CN111607736B - 一种焊接性能优良的耐磨钢及生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种焊接性优良的耐磨钢，其组分及wt%为：C：0.10~0.16%，Si：0.1~0.35%，Mn：1.0~1.5%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.02~0.06%，Nb：0.015~0.035%，Ti：0.020~0.035%，N≤0.007%；生产方法：经脱硫铁水，冶炼，LF炉精炼，真空处理并浇铸成坯；对铸坯加热；粗轧；精轧；快冷+空冷+层流冷却；卷取；直接经横切线横切交货。本发明在保证钢板抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12%的前提下，钢板表面布氏硬度在368~425，‑20℃KV2冲击功在58~65J，无需添加Cr及Mo元素，且不需回火，敏感裂纹系数Pcm在0.20~0.25%。

Description

一种焊接性能优良的耐磨钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨钢及冷生产方法，具体涉及一种焊接性能优良的耐磨钢及生产方法，其特别适用于机械工程用钢厚度在2~15mm的耐磨钢板及生产。
背景技术
耐磨钢是重要的基础材料之一，广泛应用于矿山机械、煤炭采运、工程机械、建材、电力机械、铁路运输等领域，国外耐磨钢如瑞典奥克隆德的HARDOX系列、德国蒂森克虏伯的XAR系列、日本JFE的EVERHARD系列，在研发与生产方面处于领先地位，厚度规格可覆盖3~100mm的HB300~600各级别产品。
近年来我国在耐磨钢的研发生产方面进展明显，有企业能够稳定批量供应HB450硬度级别以下的耐磨钢板，质量可靠，受到市场认可，但其生产工艺为传统的离线调质工艺，即需要对钢板进行离线进行热处理，存在合金成本较高和流程较长等问题，相对能耗也较高。
中国专利公开号为CN106048417B的文献，公开了《一种低合金高强度耐磨钢板及其超快冷生产方法》，其化学成分组成及质量百分比含量如下：C：0.18～0.24%，Si：0.30～0.80%，Mn：1.40～1.60%，P≤0.015%，S≤0.005%，Cr：0.60～0.85%，Mo：0.20～0.60%，Ni：0.30～0.50%，V：0.035～0.060%，Nb:0.025～0.040%，B：0.0020～0.0030%，Al：0.020～0.050%，O≤0.0015%，所述超快冷生产方法包括炼钢工序、轧制工序、热处理工序。该文献虽为低合金、高强度耐磨钢板，且强韧性匹配良好。但由于为了保证钢板强韧性和厚度方向的截面均匀性，降低厚度方向内应力，大量添加了提高淬透性的合金元素，导致成本较高，而且由于合金含量高，焊接性不好，影响用户使用。
中国专利公开号为CN102002645B的文献，公开了《一种高强度耐磨钢板及其制备方法》，化学成分质量百分比含量为：C为0.12％-0.22％，Si为0.25％-0.50％，Mn为1.10％-1.80％，Als为0.025％-0.055％，Cr为0.30％-1.00％，Ni为0.20％-0.60％，Mo为0.10％-0.50％，Ti为0.010％-0.050％，B为0.0010％-0.0050％，P≤0.020％，S≤0.015％，其余含量为Fe及不可避免的夹杂物。该耐磨钢轧制工艺简单，淬火工艺在线进行，生产节奏快，广泛应用于各种工况条件极其恶劣的机械设备中，但也存在合金成本高、焊接性较差，且需后续离线回火等问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种在保证钢板抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12%的前提下，钢板表面布氏硬度在368~425，-20℃KV2冲击功在58~65J，无需添加Cr及Mo元素，且不需回火，敏感裂纹系数Pcm在0.20~0.25%的焊接性优良的耐磨钢及生产方法。
实现上述目的的技术措施：
一种焊接性优良的耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.16%，Si：0.1~0.35%，Mn：1.0~1.5 %，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.02~0.06%，Nb：0.015~0.035%，Ti：0.020~0.035%，N≤0.007%，其余为Fe及杂质，显微组织为板条马氏体。
优选地：Si的重量百分比含量在0.10~0.28%。
优选地：Nb的重量百分比含量为0.018～0.031%。
优选地：Ti的重量百分比含量为0.023～0.032%。
生产一种焊接性优良的耐磨钢的方法，其步骤：
1）经脱硫铁水，转炉冶炼、LF炉精炼、真空处理并浇铸成坯；
2）对铸坯加热：加热温度控制在1230~1290℃，总加热时间不低于150min；
3）进行粗轧，控制粗轧结束温度在1070~1110℃，中间板厚度在30~55mm；
