CN109680221A - 一种高韧性颗粒增强型耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种高韧性颗粒增强型耐磨钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。该钢板的化学组成按重量百分含量为：C 0.12～0.48％、Si 0.2～0.5％、Mn 0.8～2.5％、P 0.007～0.01％、Ti 0.10～0.40％、S 0.0015～0.003％、Ni 0.15～0.40％、Mo 0.10～0.40％、Nb 0.01～0.05％、Cr 0.10～0.50％、RE 0.05～0.50％，余量为Fe及不可避免的夹杂。制造方法是：冶炼‑钢锭‑加热‑轧制‑热处理。最终得到的组织为板条马氏体(或贝氏体)与TiC粒子的复相组织。TiC粒径为1～5μm，钢板硬度范围为410～425HV，耐磨性优于同级别普通耐磨钢，低温韧性优于同级别颗粒增强型耐磨钢。

Description

一种高韧性颗粒增强型耐磨钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高韧性颗粒增强型耐磨钢及其制造工艺，属于合金钢领域。
背景技术
低合金高强度耐磨钢，一般采用Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素进行合金化处理，通过淬火+回火工艺，得到强韧兼备的马氏体或贝氏体型耐磨钢。但随着矿山、运输等设备对材料寿命的要求提高，以及为了减少碳排放而提出的材料轻量化要求，仅靠低合金高强度设计的以马氏体或贝氏体为增强相耐磨钢已逐渐满足不了实际需求，结合形势，国内外研究者在马氏体或贝氏体的基础上提出了颗粒增强型耐磨钢，例如“TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板”“一种TiC高耐磨钢结硬质合金的制备方法”“一种超高强度耐磨钢板及其制造方法”等，多种研究方案集中于提高C、Ti含量以增强耐磨性能，或添加颗粒复合相改善颗粒尺寸及分布。颗粒增强相作为异相出现于耐磨钢中，不可避免的会影响材料的连续性，造成材料韧性不足。也有一些发明关注了韧性的问题，例如“低成本高韧性超级耐磨钢及其制备方法”通过设计热处理工艺改善了材料的室温韧性，目前还没有低温韧性颗粒增强型耐磨钢方面的研究。
发明内容
本发明提供一种高韧性颗粒增强型耐磨钢及其制备方法，目的在于解决较低温度下矿山、运输设备中耐磨材料的长寿命的使用问题。该方法设计了合适的成分和工艺路径，得到了基础相为强韧兼备的板条马氏体(或贝氏体)、颗粒增强相的低温韧性耐磨钢。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种高韧性颗粒增强型耐磨钢板，所述耐磨钢板的化学成分按重量百分比设计为：C 0.12～0.48％、Si 0.2～0.5％、Mn 0.8～2.5％、P 0.007～0.01％、Ti 0.10～0.40％、 S 0.0015～0.003％、Ni 0.15～0.40％、Mo 0.15～0.40％、Nb 0.01～0.05％、Cr0.10～ 0.50％、RE 0.05～0.50％，余量为Fe及不可避免的夹杂。
本发明还提供了上述高韧性颗粒增强型耐磨钢板的制备方法，所述制备方法依次包括下述步骤：冶炼、浇铸、加热、控制轧制、热处理；
其中：
1)加热工艺：加热温度控制在1200～1250℃，加热时间1～3h；
2)控制轧制工艺：粗轧开轧温度为1050～1120℃，道次压下率不小于30％，累计压下率不小于60％；精轧开轧温度不小于950℃，道次压下率不小于20％，累计压下率不小于40％；轧制后钢板空冷至室温；
3)热处理工艺：淬火加热温度850～920℃，加热时间20～50min，水淬到室温；回火加热温度200～400℃，加热时间30～70min，回火后空冷到室温；
