CN110684925A - 一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带，其化学成分重量百分比为：C:0.10%～0.25％、Si:1.0%～1.5％、Mn:1.50%～2.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Als:0.020%～0.050％、Cu:0.20%～0.40％、Nb：0.020%～0.040％、Ti：0.010%～0.030％，N≤0.0045%，其它为Fe和不可避免的残余元素。本发明还涉及一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，在轧制和冷却工序中采用控制轧制和分段冷却技术，在线获得马氏体+铁素体+残余奥氏体金相组织，无需轧后调制热处理。本发明生产的热轧钢带成本低廉，具有高强度、硬度和较好的冷弯性能，耐磨性和耐腐蚀性能优良，工艺流程简单，节能环保。

Description

一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种热轧钢带及其生产方法，尤其涉及一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带及其生产方法。
背景技术
高强耐磨钢以其较高的强度、硬度和较好的冷成型性能，广泛应用于自卸车、混凝土搅拌车、料斗、碎料机及煤矿机械等领域。近年来，随着国家汽车轻量化政策的普及，市场对耐磨钢的需求越来越多，国内各大钢厂及研究机构相继开展高强耐磨钢的研究和开发，在成分设计上普遍采用中低碳+中锰+Nb、Ti、Cr、B等合金设计，虽然具备较高的强度和硬度，在干介质下具有较好的耐磨性，但碳化物的析出造成腐蚀性能的降低，在湿介质下耐腐蚀性能不理想。
目前在热轧耐磨钢制造方法上，一般采用控轧控冷+离线淬火+低温回火工艺，生产流程偏长、工序能耗和成本偏高，而对于在常规热连轧产线采用控制轧制+分段控制冷却的一步生产法研究和报道偏少。
公开号为CN 109536843A的专利申请公开了“一种含氮双相耐腐蚀耐磨热轧钢及生产方法”，其组分及重量百分比含量为：Si：0.2～0.40％，Mn：3.0～5.5％，N：0.03～0.12％，Ti：0.08％～0.30％，Cr：0.35～1.50％，C＝1/2Ti-1/2N+0.10%计算加入量，余量为Fe及不可避免的杂质。该专利Mn、Cr含量高，加大了热裂纹和带状偏析发生概率，连铸浇注稳定性不易保证，产品冲击性能偏低，且钢水采用电炉冶炼，冶炼成本高昂，不利于大批量生产。
公开号为CN 105779885B的专利公开了“一种具有良好加工性能的耐磨热轧薄钢板及其制造方法”，其在成分上加入了0.15%～0.28%含量的Cu，替代价格偏高的Cr，降低了合金成本同时提高了在干、湿介质工况下耐腐蚀性，不足之处是层冷采用常规冷却工艺，组织为准多边形铁素体+珠光体+粒状贝氏体，材质强度有限，硬度不高，布氏硬度仅有HBW180-200，限制了在高耐磨要求领域的应用。
公开号为CN103255341A的专利申请公开了“一种高强度高韧性热轧耐磨钢及其制造方法”，制备的耐磨钢强度高、冲击韧性较低，在耐磨机理设计上采用相变诱导效应原理来增强耐磨钢的强度、硬度和耐磨性。这种材质只有在带有载荷冲击条件下，相变诱导效应才能有效的发挥强化效果，在无载荷冲击工况下和高锰钢类似，抗磨损性能一般。此外，成分设计上未考虑加入抗腐蚀性元素，其生产的产品在盐碱、湿介质等环境下的耐腐蚀性、耐磨性不佳。
公开号CN107217202A的专利申请公布了“一种布氏硬度500级的耐磨钢及其制造方法”，其化学成分按质量百分比为：C：0.25％～0.28％，Si：0.22％～0.28％，Mn：1.15％～1.24％，P≤0 .01％，S≤0 .005％，Cr：0.2％～0.25％，Cu：0.01％～0.015％，Al：0.03％～0 .05％，Ni：0.04％～0.045％，Mo：0.01％～0.02％，Ti：0.03％～0.04％，V：0.007％～0.018％，B≤0.004％，其余为铁和不可避免的杂质。该发明方法制造的钢板具有优良耐磨性和较高韧性，但合金设计成分上因合金含量低材质淬透性差，只能生产15mm及以下薄规格钢板，其轧后采用离线淬火加回火的调质处理工艺，工艺复杂、工序能耗大，采用离线淬火工艺，钢板残余应力大，板形不易保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带及其生产工艺，通过成分和夹杂物形貌控制、控制轧制和分段冷却工艺，生产出成本低廉、具有高强度、高硬度和较好冷弯性能的耐磨耐蚀钢，无需轧后调制热处理，工艺流程简单，节能环保。