4）进行精轧，控制其开轧温度在970~1010℃，轧制速度在2m/s~6m/s，精轧终轧温度在800℃~900℃；
5）采用超快速冷却+空冷+层流冷却方式进行冷却，即先在冷却速度为50 ~200℃/s冷却至Ms点以下，采用交叉侧喷水全开方式，并控制水压在0.5~2.0bar；再进行空冷，空冷时间在1~3s；最后进行常规层流冷却，且冷却至卷取温度；
6）进行卷取，控制卷取温度在200℃~300℃；卷取张力控制在15~30 N/mm2；
7）直接经横切线横切交货。
优选地：粗轧结束温度在1078~1100℃，中间板厚度在30~50mm。
优选地：冷却速度在65 ~185℃/s。
优选地：卷取温度在215~285℃。
本发明中各组分及主要工艺的机理及作用
C：C是提高材料耐磨性能最廉价的元素，随着含碳量增加，硬度、强度和耐磨性提高，但塑韧性和焊接性能降低。综合考虑，C重量百分含量为0.10~0.16%。
Si：Si原子与O原子结合产生SiO2，再与FeO发生一系列复杂的固相反应生成铁橄榄石Fe2SiO4。Si含量很低时，在氧化铁皮与基体间不能形成完整的Fe2SiO4层，氧化形成的细小的SiO2成岛状嵌套在氧化铁皮中；而在含硅量较高的带钢氧化铁皮，SiO2主要呈平行条状出现在基体和氧化铁皮的界面处出现在基体与氧化铁皮界面。当Si含量高于0.20%，容易形成残留红色氧化铁皮及麻坑。综合考虑，Si重量百分含量为0.1~0.35%，优选地Si的重量百分比含量在0.10~0.28%。
Mn：Mn显著降低钢的Ar1温度、奥氏体的分解速度和马氏体转变温度，锰还可显著降低钢的临界淬火速度，与Fe无限固溶能提高硬度和强度，但Mn含量若太高，会增加钢的回火脆性，导致严重的中心偏析，综合考虑，Mn重量百分含量为1.0~1.5%。
Als：Als在钢中可脱氧，也能起到细化晶粒的作用，综合考虑，Als在0.02%～0.06%。
Nb：Nb在钢中与C、N具有极强的亲和力，可与之形成稳定的Nb（C，N）化合物，在控制轧制过程中诱导析出，沿奥氏体晶界弥散分布，作为相变的形核质点，可有效阻止再结晶，提高铁素体形核率，对细化晶粒作用显著，综合考虑，Nb重量百分含量为0.015~0.035%，优选地Nb的重量百分比含量为0.018～0.031%。
Ti：Ti和N、O、C都有极强的亲和力，与S的亲和力比铁强，是一种良好的脱氧去气剂和固定N和C的有效元素，可提高钢的强度，综合考虑，Ti重量百分含量为0.020~0.035%，优选地Ti的重量百分比含量为0.023～0.032%。
N：N对钢材性能的影响与C和P相似，随着N含量增加，强度显著提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧，同时增加时效倾向，N在钢中易与B结合形成BN，降低B对于提高淬透性的作用，有效B含量降低，因此综合考虑，N≤0.007%。
P、S：P、S是钢中有害的杂质元素，钢中P易在钢中形成偏析，降低钢的韧性和焊接性能，S易形成塑性硫化物，使钢板产生分层，恶化钢板性能，故P、S含量越低越好，综合考虑，将钢的P、S含量控制在P≤0.012%，S≤0.005%。
本发明之所以控制粗轧结束温度在1070~1110℃，中间板厚度在30~55mm，是由于在该成分体系下，粗轧结束温度显著影响精轧入口温度，从而影响轧制过程中的轧制负荷和轧制稳定性，当中间坯厚度＞55mm时，将加大精轧阶段压下率，压下率的增大一方面使得晶粒细化，使得成品的屈强比提高，降低可加工性能，使得冷后钢卷开平过程板形改善的难度大大增加，另一方面，较大的压下率使得精轧过程的轧制负荷过大，不利于生产极薄规格钢板，也不利于得到优异的轧后板形，而当中间坯厚度＜30mm时，意味着粗轧阶段的压下率过大，轧制负荷大，易超出设备极限，影响设备正常运行，同时意味着精轧阶段压下率过小，成品力学性能难以保证。
本发明之所以控制精轧开轧温度在970~1010℃，轧制速度在2m/s~6m/s，精轧终轧温度在800℃~900℃，是由于在该成分体系下，较低的开轧温度较使得轧制过程中特别是轧制尾部的轧制负荷过高，跳闸风险大，较高的开轧温度又将影响轧制板形质量，造成冷却工序的原始板形不能满足要求；轧制速度的区间有利于冷却过程的均匀控制，太大或太小的轧制速度将不利于保证冷后板形质量，板形质量是该方法的控制关键。终轧温度过高，将加大冷却阶段的冷却强度，超快冷条件下的高冷却强度将恶化冷后板形质量，而终轧温度过低，易使得钢板进入两相区轧制，不仅影响轧制过程稳定性，也易使得成品组织中出现铁素体，降低性能。
本发明之所以采用超快速冷却+空冷+层流冷却方式进行冷却，并控制水压在0.5~2.0bar，在冷却速度为50 ~200℃/s冷却至Ms点以下，采用交叉侧喷水全开方式，是由于在该成分体系下，太低的冷却速度，不易保证钢板特别是厚规格钢板厚度方向的冷却均匀性，太高的冷却速度使得无论在什么工艺下，都使得冷后板形质量难以稳定，水压的大小与冷速息息相关，太小的水压使得冷速不能达到临界冷速要求，得不到马氏体组织，太大的水压使得冷速过大，冷后板形难以控制。冷却至Ms点以下，才可保证得到板条马氏体组织，从而保证高强度和高耐磨性。交叉侧喷将有效减少上表面冷却水无序流动，提高冷后板形质量，适当的空冷有利于减少钢板内应力，空冷时间由冷却后的温度和层流冷却前的温度决定，一般为1~3s。
