CN109457184A - 一种高耐磨性钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高耐磨性钢板及其生产方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.30％～0.35％、Si：1.0％～1.5％、Mn：3.5％～5.0％、Nb：0.02％～0.04％、Ti：0.10％～0.20％、P≤0.012％,S≤0.003％、[N]≤0.0040％、[H]≤0.00015、[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。包括冶炼—连铸—加热缓冷—板坯加热—控制轧制—矫直，本发明化学成分简单，合金含量相对较低；钢板表面硬度大于500HB；耐磨性好；截面硬度均匀，最大厚度可达50mm；可满足厚规格耐磨钢板的使用需求；不需热处理。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种HB500级别高耐磨性钢板及其生产方法。
背景技术
高强度耐磨钢板广泛应用于车辆、船舶、矿山设备、工程机械及水泥设备等方面，作为经典的耐磨钢高碳高锰系列耐磨钢曾被广泛使用百余年。近二十年来，为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，低、中合金耐磨钢由于具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理的等特点，得到了快速发展和应用。
布氏硬度HB500级别是低合金耐磨钢的一种，具有较高的表面硬度和耐磨能力，一般采用淬火加低温回火状态供货。
但在矿山、水泥等行业的生产过程中，由于物料硬，运动快，对设备磨损非常严重，普通HB500耐磨钢板已经不能满足其使用要求，造成检修周期短，如使用硬度等级高的NM550或NM600又会严重降低加工和焊接性能，影响生产使用，迫切需要一种高耐性HB500级别耐磨钢板，在不增加硬度的情况下延长备件使用寿命。
国内外HB500级别耐磨钢板的生产已经形成多项专利，例如以下3个中国专利和1个美国专利：
中国专利1，宝山钢铁股份有限公司，姚连登李红斌刘自成赵小婷等申请的公开号为CN102260829B的发明专利，“一种500HB级耐磨钢板及其制造方法”，本发明公开了一种500HB级耐磨钢板，其化学元素质量百分配比为：C：0.23％～0.33％；Si：0.10％～0.50％；Mn：0.50％～1.50％；Cr≤1.50％；Mo≤0.80％；Al：0.01～0.10％；Ti：0.01～0.10％；B：0.0005～0.0040％；RE：0.01％～0.08％；Ca：0.002％～0.010％；Ni≤2.50％；P≤0.050％；S≤0.030％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；且上述各化学元素的质量百分含量满足：1.50％≥(Si+Mn)≥0.50％；0.15％≥(Al+Ti)≥0.03％。该发明还提供了一种所述500HB级耐磨钢板的制造方法，通过该方法制得的钢板具有良好的机械加工性能，且硬度能够达到500HB以上。该专利合金成分复杂，成本较高，且需离线淬火加回火热处理，内应力大，板型不易保证。
中国专利2武汉钢铁有限公司，薛欢、马玉喜、余立、彭文杰等申请的公开号CN107217202A的发明专利，“一种布氏硬度500级的耐磨钢及其制造方法”，发明公开了一种布氏硬度500级耐磨钢，其钢的化学成分按质量百分比为：C 0.25％～0.28％，Si 0.22％～0.28％，Mn 1.15％～1.24％，P≤0.01％，S≤0.005％，Cr 0.2％～0.25％,Cu 0.01％～0.015％，Al 0.03％～0.05％，Ni 0.04％～0.045％，Mo 0.01％～0.02％,Ti 0.03％～0.04％，V 0.007％～0.018％，B≤0.004％，其余为铁和不可避免的杂质。该发明提供了一种布氏硬度500级耐磨钢的制造方法。该发明钢板具有优良耐磨性和较高韧性，并使其表面具有均匀压应力，增强其耐磨性能和抗疲劳性能，但该发明合金含量低淬透性差，从其实施例可见只能生产15毫米及以下薄规格钢板，且需采用离线淬火加回火的工艺生产，工艺复杂，交货周期长，内应力大，钢板板型不易保证。
