CN110846571A - 一种高韧性低合金耐磨钢厚板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.12%～0.20%，Si：0.10%～0.30%，Mn：0.80%～1.60%，P≤0.012%，S≤0.003%，Cr：0.30%～1.00%，Mo：0.20%～0.60%，Ni：0.80%～1.20%，Nb：0.012%～0.045%，V：0.020%～0.060%，B：0.0008%～0.0025%，N≤0.0040%，O≤0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+Ni/15≤0.70%。钢板的‑40℃低温夏比冲击功≥30J、硬度≥310HBW，同时具有良好的耐磨损性能。

Description

一种高韧性低合金耐磨钢厚板及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，特别是涉及一种高韧性低合金耐磨钢厚板及其制造方法。
背景技术
低合金耐磨钢板相对于传统的耐磨铸钢，具有合金含量低、可焊接等较好的综合性能，以及生产灵活方便、生产成本低等优点，被广泛应用于工作条件恶劣，要求高的强度和硬度、耐磨性好的工程、采矿、建筑、农业、水泥、港口、电力以及冶金等机械装备制造，如推土机，装载机，挖掘机，自卸车，球磨机及各种矿山机械、抓斗、堆取料机、输料弯曲结构等。
目前，已经有不少关于低合金耐磨钢的专利报导，其强硬度较高，具有一定耐磨性，但韧塑性和成型性均不理想，焊接性能较差，无法同时具备优异的耐磨和耐冲击性能，难以满足装备制造大型化、已加工和长寿命化制造的需求，尤其是对于-40℃低温夏比冲击功不低于30J的高韧性低合金耐磨钢厚板，现有技术没有相关公开。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.12％～0.20％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.80％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.003％，Cr：0.30％～1.00％，Mo：0.20％～0.60％，Ni：0.80％～1.20％，Nb：0.012％～0.045％，V：0.020％～0.060％，B：0.0008％～0.0025％，N≤0.0040％，O≤0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15≤0.70％。
技术效果：本发明设计的高韧性低合金耐磨钢厚板，采用中低碳和合金化的成分设计，并通过碳、锰、铬、镍、钼等合金元素以及铌、钛、钒等微合金元素的相互配合作用，并辅控制轧制和离线热处理的方法，使获得的钢板的-40℃低温夏比冲击功不低于30J、硬度不低于310HBW，在保证极高韧性的同时，还具有良好的耐磨损性能。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，钢板规格范围为40～150mm。
前所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.24％，Mn：1.12％，P：0.008％，S：0.001％，Cr：0.45％，Mo：0.47％，Ni：0.93％，Nb：0.019％，V：0.034％，B：0.00016％，N：0.0035％，O：0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.61％。
前所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.15％，P：0.007％，S：0.001％，Cr：0.46％，Mo：0.47％，Ni：0.94％，Nb：0.019％，V：0.033％，B：0.00015％，N：0.0038％，O：0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.62％。
前所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.16％，P：0.007％，S：0.001％，Cr：0.46％，Mo：0.48％，Ni：0.93％，Nb：0.019％，V：0.035％，B：0.00014％，N：0.0036％，O：0.0010％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.63％。
前所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.29％，P：0.008％，S：0.001％，Cr：0.45％，Mo：0.47％，Ni：0.92％，Nb：0.019％，V：0.032％，B：0.00015％，N：0.0035％，O：0.0013％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.64％。
