CN110499474A - 耐高温400hb耐磨钢板及其生产方法 - Google Patents

耐高温400hb耐磨钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及耐高温400HB耐磨钢板，化学成分C：0.15～0.25％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.8～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.030～0.060％，Ti:≤0.010％,Al：0.03～0.06％，Ni：≤0.1％，Cu：≤0.1％，Cr：0.10～0.50％，Mo：0.50～1.00％，B：0.001～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，且0.55≤碳当量CEV≤0.65，CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，余量为Fe及不可避免的杂质元素。生产工艺中在轧制后控制冷却，细化晶粒，为后续离线淬火获得细小的马氏体板条。淬火后采用高温回火，在Cr/Mo/V析出物的共同作用下，保证钢板的高温性能成品钢板的微观组织为均一的回火索氏体，晶粒细小：尺寸≤25um，铁素体基体上弥散着细小均匀的析出物，该析出物为碳化物。

Description

耐高温400HB耐磨钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种铁基合金耐磨钢，属于铁基合金钢技术领域。
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、农业生产、港口电力等行业要求强度高、耐磨性好的机械设备上，如推土机、装载机、挖掘机、刮板输送机、矿用自卸车等。耐磨钢主要分为奥氏体高锰钢和低合金马氏体钢。高Mn钢基体硬度不高，但具有冲击硬化特点，在高冲击条件下显示出优越的耐磨性；但碳含量高，焊接性能差，低冲击工况下耐磨性低，同时合金含量高，不能采用连铸进行大批量生产，导致成本高，生产效率低下；目前国内外耐磨钢生产企业主要进行低合金马氏体耐磨钢的研发与连铸生产。该类耐磨钢，主要通过C含量来调节钢板硬度，并加入适量的Cr/Ni/Mo等合金元素，通过淬火和低温回火热处理，获得回火马氏体组织，保证钢板具有良好的综合机械性能。
近年来，400HB级耐磨钢板已成为国内应用的主流耐磨钢板。国内耐磨钢生产企业在低合金化设计、提高低温冲击韧性和焊接性、及短流程工艺设计等方面进行了大量的工作。中国专利CN10775543B介绍了一种30mm以内的400HB级耐磨钢板。该钢种采用无Ni的低成本合金元素设计降低生产成本，通过控制碳当量≤0.45提高焊接性能；钢板离线淬火后采用低温回火消除钢板内应力，确保钢板硬度和耐磨性。中国专利CN104451409B采用在线亚温淬火的方法生产400HB耐磨钢，但在线淬火必然会导致钢板头尾性能的不均匀性，钢板应用具有很大的局限性；中国专利CN103233171B公布了一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢板及生产方法。该钢种采用低碳设计(C：0.04-0.08％)降低裂纹敏感性，但在线控制冷却的方式进行生产同样会导致钢板头尾性能的差异，影响钢板的使用范围。另外，上述各类400HB级低合金马氏体耐磨钢板存在一个共同的弊病，即采用水冷和低温回火的生产工艺会使得钢板在高温环境下硬度强度大幅度下降，进而降低耐磨性，影响了耐磨钢的推广使用。
中国专利CN103205650B介绍了一种耐热耐磨钢板及其制造方法。钢板与常规耐磨钢板不同，在Cr/Ni/Mo的基础上，添加了稀土元素La/Ce/Nd来细化晶粒、强化晶界提高强韧性，通过添加W元素增加钢板回火稳定性和热强性，钢板在400-600℃范围内进行回火，确保钢板在300-600℃范围内具有高硬度及良好的耐磨性。但稀土元素和W元素的添加使得成本增加，对常规冶炼工艺也需要一定的改进。该发明合金元素添加较高，导致碳当量过高；10个实施例中，实施例4-10碳当量在0.75-0.94；实例1-3碳当量在0.57-0.65，但Mn含量高达1.65-2.00，很容易导致中心偏析，产生切割裂纹；高碳当量设计大大限制了钢板的焊接性能；该发明采用了Ti/V复合，且含量较高，Ti含量最大0.08，V含量最高达0.1，已超出常规的微合金化范围，对钢板的韧性存在一定的影响，因此，该发明对耐磨钢的低温冲击韧性未做研究。
