CN110157987A - 一种基于nqt工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法 - Google Patents

一种基于nqt工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有良好低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法。该钢板的化学成分及重量百分比含量(％)为：C：0.16％‑0.18％、Si：0.20％‑0.30％、Mn：1.15％‑1.30％、P≤0.010％、S≤0.002％、Nb：0.010％‑0.020％、Cu：0‑0.05％、Cr：0.40％‑0.60％、Mo：0.45％‑0.60％、Ni：0.95％‑1.20％、V：0.025％‑0.040％，B：0.001％‑0.0025％、Alt≥0.060％、Ca：0.002％‑0.004％。其余为Fe和微量杂质。其中：钢的淬透性指数≥140，耐磨性指数≥0.59％，钢板厚度为80‑100mm。采用NQT工艺，获得的良好‑40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板力学性能优异，其钢板表面硬度为330HBW‑380HBW，厚度方向硬度平均值不低于表面硬度的90％，1/4厚度处的‑40℃冲击功在60‑80J。

Description

一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢 板及制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有良好低温韧性的耐磨钢板的技术领域，特别涉及一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法。
背景技术
耐磨钢是广泛用于各种磨损工况的耐磨材料。近年来，随着冶炼、连铸、轧制及热处理工艺技术的不断进步，耐磨钢产品质量得到较大提升。然而随着使用领域不断扩大，服役环境日益苛刻，厚规格耐磨钢的使用范围越来越广泛。这类产品对耐磨钢的耐磨性、硬度均匀性、高强韧性、低温韧性等指标提出了更为严格的技术要求。由于产品厚度规格大，各厂家更加注重了对表面硬度关注，而在厚度方向的硬度均匀性、低温韧性等指标的控制相对薄弱，钢板在使用过程中的可靠性和安全性存在较大隐患。
目前，已经发布的关于厚规格耐磨钢，例如：
公布号为CN 108486475 A的“一种具有良好心部硬度的厚规格耐磨钢板及其制备方法”，该发明涉及的钢板厚度为70-100mm，钢中的H含量为H≤0.00018％，对于厚度耐磨钢而言，钢板在使用过程中极容易产生H元素导致的开裂。另外，该发明中添加了少量的对厚钢板淬透性影响较大的0.4％-0.8％Mn、0.50％-0.80％Cr、0.15％-0.50％Ni、0.10-0.40％Mo等合金元素，导致钢板淬透性较差，无法保证钢板厚度方向的显微组织和力学性能均匀性，该发明中心部布氏硬度不低于表面布氏硬度的20％，-20℃冲击功≥40J，硬度均匀性较差，不能满足低温韧性和硬度均匀性的要求。
公布号为CN109280850 A的“一种80mm大厚度高韧性低合金耐磨钢板”，该发明所述钢板厚度为80mm，所用连铸坯厚度为320mm，压缩比为4.0。另外，所述钢板的-40℃冲击功≥20J。钢板的压缩比要求较高，低温韧性指标偏低。
另外，公布号为CN107937803A、CN107058882A、CN105543669A、CN106521314A、CN106521314A、CN109280850A、CN108004469A等公开专利中所述耐磨钢的回火热处理温度区间均为100-400℃。众所周知，低合金耐磨钢的显微组织为回火马氏体组织，具有良好的硬度，但是低温韧性相对较低。
发明内容
本发明针对现有低合金马氏体型厚规格耐磨钢板在厚度方向的硬度均匀性、低温韧性等技术指标难于控制等技术难题，提出一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的80-100mm大厚度耐磨钢板及其制备方法。所述钢板的布氏硬度可达到330HBW-380HBW，钢板厚度方向硬度值不低于表面硬度的90％，1/4钢板厚度处-40℃冲击功达到60-80J。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板，所述钢板的化学成分及重量百分比含量(％)为，C：0.16％-0.18％、Si：0.20％-0.30％、Mn：1.15％-1.30％、P≤0.010％、S≤0.002％、Nb：0.010％-0.020％、Cu：0-0.05％、Cr：0.40％-0.60％、Mo：0.45％-0.60％、Ni：0.95％-1.20％、V：0.025％-0.040％，B：0.001％-0.0025％、Alt≥0.060％、Ca：0.002％-0.004％，余量为Fe其他不可避免的杂质。