本发明的另一目的在于提供一种高韧性低合金耐磨钢厚板的制造方法，包括以下流程：铁水脱硫预处理-转炉冶炼-LF+RH精炼-连铸或模铸-铸坯加热-除鳞-轧制-控冷或空冷-探伤-抛丸-淬火-回火-矫直或压平-切割-取样-喷印标识-检验-入库，铸坯或钢坯于1200～1240℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12％，终轧温度≥980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率≥50％，开轧温度≤950℃，终轧温度≥800℃；轧后控冷或空冷至室温，然后进行离线热处理，其中，淬火温度为：820～930℃，回火温度为450～530℃。
进一步的，包括
冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后进入LF炉进行精炼并经RH炉真空脱气处理；连铸：将冶炼的钢水浇铸成260～320mm的铸坯，浇铸温度控制在1517～1532℃，拉速控制在0.60～1.00m/min；
铸坯扩氢处理：连铸坯进入保温坑堆冷24h以上；
轧制：将连铸坯装入步进式加热炉中，待铸坯心部温度到温后开始保温，保温时间以1～1.5min/mm计，使奥氏体中的化学成分充分均匀化；钢坯出炉后经高压水除鳞后进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12％，终轧温度≥980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率≥50％，开轧温度≤950℃，终轧温度≥800℃；轧后控冷或空冷至室温；
淬火：将轧制冷却后的钢板以≥50℃/min的加热速度快速加热到820～930℃，炉温到温后保温时间以1～1.5min/mm计，利用淬火机热处理装备快速水冷至室温；
回火：将淬火后的钢板加热到450～530℃，炉温到温后保温时间以2～3min/mm计，空冷至室温。
本发明的有益效果是：
(1)本发明得到的钢板组织主要为贝氏体组织，主要通过贝氏体的高韧性和残留的片状马氏体来获得较好的耐磨性能；
(2)本发明得到的钢板硬度≥310HBW，同时钢板性能均匀，并且具有良好的成型、机加工性能；
(3)本发明发明得到的钢板使用温度从常规耐磨钢板的不高于250℃，扩展到不高于450℃，极大地提高了钢板的适应性；
(4)本发明由于铬、镍和钼等多种合金元素的复合添加，获得的钢板在保证极高韧性的同时，还具有良好的耐磨损性能，各元素的作用如下：
C：碳是影响耐磨钢强硬度、韧性及淬透性的重要元素，碳作为间隙固溶体元素可以显著提高钢材的强度和硬度，但会对韧性、塑性、焊接性能带来不良影响，过高的碳量将使贝氏体转变区显著右移，与高硅作用会使材料脆性增加，出现开裂现象，在回火过程中，碳含量较高的钢板会形成较粗大的碳化物，从而恶化钢板的冲击性能，碳含量过低，钢的淬硬性不足，硬度过低，耐磨性不足，因此，本发明中，将碳含量控制在0.12％～0.20％；
Si：硅在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高奥氏体的稳定性，可以降低碳原子的扩散能力，阻止回火过程中碳化物的形成，从而提高钢的回火抗力，但是，硅含量过高时影响钢的韧性、焊接性能、钢板表面质量，因此，将Si含量控制在0.80％～1.60％；
Mn：锰是廉价的稳定奥氏体和强化合金元素，可以提高贝氏体钢淬透性，同时降低贝氏体转变温度促进组织细化，增大贝氏体基体中C含量，提高强度，但是锰的偏析倾向较高，锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，而且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，综合考虑，控制锰含量在0.80％～1.60％。
Cr：铬以固溶强化性提高钢的强度、硬度、淬透性，铬含量过高时，容易形成Cr的碳化物降低钢板的韧性并且不利于钢板的焊接性能，同时，铬含量增加会形成较粗大的碳化物，由于其长条状的形貌特点而造成韧性较差，并在基体组织凝固过程中优先形成，因此，本发明中控制铬元素的加入量为0.30％～1.00％；
Ni：镍在0.5％～1.2％范围内，能与铁以任何比例互溶，通过细化铁素体晶粒改善钢的低温韧性，并具有明显降低冷脆转变温度的作用，但其价格昂贵，含量过高则成本显著增加，因此，控制其含量为0.80％～1.20％；
Mo：钼和其他导致回火脆性的元素并存时，可抑制或降低回火脆性，回火时还能析出细小的碳化物，能够提高钢的强度，细化组织，提高韧性，促进钢的强韧性匹配，同时，有利于贝氏体组织的获得，提高贝氏体的淬透性，因此，本发明中将钼含量控制在0.20％～0.60％，以获得钢板强韧性和焊接性能的匹配；
Nb：铌在钢中可以阻止再结晶和阻碍再结晶晶粒长大，从而提高强度，在钼存在的条件下，铌可在控轧过程中有效地细化显微组织的晶粒，同时还可以降低钢板的过热敏感性，因此，本发明中将铌含量控制在0.012％～0.045％；
