CN109536842A - 一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢及生产方法 - Google Patents

一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢，其组分及wt%为：Si：0.4~0.80%，Mn：1.0~2.5%，N：0.01~0.10%，Ti：0.30%~0.65%，C量按1/3Ti‑1/2N+0.20计算。生产方法：电炉冶炼后进入氩站进行吹炼；经真空处理后浇注；将钢坯加热；经高压除鳞后粗轧；精轧；两段式冷却。本发明能在保证钢板硬度不低于400HBW的前提下，使钢的基体组织为马氏体/铁素体双相组织，并使基体分布体积分数为0.2~2.5%、尺寸在50~200nm及1~30μm的双尺寸碳氮化钛粒子；其屈服强度在1190‑~1250MPa，抗拉强度在1470~1480MPa，延伸率在17%以上，‑20℃夏比冲击功不低于115J/cm2，且具有合金元素含量少，生产成本低。

Description

一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种热轧耐磨钢及生产方法，确切地属于一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢及生产方法。
背景技术
目前，在非路面工作的矿山机械、建筑机械，尤其是其中的一些关键部件，由于长期工作在环境恶劣的条件下，其使用周期严重受到影响。
就当前而言，所使用的耐磨材料主要有高锰钢、低合金钢及铸铁三类。然而高锰钢和铸铁的材料一般抗腐蚀性能较差。这是由于高锰钢的铸态组织通常由奥氏体、碳化物和珠光体组成，且析出物粗大，即便是进行了水韧处理亦难以提高其腐蚀性能。铸铁多是通过碳化物来增强硬度，即通过高硬度来增强耐磨性，但由于其碳化物的析出而造成腐蚀性降低。
现有技术的的低合金耐磨钢，由于大多数都是靠马氏体相变来提高硬度，从而提升耐磨性，因此随着钢级的增加钢板的强度增加幅度较大，给后续加工成型带来极大困难。
因此开发一种硬度适中而耐磨性较高的碳氮化钛粒子强化型耐磨钢，即一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢，兼具耐磨性和良好的成形性成为本技术领域技术人员的主攻方向。
经检索：中国专利公开号为CN201210270193.3的文献，公开了一种“高硬度高韧性耐磨钢及其生产方法”，其钢种成分及生产工艺分别为：C：0.36～0.45％、Si：0.10～0.30％、Mn：0.40～1.00％、Nb0.010～0.040％、Al：0.010～0.080％、B：0.001～0.002％、Ti：0.005～0.050％等；工艺为轧后直接冷却。该发明主要加入Nb、Ti、B等微合金元素，其虽然抗磨损性能好，但其抗腐蚀性能文献中未能充分体现。但是，从成分设计看该发明碳含量较高，又加入Nb、Ti等易形成碳化物的元素，从成分和工艺上未见有抑制碳化物析出的有效措施，从而可以推断钢中碳化物析出不会少，在一定程度上会影响该发明钢种的抗腐蚀性和冲击韧性，消减该发明钢种的综合性能。
中国专利公开号为CN201010567789.0的文献，其公开了“一种高强度耐磨钢板及其制备方法”，其钢种成分及生产工艺分别为：C：0.12～0.22％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.10～1.80％、Cr：0.30～1.00％、Als：0.025～0.055％、Ni：0.20～0.60％、Mo：0.10～0.50％、B：0.001～0.005％、Ti：0.010～0.050％等；工艺为轧后在线淬火。该发明主要加入Ni、Cr、Ti、B等微合金元素来提高钢板的强度和耐磨性，获得钢板的实际硬度均低于400HBW，-20℃冲击功在50J以下。
中国专利公开号为CN201610750418.3的文献，其公开了“一种高强度耐磨钢板及其生产方法”，其钢种成分及生产工艺分别为：C：0.09～0.11％、Si：0.68～0.74％、Mn：1.06～1.13％、Cr：0.50～0.55％、Als：0.022～0.038％、Ni：0.67～0.77％、Mo：0.85～0.95％、W：0.35～0.44％、Nb：0.06～0.07％等；工艺为轧后离线淬火加低温回火工艺。该发明主要加入Ni、Cr、W、Nb等贵重微合金元素来提高钢板的强度和耐磨性，生产成本较高。
中国专利公开号为CN104357758A的文献，其公开了“一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法”,其钢种成分及生产工艺分别为：C：0.20～0.40％、Si：0.30～0.60％、Mn：0.50～1.00％、Cr：0.50～0.80％、Ni：0.40～0.60％、Mo：0.30～0.40％、Ti：0.40～0.80％、Cu：0.30～0.50％、B：0.0005～0.003％等；工艺为轧后离线热处理淬火加低温回火工艺，钢板轧材可获得体积分数为0.5～1.5％的TiC析出相，析出物平均粒径为1μm，耐磨性为Hardox450的1.5倍以上，引入碳化钛粒子强化并提高耐磨性的概念，但是加入该钢加入Ni、Cr、Mo、Cu等贵重微合金元素，采用离线淬火加回火工艺生产，生产成本较高，并且冲击韧性不足。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种能在保证钢板硬度不低于400HBW的前提下，使钢的基体组织为马氏体/铁素体双相组织，并使基体分布体积分数为0.2～2.5％、尺寸在50～200nm及1～30μm的双尺寸碳氮化钛粒子，实现屈服强度在1190-～1250MPa，抗拉强度在1470～1480MPa，延伸率A在17％以上，-20℃夏比冲击功不低于115J/cm2，且具有合金元素含量少，生产成本低的由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢，其组分及重量百分比含量为：Si：0.4～0.80％，Mn：1.0～2.5％，N：0.01～0.10％，Ti：0.30％～0.65％，C量按1/3Ti-1/2N+0.20计算且满足C/Si＝1:2为准，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为：回火马氏体及铁素体。优选地：所述Si的重量百分比含量为0.53～0.76％。
