CN110499456B - 一种表面质量优良的耐磨钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面质量优良的耐磨钢,成分为C:0.12~0.20%,Si:≤0.1%,Mn:0.6~1.20%,Nb:0.010~0.040%,V:≤0.01%,Ti:0.010%~0.030,Al:≤0.04%,Ni:≤0.1%,Cu:≤0.1%,Cr:0.10~0.40%,Mo:≤0.1%,B:0.001~0.005%,Ca:0.0010~0.0050%,P:≤0.010%,S:≤0.0015%,O:≤0.0012%,N:≤0.0035%,H:≤0.0002%,余量为Fe,碳当量CEV≤0.4;PCM≤0.25。生产工艺流程为:转炉炼钢‑>LF精炼‑>VD或RH高真空脱气‑>连铸‑>加热‑>轧制‑>抛丸处理‑>淬火‑>回火。本发明的耐磨钢具有更好的表面质量,不存在气坑、夹杂、麻坑及压入的氧化铁皮等表面缺陷。氧化铁皮脱落引起的表面花斑深度≤0.1mm,可以不进行钢板表面修磨。在元素设计的基础上进一步能够实现不预热焊接和优良的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及铁基合金技术领域,具体涉及一种表面质量优良的耐磨钢及其制造方法。
背景技术
耐磨钢板广泛应用于工程机械、矿山采运、道路运输等行业要求强度高、耐磨性好的机械设备关键部件上,如挖掘机挖斗、刮板输送机中部槽、矿用自卸车车斗等等。近年来,国内耐磨钢生产企业对如何提高钢板综合力学性能进行了大量的工作,比如:中国专利公开号为CN104451409A、CN103014543A、CN102747280B、CN106521314B的发明从表面硬度、通体硬度、高韧性、易焊接等方面进行了报道。
随着工程机械设备品种的进一步开发,设备制造商对耐磨钢板表面缺陷控制提出了越来越严的要求。一方面表面缺陷会成为各种失效开裂的裂纹源;另一方面影响设备外观。钢板生产商对于表面缺陷在不影响钢板厚度的情况下,采取局部修磨进行处理,但这对后期设备表面涂漆产生较大影响,导致漆膜凹凸不平,大大影响表面质量。开发不需修磨的高表面质量易焊接耐磨钢板,是钢板生产企业急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优良表面质量的低合金易焊接耐磨钢及其制备方法。该低合金耐磨钢板显微组织为细小的回火马氏体;抗拉强度≥1200MPa,延伸率≥12%,-40℃夏比V型纵向冲击功≥30J;布氏硬度均满足360~460HB。钢板表面质量良好,不存在气孔、夹杂、麻坑、及压入的氧化铁皮等表面缺陷。钢板可不进行修磨,氧化铁皮脱落引起的表面花斑深度≤0.1mm。钢板焊接性能良好,碳当量CEV≤0.40;焊接裂纹敏感系数PCM≤0.25,可实现不预热直接焊接。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为:一种表面质量优良的耐磨钢,化学成分按质量百分比计为C:0.12~0.20%,Si:≤0.1%,Mn:0.6~1.20%,Nb:0.010~0.040%,V:≤0.01%,Ti:0.010%~0.030,Al:≤0.04%,Ni:≤0.1%,Cu:≤0.1%,Cr:0.10~0.40%,Mo:≤0.1%,B:0.001~0.005%,Ca:0.0010~0.0050%,P:≤0.010%,S:≤0.0015%,O:≤0.0012%,N:≤0.0035%,H:≤0.0002%,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
按CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15式计算,其化学成分满足碳当量CEV≤0.40;按PCM=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B式计算,焊接裂纹敏感系数PCM≤0.25。