更进一步地，钢的淬透性指数≥140，淬透性指数＝(1.24C％-0.95C％2)*(0.70Si％+1)*(3.33Mn％+1)*(2.16Cr％+1)*(3.00Mo％+1)*(0.36Ni％+1)*(0.37Cu+1)*(1.73V+1)*(1+1.55Alt)
更进一步地，钢板的耐磨性指数≥0.59％，耐磨性指数＝C+Mn/33+Cr。
更进一步地，钢板中气体元素含量为：O≤0.0030％，N为0.0020％-0.0040％，H≤0.00015％。
更进一步地，钢板中的Alt为0.060％-0.080％。
更进一步地，钢板厚度为80-100mm。
更进一步地，钢板表面布氏硬度为330HBW-380HBW，1/4钢板厚度处的-40℃冲击功为60-80J，截面布氏硬度不低于表面硬度的90％。
本发明的另一目的，还提供了一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，包括连铸坯缓冷、连铸坯加热、成形轧制、钢板缓冷以及NQT热处理步骤，具体如下：
(1)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，连铸坯460-650℃的缓冷时间72-96小时；
(2)连铸坯加热：连铸坯缓冷后，进行加热，出钢温度控制在1180-1220℃，连铸坯温度差≤20℃；
(3)成形轧制：奥氏体未再结晶区开轧制温度不低于890℃，开轧厚度不低于136mm。
(4)钢板缓冷：钢板成形轧制后进行堆垛缓冷，460-650℃的缓冷时间不低于72-96小时；
(5)NQT热处理：缓冷后钢板进行加热温度为900-920℃、保温时间为20-50mm的NQT热处理工艺。
进一步的，上述所述连铸坯厚度为300mm，钢板厚度为80-100mm，成材厚度规格进一步扩展，对连铸坯的厚度要求降低，钢板1/4厚度处的-40℃冲击功为60-80J，具有更优质的低温韧性。
进一步的，步骤(5)中，对缓冷72小时后的钢板进行正火(N)热处理，正火温度为900-920℃，正火保温时间为20-30min，正火后钢板在空气中自然冷却至室温。
进一步的，步骤(5)中，对正火冷却至室温后的钢板进行淬火(Q)热处理，淬火保温为900-920℃，淬火保温时间为20-30min。
进一步的，步骤(5)中，对淬火(Q)热处理后的钢板进行回火热处理，回火保温为520-550℃，回火保温时间为30-50min。采用520-550℃的回火温度，该回火温度区间不但可以充分降低厚钢板的内应力，软化组织中的硬相组织，同时还可以显著提高钢板厚度方向的硬度均匀性，提高钢板的低温韧性。
上述钢板的化学成分设计原理如下：
C：C是钢中的最主要合金元素，碳含量增加可以显著提高钢板的强度、硬度以及淬透性。但是随着含碳量的增加，钢板的韧性会产生不利影响。因此，为提高钢板的淬透性，确保钢板具有良好的强度和硬度而又不降低钢板的韧性。此外，C元素是提高耐磨性的重要元素，为此，本发明中将C含量控制在0.16％-0.18％。
Si：Si在钢中溶于铁素体和奥氏体中，能显著提高钢的强度和硬度。然而，硅太高时，容易产生回火脆性，降低钢的韧性。因此，本发明将钢中Si含量控制在0.20％-0.30％的范围内。
Mn：Mn能够增加钢的韧性、强度、硬度以及提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。此外，Mn元素是提高耐磨性的重要元素。优选地，本发明的Mn含量控制在1.15％-1.30％范围内，钢板厚度增大后，适当提高钢中的Mn含量。
P和S：P和S是钢中的有害元素，较大程度恶化钢的韧性。S在钢中可与锰形成塑性夹杂物硫化锰，对钢板的横向塑性和韧性具有较大影响；P严重影响钢板的塑性和韧性。鉴于本发明的钢板厚度较大，P和S的含量越低越好，但是在实际生产过程中，磷和硫均不可避免，因此，本发明中的P含量控制在0.010％以下、S含量控制在0.002％以下。
Nb：Nb可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，Nb偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒粗化，细化热影响区组织，改善焊接接头性能。为提高钢板强韧性和焊接性能，本发明优选地将Nb含量控制在0.01％-0.02％。
V：鉴于钢中采用低碳成分设计，C含量的降低对钢的强度损失影响较大，而添加V微合金元素可以在钢中形成VC和V(C,N)等第二项粒子，增加沉淀强化作用。而V元素为焊接再热裂纹敏感性元素，不宜添加过高，因此，本发明钢中的V的含量分别控制在0.025％-0.040％。