随着耐磨设备的大型化，使用工况的进一步复杂化，开发满足高温条件下使用的低成本冲击韧性优良的耐磨钢板势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的低温冲击性能优良的耐高温400HB耐磨钢板及其制造方法。该低合金耐磨钢板显微组织为细小的回火索氏体(与传统的马氏体组织完全不同)；表面布氏硬度370-430HB；600℃抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥30J，表现出良好的低温韧性、强度。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种耐高温400HB耐磨钢板，化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.25％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.8～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.030～0.060％，Ti:≤0.010％,Al：0.03～0.06％，Ni：≤0.1％，Cu：≤0.1％，Cr：0.10～0.50％，Mo：0.50～1.00％，B：0.001～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，且碳当量0.55≤CEV≤0.65，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步地，上述成品钢板的微观组织为均一的回火索氏体，晶粒细小：尺寸≤25um，铁素体基体上弥散着细小均匀的析出物，该析出物为碳化物。基于此，对于厚度为4-30mm的本发明耐磨钢，表面布氏硬度370-430HB；600℃抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥30J。
本发明中钢成分的限定理由阐述如下：
C：碳含量决定了钢板的硬度。碳含量低，硬度低、韧性好、焊接性优良；碳含量高，淬火马氏体转变完全，强度高，硬度高，耐磨性好，但钢板塑韧性降低，焊接性差。基于钢板硬度、耐磨性和焊接性需要，本发明中碳含量控制为0.15～0.25％(低碳设计)。
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，同时表面质量下降，控制在0.10～0.40％之间(低含量的Si)。
Mn：增加奥氏体稳定性，淬火时降低马氏体转变临界冷却速度，强烈提高钢的淬透性。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，故本发明考虑到合金的综合加入，限定锰含量加入量介于0.80～1.30％的范围内。
Nb/V/Ti：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，并在轧制和回火过程中析出，显著提高钢的强度和韧性。由于Ti和N亲和力极强，在凝固过程中容易优先析出微米级TiN粒子；TiN坚硬多带有尖角，不易变形，对钢板的低温冲击性能不利；因此本发明严格限定Ti元素含量，控制Ti含量≤0.010％。本发明采用Nb/V复合的方式，主要通过Nb的固溶和形变诱导析出控制晶粒大小；通过V的高温回火析出，提高钢在高温下的强度和硬度，增加回火稳定性。本发明规定铌含量应介于0.010～0.040％；钒含量应介于0.030～0.060％的范围内。
Al：强脱氧元素，同时与N有较强的亲和力，可以消除N元素造成的时效敏感性。N化物的析出起到细化奥氏体晶粒的效果，保护了B元素的淬透性作用。本发明中，规定Al含量应介于0.030～0.060％。
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，本发明限定了Ni、Cu的加入量，减小对这两种元素的作用依赖，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在钢中还可以形成多种碳化物，提高钢的强度、硬度和耐磨性，提高钢的高温回火抗力。Cr含量过高会降低钢板的可焊接性。故本发明中铬含量控制在0.10～0.50％。
Mo：大幅提高钢淬透性的元素，有利于淬火时全马氏体的形成，提高钢板冲击韧性。Mo同时是强碳化物形成元素，通过影响C的扩散速率，细化析出碳化物尺寸，提高高温回火抗力，使得钢板在中高温范围内可以维持一定的强度、硬度和耐磨性。本发明中Mo含量控制在0.50～1.00％。
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，严重恶化钢板韧性和降低淬透性。
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：有害元素，对材料塑性和韧性有不利影响。本发明追求超纯净钢，严格控制P含量≤0.01％。