V：钒和碳、氮、氧有极强的亲合力，是强碳化物形成元素，纳米级的V(C、N)弥散在基体中起析出强化的作用，细化钢的组织和晶粒以提高钢的强度，适量的钒含量能够提高基体的耐磨性，钒含量过高时析出粒子尺寸的增加对冲击韧性有影响，因此，将V的含量控制在0.020％～0.060％；
B：最有效的淬透性提高元素，对提高厚规格钢板的淬透性有着重要作用，但过多的硼元素会增加晶界的偏聚，降低晶界的结合能，从而降低钢板的韧性，因此，本发明中将硼含量控制在0.0008％～0.0025％；
P：磷在结晶过程中易产生偏析，从而在钢中的局部区域产生冷脆，磷与锰共同存在时，会加剧钢的回火脆性，显著恶化钢板的韧性，因此，本发明中严格控制磷的含量≤0.012％；
S：硫在钢中与锰等形成硫化锰塑性夹杂物，影响钢的横向塑性和韧性，因此，本发明中严格控制硫的含量≤0.003％；
O：氧是有害气体元素，含量高，产生的夹杂物多，降低钢板的塑形、韧性和冷弯性能，本发明严格控制氧含量≤0.0025％；
N：氮是有害气体元素，与B形成BN在晶界处富集，降低晶界结合能，且氮影响钢的性能尤其是焊接性，因此，本发明中将氮含量控制在≤0.0040％范围。
附图说明
图1为本发明中实施例1的60mm厚度试验钢的微观组织图；
图2为本发明中实施例3的100mm厚度试验钢的微观组织图。
具体实施方式
一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.12％～0.20％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.80％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.003％，Cr：0.30％～1.00％，Mo：0.20％～0.60％，Ni：0.80％～1.20％，Nb：0.012％～0.045％，V：0.020％～0.060％，B：0.0008％～0.0025％，N≤0.0040％，O≤0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15≤0.70％。
上述钢板的规格范围为40～150mm，包括以下流程：铁水脱硫预处理-转炉冶炼-LF+RH精炼-连铸或模铸-铸坯加热-除鳞-轧制-控冷或空冷-探伤-抛丸-淬火-回火-矫直或压平-切割-取样-喷印标识-检验-入库，铸坯或钢坯于1200～1240℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12％，终轧温度≥980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率≥50％，开轧温度≤950℃，终轧温度≥800℃；轧后控冷或空冷至室温，然后进行离线热处理，其中，淬火温度为：820～930℃，回火温度为450～530℃。
实施例1
本发明提供的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.24％，Mn：1.12％，P：0.008％，S：0.001％，Cr：0.45％，Mo：0.47％，Ni：0.93％，Nb：0.019％，V：0.034％，B：0.00016％，N：0.0035％，O：0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.61％。
生产流程具体为如下：
冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后进入LF炉进行精炼并经RH炉真空脱气处理；连铸：将冶炼的钢水浇铸成320mm的铸坯，浇铸温度控制在1517～1521℃，拉速控制在0.80～1.00m/min；
铸坯扩氢处理：连铸坯进入保温坑堆冷80h；
轧制：将连铸坯装入步进式加热炉中，待铸坯心部温度到温后开始保温，保温时间以1min/mm计，使奥氏体中的化学成分充分均匀化；钢坯出炉后经高压水除鳞后进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制要求道次压下率12％，终轧温度980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率50％，开轧温度940℃，终轧温度870℃；轧后控冷或空冷至室温；
淬火：将轧制冷却后的钢板以50℃/min的加热速度快速加热到910℃，炉温到温后保温时间以1.5min/mm计，利用淬火机热处理装备快速水冷至室温；
回火：将淬火后的钢板加热到480℃，炉温到温后保温时间以3min/mm计，空冷至室温。
实施例2
本发明提供的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.15％，P：0.007％，S：0.001％，Cr：0.46％，Mo：0.47％，Ni：0.94％，Nb：0.019％，V：0.033％，B：0.00015％，N：0.0038％，O：0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.62％。
生产流程具体为如下：
冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后进入LF炉进行精炼并经RH炉真空脱气处理；连铸：将冶炼的钢水浇铸成320mm的铸坯，浇铸温度控制在1519～1525℃，拉速控制在0.70～0.90m/min；
铸坯扩氢处理：连铸坯进入保温坑堆冷80h；
轧制：将连铸坯装入步进式加热炉中，待铸坯心部温度到温后开始保温，保温时间以1min/mm计，使奥氏体中的化学成分充分均匀化；钢坯出炉后经高压水除鳞后进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制要求道次压下率12.5％，终轧温度985℃，未再结晶区轧制要求累积压下率55％，开轧温度940℃，终轧温度860℃；轧后控冷或空冷至室温；
淬火：将轧制冷却后的钢板以50℃/min的加热速度快速加热到910℃，炉温到温后保温时间以1.5min/mm计，利用淬火机热处理装备快速水冷至室温；
回火：将淬火后的钢板加热到490℃，炉温到温后保温时间以3min/mm计，空冷至室温。
实施例3
本发明提供的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.16％，P：0.007％，S：0.001％，Cr：0.46％，Mo：0.48％，Ni：0.93％，Nb：0.019％，V：0.035％，B：0.00014％，N：0.0036％，O：0.0010％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.63％。
生产流程具体为如下：
冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后进入LF炉进行精炼并经RH炉真空脱气处理；连铸：将冶炼的钢水浇铸成320mm的铸坯，浇铸温度控制在1521～1527℃，拉速控制在0.80～1.00m/min；
铸坯扩氢处理：连铸坯进入保温坑堆冷70h；
轧制：将连铸坯装入步进式加热炉中，待铸坯心部温度到温后开始保温，保温时间以1.1min/mm计，使奥氏体中的化学成分充分均匀化；钢坯出炉后经高压水除鳞后进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12％，终轧温度990℃，未再结晶区轧制要求累积压下率52％，开轧温度930℃，终轧温度870℃；轧后控冷或空冷至室温；
淬火：将轧制冷却后的钢板以50℃/min的加热速度快速加热到91 0℃，炉温到温后保温时间以1.5min/mm计，利用淬火机热处理装备快速水冷至室温；
回火：将淬火后的钢板加热到470℃，炉温到温后保温时间以3min/mm计，空冷至室温。
实施例4
本发明提供的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.29％，P：0.008％，S：0.001％，Cr：0.45％，Mo：0.47％，Ni：0.92％，Nb：0.019％，V：0.032％，B：0.00015％，N：0.0035％，O：0.0013％，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝0.64％。
生产流程具体为如下：
冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后进入LF炉进行精炼并经RH炉真空脱气处理；连铸：将冶炼的钢水浇铸成320mm的铸坯，浇铸温度控制在1517～1521℃，拉速控制在0.70～0.90m/min；
铸坯扩氢处理：连铸坯进入保温坑堆冷80h；
轧制：将连铸坯装入步进式加热炉中，待铸坯心部温度到温后开始保温，保温时间以1.15min/mm计，使奥氏体中的化学成分充分均匀化；钢坯出炉后经高压水除鳞后进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12％，终轧温度980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率55％，开轧温度≤940℃，终轧温度880℃；轧后控冷或空冷至室温；
淬火：将轧制冷却后的钢板以50℃/min的加热速度快速加热到910℃，炉温到温后保温时间以1.5min/mm计，利用淬火机热处理装备快速水冷至室温；
回火：将淬火后的钢板加热到480℃，炉温到温后保温时间以2～3min/mm计，空冷至室温。
对实施例1-4的钢板的力学性能进行测试，其中低温冲击韧性按GB/T229-2007金属夏比V型缺口冲击试验方法测定，硬度按照GB/T231.1-2009方法测定，结果见表1：
Figure BDA0002249273040000081
表1实施例超细晶高强钢板的冲击、硬度性能