Cu：Cu元素可以提高钢板淬透性，但是该元素过高会影响钢的韧性，降低焊接性能。为此，本发明将钢中的Cu元素含量控制在0.05％以下。
Mo：Mo可以提高钢的回火稳定性、淬透性，防止回火脆性。本发明所述钢板淬火后采用的回火温度较高，为降低高温回火导致的钢板软化，降低回火脆性。为此，本发明优选地将Mo含量控制在0.45％-0.60％。
Cr/Ni：Cr/Ni元素复合添加可显著提高钢的淬透性，确保厚规格钢板内部获得马氏体组织，以保证钢板具有足够高的硬度。Cr元素是提高耐磨性的重要元素。Ni元素可以提高钢板低温韧性。为此，本发明优选地将钢中Cr含量控制在0.40％-0.60％、Ni含量控制在0.95％-1.20％。
Alt：Alt是最强烈的脱氧剂之一，可以有效去除钢中的氧，提高钢水的纯净度。另外，Alt还是重要的晶粒细化元素，对提高钢板冲击韧性具有积极作用。考虑到本发明涉及钢板的厚度规格较大和韧性要求较高，将Alt含量控制在≥0.060％，进一步优选控制在0.060-0.080％的范围内。
Ca：Ca元素可以对钢中的不可避免的夹杂物的形态进行改性处理，对低温韧性的改进具有促进作用。本发明优选地将钢中的Ca元素含量控制在0.002％-0.004％
N、H、O：鉴于钢板厚度较高，钢中合金元素种类和含量较高，本发明采用低N、H、O气体元素含量控制。优选地，本发明钢中气体元素含量控制范围为：O≤0.0030％，N：0.0020％-0.0040％，H≤0.00015％，Alt：0.060％-0.080％。
B：钢中的B元素可以大大提高钢板的淬透性。由于B元素为易偏析元素，当钢中的B含量过高时，将会在晶界处聚集，导致晶界催化。为此，将钢中的B元素含量控制在0.0025％以下。
本发明的有益效果为：
(1)本发明考虑到H元素导致厚钢板延迟开裂，将钢中的H元素含量降低值0.00015％以下。为保证钢板厚度方向力学性能均匀性，采用1.15％-1.30％Mn、0.95％-1.20％Ni、0.45％-0.60％Mo，钢板的淬透性大大提高，硬度均匀性得到有效保证。考虑到心部硬度改进和提高，添加0.025％-0.040％V，以提高析出强化作用。钢板心部硬度不低于表面硬度90％，-40℃冲击功在60-80J。
(2)所述钢板的硬度均匀性、低温韧性控制水平远远高于现有已公开的高韧性耐磨钢相关专利技术。除此之外，本发明采用的300mm连铸坯制备出80-100mm厚度的高韧性钢板，成品钢板对原料的限制条件进一步减小，制备工艺窗口明显扩大。
(3)本发明的另一技术创新性在于创新提出通过NQT工艺制备耐-40℃低温韧性耐磨钢，低温韧性得到大幅度改进，钢板通体布氏硬度波动控制在10％以内，材料的均匀性大大改进。
(4)本发明的工艺过程简单，成品优势明显，轧制后无需在线冷却等优点。通过本发明获得的钢板厚度规格大，-40℃低温冲击韧性高、力学性能稳定，十分适合用于制造大型机械设备耐磨部件。
总之，本发明的具有良好低温韧性的大厚度耐磨钢板，在厚规格钢板上采用NQT工艺，并通过该工艺获得厚度钢板的良好大低温韧性。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
以下实施例对本发明的内容做进一步的详细说明，本发明的保护范围包含但不限于下述实施例。
实施例1厚度规格为80mm
一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.17％、Si：0.25％、Mn：1.19％、P：0.010％、S：0.002％、Nb：0.015％、Cu：0.02％、Cr：0.49、Mo：0.51％、Ni：0.99％、V：0.029％，B：0.0015％、Alt：0.065％、Ca：0.0022％。其余为Fe和微量杂质。
钢的淬透性指数为179.23，耐磨性指数为0.69％，钢中O为0.0030％，N为0.0025％，H为0.00015％。
本实施例的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板厚度为80mm，具体制备方法如下：
(1)冶炼：铁水经过KR预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、120吨LF钢包炉精炼、120吨RH真空脱气精炼及板坯连铸机等工艺过程获得断面尺寸为300mm×2200mm的连铸坯。
(2)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，连铸坯缓冷温度为468℃-630℃之间的缓冷时间为72小时；
(3)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1210℃；
(4)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为900℃。奥氏体未再结晶区开轧厚度为136mm。