中国专利3，江苏省沙钢钢铁研究院有限公司，镇凡、杨汉、王炜，赵文贵、曲锦波等申请的公开号为CN102517509A的发明专利“HB500级耐磨钢板及其制备方法”，发明公开了一种HB500级别高强度耐磨钢板及其制备方法。该钢板包括如下组分(wt％)：C 0.28％～0.35％，Si 0.10％～0.60％，Mn 0.7％～1.0％，P≤0.025％，S≤0.010％，Cr 0.4％～0.8％，Mo 0.10％～0.60％，Nb 0.01％～0.05％，V 0.01％～0.08％，Ti 0.005％～0.05％，B 0.001％～0.003％％，其余为Fe和杂质；该制备方法包括冶炼、连铸、控轧、在线淬火和低温回火等工序。本发明通过对合金成分及生产工艺进行合理设计，制得的产品布氏硬度值＞500HB，硬度分布均匀，-20℃冲击韧性≥24J，微观组织为回火马氏体，焊接、冷弯性能和钢板板型均良好，且生产工艺简单，周期短，成本低，可广泛用于工程机械制造。该专利需采用在线淬火加回火工艺生产，内应力大，板型不易保证，且受在线淬火能力的限制，只能生产厚度30毫米以下的钢板。
美国专利1，日本公司JFE STEEL COPORATION，KEIJI UEDA，MINRA等的发明专利，US2015/0184270A1，WEAR RESISTANT PLATE MANUFACTURING PROCESS THEREFOR一种耐磨钢板及其生产方法，其化学成分质量百分数为C：0.25％～0.33％，Si：0.1％～1.00％,Mn：0.40％～1.30％，P：≤0.01％，S：≤0.004％,AL:≤0.06％，N≤0.007％,并含有以下成分的一种或多种，Cu≤1.5％,Ni≤2.00％，Cr≤3.0％，Mo≤1.50％，W≤1.5％，B≤0.0030％余量为铁和不可避免的杂质。生产方法为，轧制加热温度1000～1200℃，轧后空冷，采用二次淬火的方法细化钢板组织，二次淬火热处理加热温度均为AC3～950℃，最终在钢板心部获得大于70％晶粒尺寸小于25微米的下贝氏体组织，表层获得90％以上的马氏体组织，钢板的表面硬度大于等于450(HBW10/3000),并且具有极好的冲击磨损性能。该专利Cu、Ni、Cr、Mo、W等合金含量高，成本高，连铸困难，不易焊接，且需进行二次淬火热处理工艺复杂，内应力大。
万方数据库、中国知网中相关文献4篇
文献1《热处理工艺对NM500耐磨钢组织和性能的影响》(期刊论文,《金属热处理》2015年8期，麻衡，周平，杜军)，试验室对Nb-Mo、V不同成分体系的NM500超高强度耐磨钢板轧后进行在线淬火，经过不同温度再加热淬火，观察和分析钢板的显微组织，分析不同微合金元素的成分体系对NM500钢组织性能的影响，得到的NM500试验钢板综合性能理想。该耐磨钢板采用控轧控冷方式生产。
文献(NM500级耐磨钢热处理过程中Nb的有效性研究)(期刊论文,北京科技大学高效轧制国家工程中心,巨彪耿志达武会宾潘学福，2014年全国轧钢生产技术会议论文集)，本文通过对不含Nb和Nb含量分别为0.034％、0.058％、0.096％(质量百分数)的四种NM500实验钢进行不同温度淬火+200℃低温回火热处理,得到硬度和冲击韧性达到NM500级耐磨钢板要求的实验钢板.在选出的最佳热处理工艺下,比较不同Nb含量实验钢的性能发现,Nb含量0.058％的钢强韧性最佳，该文献耐磨钢板需进行离线淬火加回火。
可见现有500级别耐磨钢板专利及文献存在以下不足：
1.合金复杂，成本较高；
2.热处理工艺复杂，需离线或在线淬火加回火；
3.只能生产30毫米以下厚度；
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成分简单，不需要淬火回火，残余应力低，10-50毫米厚度HB500级别高强度耐磨钢板及其生产方法。
本发明目的是这样的：
一种高耐磨性钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.30％～0.35％、Si：1.0％～～1.5％、Mn：3.5％～5.0％，Nb：0.02％～0.04％、Ti：0.10％～0.20％，P≤0.012％,S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015，[O]≤0.0020％，其余为Fe和不可避免杂质。
本发明钢板化学成分设计以中碳、中锰微合金化为主要特征，复合添加细化晶粒、提高耐磨性的合金元素Nb，Ti等；成分简单，合金含量相对较低，可焊性好，成本低且便于冶炼、连铸。通过普通控轧的方式轧制成10-50毫米厚度钢板后得到截面硬度均匀的耐磨钢板。本发明不需进行离线淬火、回火热处理，生产工艺简单，内应力低，塑韧性好，不易发生延迟断裂。
本发明成分设计理由如下：
C：为了保证钢板高的强度、硬度和淬透性需要相当的碳含量做保证，在一定范围内钢板的硬度随碳含量的增加而相应的增加，同时一定的碳含量可以和Ti形成碳化物析出，增加耐磨性。碳含量过高则塑性、韧性降低，焊接性能下降，为了保证钢板具有高的截面硬度及焊接性能、低温韧性，因此本发明中C含量控制在0.30％～0.35％。
