以提高钢的强度而不降低钢的韧性。但Ni价格较高属于贵重金属，本发明Ni含量为0％～0.60％。

Al：和钢中N能形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢的晶粒。钢中固溶的Al超过一定值时，钢的奥氏体晶粒反而容体长大粗化。Al可细化钢的晶粒，固定钢中的氮和氧，减轻钢对缺口的敏感性，减小或消除钢的时效现象，并提高钢的韧性。微量的Al对焊接性能没有显著的影响。Al降低奥氏体的稳定性，减小奥氏体转变时的过冷度，降低钢的淬透性，提高临界淬火冷却速度。综合考虑Al的作用，本发明Al含量为0.010％～0.040％。

P、S：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，本发明的P≤0.020％、S≤0.005％。

[H]、[O]：钢中过多的氧和氮对钢的性能尤其是焊接性和韧性能是十分不利的，但控制过严会大幅增加生产成本，因此，本发明专利[N]≤0.0040％、[O]≤0.0020％。

本发明技术方案之二是提供一种优异塑韧性的耐磨钢的制造方法，其生产工艺流程包括：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—微Ti处理—连铸—板坯缓冷—板坯加热—轧制—回火。

冶炼：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼，经RH真空处理、LF炉脱硫处理，控制钢中杂质含量在上述成分范围，控制夹杂物形态，提高钢的延展性及低温韧性、冷弯性能。精炼时要控制钢水中的[N]≤0.0040％、[O]≤0.0020％，加Ti微合金化。

连铸：采用电磁搅拌，全程保护浇铸，并投入动态轻压下，以减少连铸坯元素偏析。连铸坯下线需要进缓冷坑进行加热缓冷，加热温度550℃～650℃，缓冷时间不少于48小时。加热缓冷可有效去除钢坯中H含量和铸造内应力，避免裂纹产生。缓冷出坑后进行板坯带温清理，对缺陷铸坯进行火焰清理，进一步较少铸造缺陷，清理时板坯温度要控制在100～200℃，可避免切割裂纹的产生。

轧制：板坯清理后装炉加热，加热温度1220℃～1250℃，为保证Nb能充分固溶，加热时间需控制在1.5min-2min/mm。轧制时采用两阶段控轧，目的在于充分细化热轧态组织，粗轧开轧轧温度控制在1060～1120℃，粗轧终轧温度控制在970～1040℃；粗轧轧制过程中，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复的过程，细化了奥氏体晶粒；精轧阶段开轧温度控制在不大于930℃；精轧终轧温度控制在800～850℃。精轧阶段奥氏体进一步细化且富集了大量的位错，为在线淬火或相变提供了大量细小的单元位置，利于淬火后形成细小的马氏体组织。采用两阶段控轧工艺充分细化钢板的组织，有利于钢板在线淬火后获得高的硬度和较好的韧性；在线淬火入水温度770℃～830℃，冷却速度不小于10℃/S，返红温度为100～220℃，轧后下线堆垛或进槽缓冷至室温，时间不小于24小时，可有效减少淬火应力避免钢板淬火开裂。

回火处理：对钢板进行中温回火，回火温度为350℃～450℃，保温时间为3～5min/mm。中温回火可以有效减少钢板内应力，使工件既具有良好的塑性和韧性，又具有较高的强度和硬度。

本发明的有益效果在于：

(1)以低成本的Ti、Nb复合为主要强硬化手段，复合添加少量其它常用合金元素，不添加对塑性不利的B元素，合金成本相对较低；

(2)本发明的精炼、连铸工艺方案有效改善了铸坯质量，铸坯加热缓冷可以显著改善铸坯裂纹生产，避免铸坯开裂；

(3)采用两阶段控制轧制及层流冷却，保证晶粒细小，组织均匀。

(4)采用在线淬火+离线回火的生产工艺，减少了一次离线淬火，降低了生产成本，缩短生产时间，提高了生产效率，轧制后低温缓冷还可保证钢板水冷后不开裂；

(5)钢板具有优异的塑性韧：延伸率≥16％，180°冷弯性能D＝2a，-40℃夏比V型纵向冲击功≥80J，钢板中温回火后表面硬度仍大于HB400，抗拉强度在1280MPa～1350MPa，具有优异的综合力学性能。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—微Ti处理—连铸—板坯缓冷—板坯加热—轧制—回火。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的力学性能见表3。

表1本发明实施例钢的成分(wt％)

表2本发明实施例钢的主要工艺参数

表3本发明实施例钢的力学性能

由表3可见，本发明不仅布氏硬度在400HB以上，且具有优异的延伸率及冷弯性能，成型性能好，-40℃低温韧性可达80J以上，可广泛用于极寒及条件苛刻地区。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种具有优异塑韧性的耐磨钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.15％～0.30％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.10％～1.40％、Nb：0.03％～0.05％、Ti：0.01％～0.03％、Cr：0.15％-0.40％、Mo：0.30％-0.60％、Ni：0％-0.50％、Al：0.01％～0.04％、P≤0.015％、S≤0.005、[N]≤0.0040％、[O]≤0.0020％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的一种优异塑韧性的耐磨钢的制造方法，包括冶炼—连铸—板坯缓冷—板坯加热—轧制—回火，其特征在于：

冶炼：包括铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—微Ti处理，炉外精炼时要控制钢水中的[N]≤0.0040％、[O]≤0.0020％，加Ti微合金化；

连铸：连铸采用电磁搅拌，全程保护浇铸，并投入动态轻压下；连铸坯下线进缓冷坑进行加热缓冷，加热温度550℃～650℃，缓冷时间不少于48小时；缓冷出坑后进行板坯带温清理，对缺陷铸坯进行火焰清理，清理时板坯温度要控制在100～200℃；

轧制：板坯清理后装炉加热，加热温度1220℃～1250℃，加热时间1.5min-2min/mm；轧制时采用两阶段控轧，粗轧开轧轧温度控制在1060～1120℃，粗轧终轧温度控制在970～1040℃；精轧阶段开轧温度控制在不大于930℃；精轧终轧温度控制在800～850℃；在线淬火入水温度770℃～830℃，冷却速度不小于10℃/S，返红温度为100～220℃，轧后下线堆垛或进槽缓冷至室温，时间不小于24小时；

回火处理：对钢板进行中温回火，回火温度为350℃～450℃，保温时间为3～5min/mm。