CN109763072A - 一种厚规格高耐磨性钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚规格高耐磨性钢板及其制造方法，属于合金钢技术领域，解决现有工艺生产成本高、易受设备限制、生产效率低、性能均匀性差及塑性差的问题。该钢板组成成分的质量百分比为：C：0.05‑0.5％；Mn：3.0‑5.0％；Si：1.0‑1.5％；Cr：0.20‑2.50％；Ni：0.20‑2.50％；Mo：0.10‑0.50％；V：0.01‑0.5％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明所述钢板的厚度规格可达到400mm，钢板经轧制后，采用在线空冷淬火配分工艺，表面与心部硬度差不超过5％，组织性能均匀性好，满足厚规格耐磨钢板的需求。本发明所述钢板尤其适用于转载机、挖掘机及各种矿山机械。

Description

一种厚规格高耐磨性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及合金钢技术领域，尤其涉及一种厚规格高耐磨性钢板及其制造方法。

背景技术

耐磨钢板广泛应用于工作条件特别恶劣，要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上，如刮板运输机、转载机、挖掘机、自卸车及各种矿山机械等。传统耐磨钢板主要采用低碳马氏体耐磨钢，通过淬火+低温回火工艺生产，产品满足国家标准(工程机械用高强度耐磨钢板GB/T 24186-2009)；传统热处理生产工艺受淬火/回火设备的能力制约较大，生产效率低，尤其对于厚规格产品(80mm以上)，生产难度很大，钢板表面和心部的均匀性较差，产品塑性难以满足用户需要。

现有技术中，有一种QP(空冷淬火配分)工艺，QP工艺通过调控残余奥氏体可以显著改善钢铁材料的力学性能。目前，汽车用薄板通过空冷淬火配分工艺可以生产QP钢，QP钢具有高强度的同时，还具有良好的塑性(高强塑积)。但目前QP工艺还未在厚规格钢板中开展研究或有效应用。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种厚规格高耐磨性钢板及其制造方法，通过采用合适的成分设计及AQP工艺(在线空冷淬火配分工艺on line air cooling quenchingand Partitioning)，可以得到一种兼具塑性及耐磨性的高均匀性厚规格耐磨钢板。解决现有工艺生产成本高、易受设备限制、生产效率低、性能均匀性差及塑性差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种厚规格高耐磨性钢板，其化学成分以质量百分比计为，C：0.05-0.5％；Mn：3.0-5.0％；Si：1.0-1.5％；Cr：0.20-2.50％；Ni：0.20-2.50％；Mo：0.10-0.50％；V：0.01-0.5％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，钢板的化学成分以质量百分比计为，C：0.12-0.32％；Mn：3.9-4.62％；Si：1.23-1.29％；Cr：0.51-0.91％；Ni：0.51-1.51％；Mo：0.30-0.40％；V：0.05-0.2％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，钢板的组织为马氏体和残余奥氏体。

进一步地，钢板的组织中残余奥氏体的体积分数为10-20％。

进一步地，钢板的表面硬度为HB360-600，且其心部硬度不低于表面硬度的95％。

进一步地，钢板的厚度规格为40-400mm。

本发明还提供了一种厚规格高耐磨性钢板的制造方法，制造方法包括如下步骤：

步骤1：对厚规格高耐磨性钢板的原料进行冶炼，精炼，板坯连铸或者模铸；

步骤2：连铸坯或铸锭开坯后，加热并保温后进行轧制；

步骤3：进行钢板在线空冷淬火配分。

进一步地，步骤1中，采用转炉或电炉冶炼，炉外精炼。

进一步地，步骤2中，连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1150-1220℃，保温时间为3-8小时；轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-1050℃。

进一步地，步骤3中，采用AQP工艺(在线空冷淬火配分工艺)，轧后空冷，终冷温度为150-250℃；冷到终冷温度后立即进入加热炉加热到配分温度进行配分；配分完成后空冷至室温；所述配分温度为300-400℃。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明提供的厚规格高耐磨性钢板及其制造方法，采用中锰钢成分设计，并通过加入特定含量的Si元素，使材料在在线空冷淬火配分过程中抑制渗碳体的形成，而通过C元素的配分可以形成一定数量的残余奥氏体，这些残余奥氏体在变形过程中通过形变诱发马氏体转变(TRIP)可以大幅改善材料的塑性，同时进一步提高材料的耐磨性能；同时通过添加合理配比的Mn、Cr、Si及Mo进行基体固溶强化，可以提高钢板的淬透性，轧后空冷冷却，钢板冷却均匀，板型良好，表面与心部硬度差不超过5％，均匀性好，满足厚规格耐磨钢的需求，解决了目前淬火机生产线生产厚规格耐磨钢性能不稳定的难题。