解决上述技术问题的技术方案为：
一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带，其化学成分重量百分比为：C:0.10%～0.25％、Si:1.0%～1.5％、Mn:1.50%～2.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Als: 0.020%～0.050％、Cu:0.20%～0.40％、Nb：0.020%～0.040％、Ti：0.010%～0.030％，N≤0.0045%，其它为Fe和不可避免的残余元素。
一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，包括铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼、RH脱气、板坯连铸、板坯加热、控制轧制、控制冷却、卷取生产工序： 所述板坯连铸工序，板坯化学成分重量百分比为：C:0.10%～0.25％、Si:1.0%～1.5％、Mn:1.50%～2.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Als: 0.020%～0.050％、Cu:0.20%～0.40％、Nb：0.020%～0.040％、Ti：0.010%～0.030％，N≤0.0045%，其它为Fe和不可避免的残余元素。
上述一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，所述板坯加热工序，在炉时间180-300min,均热段时间40-60min，出炉温度1250±20℃。
上述一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，所述控制轧制工序，粗轧采用3＋5道次轧制，最后2道次压下率控制在20%-27%之间，粗轧累计压下率控制在70%-85%之间，中间辊道投用保温罩和边部加热器，精轧累计压下率按60%-80%控制，终轧温度按870-930℃控制。
上述的一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，所述控制冷却工序，层流冷却采用分段冷却方式，中冷温度630-670℃，空冷时间5-8s，卷取温度控制在150℃以下，冷却速率≥35℃/s，以获得理想的组织和性能。
上述的一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，所述冶炼工序，包括以下步骤：
1）铁水预处理，铁水量按钢包总容量的75%-97%装入，控制铁水出站S含量，S≤0.015wt%,；
，控制铁水出站S含量，S≤0.015wt%,；
2）转炉炼钢，采用滑板挡渣，严格控制下渣量，P≤0.020wt％，出钢1/6-1/2时加合金，出钢1/4-3/4时加石灰，终点温度控制在1590-1630℃；
3）LF精炼，精炼时间控制在35-55min，净吹时间控制在6-12min,出站温度控制在1600-1630℃，采用深脱硫模式处理，保证出站S≤0.010wt%，对钢中夹杂物进行变性处理，控制夹杂物大小和形貌；
4）RH脱气，钢水全过程吹氩搅拌；真空度控制在0-1.0mbar，深真空时间20-25min，净吹时间6-12min,使钢水充分脱氧、脱氮。
上述的一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，所述板坯连铸工序，钢水进中包温度控制在1511-1541℃，过热度ΔT=10～30℃，采用1.0-1.3m/min恒定拉速和铸坯凝固末端动态轻压下，恒定拉速是为了保证浇注稳定减少液面波动卷渣，动态轻压下是为破碎柱状晶，使再结晶过程晶粒细化，改善钢坯内质和成分偏析，全程氩气保护浇注，防止外界空气进入。
上述的一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带，其成品厚度2.5-12.0mm，力学性能：屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8%，布氏硬度HBW：300-500，且在弯曲压头直径采用6倍厚度弯曲90°合格。
本发明成分设计主要依据：
C：碳是廉价而有效间隙固溶强化元素，为了保证钢板高的强度、硬度和淬透性需要相当的碳含量做保证，在一定范围内钢板的硬度随碳含量的增加而相应的增加，同时一定的碳含量可以和Ti、Nb形成碳化物析出，增加耐磨性。但碳含量过高会导致塑性、韧性降低，焊接性能下降。因此，本发明C含量控制在0.10%～0.25％之间。