为实现不预热焊接和并具有优良的韧性,本发明控制碳当量CEV≤0.4;PCM≤0.25;
本发明所述表面质量优良的低合金易焊接耐磨钢板的厚度为4~20mm。
本发明中钢成分的设置原理如下:
C:碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素,决定了钢板的硬度级别、韧性和焊接性能。碳含量低,硬度低、韧性好、焊接性优良;碳含量高,强度高,硬度高,但钢板塑韧性降低,焊接性差。基于钢板设计硬度在360HB~460HB,考虑到钢板韧性及焊接性能,本发明中碳含量控制为0.12~0.20%。
Si:硅固溶在铁素体和奥氏体中提高强度和硬度。含量过高会恶化马氏体钢的韧性,增加焊接裂纹敏感性,同时表面质量下降。本研究表明,Si含量与耐磨钢表面较浅的氧化花斑有着重要联系。如图1所示,Si含量为0.25%时,耐磨钢表面存在大部分深度为0.02~0.2mm的二次氧化花斑。当Si含量为0.15%时,抛丸后,花斑深度降低为0.15mm以下,见图2。当Si含量降为0.05%时,钢板抛丸后,未出现表面花斑等缺陷,质量良好,见图3。研究表明,当耐磨钢中存在一定的Si含量时,氧化铁皮与基体间容易形成一定的Fe2SiO4化合物,该化合物增加了氧化铁皮的粘性,在除鳞过程中很难被除去,从而在轧钢过程中被压入,造成耐磨钢表面会存在浅浅的一层花斑缺陷,见图4。本研究表明,耐磨钢中当Si含量≤0.1%时,钢板表面质量良好,抛丸后不存在明显缺陷,可以满足客户高标准表面质量要求,同时也降低了钢板焊接裂纹敏感系数。因此本发明,严格控制耐磨钢Si含量≤0.1%。
Mn:强烈提高钢的淬透性,降低马氏体转变临界冷却速度。当锰的含量较低,上述作用不显著,钢板强度和韧性偏低等。过高时有使晶粒粗化的倾向,同时会引起连铸坯偏析形成MnS、韧性差和可焊性降低,故本发明中考虑到合金的综合加入,规定锰含量加入量介于0.80~1.30%的范围内。
Nb:是强烈的C、N化物的形成元素,起到对奥氏体晶界的钉扎作用,在加热时抑制奥氏体晶粒的长大。通过晶粒细化同时显著提高钢的强度和韧性。添加量小于0.010%时效果不明显,大于0.040%时易在晶界偏聚,韧性降低。因此,本发明规定铌含量应介于0.010~0.040%的范围内。
Ti:Ti是强碳化物形成元素,TiC颗粒细小,分布在晶界,达到细化钢板和焊缝晶粒的效果,同时提高钢板耐磨性。但Ti含量过高,容易形成微米级尺寸的液析TiN,对钢板的低温冲击性能不利;本发明为获得较好的焊缝性能,控制Ti含量在0.010%~0.030%。
Al:细化晶粒元素,同时可以保证细小Ti颗粒的形成,保证钢板韧性。Al含量过高,会导致过多的Al2O3夹杂物的形成,影响钢板表面质量;同时,由于本耐磨钢发明采用低Si设计,Al含量过高会把炼钢过程顶渣中的SiO2还原,增加钢水中Si的含量,从而影响后期二次氧化铁皮的形成,因此本发明规定Al含量≤0.04%。
Ni、Cu:有效提高钢的低温韧性的最常用元素。但由于价格较高,经济性较差,本发明取消Ni、Cu的加入,大大提高了发明钢种的成本竞争力。
Cr:降低马氏体转变临界冷却速度,提高淬透性。Cr过高会降低钢板的可焊接性。本发明中铬含量控制在0.10~0.40%。
Mo:提高钢淬透性的元素,有利于淬火时全马氏体的形成。但由于价格较高,经济性差,本发明中取消Mo的加入,提高发明钢种成本竞争力。
B:本发明加入0.001~0.005%的微量B,其主要目的是提高钢板的淬透性,从而减少其他贵重金属的添加量,降低成本。超过0.005%的B很容易产生偏析,形成硼化物,严重恶化钢板韧性。
Ca:Ca处理通常用来进行夹杂物变性处理,改变MnS等长条状夹杂物为CaS等球形夹杂物,降低钢板各向异性,提高钢板综合性能。本发明控制Ca含量0.0010%~0.0050%。
P和S:有害元素,对材料塑性和韧性有不利影响。本发明追求纯净钢,降低夹杂物对表面质量的影响,严格控制P含量≤0.01%,S含量≤0.0015%。。
O、N、H:有害气体元素,含量高,夹杂物多,易产生白点,大大降低钢板塑性、韧性,影响焊接性能,同时在钢板表面容易形成夹杂缺陷,影响表面质量。本发明严格控制O含量不高于0.0012%;N含量不高于0.0035%;H含量≤0.0002%。