Si：是非碳化物形成元素,主要作用是抑制碳化物的析出，提高钢板的低温韧性和塑形，同时起固溶强化和脱氧作用，但过多时Si会使焊接性能下降，同时会影响韧性，因此本发明中Si含量控制在1.0％～1.5％。
Mn：是本发明的主要添加元素，主要作用是在空冷条件下形成稳定的马氏体组织，含量大于3.5％时可以明显提高淬透性，提高马氏体中碳的过饱和度，有利于强度和硬度的提高，且成本低廉，但含量高于5.0时易形成严重的中心偏析，会使板坯有易发裂纹的倾向；因此本发明中Mn含量控制在3.5％～5.0％。
Nb：是强碳和氮化合物形成元素，主要作用是通过在钢中形成细小碳氮化物抑制加热时晶粒长大，空冷时又具有一定的析出强化的作用；Nb加入钢中，通过抑制奥氏体晶粒界面运动，从而提高钢板的再结晶温度。钢板中加入适量的Nb，高温奥氏体化时，未溶解的NbC起到钉轧奥氏体晶界的作用，从而阻碍奥氏体晶界过分粗化。溶解在奥氏体中的Nb，在两阶段轧制过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。但Nb含量过高，则会形成粗大的NbC，影响钢板的力学性能。因此，本发明中Nb的加入量为0.02％～0.04％。
Ti：本发明的重点添加元素。与其它合金元素相比，价格便宜，可以与氮、碳和硫形成化合物，其碳化物TiC颗粒细小且具有极高的硬度，最高硬度可达到3200HV，添加大于0.1％的钛时，这些碳化物弥散分布在钢板的基体中能够有效的提高钢板的硬度和耐磨性，而且由于大量碳化物的形成降低了钢中的有效碳含量，使焊接性能提高。另外钢中形成细小钛的碳氮化物能有效抑制加热时晶粒的长大，钛与氮的化合物形成温度较高，碳化铌的析出温度较氮化钛和碳化钛低。因此本发明添加大于等于0.1％的钛，但含量过高时(大于0.2％)时钢中会形成过多的粗大的TiN,降低钢板的低温韧性和疲劳性能，因此本发明中Ti的加入量控制在0.10％～0.20％，且控制[N]≤0.0040％，避免过多TiN的形成。
本发明技术方案之二是提供一种高耐磨性钢板的生产方法，冶炼—连铸—加热缓冷—板坯加热—控制轧制—矫直，
(1)冶炼：进行铁水预处理—转炉冶炼—精炼—真空脱气，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；本发明的特征在于，精炼时要严格控制钢水[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.00015％，连铸采用电磁搅拌或轻压下，减少锰引起的中心偏析。
(2)加热缓冷：连铸后需进行铸坯加热缓冷，在400℃-600℃缓冷时间大于等于48小时，加热缓冷可有效去除钢坯中的氢含量和铸造内应力。氢的扩散主要在200℃以上进行，200℃以下扩散系数急剧减少，排氢量非常有限。缓冷效果主要取决于缓冷开始温度到200℃的冷却时间，缓冷温度高于600℃，实际生产时受生产节奏及场地的制约很难实现，如果缓冷开始温度低于600℃，缓冷时间低于48小时，芯部的氢很难充分扩散出去，效果不理想。板坯缓冷温度到100～200℃时，进行板坯带温清理，可减少铸造缺陷，同时在此温度区间即方便操作又可避免切割裂纹的发生。
(3)板坯加热：轧前板坯加热温度1200℃～1250℃，为保证Ti能充分固溶，加热时间需控制在1.5-2min/mm；
(4)控制轧制：轧制时采用两阶段控轧，目的在于充分细化热轧态组织,第一阶段轧制开轧温度控制在1050～1100℃，终轧温度控制在980～1050℃；一阶段轧制过程中，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；
二阶段轧制开始轧制温度小于等于950℃，二阶段压下率大于等于60％，终轧温度控制在小于等于850℃，第二阶段奥氏体进一步细化且富集了大量的位错，为相变提供了大量的形核位置。
采用控轧工艺充分细化钢板的组织，有利于钢板空冷后获得高的硬度和较好的韧性；由于没有进行淬火热处理，降低了残余应力，减少延迟裂纹的产生。
本发明的有益效果在于：
(1)化学成分简单，合金含量相对较低；
(2)表面硬度大于500HB；耐磨性好；
(3)截面硬度均匀，最大厚度可达50mm；可满足厚规格耐磨钢板的使用需求；
(4)不需热处理；；
(5)-20℃低温韧性大于30J，具有良好的低温止裂能力。
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，进行冶炼—连铸—加热缓冷—板坯加热—控制轧制—矫直。