优选地：所述N的重量百分比含量为0.038～0.087％。
生产一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢的方法，其步骤：
1)电炉冶炼后进入氩站，在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼，吹炼时间不低于10min；混合气体中，氮气占体积比在30～36％，其余为氩气；
2)经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1570℃～1590℃,并在5min内完成浇注；
3)将钢坯加热到1250～1350℃并在此温度下保温2.5～3.5h；
4)经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1050℃～1100℃，前两道次压下量控制在30～40％，其余道次每道次的压下量控制在10～18％，且累计压下量在65％～75％；
5)进行精轧，并控制精轧入口温度在900℃～950℃，累积压下率在75～85％，终轧温度在750℃～870℃；
6)采用两段式冷却：第一阶段在冷却速度为45～80℃/s下冷却至380～430℃；后进行缓冷即在冷却速度为4～10℃/s下冷却至室温。
优选地：在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼时，混合气体中，氮气占体积比在32～35％，其余为氩气。
本发明中各元素级主要工序的作用及机理：
C：碳是廉价而有效的强化元素，在本发明钢中，碳依然是获得高硬度高耐磨性的主要元素。
实验证实为获得400HBW以上的硬度，碳含量碳含量不能过低，同时考虑到碳氮化物的析出和长大问题，必须与钛、氮形成一定的比例关系。在本发明钢设计中，碳量控制在C≈1/3Ti-1/2N+0.20水平，C/Si比控制在1:2的水平。
N：氮元素加入低合金钢钢中以间隙原子存在，与碳原子协调作用具有强烈的强化效果，但是易与钛元素结合形成化合物，减弱强化效果，需要控制在合理的范围，这里将氮元素含量控制在0.01～0.10％范围。优选地N的重量百分比含量为0.038～0.087％。
Mn：Mn为扩大奥氏体区元素，固溶于铁素体(或奥氏体)中强化基体，还能增加碳化物的弥散度和稳定性，提高钢的淬透性和冲击韧性。但含量过高会引起晶粒粗化和回火脆性，因此本发明将Mn控制在0.5％～1.0％。
Si：Si固溶于钢中，起固溶强化作用，Si在钢中能降低碳在奥氏体中的溶解度。Si元素在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物沿晶界析出的特点，减弱碳氮化物的析出倾向与长大倾向，增加晶界结合力，提高韧性，并与Mn协调作用可明显提高钢的淬透性。当硅含量过高时会导致材料的塑韧性显著下降，还会降低钢的可焊性，所以Si含量控制在0.60％～1.00％范围。优选地述Si的重量百分比含量为0.53～0.76％。
Ti：Ti是强碳化物形成元素，Ti与C形成的碳化物结合力极强、很稳定，析出的碳化物富集在钢的晶界处抑制晶粒长大，并且析出的硬质颗粒提高钢的强度和耐磨性。一定含量的Ti具有阻止变形奥氏体再结晶的作用，能细化晶粒，能提高钢的抗蠕变性能和改善钢的热强性，但过高会导致强度和韧性急剧下降。本发明加入的Ti含量为0.35％～0.70％。
本发明之所以控制C/Si的比值，是要控制碳化物沿晶界析出的数量和析出物颗粒大小，使其得到双制度硬质第二相颗粒，减弱C和Si总量的增加对脆性的影响，提高钢的韧性，优化钢板强韧性匹配。
并还控制C≈1/3Ti-1/2N+0.20，其在于增强钢钢中碳氮原子的协调强化作用。在加入Ti的钢中，会大量弥散析出TiC颗粒，在高温段能有效阻止晶粒长大粗化，减少粗大柱状组织和带状组织形成。Ti也能溶于γ和α相中，形成固溶体使钢强化。但Ti需要与N、C形成一定的比例关系，否则单纯的增加Ti含量，会使钢的强韧性均急剧下降，所以要严格控制Ti含量在合适的范围。
本发明之所以在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼，并使混合气体中的氮气占体积比在30～36％，其余为氩气，是由于在钢液中氮的溶解度低，不容易被钢液吸收，采用氮气氩气复合吹炼对增加氮元素在钢液中的收得率有很好的作用。
本发明之所以要求在5min内完成浇注过程，是由于经过氩站的氮气氩气符合吹炼使氮气在钢液中处在一种过饱和状态，浇筑时间过长会降低氮气的收得率。
本发明之所以采用两段式冷却，即第一阶段在冷却速度为45～80℃/s下冷却至380～430℃；然后进行第二阶段缓冷，即在冷却速度为4～10℃/s下冷却至室温，是由于第一阶段需要快速冷却，防止在中温段发生相变，第二阶段缓冷的目的是使相变充分完成，并起到碳氮化钛析出粒子充分沉淀的作用，同时依靠缓冷过程消除材料相变的热应力，提高钢板的综合性能。
本发明与现有技术相比，其通过控制C、Ti、N的合理配比，并合理加入Si含量，控制碳化物沿晶界析出的数量和析出物颗粒大小，使其得到双制度硬质第二相颗粒，增强钢的耐磨性，提高钢的韧性，优化钢板强韧性匹配。
