CN109536843A - 一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢，其组分及wt%为：Si：0.2~0.40%，Mn：3.0~5.5%，N：0.03~0.12%，Ti：0.08%~0.30%，Cr：0.35~1.50%，C=1/2Ti‑1/2N+0.10。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；冷却。本发明能保证钢板硬度不低于400HBW，且使钢的基体组织为马氏体及奥氏体双相组织，且马氏体体积分数为80~95%，并使基体分布体积分数为0.3~1.5%、尺度为300~800nm碳氮化钛粒子，屈服强度在1480~1570MPa，抗拉强度在1550MPa以上，延伸率A在30%以上，‑20℃夏比冲击功不低于100J/cm2，且生产成本低。

Description

一种含氮双相耐腐蚀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，确切地属于一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢。

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。

近年来，中低锰耐磨钢如异军突起，靠硬化粒子或双相或多相组织增加耐磨性。

现有技术的中低锰钢，多数依赖增加基体相中马氏体相的比例来提高耐磨性，这就需要在基体中加入大量的Mo、Cr、Ni等贵重合金元元素来提高材料的淬透性，并且利用淬火+回火等传统工艺进行生产，生产成本高昂，且生产周期较长。因此利用双相组织调控技术思想开发一种成本低廉、生产工艺简单，同时又具有优良的韧性和耐磨性成为本技术领域技术人员的主攻方向。

本发明就是生产制造一种双相耐磨钢，并引入氮强化作用，使其达到耐磨性和韧性的双提升目的。

经检索：中国专利公开号为CN105543676A的文献，公开了“一种马氏体-铁素体双相耐磨钢板及其制备方法”，其钢种成分及生产工艺分别为：采用定量C、Si、Mn、Nb、V、Ti、Mo、Ni、Cr、N、B等元素制备得到，其中C含量0.25～0.32％，Mn含量在1.60～2.00％，N含量≤0.0045％，Ti含量0.010～0.030％，钢坯加热后进行两阶段控制轧制，轧后以16mm为界限分厚度进行不同工艺冷却，随后在Ac1和Ac3温度之间进行热处理，之后进行回火处理，钢板最终组织为马氏体-铁素体组织。该钢的制备不仅需要控轧控冷，而且需要离线淬火加回火工艺处理，工艺流程较长，合金元素添加较多。

经检索：中国专利公开号为CN103014521A的文献，公开了一种“高硬度高韧性耐磨钢及其生产方法”，其钢种成分含有较高的Mn(2.0～2.4％)、Cr(1.5～2.0％)等元素，生产工艺上需要经过稀土变质处理，并且经过淬火+回火处理，依然靠相变强化来提高耐磨性，并且生产周期较长，材料硬度偏高(约为54HRC)，加工成型困难。

中国专利公开号为CN102943213A的文献，其公开了“一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢及其制备方法”，其钢种成分含有较高的Mn(0.8～2.0％)、Cr(1.0～2.5％)、Mo(0.3～0.6％)等合金元素，在生产工艺上实施两阶段轧制，然后经过传统的淬火+回火工艺进行组织调控，基体组织为单相回火马氏体，从实施例看这类材料的延伸率A在9.0～14％之间波动，材料的延伸率不高。

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及奥氏体双相组织，且马氏体体积分数为80～95％，并使基体分布体积分数为0.3～1.5％、尺度为300～800nm碳氮化钛粒子，屈服强度在1480～1570MPa，抗拉强度在1550MPa以上，延伸率A在30％以上，-20℃夏比冲击功不低于60J/cm²，且生产成本低的含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢及生产方法获得钢板的制造工艺简单，合金元素成本低廉，制备的钢板综合性能好，可用于条件苛刻的矿山机械服役环境。

实现上述目的的措施：

一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢，其组分及重量百分比含量为：Si：0.2～0.40％，Mn：3.0～5.5％，N：0.03～0.12％，Ti：0.08％～0.30％，Cr：0.35～1.50％，C＝1/2Ti-1/2N+0.10计算加入量，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为：回火马氏体及奥氏体，其中回火马氏体体积比为80～95％。

优选地：所述Mn的重量百分比含量为3.4～5.2％。

优选地：所述N的重量百分比含量为0.036～0.106％。

优选地：所述Ti的重量百分比含量为0.086～0.26％。

生产一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢的方法，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，吹炼时间在7～10min；混合气体中，氮气占体积比在25～30％，其余为氩气；冶炼中废钢加入重量不超过总重量的10％；

2)经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1510℃～1550℃,并在5min内完成浇注；

3)将钢坯加热到1300～1400℃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1100℃～1150℃，前两道次压下量控制在20～30％％，其余道次每道次的压下量控制在13～17％，且累计压下量在85％～90％；