通过上述处理，钢板的基体组织为板条马氏体(或贝氏体)，同时基体中弥散分布着TiC析出相，析出相粒径大小为1～5μm，颗粒分布均匀，如图1和图2所示。
本发明的优点在于：
1)中碳、钛及合理的Ni、Mo、Nb、RE等成分设计。中碳一方面提供Ti形成 TiC所需要的C含量，额外的C则固溶于过饱和的α-Fe形成板条马氏体(或贝氏体)，保证材料的强度，钛是在提高耐磨性的同时合理控制颗粒增强相尺寸，提高材料的耐磨损性能，RE则使增强相的分布变得更为均匀。
2)良好的组织均匀性。钛、铌等元素的微合金化均能阻止奥氏体晶粒长大、细化组织，提高组织均匀性。同时，钼、铬、镍等元素设计提高淬透性，改善表-芯组织的不均匀性。
3)颗粒增强相尺寸合适且分布均匀。采用合理的成分设计、轧制及热处理工艺对TiC颗粒增强相颗粒尺寸及分布进行合理控制，TiC颗粒尺寸为1～5μm，钢中增强相分布均匀。
4)较高的硬度、耐磨性及低温韧性。钢板表面硬度最高能达到421HV，耐磨性与普通颗粒型耐磨钢耐磨性相当，但比同级别普通耐磨钢能增加29.91％；-20℃冲击功高达到54.87J，与普通低合金高强度耐磨钢冲击功相当，高于颗粒型耐磨钢。
附图说明
图1为高韧性颗粒增强耐磨钢的基体与增强相分布的扫描电镜图；
图2为高韧性颗粒增强耐磨钢的基体与增强相尺寸的扫描电镜图。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
高韧性颗粒增强型耐磨钢化学成分按重量百分数计，C 0.15％、Si 0.28％、Mn1.10％、Ni 0.17％、Ti 0.18％、Cr 0.30％、Mo 0.18％、P 0.008％、Nb 0.015％、S0.002％、 RE 0.15％，余量为Fe及不可避免夹杂，钢锭尺寸80*100*300mm3。把钢锭在1220℃加热，加热时间2h，进行两阶段控制轧制。粗轧开轧温度是1087℃，2道次变形量为62％，中间坯厚度控制在30mm。精轧开轧温度为956℃，经2道次轧制后，达到最终产品厚度12mm。终轧后进行空冷至室温。对冷却至室温的钢板进行900℃淬火处理，加热时间30min，然后水淬到室温。对淬火后的钢板进行230℃回火热处理，加热时间50min。
普通耐磨钢化学成分按重量百分数计，C 0.17％、Si 0.22％、Mn 1.18％、Ni0.13％、 Ti 0.012％、Cr 0.28％、Mo 0.2％，余量为Fe及不可避免夹杂，钢锭尺寸80*100*300mm3。把钢锭在1220℃加热，加热时间2h，进行两阶段控制轧制。粗轧开轧温度是1091℃，2道次变形量为62％，中间坯厚度控制在30mm。精轧开轧温度为952℃，经2道次轧制后，达到最终产品厚度12mm。终轧后进行空冷至室温。对冷却至室温的钢板进行900℃淬火处理，加热时间30min，然后水淬到室温。对淬火后的钢板进行230℃回火热处理，加热时间50min。
普通颗粒增强型耐磨钢化学成分按重量百分数计，C 0.31％、Si 0.24％、Mn1.03％、 Ti 0.22％、Cr 0.42％，余量为Fe及不可避免夹杂，钢锭尺寸80*100*300mm3。把钢锭在1220℃加热，加热时间2h，进行两阶段控制轧制。粗轧开轧温度是1089℃，2 道次变形量为62％，中间坯厚度控制在30mm。精轧开轧温度为953℃，经2道次轧制后，达到最终产品厚度12mm。终轧后进行空冷至室温。对冷却至室温的钢板进行 900℃淬火处理，加热时间30min，然后水淬到室温。对淬火后的钢板进行230℃回火热处理，加热时间50min。
实施例2