(2)本发明提供的厚规格高耐磨性钢板及其制造方法，采用在线空冷淬火配分工艺生产，省去水冷淬火设备，常规中厚板轧机即可实现，对设备能力要求低，大幅降低了传统耐磨钢的生产成本和设备限制，同时提高了生产效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、附图以及具体实施方式中所特别指出的方法来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明中厚规格高耐磨性钢板的光学微观组织；

图2为本发明中厚规格高耐磨性钢板的XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施例可用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种厚规格高耐磨性钢板，其化学成分以质量百分比计为，C：0.05-0.5％；Mn：3.0-5.0％；Si：1.0-1.5％；Cr：0.20-2.50％；Ni：0.20-2.50％；Mo：0.10-0.50％；V：0.01-0.5％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

上述厚规格高耐磨性钢板中各元素的作用如下：

C：C作为强化元素能提高基体马氏体的硬度，同时提高奥氏体稳定性，在配分过程中能够形成残余奥氏体，使材料在TRIP效应下，可显著改善塑性及耐磨性。考虑与其它各元素合理匹配，本发明中控制C的质量百分比范围为0.05-0.5％。

Si：Si是脱氧剂之一，但在本发明中通过Si元素抑制渗碳体在马氏体中的析出，促进C元素在配分过程中的扩散，从而利于形成残余奥氏体，但过量的Si对钢的韧性不利。综合上述考虑，本发明中控制Si的质量百分比范围为1.0-1.5％。

Mn：Mn元素能提高奥氏体的稳定性，与C元素配合，通过配分工艺可以获得残余奥氏体，同时具有一定的固溶强化作用；Mn含量过低，材料的淬透性不足；Mn含量过高，奥氏体稳定性较强，基体无法得到马氏体组织。因此，本发明中控制Mn的质量百分比范围为3.0-5.0％。

Mo：Mo能显著提高钢的淬透性，降低回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。本发明中控制Mo的质量百分比范围为0.10-0.50％。

Cr：Cr能提高钢的淬透性和耐腐蚀磨损性能，但过高的Cr会降低材料的加工性和焊接性，因此，本发明中控制Cr的质量百分比范围为0.20-2.50％。

Ni：Ni能提高钢的淬透性，显著改善钢的低温韧性，提高钢的耐蚀性能。本发明中控制Ni的质量百分比范围为0.20-2.50％。

V：V可以提高奥氏体的稳定性，在冷却过程中以VC颗粒的形式析出，VC颗粒均为纳米级，析出强化效果明显，可显著提高基体的强度。本发明中控制V的质量百分比范围为0.01-0.5％。

本发明中的S和P元素作为杂质元素严重损害钢的韧塑性，因此需要将其含量分别控制在S≤0.030％，P≤0.030％。

为了进一步提高上述厚规格高耐磨性钢板的综合性能，可以对上述厚规格高耐磨性钢板的组成成分做进一步调整。示例性地，其组成按质量百分比可以为：C：0.12-0.32％；Mn：3.9-4.62％；Si：1.23-1.29％；Cr：0.51-0.91％；Ni：0.51-1.51％；Mo：0.30-0.40％；V：0.05-0.2％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

与现有技术相比，本发明提供的厚规格高耐磨性钢板，通过提高钢板中Si元素的含量，并且添加合理含量的C、Mn、Cr及Mo元素，使材料在在线空冷淬火配分过程中形成一定数量的马氏体和残余奥氏体，进而大幅改善材料的塑性，进一步提高材料的耐磨性能，同时保证材料的高均匀性。

另一方面，本发明还提供了一种厚规格高耐磨性钢板的制造方法，工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸(模铸)、加热、控制轧制、在线空冷淬火配分热处理；在工艺中控制的技术参数如下：

连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1150-1220℃，保温时间为3-8小时。采用中厚板轧机轧制，轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-1050℃，轧后空冷，终冷温度为150-250℃；冷到终冷温度后立即进入加热炉加热到配分温度进行配分；配分完成后空冷至室温。