本发明另提供上述一种具有优良表面质量的低合金易焊接耐磨钢板的制备方法,具体工艺如下,
冶炼工艺:采用转炉方式冶炼,控制转炉出钢终渣碱度R(Cao/SiO2)≥3,挡渣操作,吨钢下渣控制在3kg以内,有效控制出钢下渣引起的钢水增Si;钢水送入LF精炼炉进行精炼,控制精炼渣氧化性,控制渣中FeO+MnO含量≤2%,SiO2含量≤8%,Al2O3含量15%~35%;精炼时间不超过1小时,避免钢水大幅度增Si;钢水经过VD或RH真空处理,真空度≤0.5mbar,时间不低于30min,减少气孔的产生。本发明钢水脱气后采用钙铁线替代传统的硅钙线进行Ca处理;夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5,避免表面夹杂。
连铸工艺:为了控制钢板内部疏松、偏析,进行低过热度浇注,全程氩气保护浇注,以及动态轻压下控制。钢水过热度控制在5~20℃,中心偏析不高于C1.0级。
加热工艺:研究表明,加热温度大于1180℃时,Fe2SiO4与FeO发生反应,生产熔融态的二元共晶体,会促进钢坯局部的氧化反应,导致后续除鳞困难,引起氧化皮压入形成表明缺陷。本发明采用较低的加热温度,铸坯加热温度控制在1100~1180℃。控制均热段在炉时间,不得超过1小时。
轧钢工艺:钢板轧制前进行高压水除鳞,控制喷嘴处除鳞压力在21MPa以上。粗轧开轧及最后2道次进行高压除鳞,充分去除一次氧化铁皮。研究表明,钢板在1050℃以上,高温板坯会迅速产生二次氧化铁皮,本发明控制粗轧后中间坯头尾温度低于1000℃。为缩短钢板高温待温时间,及控制钢板晶粒度均匀性,本发明精轧开轧温度控制在≥930℃。精轧开轧采用高压水除鳞,精轧总除鳞道次不得低于3道次,终轧温度控制在≥820℃。钢板不采用加速冷却,避免多次氧化铁皮的产生。
表面处理:钢板在热处理前必须进行抛丸处理,完全去除钢板表面完整致密的氧化皮,避免后续矫直处理中的压入缺陷产生。
淬火(水淬)热处理工艺:轧制后钢板进行淬火处理,淬火温度880~940℃,炉温到温后保温时间为20~60min。为保证钢板的均匀性,温度控制精度为±10℃。
回火工艺:钢板采用低温回火,温度控制在150~250℃。炉温到温后保温时间为30~60min。为保证钢板的均匀性,温度控制精度为±10℃。
本发明与现有耐磨钢生产技术相比:
化学成分设计中取消Si、Mo元素的加入,降低了钢板的合金成本,控制Si含量≤0.1%,避免了Fe2SiO4化合物在耐磨钢基体与氧化铁皮界面形成,导致钢板表面质量下降;同时降低了钢板焊接裂纹敏感性;
化学成分采用低碳当量设计,钢板CEV≤0.40;焊接裂纹敏感系数PCM≤0.25,可实现不预热焊接;
本发明采用转炉方式冶炼,控制转炉出钢终渣碱度R(Cao/SiO2)≥3,挡渣操作,吨钢下渣控制在3kg以内,有效控制出钢下渣引起的钢水增Si;钢水送入LF精炼炉进行精炼,控制精炼渣氧化性,控制渣中FeO+MnO含量≤2%,SiO2含量≤8%,Al2O3含量15%~35%;精炼时间不超过1小时,避免钢水大幅度增Si;夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5,提高钢板超低温冲击韧性的同时,避免表面夹杂缺陷;
本发明采用较低的加热温度,铸坯加热温度控制在1100~1180℃。控制均热段在炉时间,不得超过1小时。
本发明钢板轧制前进行高压水除鳞,控制喷嘴处除鳞压力在21MPa以上。粗轧开轧及最后2道次进行高压除鳞,充分去除一次氧化铁皮,同时快速降低钢板表面温度,避免二次氧化;本发明控制粗轧后中间坯头尾温度低于1000℃,。
为缩短钢板高温待温时间,本发明适当提高精轧开轧温度,控制在≥930℃。为快速降低轧制温度,精轧开轧采用高压水除鳞,精轧总除鳞道次不得低于3道次,终轧温度控制在≥800℃。轧后钢板不采用加速冷却如水冷,避免多次氧化铁皮的产生。采用堆垛缓冷或加罩缓冷或空冷进行降温。
钢板在热处理前必须进行抛丸处理,完全去除钢板表面完整致密的氧化皮,避免后续调质及钢板精整处理中的压入缺陷产生。