(1)冶炼：进行铁水预处理—转炉冶炼—精炼—真空脱气，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，严格控制钢水[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.00015％，连铸采用电磁搅拌或轻压下；
(2)加热缓冷：连铸后需进行铸坯加热缓冷，在400-600℃缓冷时间大于等于48小时，缓冷到板坯温度在100～200℃时，进行板坯带温清理；
(3)板坯加热：轧前板坯加热温度1200℃～1250℃，加热时间需控制在1.5-2min/mm；
(4)控制轧制：轧制时采用两阶段控轧，一阶段轧制开轧温度控制在1050～1100℃，终轧温度控制在980～1050℃；二阶段轧制开始轧制温度小于等于950℃，二阶段压下率大于等于60％，终轧温度控制在小于等于850℃。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的轧制主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的力学性能见表3。本发明实施例钢50mm钢板距表面深度5-45mm处截面硬度见表4。本发明与常规耐磨钢板耐磨性对比见表5。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | Nb | Ti | P | S | H | 0 | N |
| 1 | 0.30 | 1.0 | 5.0 | 0.040 | 0.20 | 0.012 | 0.002 | 0.00015 | 0.0013 | 0.0030 |
| 2 | 0.32 | 1.2 | 4.5 | 0.030 | 0.15 | 0.010 | 0.002 | 0.00013 | 0.0012 | 0.0025 |
| 3 | 0.33 | 1.3 | 4.0 | 0.025 | 0.12 | 0.009 | 0.001 | 0.00010 | 0.0010 | 0.0023 |
| 4 | 0.35 | 1.5 | 3.5 | 0.020 | 0.10 | 0.008 | 0.001 | 0.00008 | 0.0008 | 0.0035 |
表2本发明实施例钢的轧制主要工艺参数
表3本发明实施例钢的力学性能
表4本发明实施例钢50mm钢板距表面深度5-45mm处截面硬度(HBW)
| 实施例 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 |
| 4-1 | 510 | 510 | 509 | 506 | 504 | 506 | 507 | 506 | 509 |
| 4-2 | 512 | 510 | 508 | 505 | 506 | 509 | 508 | 509 | 511 |
表5本发明与常规耐磨钢板耐磨性对比
| 钢种 | 磨损量ΔM/g | 布氏硬度 |
| 1号试样 | 0.0315 | 535 |
| 普通NM500 | 0.0460 | 540 |
由于钢板没有经过热处理，因此内应力很低。表4、表3可见钢板截面硬度均匀，且-20℃低温韧性都大于30J，具有良好的低温止裂能力。表5可见同等厚度本发明钢板的耐磨性达到普通钢板的1.5倍。
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 (2)
1.一种高耐磨性钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.30％～0.35％、Si：1.0％～1.5％、Mn：3.5％～5.0％、Nb：0.02％～0.04％、Ti：0.10％～0.20％、P≤0.012％,S≤0.003％、[N]≤0.0040％、[H]≤0.00015、[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的一种高耐磨性钢板的生产方法，其特征在于：包括冶炼—连铸—加热缓冷—板坯加热—控制轧制—矫直，
(1)加热缓冷：连铸后需进行铸坯加热缓冷，在400-600℃缓冷时间大于等于48小时，缓冷到板坯温度在100～200℃时，进行板坯带温清理；
(2)板坯加热：轧前板坯加热温度1200℃～1250℃，加热时间需控制在1.5-2min/mm；
(3)控制轧制：轧制时采用两阶段控轧，一阶段轧制开轧温度控制在1050～1100℃，终轧温度控制在980～1050℃；二阶段轧制开始轧制温度小于等于950℃，二阶段压下率大于等于60％，终轧温度控制在小于等于850℃。
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