Si：加入适量Si对钢水进行脱氧，并和钙、铝一起形成硅酸盐，改善钢质，同时Si又是固溶强化元素，能够增加钢材强度和硬度，另外Si和Mn相互协调提高钢的淬透性，但过高的Si会使钢的脆性增大、冲击韧性能下降，在钢表面易形成红褐色的硅酸亚铁，影响表面质量。因此，本发明Si控制在1.0%～1.5％之间比较适宜。
Mn：锰是固溶强化元素，起到强化基体增加碳化物的弥散度和稳定性的作用，能够提高钢的淬透性，有效提高强度和耐磨性，但过量的Mn易形成严重的中心偏析，影响组织和性能。因此，本发明Mn按1.50%～2.00%控制。
Al：铝在钢中炼钢过程中主要作用是脱氧，还可以与钢中的氮结合形成AlN，若钢中的氮含量较高，加入的Ti不足以固定氮原子，铝也可以起到固氮的作用。因此，本发明中铝含量控制在合适的范围内，考虑合金成本，优选控制在0.020%～0.050％之间。
Cu：铜在钢中一方面起到一定的强化作用，另一方面显著提高钢板的耐蚀性，能够在湿介质下具有良好的耐蚀性。Cu能够提高钢板基体的电极电位，扩大钝化范围，同时促进在钢板表面形成致密的Fe3O4，阻止基体的进一步腐蚀。Cu含量过低起不到耐蚀作用，Cu含量过高增加成本同时容易出现热裂纹。因此，本发明Cu含量控制在0.20%～0.40％之间。
Nb：是强碳和氮化合物形成元素，主要作用是通过在钢中形成细小碳氮化物抑制再结晶和晶粒长大，起到细化晶粒的作用，空冷时又具有一定的析出强化的作用。但Nb含量过高，增加成本且则会形成粗大的NbC，影响钢板的力学性能。因此，本发明中Nb的加入量为0.020％～0.040％。
Ti：是强碳和氮化合物形成元素，其碳化物TiC颗粒细小且具有极高的硬度，弥散分布在钢板的基体中能够有效的提高钢板的硬度和耐磨性。另外，钢中形成细小钛的碳氮化物能有效抑制加热时晶粒的长大。但含量过高时会与N结合形成的粗大的TiN夹杂,降低钢板的低温韧性和疲劳性能。因此，本发明中Ti的加入量控制在0.010%～0.030％比较合适。
本发明轧钢工艺制度制定的依据：
板坯加热工序中在炉时间和均热时间过短则板坯内、外温差大，出现夹生钢，后续轧制困难，且成品极易出现混晶，在炉时间和均热时间过长则板坯氧化烧损大、成材率低，因此本发明在炉时间控制在180-300min,均热时间控制在40-60min。出炉温度以保证轧制稳定，不超轧机工艺规定负荷为前提，同时保证终轧温度命中，因此根据钢种特性，本发明出炉温度控制在1250±20℃。
控制轧制工序中采用两阶段轧制模式，一阶段在完全再结晶区轧制，此时应充分利用板坯温度高有利于变形的特点加大压下率进行反复轧制，使奥氏体在发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复过程中细化，粗轧最后两道次压下率对改善产品的冲击韧性很关键，在考虑设备能力的同时，确定本发明的最后2道次压下率控制在20%-27%之间，粗轧累计压下率控制在70%-85%之间。粗轧和精轧之间为中间辊道，板坯在输送过程中边部温降大，为减少边部温降在中间辊道投用保温罩和边部加热器。
二阶段在未再结晶区轧制，在此阶段增加压下率可以进一步细化奥氏体晶粒，使轧制过程中富集大量的位错，为后面相变提供足够的形核点。终轧温度的设定一方面要考虑精轧机组的负荷，由于在奥氏体区轧制温度不能过低，否则轧机容易超负荷跳闸，另一方面终轧温度设在Ar3以上20-50℃，综合考虑本发明终轧温度按870-930℃控制。
控制冷却工序中采用层流冷却采用分段冷却方式，通过一段冷却获得一定比例的先共析铁素体，中冷温度和空冷时间控制是关键，中冷温度太高、空冷时间过短，先共析铁素体来不及转变，最终组织铁素体比例偏少，材质强度高、延伸率和冲击韧性不足，相反则延伸率和冲击韧性由于强度、硬度偏低，因此，本发明中冷温度控制630-670℃，空冷时间5-8s。二段冷却采用快速密集冷却，冷却速率≥35℃/s，卷取温度控制在150℃以下，通过在线淬火将剩余的奥氏体转变成马氏体，最终获得马氏体+铁素体+残奥的金相组织。
本发明的有益效果：
1）本发明在成分上采用中碳+中硅和中锰+Ti、Nb微合金强化+Cu设计，避免使用Cr、Mo、Ni等价格高昂的合金，控制了合金成本；添加适量Cu元素，使钢材在湿介质环境下具备良好的耐腐蚀能力。
2）本发明涉及的冶炼工序对C、Mn、Si、Cu、Nb、Ti等元素进行精确控制，对钢中夹杂物进行变性处理，控制夹杂物数量、形态和尺寸，提高钢水纯净度。浇注过程中采用恒定拉速和铸坯凝固末端动态轻压下技术，减少了液面波动造成的卷渣，改善了钢坯内质和成分偏析。