通过上述工艺，该厚规格(40-400mm)高耐磨性钢板的基体组织为马氏体，同时包含体积分数为10-20％的残余奥氏体。由于钢板的淬透性极好，钢板心部与表面硬度差不超过5％，例如硬度差2-5HB；钢板的硬度主要取决于碳含量，可以实现硬度从HB360到HB600。通过上述工艺，产品组织均匀，综合性能良好。

实施例1

本实施例的厚规格高耐磨性钢板的化学组成(质量百分比％)为：C：0.12；Si：1.23；Mn：3.9；Cr：0.82；Ni：0.55；Mo：0.31；S：0.005；P：0.005；V：0.05；余量为Fe及不可避免的杂质。

具体步骤及工艺参数如下：

步骤1：采用转炉对钢板的原料进行冶炼，LF精炼，RH精炼，板坯连铸(350mm连铸坯)；

步骤2：将连铸坯在加热炉中加热，加热至温度1180℃，保温时间为6小时，采用中厚板轧机轧制，粗轧轧制5道次，精轧轧制9道次，精轧终轧温度900℃，钢板厚度130mm；

步骤3：将轧后钢板空冷至190℃后，立即放入加热炉中加热到配分温度350℃进行配分，配分时间90分钟，配分完成后空冷至室温。

实施例2

本实施例的厚规格高耐磨性钢板的化学组成(质量百分比％)为：C：0.25；Si：1.29；Mn：3.92；Cr：0.91；Ni：1.51；Mo：0.32；S：0.015；P：0.015；V：0.18；余量为Fe及不可避免的杂质。

具体步骤及工艺参数如下：

步骤1：采用转炉对钢板的原料进行冶炼，LF精炼，板坯连铸(300mm连铸坯)；

步骤2：将连铸坯在加热炉中加热，加热至温度1180℃，保温时间为8小时，采用中厚板轧机轧制，粗轧轧制5道次，精轧轧制11道次，精轧终轧温度850℃，钢板厚度45mm；

步骤3：将轧后钢板空冷至200℃后，立即放入加热炉中加热到配分温度400℃进行配分，配分时间60分钟，配分完成后空冷至室温。

实施例3

本实施例的厚规格高耐磨性钢板的化学组成(质量百分比％)为：C：0.32；Si：1.29；Mn：4.62；Cr：0.51；Ni：0.51；Mo：0.32；S：0.015；P：0.015；V：0.20；余量为Fe及不可避免的杂质。

具体步骤及工艺参数如下：

步骤1：采用转炉对钢板的原料进行冶炼，LF精炼，模铸(750mm扁锭)；

步骤2：将钢锭在加热炉中加热，加热至温度1220℃，保温时间为8小时，采用中厚板轧机轧制，粗轧轧制5道次，精轧轧制7道次，精轧终轧温度1000℃，钢板厚度395mm；

步骤3：将轧后钢板空冷至200℃后，立即放入加热炉中加热到配分温度300℃进行配分，配分时间120分钟，配分完成后空冷至室温。

对比例1(NM450)

本发明对比例，化学组成(质量百分比％)为：C：0.18；Si：0.34；Mn：0.8；Cr：0.26；S：0.015；P：0.015；余量为Fe及不可避免的杂质。

具体步骤及工艺参数如下：

步骤1：采用转炉对钢板的原料进行冶炼，LF精炼，板坯连铸；

步骤2：将连铸坯在加热炉中加热，加热至温度1180℃，保温时间为4小时，采用中厚板轧机轧制，粗轧轧制5道次，精轧轧制11道次，精轧终轧温度900℃，钢板厚度55mm；

步骤3：将轧后钢板加热到奥氏体化温度900℃，保温时间2.5小时，采用淬火机进行淬火，冷却到室温；200℃回火，回火时间3小时。

图1为本发明中厚规格高耐磨性钢板的光学微观组织，由图1可以看出该钢板基体组织为马氏体，同时包含约20％的残余奥氏体，该钢板组织均匀，致密；图2为本发明中厚规格高耐磨性钢板的XRD图。

表1为实施例1-3及对比例1的微观组织结果，由表1可以看出，实施例1-3的微观组织为马氏体加残余奥氏体，残余奥氏体的体积分数为10-20％；对比例1的微观组织为回火马氏体。

