CN110628993A - 一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢及其生产方法 - Google Patents

一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢及其生产方法，所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：C：0.15～0.24%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.30～1.60%、P：≤0.015%、S：≤0.015%、Cr：0.30～0.65%、Mo：0.40～0.80%、Nb：0.03～0.06%、Ti：0.015～0.035%、B：0.001～0.005%、Als：0.010～0.040%，N≤0.0035%，其余为Fe和微量杂质元素；本发明合金添加量较少，合金成本低，属于资源节约型钢种，生产方法采用短流程制造工艺，避免了复杂热处理工艺带来的能源损耗，同时大幅缩短生产周期，节约了工序成本，解决了马氏体耐磨钢强度和塑性不匹配容易产生裂纹的难题，提高了耐磨钢使用安全性和高效性，具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，经济效益和社会效益明显。

Description

一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢及其生产 方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料技术领域，特别是一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢及其生产方法。
背景技术
目前可使用的耐磨材料分为金属和金属化合物、陶瓷及其复合材料、塑料等三大类，其中金属耐磨材料仍居主导地位。我国每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上。金属材料的80％失效于磨损，因此解决磨损和延长机械设备及其部件的使用寿命成为工业界人士在设计、制造和使用各种机械设备所需要考虑的首要问题。
合金马氏体耐磨钢其组织主要由马氏体组成，采用Cr、Ni和Mo等元素合金化，然后通过淬火与低温回火热处理，获得回火马氏体组织。同奥氏体高锰钢相比，在中等冲击磨损条件下，马氏体耐磨钢具有更好的综合机械性能，但缺憾之处在于，随着硬度的增加易产生裂纹，降低了使用寿命和安全系数。因此，对现有的马氏体耐磨钢的成分重新进行设计，并对其生产工艺进行调整，以解决现有马氏体耐磨钢容易产生裂纹的问题，成为提高马氏体合金钢耐磨性和抗裂纹性能的关键。
发明内容
本发明就是针对目前马氏体耐磨钢的综合性能不高，材料随着硬度增加其抗裂纹性会显著降低，导致其使用寿命和安全系数大大降低的问题，提供一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢及其生产方法。本发明制造成本低、工艺简单、综合性能优良，尤其解决了马氏体耐磨钢易产生裂纹的问题。
本发明的一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢，所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：C：0.15～0.24%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.30～1.60%、P：≤0.015%、S：≤0.015%、Cr：0.30～0.65%、Mo：0.40～0.80%、Nb：0.03～0.06%、Ti：0.015～0.035%、B：0.001～0.005%、Als：0.010～0.040%，N≤0.0035%，其余为Fe和微量杂质元素。
本发明钢材的厚度规格为10～30mm，Rm≥1350MPa，延伸率A≥10%，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000：450～490，同时具有优良抗裂纹性能。
本发明的一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其主要生产工艺步骤如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度5~15℃，液渣层厚度9～14mm，铸坯拉速0.8~0.9m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1200～1220℃，保温时间3.5～4h，加热炉上加温度比下加温度高10～20℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1050℃～1120℃，第一阶段累积压下率≥65%，轧制速度5.5~7.2m/s，压下速度35~45mm/s，第二阶段开轧温度960℃～1020℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度≥900℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在880～925℃，冷却速率为25～32℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在220℃～330℃之间；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在290℃～310℃；待用。
本发明采用C-Mn-Mo-Cr-Ti- B复合合金化成分设计，在设计钢的合金成分时，主要考虑了以下三点：（1）提高淬透性，获得板条马氏体组织，避免片状马氏体产生；（2）提高强度和耐磨性；（3）减少因合金元素添加造成的裂纹敏感性。因此本发明中主要化学成分限定理由如下：
C、Mn是最有效的固溶强化元素，随着钢中的C、Mn含量的增加，强度和耐磨性能提高十分明显，但对塑性和韧性十分不利。对于马氏体钢，马氏体的形态主要取决于奥氏体的含碳量，C含量的增加大幅降低马氏体转变点，易于转变为裂纹敏感性强的片状马氏体。因此设计该钢C含量范围为：0.15～0.24%。Mn将降低钢的塑性，促使其回火脆性增强，增强钢对白点的敏感性，这些因素均对抗裂纹性能不利。因此设计该钢Mn含量范围为：1.30～1.60%。