5)进行精轧，并控制精轧入口温度在950℃～1000℃，累积压下率在70～85％，终轧温度在820℃～870℃；

6)进行冷却：先在冷却速度为30～50℃/s下冷却至380～420℃；然后空冷10～20s；最后缓冷段，其在缓冷阶段冷却速度为7～15℃/s下冷至室温。

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，碳含量一般不小于0.10％，但过高的碳量将使贝氏体转变区显著石移，并且与高Si作用会使材料脆性增加，出现开裂现象。在本发明钢设计中，C含量是按照此式1/2Ti-1/2N+0.10计算加入的，这里按C、N、Ti元素按照给定比例添加，主要是因为这三种元素极易形成碳化物，目的是为了控制析出碳化物的类型和颗粒大小，从而提高耐磨性和韧性。

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3.0％～5.5％。优选地Mn的重量百分比含量为3.4～5.2％。

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，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0.20％～0.40％范围。

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0.08％～0.30％。优选地Ti的重量百分比含量为0.086～0.26％。

N：氮元素加入量不能太低，太低形成的第二相析出颗粒大小不足以提升材料的耐磨性，加入量过大形成的第二相颗粒过大会降低韧性，故将其限定在0.03～0.12％，优选地N的重量百分比含量为0.036～0.106％。

Cr：Cr元素的加入对提高材料的抗腐蚀性非常重要，试验研究表明Cr元素含量大于3.0％时钢板的耐点蚀效果会大幅提高，但在钢中随着Cr元素的增加它与C结合成M₂₃C₆化合物的趋势也增强，这里将Cr元素控制在0.35～1.50％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25～30％，其余为氩气，是由于氮气在钢液中的溶解度较低，常规冶炼过程钢液中氮元素的收得率较低，在氩站采用氮气氩气复合吹炼可以提高氮元素的收得率，从而提高钢中的氮元素含量。

本发明之所以要求在4min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。

本发明之所以采用先急速冷却，即在冷却速度为30～50℃/s下冷却至380～420℃；然后空冷10～20s；最后缓冷段，其在缓冷冷却速度为7～15℃/s下冷至室温，是由于急速冷却段的作用是控制相变充分完成，保证不发生贝氏体、铁素体相变，并且冷却温度不能过低，以便保留部分奥氏体；缓冷阶段的作用是充分沉淀析出，充分消除才聊的内应力，使钢板析出强化作用充分体现。

本发明与现有技术相比，不仅能保证钢板硬度不低于400HBW，且使钢的基体组织为马氏体及奥氏体双相组织，且马氏体体积分数为80～95％，并使基体分布体积分数为0.3～1.5％、尺度为300～800nm碳氮化钛粒子，屈服强度在1480～1570MPa，抗拉强度在1550MPa以上，延伸率A在30％以上，-20℃夏比冲击功不低于100J/cm2，且生产成本低。

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为本发明各实施例及对比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，吹炼时间在7～10min；混合气体中，氮气占体积比在25～30％，其余为氩气；冶炼中废钢加入重量不超过总重量的10％；

2)经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1510℃～1550℃,并在4min内完成浇注；

3)将钢坯加热到1300～1400℃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1100℃～1150℃，前两道次压下量控制在20～30％，其余道次每道次的压下量控制在13～17％，且累计压下量在85％～90％；

5)进行精轧，并控制精轧入口温度在950℃～1000℃，累积压下率在70～85％，终轧温度在820℃～870℃；

6)进行冷却：先在冷却速度为30～50℃/s下冷却至380～420℃；然后空冷10～20s；最后缓冷段，其在缓冷冷却速度为7～15℃/s下冷至室温。

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＝1/2Ti-1/2N+0.10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

注：各实施例的空冷时间是在10～20s内的任一时间；

对比例的工艺是采用的常规工艺。

表3本发明各实施例的性能列表

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1.5倍以上，布什硬度不高于500HBW，-20℃冲击韧性均在100J以上，表现出优良的强韧性匹配，适用于条件苛刻的抗冲击磨损环境。

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)

1.一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢，其组分及重量百分比含量为：Si：0.2~0.40%，Mn：3.0~5.5%，N：0.03~0.12%，Ti：0.08%~0.30%，Cr：0.35~1.50%，C=1/2Ti-1/2N+0.10计算加入量，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为：回火马氏体及奥氏体，其中回火马氏体体积比为80~95%。

2.如权利要求1所述的一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢，其特征在于：所述Mn的重量百分比含量为3.4~5.2%。

3.如权利要求1所述的一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢，其特征在于：所述N的重量百分比含量为0.036~0.106%。

4.如权利要求1所述的一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢，其特征在于：所述Ti的重量百分比含量为0.086~0.26%。

5.生产如权利要求1所述的一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢的方法，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，吹炼时间在7~10min；混合气体中，氮气占体积比在25~30%，其余为氩气；冶炼中废钢加入重量不超过总重量的10%；

2）经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1510℃~1550℃,并在5min内完成浇注；

3）将钢坯加热到1300~1400℃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1100℃~1150℃，前两道次压下量控制在20～30%%，其余道次每道次的压下量控制在13~17%，且累计压下量在85%~90%；

5）进行精轧，并控制精轧入口温度在950℃~1000℃，累积压下率在70～85%，终轧温度在820℃~870℃；

6）进行冷却：先在冷却速度为30～50℃/s下冷却至380~420℃；然后空冷10~20s；最后缓冷段，其在缓冷阶段冷却速度为7～15℃/s下冷至室温。