(5)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，钢板缓冷温度为460℃-600℃之间的缓冷时间为72小时；
(6)正火(N)热处理：钢板加热至910℃，正火保温时间为25min。钢板正火热处理后在空气中冷却至室温。
(7)淬火(Q)热处理：钢板加热至910℃，淬火保温时间为27min。保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温。
(8)回火(T)热处理：随后进行550℃回火热处理，回火保温时间为38min。
通过上述工艺得到的80mm厚度耐磨钢板的表面布氏硬度平均值为371HBW，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为333.9HBW，1/4钢板厚度处的-40℃冲击功为76J。
实施例2厚度规格为90mm
一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.17％、Si：0.27％、Mn：1.22％、P：0.009％、S：0.001％、Nb：0.017％、Cu：0.03％、Cr：0.53、Mo：0.55％、Ni：1.12％、V：0.033％，B：0.0017％、Alt：0.067％、Ca：0.0038％。其余为Fe和微量杂质。
钢的淬透性指数为218.18，耐磨性指数为0.74％，钢中O为0.0025％，N为0.0023％，H为0.00011％。
本实施例具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的生产制备工艺过程及连铸坯尺寸与实施例1相同，区别在于：
(1)本实施例的钢板厚度为90mm。
(2)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，连铸坯缓冷温度为480℃-640℃之间的缓冷时间为73小时；
(3)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1218℃；
(4)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为890℃。奥氏体未再结晶区开轧厚度为153mm；
(5)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，钢板缓冷温度为470℃-620℃之间的缓冷时间为72小时；
(6)正火(N)热处理：钢板加热至920℃，正火保温时间为28min。钢板正火热处理后在空气中冷却至室温。
(7)淬火(Q)热处理：钢板加热至920℃，淬火保温时间为30min。保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温。
(8)回火(T)热处理：随后进行540℃回火热处理，回火保温时间为45min。
通过上述工艺得到的90mm厚度耐磨钢板的表面布氏硬度平均值为365HBW，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为328.5HBW，1/4钢板厚度处的-40℃冲击功为80J。
实施例3钢板厚度为100mm
一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板及制备方法，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.16％、Si：0.26％、Mn：1.29％、P：0.009％、S：0.001％、Nb：0.018％、Cu：0.02％、Cr：0.57、Mo：0.58％、Ni：1.19％、V：0.037％，B：0.0017％、Alt：0.073％、Ca：0.0035％。其余为Fe和其他不可避免的杂质。
钢的淬透性指数为243.77，耐磨性指数为0.77％，钢中O为0.0026％，N为0.0026％，H为0.00012％。
本实施例具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的生产制备工艺过程及连铸坯尺寸与实施例1相同，区别在于：
(1)本实施例的钢板厚度为100mm。
(2)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，连铸坯缓冷温度为469℃-650℃之间的缓冷时间为72小时；
(3)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1215℃；
(4)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为890℃。奥氏体未再结晶区开轧厚度为170mm；