Si可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃）时的分解速度，增加回火稳定性，含量增加会造成Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物增加，降低钢的各种力学性能，和焊缝质量。因此设计该钢Si含量范围为：0.2～0.5%。
Cr与Mo复合添加，可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性，并可细化晶粒，提高强度和韧性。Cr在钢中可以形成多种碳化物，提高强度和硬度，Mo在钢中固溶于铁素体和奥氏体中，具有固溶强化和碳化物弥散强化作用。本发明中Cr、Mo的含量为Cr：0.30～0.65%、Mo：0.40～0.80%。
Nb、Ti：固溶在奥氏体中的Nb、Ti 能很好的控制加工后的再结晶，还能将再结晶温度提高100℃以上，这一作用使一般程度的控制轧制在较高的温度也可以获得。由于Nb原子的尺寸与Fe原子的尺寸相差较大，且Nb在奥氏体中的扩散系数与铁的自扩散系数相差很大，奥氏体中固溶的Nb能够起到溶质拖曳作用，阻止晶界迁移。Ti的原子尺寸与Fe的原子尺寸相差较大，但在奥氏体中的扩散系数与Fe的自扩散系数相差不大，因而具有一定的溶质拖曳作用，但不如Nb的显著。另外，TiC在奥氏体中的有效沉淀析出温度范围在900℃左右，能通过应变诱导析出方式阻止形变奥氏体再结晶。固溶在奥氏体中的Nb、Ti在相变时或相变后作为极微细的碳化物、碳氮化物析出，使强度升高。因此设计该钢Nb、Ti复合添加，含量范围分别为：Nb：0.03～0.06%、Ti：0.015～0.035%。
B、Al、N：为了提高淬透性向钢中加入微量的B元素。由于在奥氏体中B会以BN 的形式析出而影响提高淬透性的效果，因此，还要通过添加Al来固N。B含量增加会向晶界偏聚增加裂纹敏感性。N元素易于Ti形成大颗粒TiN夹杂物。因此设计该钢B、Als含量范围分别为：B：0.001～0.005%、Als：0.010～0.040%，N≤0.0035%。
本发明从工艺方面提高钢材强度和耐磨性能，降低影响抗裂纹性能的合金元素，并采用控轧控冷+回火热处理工艺控制组织结构类型，获得适当比例的板条马氏体、残余奥氏体、未溶碳化物混合组织，从而提高耐磨性和抗裂纹性能。
本发明的生产工艺主要是采用短流程制造工艺：控制轧制-在线淬火-回火，替代传统的调质工艺，缩短生产周期，降低工序成本和工序能耗，回火热处理，消除应力，改善韧塑性，降低后续加工产生裂纹几率。
采用该工艺可获得具有形变热处理效果的精细板条马氏体组织，避免片状马氏体的产生，控制残余奥氏体和未溶碳化物的形态和分布。板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单元而消耗断裂功，残余奥氏体存在于马氏体板条间，因其能使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧性改善。本发明生产工艺中各主要工艺条件的设定理由如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度5~15℃，液渣层厚度9～14mm，铸坯拉速0.8~0.9m/min。低过热度浇注和稳定拉速能提高铸坯质量、细化铸态组织，保持液渣层厚度避免钢液与空气接触，使钢液中气体含量不增加。
（2）铸坯加热温度：1200～1220℃，保温3.5～4h，加热炉上加温度比下加温度高10～20℃。既能使合金元素充分溶解于奥氏体中，又能利用Ti析出相在该温度段的稳定性阻止奥氏体晶粒过度长大，使奥氏体晶粒尺寸保持在40～50μm，为细化最终组织和控制组织转变提供有利条件。
（3）控制轧制工艺：第一阶段开轧温度1050℃～1120℃，第一阶段累积压下率≥65%，轧制速度5.5~7.2m/s，压下速度35~45mm/s，钢中添加Nb元素使再结晶温度提高至1000℃以上，当累积压下率达到65%时，在高温快速轧制和形变诱导的作用下实现动态再结晶，而轧后则可能发生亚动态再结晶。相比于静态再结晶，亚动态再结晶的速率更快，更有利于细化奥氏体晶粒。第二阶段开轧温度960℃～1020℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，在该区域内进行大变形量轧制时，奥氏体晶粒被压扁、拉长，位错和变形带等缺陷被引入晶粒内部，使得形核位置及形核率大大增加，轧后获得加工硬化效果，使未再结晶奥氏体相变后对马氏体晶粒的细化效果更好。此外，增加变形量，通过形变诱导Nb和Ti的碳氮化合物析出，起到析出强化作用，而且能有效阻止奥氏体晶粒长大，从而细化最终组织。Nb、Ti纳米级析出相能有效防止耐磨钢在焊接和火焰切割时热影响区晶粒粗大产生的脆化，可以抵抗耐磨钢常见的火焰切割裂纹和焊接裂纹。发明人还通过研究发现，Nb、Ti复合析出相能作为氢陷阱降低耐磨钢氢致裂纹的敏感性，提高了抗裂纹性能。
（4）轧后冷却工艺：终轧温度≥900℃，冷却速率为25～32℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在220℃～330℃之间。钢中添加Nb、Ti提高了再结晶温度，实现了高温阶段控制轧制，终轧温度可以控制在900℃以上，便于控制冷却工艺的实施。轧后在较高的奥氏体温度区域开始冷却，提高了相变驱动力，当冷却速率为25～32℃/s时，能获得精细板条马氏体组织，并在马氏体板条间形成残余奥氏体。控制上下水量比能提高组织均匀性，避免产生应力不均匀现象。
（4）300±10℃回火热处理，能有效消除马氏体相变产生的组织应力和热应力，改善韧塑性，降低钢板产生裂纹几率。
本发明钢材及其生产方法具有如下优点：
（1）成分设计，有利于板条马氏体组织转变，提高强度和耐磨性能，减少裂纹产生的不利因素；
（2）降低合金成本，从工艺角度弥补由于合金元素减少造成的强度和耐磨性能降低；
（3）短流程制造工艺：控轧-在线淬火-回火，替代传统的耐磨钢生产工艺，缩短生产周期，降低工序成本和工序能耗。
（4）优良的综合力学性能和抗裂纹性能，提高耐磨钢的使用安全性和高效性。钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm≥1350MPa，延伸率≥10%，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000：450～490，同时具有优良抗裂纹性能。