3）本发明涉及的轧钢工序，不同于常规的热轧+轧后调质热处理，通过控制轧制和分段冷却工艺，在线获得马氏体+铁素体+残余奥氏体金相组织，无需轧后热处理，工艺流程简单，节约了工序能耗和成本。
4）按本发明提供方法生产的产品力学性能优良，屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8%，布氏硬度HBW在300-500之间，具备高的强度、硬度和较好的冷弯性能，在使用中表现出良好的耐磨和耐腐蚀性能。可用于自卸车、混凝土搅拌车、料斗、碎料机及煤矿机械等领域。
附图说明
图1为实施例1钢带横向厚度1/2处金相组织图；
图2为实施例2钢带横向厚度1/2处金相组织图；
图3为实施例3钢带横向厚度1/2处金相组织图；
图4为实施例4钢带横向厚度1/2处金相组织图；
图5为实施例3钢带横向厚度1/2处金相组织图；
图6为实施例4钢带横向厚度1/2处金相组织图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容。
本发明一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，生产工艺流程包括：铁水预处理→转炉炼钢→LF精炼→RH脱气→板坯连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取后空冷至室温得到钢卷。
在冶炼工序中，按以下步骤实施：
1）铁水预处理，铁水量按钢包总容量的75%-97%装入，本实施例1-6为300吨钢包，铁水量按230-290t装入，控制铁水出站S含量，S≤0.015wt%,；
2）转炉炼钢，采用滑板挡渣，严格控制下渣量，P≤0.020wt％，出钢1/4时加合金，出钢1/2时加石灰，终点温度控制在1590-1620℃之间；
3）LF精炼，精炼时间控制在40-50min，净吹时间控制在8-12min,出站温度控制在1600-1630℃，采用深脱硫模式处理，保证出站S≤0.010wt%，对钢中夹杂物进行变性处理，控制夹杂物大小和形貌；
4）RH脱气，钢水全过程吹氩搅拌；真空度控制在0-1.0mbar，深真空时间20-25min，净吹时间6-12min,使钢水充分脱氧、脱氮。
按以上方法实施获得的钢水化学成分见表1。
表1 高强耐磨耐腐蚀钢成分情况（单位：wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在板坯连铸工序，中包温度按1521-1541℃之间，过热度ΔT=10～30℃，采用1.0-1.3m/min恒定拉速浇注，连铸机最后两个扇形段进行凝固末端动态轻压下，压下量8mm。恒定拉速是为了保证浇注稳定减少液面波动卷渣，动态轻压下是为破碎柱状晶，使再结晶过程晶粒细化，改善钢坯内质和成分偏析，全程氩气保护浇注，防止外界空气进入。
本发明涉及的轧钢工序的生产方法在邯钢2250常规热连轧产线实施，2250主轧线设备配置：有4座加热炉，2台粗轧机，即R1轧机和R2轧机,7台精轧机，即F1-F7轧机，1条层流冷却装置以及3台地下卷取机。
轧制过程采用两阶段轧制，一阶段在完全再结晶区轧制，粗轧采用3+5道次，即R1轧制3道次＋R2轧制5道次，利用粗轧高温大压下的有利条件，充分发挥设备能力，最后两道次的压下率控制在20%-27%之间，粗轧累计压下率控制在70%-85%之间，使奥氏体晶粒在反复变形、再结晶和回复过程中细化。二阶段在未再结晶轧制，在此阶段增加压下率可以进一步细化奥氏体晶粒，使轧制过程中富集大量的位错，为后面相变提供足够的形核点，考虑精轧设备能力，精轧累计压下率控制在60%-80%之间。
层流冷却采用分段冷却，通过一段冷却获得一定比例的先共析铁素体，中冷温度按630-670℃控制，空冷时间5-8s，二段冷却通过快速冷却将大部分的奥氏体转变成马氏体以保证材料的强度和硬度，冷却速率要求大于或等于35℃/s，卷取温度不高于150℃，轧制过程参数见表2。
表2 2250常规热连轧轧制工艺参数
Figure 549221DEST_PATH_IMAGE002
表3 高强耐磨耐腐蚀钢力学性能
Figure DEST_PATH_IMAGE003
由表3 可知，厚度2.5-12.0mm高强耐磨耐腐蚀钢屈服强度在1187-1280MPa之间，抗拉强度在1437-1550MPa之间，采用A50标距断后延伸率在13.4%-15.0%，经检测表面布氏硬度在HBW 417-445之间，马氏体比例在82%-92%之间，6个实施例的力学性能完全满足标准要求。
表4 耐磨耐腐蚀性能对比
Figure 528679DEST_PATH_IMAGE004