(5)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，钢板缓冷温度为485℃-631℃之间的缓冷时间为72小时；
(6)正火(N)热处理：钢板加热至920℃，正火保温时间为27min。钢板正火热处理后在空气中冷却至室温。
(7)淬火(Q)热处理：钢板加热至920℃，淬火保温时间为20min。保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温。
(8)回火(T)热处理：随后进行520℃回火热处理，回火保温时间为47min。
通过上述工艺得到的90mm厚度耐磨钢板的表面布氏硬度平均值为341HBW，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为306.9HBW，1/4钢板厚度处的-40℃冲击功为70J。
尽管通过参考并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分及重量百分比含量(％)为：C：0.16％-0.18％、Si：0.20％-0.30％、Mn：1.15％-1.30％、P≤0.010％、S≤0.002％、Nb：0.010％-0.020％、Cu：0-0.05％、Cr：0.40％-0.60％、Mo：0.45％-0.60％、Ni：0.95％-1.20％、V：0.025％-0.040％，B：0.001％-0.0025％、Alt≥0.060％、Ca：0.002％-0.004％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板，其特征在于：钢的淬透性指数≥140，淬透性指数＝(1.24C％-0.95C％2)*(0.70Si％+1)*(3.33Mn％+1)*(2.16Cr％+1)*(3.00Mo％+1)*(0.36Ni％+1)*(0.37Cu+1)*(1.73V+1)*(1+1.55Alt)；
钢的耐磨性指数≥0.59％，耐磨性指数＝C+Mn/33+Cr。
3.根据权利要求1所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板，其特征在于：钢中气体元素含量为：O≤0.0030％，N：0.0020％-0.0040％，H≤0.00015％，Alt：0.060％-0.080％。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板，其特征在于：其中，钢板厚度为80-100mm；进一步优选，钢板表面布氏硬度为330HBW-380HBW，1/4钢板厚度处的-40℃冲击功为60-80J，截面布氏硬度不低于表面硬度的90％。
5.如权利要求4所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括连铸坯缓冷、连铸坯加热、成形轧制、钢板缓冷以及NQT热处理。
6.根据权利要求5所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，连铸坯460-650℃的缓冷时间72-96小时；
(2)连铸坯加热：连铸坯缓冷后，进行加热，出钢温度控制在1180-1220℃，连铸坯温度差≤20℃；
(3)成形轧制：奥氏体未再结晶区开轧制温度不低于890℃，开轧厚度不低于136mm。
(4)钢板缓冷：钢板成形轧制后进行堆垛缓冷，460-650℃之间的缓冷时间不低于72-96小时；
(5)NQT热处理：缓冷后钢板进行加热温度为900-920℃、保温时间为20-50mm的NQT热处理工艺。
7.根据权利要求5所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，其特征在于：连铸坯厚度为300mm。
8.根据权利要求5所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，对缓冷72小时后的钢板进行正火(N)热处理，正火温度为900-920℃，正火保温时间为20-30min，正火后钢板在空气中自然冷却至室温。
9.根据权利要求5所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，对正火冷却至室温后的钢板进行淬火(Q)热处理，淬火保温为900-920℃，淬火保温时间为20-30min。
10.根据权利要求5所述的一种基于NQT工艺的具有良好-40℃低温韧性的大厚度耐磨钢板的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，对淬火(Q)热处理后的钢板进行回火热处理，回火保温为520-550℃，回火保温时间为30-50min。
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