高韧性颗粒增强型耐磨钢化学成分按重量百分数计，C 0.16％、Si 0.24％、Mn1.03％、Ni 0.15％、Ti 0.19％、Cr 0.26％、Mo 0.17％、P 0.008％、Nb 0.021％、S0.002％、RE 0.35％，余量为Fe及不可避免夹杂，钢锭尺寸80*100*300mm3。把钢锭在1220℃加热，加热时间2h，进行两阶段控制轧制。粗轧开轧温度是1087℃，2道次变形量为62％，中间坯厚度控制在30mm。精轧开轧温度为956℃，经2道次轧制后，达到最终产品厚度12mm。终轧后进行空冷至室温。对冷却至室温的钢板进行900℃淬火处理，加热时间30min，然后水淬到室温。对淬火后的钢板进行230℃回火热处理，加热时间50min。
普通耐磨钢化学成分按重量百分数计，C 0.17％、Si 0.22％、Mn 1.18％、Ni0.13％、 Ti 0.012％、Cr 0.28％、Mo 0.2％，余量为Fe及不可避免夹杂，钢锭尺寸80*100*300mm3。把钢锭在1220℃加热，加热时间2h，进行两阶段控制轧制。粗轧开轧温度是1091℃，2道次变形量为62％，中间坯厚度控制在30mm。精轧开轧温度为952℃，经2道次轧制后，达到最终产品厚度12mm。终轧后进行空冷至室温。对冷却至室温的钢板进行900℃淬火处理，加热时间30min，然后水淬到室温。对淬火后的钢板进行230℃回火热处理，加热时间50min。
普通颗粒增强型耐磨钢化学成分按重量百分数计，C 0.31％、Si 0.24％、Mn1.03％、 Ti 0.22％、Cr 0.40％，余量为Fe及不可避免夹杂，钢锭尺寸80*100*300mm3。把钢锭在1220℃加热，加热时间2h，进行两阶段控制轧制。粗轧开轧温度是1089℃，2 道次变形量为62％，中间坯厚度控制在30mm。精轧开轧温度为953℃，经2道次轧制后，达到最终产品厚度12mm。终轧后进行空冷至室温。对冷却至室温的钢板进行 900℃淬火处理，加热时间30min，然后水淬到室温。对淬火后的钢板进行230℃回火热处理，加热时间50min。
实施例1与实施例2耐磨钢力学性能及磨损试验结果如表1所示，其中磨损试验采用20-100目干砂/橡皮轮磨损试验机，试验参数为载荷130N、转速200r/min、2000转。
表1耐磨钢力学性能及磨损试验结果
实施例1和实施例2的钢板的基体组织为板条马氏体(或贝氏体)，同时基体中弥散分布着TiC析出相，析出相粒径大小为1～5μm，颗粒分布均匀，如图1和图2 所示。
从上述实施例可知，本发明高韧性颗粒增强型耐磨钢的制造方法，通过合理的成分设计，采用轧制、淬火+回火工艺，可以生产出高硬度、耐磨性和较高低温韧性的颗粒增强型耐磨钢。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高韧性颗粒增强型耐磨钢，其特征在于，所述耐磨钢的化学组成按重量百分含量为：C 0.12～0.48％、Si 0.2～0.5％、Mn 0.8～2.5％、P 0.007～0.01％、Ti 0.10～0.40％、S 0.0015～0.003％、Ni 0.15～0.40％、Mo 0.15～0.40％、Nb 0.01～0.05％、Cr0.10～0.50％、RE 0.05～0.50％，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.权利要求1所述的高韧性颗粒增强型耐磨钢的制备方法，所述制备方法依次包括：冶炼、浇铸、加热、控制轧制、热处理；其中：
1)加热：
钢锭在加热炉中加热，加热温度1200～1250℃，加热时间1～3h；
2)控制轧制：
两阶段轧制：粗轧2～5道次。精轧2～5道次；轧制后钢板空冷至室温；
3)热处理：
淬火加热温度880～920℃，加热时间20～50min，加热后水淬到室温；回火加热温度200～400℃，加热时间30～70min，加热后空冷到室温。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，轧制后得到板条马氏体与TiC粒子的复相组织或贝氏体与TiC粒子的复相组织，TiC粒子的粒径为1～5μm，耐磨钢的硬度范围为410～425HV。
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