本发明钢材合金添加量较少，合金成本低，属于资源节约型钢种。采用短流程制造工艺，避免了复杂热处理工艺带来的能源损耗，同时大幅缩短生产周期，节约了工序成本。解决了马氏体耐磨钢强度和塑性不匹配容易产生裂纹的难题，提高了耐磨钢使用安全性和高效性。因此具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，经济效益和社会效益明显。
附图说明
图1是本发明实施例4制备的钢板的回火板条马氏体表面组织图（晶粒尺寸约为3～5μm）；
图2是本发明实施例4制备的钢板的回火板条马氏体心部组织图（晶粒尺寸约为3～5μm）。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
实施例1
一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢，所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：C：0.15%、Si：0.45%、Mn：1.60%、P：0.012%、S：0.010%、Cr：0.36%、Mo：0.72%、Nb：0.043%、Ti：0.019%、B：0.0025%、Als：0.035%，N：0.0032%，其余为Fe和微量杂质元素。
一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其主要生产工艺步骤如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度5℃，液渣层厚度9mm，铸坯拉速0.8m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1200℃，保温时间3.54h，加热炉上加温度比下加温度高10℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1120℃，第一阶段累积压下率75%，轧制速度5.7m/s，压下速度35mm/s，第二阶段开轧温度1020℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度925℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在910℃，冷却速率为27℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在290℃之间；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在300℃；待用。
实施例2
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.24%、Si：0.25%、Mn：1.35%、P：0.014%、S：≤0.009%、Cr：0.30%、Mo：0.65%、Nb：0.053%、Ti：0.028%、B：0.0035%、Als：0.038%， N：0.0030%，其余为Fe和微量杂质元素。
一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其主要生产工艺步骤如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度8℃，液渣层厚度10mm，铸坯拉速0.85m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1215℃，保温时间3.8h，加热炉上加温度比下加温度高16℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1108℃，第一阶段累积压下率70%，轧制速度6.3m/s，压下速度42mm/s，第二阶段开轧温度1010℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度919℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在902℃，冷却速率为31℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在240℃之间；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在240℃；待用。
实施例3
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.19%、Si：0.37%、Mn：1.53%、P：0.012%、S：≤0.008%、Cr：0.42%、Mo：0.56%、Nb：0.048%、Ti：0.023%、B：0.0024%、Als：0.029% ，N：0.0028%，其余为Fe和微量杂质元素。
一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其主要生产工艺步骤如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度15℃，液渣层厚度14mm，铸坯拉速0.9m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1220℃，保温时间3.7h，加热炉上加温度比下加温度高20℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1089℃，第一阶段累积压下率68%，轧制速度7.2m/s，压下速度39mm/s，第二阶段开轧温度997℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度≥905℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在889℃，冷却速率为25℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在310℃；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在300℃；待用。
实施例4
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.22%、Si：0.41%、Mn：1.47%、P：0.011%、S：≤0.007%、Cr：0.63%、Mo：0.49%、Nb：0.052%、Ti：0.031%、B：0.0041%、Als：0.039%，N：0.0029%，其余为Fe和微量杂质元素。