表2为实施例1-3及对比例1的力学性能结果，由表2可以看出，在同等强度级别下实施例1-3的延伸率高于对比例1，表面与心部硬度差低于对比例1；实施例1-3的抗拉强度不小于1400MPa，例如1400-1750MPa；屈服强度不小于900MPa，例如900-1450MPa；延伸率不小于13％，例如13-19％；室温下的冲击功不小于12J，例如12-28J。对比可知，本发明实施例1-3的综合力学性能优良。

表1 实施例1-3与对比例1的微观组织

表2 实施例1-3与对比例1的力学性能

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1
					屈服强度，MPa	900	1220	1450	1250
抗拉强度，MPa	1400	1550	1750	1410
					延伸率A5，％	19	15	13	12
冲击功(室温)，J	28	16	12	31
					表面硬度，HB	400	440	510	440
心部硬度，HB	404	438	505	410
					表面与心部硬度差，HB	4	2	5	30

综上所述，本发明旨在提供一种厚规格高耐磨性钢板，采用合适的成分设计及AQP工艺，采用中锰钢成分，并通过加入适当含量的Si元素，添加合理含量的C、Mn、Cr及Mo元素，使材料在配分过程中抑制渗碳体的形成，通过C元素的配分形成一定数量的残余奥氏体，这些残余奥氏体在变形过程中通过形变诱发马氏体转变(TRIP)，钢板的基体微观组织为马氏体加残余奥氏体，其组织均匀致密，兼具塑性及耐磨性，有效地提升了钢板的综合力学性能；本发明所述的耐磨钢板通过在线空冷淬火配分工艺生产，常规中厚板轧机即可实现，大幅降低了传统耐磨钢板的生产成本和设备限制；同时本发明所述的耐磨钢板厚度规格达到400mm时，在具有较高硬度的前提下还具有较高的韧性，组织均匀，心部与表面性能差距小，良好的均匀性可以满足厚规格耐磨钢的需求，也解决了目前淬火机生产线生产厚规格耐磨钢性能不稳定的难题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种厚规格高耐磨性钢板，其特征在于，所述的厚规格高耐磨性钢板的化学成分以质量百分比计为，C：0.05-0.5％；Mn：3.0-5.0％；Si：1.0-1.5％；Cr：0.20-2.50％；Ni：0.20-2.50％；Mo：0.10-0.50％；V：0.01-0.5％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的厚规格高耐磨性钢板，其特征在于，所述的厚规格高耐磨性钢板的化学成分以质量百分比计为，C：0.12-0.32％；Mn：3.9-4.62％；Si：1.23-1.29％；Cr：0.51-0.91％；Ni：0.51-1.51％；Mo：0.30-0.40％；V：0.05-0.2％；S≤0.03；P≤0.03；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的厚规格高耐磨性钢板，其特征在于，所述的厚规格高耐磨性钢板的组织为马氏体和残余奥氏体。

4.根据权利要求3所述的厚规格高耐磨性钢板，其特征在于，所述的厚规格高耐磨性钢板的组织中残余奥氏体的体积分数为10-20％。

5.根据权利要求4所述的厚规格高耐磨性钢板，其特征在于，所述的厚规格高耐磨性钢板的表面硬度为HB360-600，且其心部硬度不低于表面硬度的95％。

6.根据权利要求5所述的厚规格高耐磨性钢板，其特征在于，所述的厚规格高耐磨性钢板的厚度规格为40-400mm。

7.一种权利要求1-6所述的厚规格高耐磨性钢板的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：

步骤1：对厚规格高耐磨性钢板的原料进行冶炼，精炼，板坯连铸或者模铸；

步骤2：连铸坯或铸锭开坯后，加热并保温后进行轧制；

步骤3：进行钢板在线空冷淬火配分。

8.根据权利要求7所述的厚规格高耐磨性钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤1中，采用转炉或电炉冶炼，炉外精炼。

9.根据权利要求7所述的厚规格高耐磨性钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤2中，连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1150-1220℃，保温时间为3-8小时；轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-1050℃。

10.根据权利要求7所述的厚规格高耐磨性钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，采用在线空冷淬火配分工艺，轧后空冷，终冷温度为150-250℃；冷到终冷温度后立即进入加热炉加热到配分温度进行配分；配分完成后空冷至室温；所述配分温度为300-400℃。