本发明之所以控制卷取温度在200℃~300℃；卷取张力控制在15~30 N/mm2，是由于在该成分体系下，此范围内的卷取温度有利于钢板发生一定程度的自回火，并可得到一定的残余奥氏体，有利于钢板加工性能的提升，降低开平过程中板形改善的难度，优化成品钢板板形，合适的卷取张力既可以保证优异的原卷卷形，也可以保证钢板尾部失张后的原卷板形优异。
本发明与现有技术相比，在保证钢板抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12%的前提下，钢板表面布氏硬度在368~425，-20℃KV2冲击功在58~65J，无需添加Cr及Mo元素，且不需回火，敏感裂纹系数Pcm在0.20~0.25%。
附图说明
图1为本发明钢的金相组织图；
图2为本发明涉及耐磨钢焊接冷弯试样。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例化学成分取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例主要工艺参数取值列表；
表3为本发明各实施例及对比例性能检测及结果列表；
各实施例均按照以下步骤生产：
1）经脱硫铁水，转炉冶炼、LF炉精炼、真空处理并浇铸成坯；
2）对铸坯加热：加热温度控制在1230~1290℃，总加热时间不低于150min；
3）进行粗轧，控制粗轧结束温度在1070~1110℃，中间板厚度在30~55mm；
4）进行精轧，控制其开轧温度在970~1010℃，轧制速度在2m/s~6m/s，精轧终轧温度在800℃~900℃；
5）采用超快速冷却+空冷+层流冷却方式进行冷却，即先在冷却速度为50 ~200℃/s冷却至Ms点以下，采用交叉侧喷水全开方式，并控制水压在0.5~2.0bar；再进行空冷，空冷时间在1~3s；最后进行常规层流冷却，且冷却至卷取温度；
6）进行卷取，控制卷取温度在200℃~300℃；卷取张力控制在15~30 N/mm2；
7）直接经横切线横切交货
表1 本发明各实施例及对比例的化学成分列表（wt%）
Figure 902152DEST_PATH_IMAGE001
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
Figure 161095DEST_PATH_IMAGE002
续表2
Figure 40058DEST_PATH_IMAGE003
表3 本发明各实施例及对比例的力学性能检测结果列表
Figure 167283DEST_PATH_IMAGE004
从表1及3可以看出，在化学成分更低（无Cr无Nb无Mo）的情况下，布氏硬度在368~425之间，-20℃KV2冲击功58~65J，冷弯性能可满足D=4a，180°合格，敏感裂纹系数Pcm在0.20~0.26%，且实施例由于具备优良的原始板形，也可在不平整的情况下，得到板形质量高的成品板形。
以上实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (4)

1.生产一种焊接性能优良的耐磨钢的方法，其步骤：
1）经脱硫铁水，转炉冶炼、LF炉精炼、真空处理并浇铸成坯；
2）对铸坯加热：加热温度控制在1230~1290℃，总加热时间不低于150min；
3）进行粗轧，控制粗轧结束温度在1070~1110℃，中间板厚度在30~55mm；
4）进行精轧，控制其开轧温度在970~1010℃，轧制速度在2m/s~6m/s，精轧终轧温度在800℃~900℃；
5）采用超快速冷却+空冷+层流冷却方式进行冷却，即先在冷却速度为50 ~200℃/s冷却至Ms点以下，采用交叉侧喷水全开方式，并控制水压在0.5~2.0bar；再进行空冷，空冷时间在1~3s；最后进行常规层流冷却，且冷却至卷取温度；
6）进行卷取，控制卷取温度在200℃~300℃；卷取张力控制在15~30 N/mm2；
7）直接经横切线横切交货；
所述焊接性能优良的耐磨钢的组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.16%，Si：0.1~0.35%，Mn：1.0~1.5 %，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.02~0.06%，Nb：0.015~0.035%，Ti：0.020~0.035%，N≤0.007%，其余为Fe及杂质，显微组织为板条马氏体。
2.如权利要求1所述的生产一种焊接性优良的耐磨钢的方法，其特征在于：粗轧结束温度在1078~1100℃，中间板厚度在30~50mm。
3.如权利要求1所述的生产一种焊接性优良的耐磨钢的方法，其特征在于：冷却速度在65 ~185℃/s。
4.如权利要求1所述的生产一种焊接性优良的耐磨钢的方法，其特征在于：卷取温度在215~285℃。
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