本发明生产钢板表面质量良好,不存在气坑、夹杂、麻坑及压入的氧化铁皮等表面缺陷。氧化铁皮脱落引起的表面花斑深度≤0.1mm,可以不进行钢板表面修磨。
本发明方法,可以推广应用至其它钢板,如高强海工船板用钢、高层建筑用钢、桥梁用钢、工程机械用钢、压力容器用钢等。
附图说明
图1是0.25%Si对应钢板的表面质量。
图2是0.15%Si对应钢板的表面质量。
图3是0.05%Si对应钢板的表面质量。
图4是0.25%Si对应钢板表面氧化铁皮组分分析。
图5是实施例1的12mm厚的钢板表面质量。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
以钢板为例,本发明耐磨钢的生产工艺流程为:转炉炼钢->LF精炼->VD或RH高真空脱气->连铸->加热->轧制->抛丸处理->淬火->回火。
下面结合实施例1-2对本发明做进一步说明。实施例1-2具体化学成分见表1。钢板碳当量CEV≤0.4,焊接裂纹敏感系数PCM≤0.25,可实现不预热焊接。
本发明实施例1-2的具有优良表面质量的低合金易焊接耐磨钢板的生产方法,包括如下步骤:
(1)冶炼:采用150吨转炉冶炼,转炉终渣碱度R(Cao/SiO2)≥3.0;转炉出钢,每吨钢下渣量≤2kg;转炉冶炼具体工艺参数见表2;钢水进入LF炉精炼,控制精炼终渣(FeO+MnO)≤2.0%;SiO2含量≤8%;Al2O3含量15%~35%;精炼时间30~60min;精炼钢水进入RH脱气,压力0.5mbar,,时间30~50min。精炼具体工艺参数见表3。
(2)连铸:将冶炼的钢水浇铸成150mm厚的连铸坯。浇铸温度控制在液相线以上5-20℃。浇铸过程中实施动态轻压下,板材低倍控制在C0.5~C1.0。
(3)轧制:将步骤(2)所得连铸坯放入步进式加热炉,加热温度介于1100~1180℃,均热段时间介于30~60min;钢坯出炉后经高压水除鳞,除鳞压力21MPa;处理后进行粗轧。粗轧开轧第一及最后2道次分别进行高压除鳞(即在大压下率的道次匹配高压水除鳞),钢板待温温度介于930—1000℃。精轧终轧温度≥800℃。精轧除鳞道次不得低于3次。轧制具体相关工艺参数见表4。
(4)抛丸处理:将步骤(3)所得钢板进入抛丸设备进行抛丸处理,完全去除钢板表面致密氧化皮。
(5)淬火+回火:抛丸后钢板进行淬火处理,,淬火温度为910℃,保温时间为40min,淬火介质为水。淬火后,钢板采用低温回火,回火温度200℃,保温时间为40min。
实施例1-2对应的钢板性能见表5。结果表明,钢板力学性能优良,抗拉强度≥1200MPa,延伸率≥12%,-40℃夏比V型纵向冲击功≥30J;布氏硬度均满足360~460HB。
实施例钢板表面见图3、图5。结果表明,钢板表面质量良好,不存在气孔、夹杂、麻坑及氧化皮花斑等缺陷,无需修磨处理,表面质量极好。作为对比,不同Si含量的钢板表面质量如图1、2所示。图1和2为传统耐磨钢Si含量大于0.1%情况下获得的钢板表面质量。
本发明合理设计了C、Si等合金成分及其配比,降低了合金成本,并合理设计了冶炼、轧钢和热处理工艺,使获得的钢板具有优良的力学性能和焊接性能;同时钢板表面质量优异,为具有高标准表面质量要求的工程设备制造提供了可行性,具有批量生产及应用的优势和前景。
表1实施例耐磨钢板的化学成分(wt%)
表2实施例转炉冶炼工艺参数表
表3实施例精炼工艺参数表
表4轧制工艺控制
表5本发明实施例力学性能
除上述实施例外,本发明还包括有其他实施方式,凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案,均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1. 一种表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:耐磨钢的化学成分按质量百分比计为C:0.12~0.20%,Si:≤0.1%,Mn:0.6~1.20%, Nb:0.010~0.040%,V:≤0.01%,Ti:0.010%~0.030%,Al:≤0.04%,Ni:≤0.1%,Cu:≤0.1%,Cr:0.10~0.40%,Mo:≤0.1%,B:0.001~0.005%,Ca:0.0010~0.0050%,P:≤0.010%,S:≤0.0015%,O:≤0.0012%,N:≤0.0035%,H:≤0.0002%,余量为Fe 及不可避免的杂质元素;