由图1、2可以看出，实施例中试验钢的微观组织为贝氏体组织及析出碳化物。由表2可以看出，本发明的耐磨钢的-40℃冲击功大于30J，布氏硬度大于310HB，可见，本发明涉及的耐磨钢兼具良好的低温冲击韧性和耐磨性能。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.12%～0.20%，Si：0.10%～0.30%，Mn：0.80%～1.60%，P≤0.012%，S≤0.003%，Cr：0.30%～1.00%，Mo：0.20%～0.60%，Ni：0.80%～1.20%，Nb：0.012%～0.045%，V：0.020%～0.060%，B：0.0008%～0.0025%，N≤0.0040%，O≤0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+Ni/15≤0.70%。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其特征在于：钢板规格范围为40～150mm。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17%，Si：0.24%，Mn：1.12%，P：0.008%，S：0.001%，Cr：0.45%，Mo：0.47%，Ni：0.93%，Nb：0.019%，V：0.034%，B：0.00016%，N：0.0035%，O：0.0012%，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq=0.61%。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17%，Si：0.25%，Mn：1.15%，P：0.007%，S：0.001%，Cr：0.46%，Mo：0.47%，Ni：0.94%，Nb：0.019%，V：0.033%，B：0.00015%，N：0.0038%，O：0.0012%，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq=0.62%。
5.根据权利要求1所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17%，Si：0.25%，Mn：1.16%，P：0.007%，S：0.001%，Cr：0.46%，Mo：0.48%，Ni：0.93%，Nb：0.019%，V：0.035%，B：0.00014%，N：0.0036%，O：0.0010%，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq=0.63%。
6.根据权利要求1所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.17%，Si：0.25%，Mn：1.29%，P：0.008%，S：0.001%，Cr：0.45%，Mo：0.47%，Ni：0.92%，Nb：0.019%，V：0.032%，B：0.00015%，N：0.0035%，O：0.0013%，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量Ceq=0.64%。
7.一种应用于权利要求1所述的高韧性低合金耐磨钢厚板的制造方法，包括以下流程：铁水脱硫预处理-转炉冶炼-LF+RH精炼-连铸或模铸-铸坯加热-除鳞-轧制-控冷或空冷-探伤-抛丸-淬火-回火-矫直或压平-切割-取样-喷印标识-检验-入库，其特征在于：铸坯或钢坯于1200～1240℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12%，终轧温度≥980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率≥50%，开轧温度≤950℃，终轧温度≥800℃；轧后控冷或空冷至室温，然后进行离线热处理，其中，淬火温度为：820～930℃，回火温度为450～530℃。
8.根据权利要求7所述的一种高韧性低合金耐磨钢厚板的制造方法，其特征在于：包括
冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后进入LF炉进行精炼并经RH炉真空脱气处理；
连铸：将冶炼的钢水浇铸成260～320mm的铸坯，浇铸温度控制在1517～1532℃，拉速控制在0.60～1.00m/min；
铸坯扩氢处理：连铸坯进入保温坑堆冷24h以上；
轧制：将连铸坯装入步进式加热炉中，待铸坯心部温度到温后开始保温，保温时间以1～1.5min/mm计，使奥氏体中的化学成分充分均匀化；钢坯出炉后经高压水除鳞后进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制要求道次压下率≥12%，终轧温度≥980℃，未再结晶区轧制要求累积压下率≥50%，开轧温度≤950℃，终轧温度≥800℃；轧后控冷或空冷至室温；
淬火：将轧制冷却后的钢板以≥50℃/min的加热速度快速加热到820～930℃，炉温到温后保温时间以1～1.5min/mm计，利用淬火机热处理装备快速水冷至室温；
回火：将淬火后的钢板加热到450～530℃，炉温到温后保温时间以2～3min/mm计，空冷至室温。
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