S：钢中有害元素，对材料塑性和韧性有不利影响。S含量高，极易形成MnS等长条夹杂物，导致钢板各向异性，容易发生分层开裂。本发明要求S：≤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，产生切割延迟裂纹。本发明严格控制O含量不高于0.0015％；N含量不高于0.0035％；H含量≤0.0002％。
CEV：本发明采取碳当量公式CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；碳当量对钢的强度和焊接性有较大的影响。CEV高强度高，但焊接性降低；本发明控制0.54≤CEV≤0.65。
本发明另提供上述一种耐高温400HB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，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理。钢水脱气后进行微量Ca处理，控制Ca含量0.001～0.005％，处理后钢水进行软搅拌，搅拌时间不低于10分钟，确保钢种硫化物、氧化物变性完全并充分上浮去除。夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5。
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，中心疏松不高于1.0级。
加热轧制工艺：将铸坯进入步进式加热炉，加热至1150-1250℃,待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，细化晶粒，提高强度和韧性。粗轧的开轧温度介于1000-1100℃。待温厚度≥3H，其中H为成品厚度。精轧开轧温度介于850-950℃。轧制完成之后钢板过ACC机组进行加速冷却，终冷温度控制在600-750℃，冷却速度要求≥6℃/s，细化晶粒，为后续离线淬火获得细小的马氏体板条，提高低温冲击韧性提供良好基础。
淬火热处理工艺：轧制后钢板进行离线淬火处理。淬火温度880-930℃，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℃，确保获得均匀的淬火马氏体组织。
回火热处理工艺：钢板淬火后，需要在500-600℃进行高温回火。钢板心部到温后，回火保温时间30-90min。钢板获得稳定的高温回火索氏体组织，确保高温强度，同时低温冲击韧性优良。
本发明与现有技术相比，具有如下特点和优势：
化学成分设计采用Cr/Mo/V等合金元素的组合，与传统类似，但取消贵金属元素Ni、Cu、稀土元素和W的加入，大大降低了钢板的合金成本；采用Nb/V复合替代V/Ti复合细化晶粒，增加高温回火强度，提高钢板低温冲击韧性。钢板低碳当量控制0.54≤CEV≤0.65，确保钢板硬度的同时，保证钢板具有良好的焊接性能。
生产工艺上，本发明轧制后控制冷却，终冷温度控制在600-750℃，冷却速度要求≥6℃/s，细化晶粒，为后续离线淬火获得细小的马氏体板条，提高低温冲击韧性提供良好基础。淬火后采用高温回火代替常规耐磨板的低温回火工艺，回火温度500-600℃，在Cr/Mo/V析出物的共同作用下，保证钢板的高温性能。
产品性能上，本发明钢板组织与常规耐磨钢板的回火马氏体不同，为回火索氏体，该组织不仅在高温状态下保持有高强度，600℃下抗拉强度≥1000MPa，延伸率A≥10％；同时低温冲击韧性优良，-40℃低温夏比冲击韧性≥30J。钢板在300-600℃下，硬度为370-430HB，具有良好的耐磨性。
本发明的耐高温400HB耐磨钢板综合性能优良，焊接性良好，相比现有钢种，高温环境下优势明显，同时采用常规低合金设计，工艺简单；为社会经济和钢铁工业发展之必然趋势。
附图说明
图1是本发明实施例1的产品钢典型组织SEM电镜扫描图片(2000X)。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明的耐高温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->淬火->高温回火
本发明实施例1-2的耐高温耐磨钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：采用电炉或转炉方式冶炼，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理。钢水脱气后进行微量Ca处理，控制Ca含量0.001～0.005％，处理后钢水进行软搅拌，搅拌时间不低于10分钟，确保钢种硫化物、氧化物变性完全并充分上浮去除。钢水成分控制见表1。
(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5-25℃。浇铸过程中实施动态轻压下。连铸工艺参数见表2。