一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其主要生产工艺步骤如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度12℃，液渣层厚度10.5mm，铸坯拉速0.88m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1213℃，保温时间3.9h，加热炉上加温度比下加温度高14℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1050℃，第一阶段累积压下率70%，轧制速度6.4m/s，压下速度43mm/s，第二阶段开轧温度964℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度≥917℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在884℃，冷却速率为32℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在236℃；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在300℃；待用。
实施例5
一种布氏硬度450级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法，其组分及重量百分比含量：C：0.17%、Si：0.49%、Mn：1.32%、P：0.012%、S：≤0.009%、Cr：0.33%、Mo：0.74%、Nb：0.044%、Ti：0.032%、B：0.0029%、Als：0.033%，N：0.0031%，其余为Fe和微量杂质元素。
一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其主要生产工艺步骤如下：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度9.5℃，液渣层厚度11mm，铸坯拉速0.87 m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1218℃，保温时间3.7h，加热炉上加温度比下加温度高13℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1114℃，第一阶段累积压下率65%，轧制速度7.1m/s，压下速度38mm/s，第二阶段开轧温度1014℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度≥942℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在923℃，冷却速率为31℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在292℃；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在300℃；待用。
将实施例1-5生产的钢板经力学性能测试，其主要力学性能列表如下：
表1 实施例1-5生产的钢板的力学性能情况列表
从表1中可看出，本发明钢板厚度规格范围为10～30mm，Rm≥1350MPa，延伸率≥10%，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000：460～480，从实例可以看出，采用控制轧制+DQ+T工艺生产的钢板性能稳定。实施例1-5生产的钢板在焊接、火焰切割、使用过程中均无裂纹产生。经大量试验验证及力学性能检测，实际生产试验，上述各实施例中实施例4的成分设计及工艺参数均为本发明最优取值。

Claims (3)

1.一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢，其特征在于：所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：C：0.15～0.24%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.30～1.60%、P：≤0.015%、S：≤0.015%、Cr：0.30～0.65%、Mo：0.40～0.80%、Nb：0.03～0.06%、Ti：0.015～0.035%、B：0.001～0.005%、Als：0.010～0.040%，N≤0.0035%，其余为Fe和微量杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢，其特征在于：所述钢材的厚度为10～30mm，Rm≥1350MPa，延伸率A≥10%，-20℃Akv≥47J，HBW/10/3000：450～490，同时具有优良抗裂纹性能。
3.如权利要求1所述的一种HB460MPa级高强度高韧性抗火切裂纹耐磨钢的生产方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）铸坯：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理，并连铸成200mm厚的连铸坯，中间包钢水过热度5~15℃，液渣层厚度9～14mm，铸坯拉速0.8~0.9m/min；
（2）铸坯加热：设置铸坯加热温度为1200～1220℃，保温时间3.5～4h，加热炉上加温度比下加温度高10～20℃；
（3）轧制工艺：第一阶段开轧温度1050℃～1120℃，第一阶段累积压下率≥65%，轧制速度5.5~7.2m/s，压下速度35~45mm/s，第二阶段开轧温度960℃～1020℃，道次压下率≥15%，最后道次轧制速度3.5m/s，终轧温度≥900℃；
（4）在线淬火：设置开冷温度在880～925℃，冷却速率为25～32℃/s，采用高压水冷，上下集管水量比为1：1.25，终冷温度控制在220℃～330℃之间；
（5）回火：待钢材自然冷却至室温后进行回火，回火温度控制在290℃～310℃；待用。
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