制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼
采用转炉方式冶炼,控制转炉出钢终渣碱度R≥3,R=CaO/SiO2,挡渣操作,吨钢下渣控制≤3kg;钢水送入LF精炼炉进行精炼,控制渣中FeO+MnO含量≤2%,SiO2含量≤8%,Al2O3含量15%~35%;精炼时间≤1小时;钢水经过VD或RH真空处理,真空度≤0.5mbar,时间不低于30min;采用钙铁线替代传统的硅钙线进行Ca处理;夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5;
(2)连铸
采用低过热度、全程氩气保护浇注,以及动态轻压下控制;
(3)加热轧制
采用较低的铸坯加热温度:控制在1100~1180℃;控制铸坯均热段在炉时间不得超过1小时;
钢板轧制前进行高压水除鳞,粗轧开轧及最后2道次分别再除鳞;控制粗轧后中间坯头尾温度≤1000℃;提高精轧开轧温度≥930℃;为快速降低轧制温度,精轧开轧前采用高压水除鳞,精轧期间总除鳞道次不得低于3道次,终轧温度控制在≥800℃;轧后钢板严禁加速冷却;
(4)抛丸处理
钢板在热处理前必须进行抛丸处理,去除钢板表面完整致密的氧化皮;
(5)调制处理
钢板淬火处理,淬火温度880~940℃,炉温到温后保温时间为20~60min;钢板低温回火,回火温度150~250℃,炉温到温后保温时间为30~60min。
2.根据权利要求1所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:按CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15式计算,其化学成分满足碳当量CEV≤0.40;按PCM=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B式计算,焊接裂纹敏感系数PCM≤0.25。
3.根据权利要求1所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:当产品形式为钢板时,钢板的厚度为4~20mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:钢板表面质量良好,不存在气孔、夹杂、麻坑、及压入的氧化铁皮表面缺陷;钢板不进行修磨,氧化铁皮脱落引起的表面花斑深度≤0.1mm。
5.根据权利要求1或2或3所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:抗拉强度≥1200MPa,延伸率≥12%,-40℃夏比V型纵向冲击功≥30J;布氏硬度满足360~460HB。
6.根据权利要求1所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,钢水过热度控制在5~20℃,中心偏析不高于C1.0级。
7.根据权利要求1所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:步骤(4)中,高压水除鳞时,喷嘴处除鳞压力≥21MPa。
8.根据权利要求1所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:步骤(5)淬火和回火的温度控制精度为±10℃。
9.根据权利要求1所述的表面质量优良的耐磨钢的制备方法,其特征在于:步骤(3)轧后钢板严禁水冷,采用堆垛缓冷或加罩缓冷或空冷进行降温。
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