(3)轧制：将步骤(2)所得连铸坯放入步进式加热炉，加热至1200℃，心部到温后开始保温，保温时间60分钟。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1000-1100℃，待温厚度≥3.0H；精轧开轧温度介于850-950℃，轧制完成后采用ACC快冷，终冷温度600-750℃，冷却速度≥6℃/s。具体相关工艺参数见表3。
(4)淬火：钢板淬火温度为900左右℃，保温时间为30-60min，水淬。
(5)高温回火：淬火钢板进入回火炉进行高温回火，回火温度500-600℃，保温时间30-90min。
具体成分、工艺参数见表1-表4。各实例样板对应的性能见表5。
图1给出了实施例1试验钢的微观组织照片。成品钢板的微观组织为均一的回火索氏体，晶粒细小，尺寸≤25um，铁素体基体上弥散着细小均匀的析出物。可见，通过控轧控冷工艺控制和合适的淬火工艺参数选择，使得原始奥氏体晶粒充分细化，通过合适的高温回火析出弥散均匀的碳化物，确保钢板高温硬度、强度和优良的低温冲击韧性。
表1实施例耐磨钢板的化学成分(wt％)
表2连铸工艺控制
实施例 过热度℃ 中心偏析 中心疏松
1 20 C1.0 0.5
2 15 C0.5 0.5
表3轧制工艺控制
表4热处理工艺控制
表5
本发明采用高洁净度炼钢连铸工艺，控轧控冷，离线淬火，及高温回火，从化学成分设计、母材组织、夹杂物、中心偏析、淬回火温度及时间等角度进行控制，保证钢板高温条件下的力学性能，为工程设备高温化使用提供了可行性，具有批量生产及应用的优势和前景。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耐高温400HB耐磨钢板，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.25％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.8～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.030～0.060％，Ti:≤0.010％,Al：0.03～0.06％，Ni：≤0.1％，Cu：≤0.1％，Cr：0.10～0.50％，Mo：0.50～1.00％，B：0.001～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，且0.55≤碳当量CEV≤0.65，CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的耐高温400HB耐磨钢板，其特征在于：成品钢板的微观组织为均一的回火索氏体，晶粒细小：尺寸≤25um，铁素体基体上弥散着细小均匀的析出物，该析出物为碳化物。
3.根据权利要求2所述的耐高温400HB耐磨钢板，其特征在于：厚度为4-30mm；表面布氏硬度370-430HB；600℃抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥30J。
4.一种耐高温400HB耐磨钢板的生产方法，其特征在于：包括如下主要步骤
(1)钢水冶炼：采用转炉冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，并经过VD或RH真空处理，在钢水脱气后进行微量Ca处理，控制Ca含量0.001～0.005％，处理后钢水进行软搅拌，搅拌时间不低于10分钟，确保钢种硫化物、氧化物变性完全并充分上浮去除；真空处理要控制夹杂物A、B、C、D类总级别≤2.5；
(2)铸坯：将钢水浇注成钢坯，钢坯的中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级；
(3)加热轧制：钢坯加热至1150-1250℃,待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min；钢坯出炉经除鳞后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，细化晶粒，提高强度和韧性：粗轧的开轧温度介于1000-1100℃，待温厚度≥3H，H为成品厚度；精轧开轧温度介于850-950℃；轧制完成之后钢板过ACC机组加速冷却，终冷温度控制在600-750℃，冷却速度要求≥6℃/s；
(4)淬火热处理：轧制后钢板进行离线淬火处理，淬火温度880-930℃，炉温到温后保温时间30-60min，获得均匀的淬火马氏体组织；
(5)回火热处理：钢板淬火后，需要在500-600℃进行高温回火，钢板心部到温后，回火保温30-90min，获得稳定的高温回火索氏体组织。
5.根据权利要求4所述的耐高温400HB耐磨钢板的生产方法，其特征在于：步骤(4)淬火后获得细小的马氏体板条。
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