通过控制C＝1/3Ti-1/2N+0.20，增强钢钢中碳氮原子的协调强化作用。在加入Ti的钢中，会大量弥散析出TiC颗粒，在高温段能有效阻止晶粒长大粗化，减少粗大柱状组织和带状组织形成。Ti也能溶于γ和α相中，形成固溶体使钢强化。但Ti需要与N、C形成一定的比例关系，否则单纯的增加Ti含量，会使钢的强韧性均急剧下降，所以要严格控制Ti含量在合适的范围。本发明采用合适化学元素配比和轧制、冷却工艺，得到一种双尺度碳氮化物硬质粒子增强相的耐磨钢，基体分布体积分数为0.2～2.5％、尺度为50～200nm和1～30μm的双尺度碳氮化钛粒子，提高耐磨性的同时达到一种强韧性匹配良好的效果。且元素简单，未添加Mo、Cr、Ni、Nb、V等合金元素，生产工艺省去了离线淬火和回火环节，大幅降低了生产成本。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例的性能列表。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1)电炉冶炼后进入氩站，在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼，吹炼时间不低于10min；混合气体中，氮气占体积比在30～36％，其余为氩气；
2)经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1570℃～1590℃,并在5min内完成浇注；
3)将钢坯加热到1250～1350℃并在此温度下保温2.5～3.5h；
4)经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1050℃～1100℃，前两道次压下量控制在30～40％，其余道次每道次的压下量控制在10～18％，且累计压下量在65％～75％；
5)进行精轧，并控制精轧入口温度在900℃～950℃，累积压下率在75～85％，终轧温度在750℃～870℃；
6)采用两段式冷却：第一阶段在冷却速度为45～80℃/s下冷却至380～430℃；后进行缓冷即在冷却速度为4～10℃/s下冷却至室温。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分(wt.％)
表1本发明各实施例及对比例的化学成分(wt.％)
注：表中C的值是根据限定式C＝1/3Ti-1/2N+0.20结算得出的。
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表
续表2
表3本发明各实施案例的性能列表
注：各对比例的生产工艺按照常规工艺进行的。
表3中除了对比实施例的数据外，引入了市面上常见的工业应用的高级别耐磨钢NM450的性能测试数据，其中磨损率一栏数据为发明钢种与NM450钢在同等条件下做的磨粒磨损实验数据，试验条件为：转速475转/分，载荷125N。由表中数据不难看出，该发明得到的钢板磨损率在NM450钢的1.8倍以上，与对比实施例相比，其冲击韧性和延伸率均表现出优异的指标，更便于加工成型。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (5)

1.一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢，其组分及重量百分比含量为：Si：0.4~0.80%，Mn：1.0~2.5%，N：0.01~0.10%，Ti：0.30%~0.65%， C量按1/3Ti-1/2N+0.20计算且满足C/Si=1:2为准，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为：回火马氏体及铁素体。
2.如权利要求1所述的一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢，其特征在于：所述Si的重量百分比含量为0.53~0.76%。
3.如权利要求1所述的一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢，其特征在于：所述N的重量百分比含量为0.038~0.087%。
4.生产如权利要求1所述的一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢的方法，其步骤：
1）电炉冶炼后进入氩站，在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼，吹炼时间不低于10min；混合气体中，氮气占体积比在30~36%，其余为氩气；
2）经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1570℃~1590℃,并在5min内完成浇注；
3）将钢坯加热到1250~1350℃并在此温度下保温2.5~3.5h；
4）经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1050℃~1100℃，前两道次压下量控制在30～40%，其余道次每道次的压下量控制在10~18%，且累计压下量在65%~75%；
5）进行精轧，并控制精轧入口温度在900℃~950℃，累积压下率在75～85%，终轧温度在750℃~870℃；
6）采用两段式冷却：第一阶段在冷却速度为45～80℃/s下冷却至380~430℃；后进行缓冷即在冷却速度为4～10℃/s下冷却至室温。
5.如权利要求4所述的生产一种由碳氮化钛硬质粒子强化的耐磨热轧钢的方法，其特征在于：在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼时，混合气体中，氮气占体积比在32~35%，其余为氩气。
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