用实例1-6做磨里磨损试验和耐海水腐蚀试验，从表4可以看出，高强耐磨耐腐蚀钢实例1-6的磨损率在0.074-0.086g/h，而对比例1（Q345B）和对比例2（700L）的磨损率分别0.42g/h和0.15 g/h。在耐腐蚀方面，实例1-5的耐盐碱腐蚀速率在0.038-0.046mm/a，而对比例1和对比例2分别为0.28 mm/a和0.26mm/a。由此可见，本发明中的高强耐磨耐腐蚀钢相比传统低合金钢，表现出优异的耐磨性和抗腐蚀性能。

Claims (8)

1.一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带，其特征在于：其化学成分重量百分比为：C:0.10%～0.25％、Si:1.0%～1.5％、Mn:1.50%～2.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Als: 0.020%～0.050％、Cu:0.20%～0.40％、Nb：0.020%～0.040％、Ti：0.010%～0.030％，N≤0.0045%，其它为Fe和不可避免的残余元素。
2.一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，包括铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼、RH脱气、板坯连铸、板坯加热、控制轧制、控制冷却、卷取生产工序：其特征在于：所述板坯连铸工序，板坯化学成分重量百分比为：C:0.10%～0.25％、Si:1.0%～1.5％、Mn:1.50%～2.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Als: 0.020%～0.050％、Cu:0.20%～0.40％、Nb：0.020%～0.040％、Ti：0.010%～0.030％，N≤0.0045%，其它为Fe和不可避免的残余元素。
3.如权利要求2所述一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，其特征在于：所述板坯加热工序，在炉时间180-300min,均热段时间40-60min，出炉温度1250±20℃。
4.如权利要求2所述一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，其特征在于：所述控制轧制工序，粗轧采用3＋5道次轧制，最后2道次压下率控制在20%-27%之间，粗轧累计压下率控制在70%-85%之间，中间辊道投用保温罩和边部加热器，精轧累计压下率按60%-80%控制，终轧温度按870-930℃控制。
5.如权利要求2所述一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，其特征在于：所述控制冷却工序，层流冷却采用分段冷却方式，中冷温度630-670℃，空冷时间5-8s，卷取温度控制在150℃以下，冷却速率≥35℃/s。
6.如权利要求2所述一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，其特征在于：所述铁水预处理，铁水量按钢包总容量的75%-97%装入，控制铁水出站S含量，S≤0.015wt%,；
所述转炉炼钢，采用滑板挡渣，严格控制下渣量，P≤0.020wt％，出钢1/6-1/2时加合金，出钢1/4-3/4时加石灰，终点温度控制在1590-1630℃；
所述LF精炼，精炼时间控制在35-55min，净吹时间控制在6-12min,出站温度控制在1600-1630℃，采用深脱硫模式处理，保证出站S≤0.010wt%，对钢中夹杂物进行变性处理，控制夹杂物大小和形貌；
所述RH脱气，钢水全过程吹氩搅拌；真空度控制在0-1.0mbar，深真空时间20-25min，净吹时间6-12min,使钢水充分脱氧、脱氮。
7.如权利要求2所述的一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带的生产方法，其特征在于：所述板坯连铸工序，钢水进中包温度控制在1511-1541℃，过热度ΔT=10～30℃，采用1.0-1.3m/min恒定拉速和铸坯凝固末端动态轻压下。
8.如权利要求1所述的一种高强耐磨耐腐蚀热轧钢带，其特征在于：所述热轧钢带成品厚度2.5-12.0mm，力学性能：屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8%，布氏硬度HBW：300-500，且在弯曲压头直径采用6倍厚度弯曲90°合格。
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