CN111961977B - 一种hb500级别高耐磨薄钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种HB500级别高耐磨薄钢板及其生产方法，所述钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.25％～0.35％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.8％～1.2％，Cr:0.5％～0.7％，B：0.005％～0.010％，Ti：0.03％～0.060％，Ti/N≥4.0，Ti/B≥2.0，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明化学成分设计在低合金耐磨钢的基础上，以碳、中硼微合金化为主复合添加Cr、Ti等微量元素，生产工艺简单，钢板的板型、塑韧性、成型性能好；所生产的HB500级别高耐磨钢板具有同等硬度普通耐磨钢板1.3倍以上的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及钢板生产技术领域，尤其涉及一种HB500级别高耐磨薄钢板及其生产方法。
背景技术
低合金耐磨钢与传统的高锰钢相比具有较高的表面硬度和耐磨能力，一般采用中低碳B、Cr、Mo、Ni复合微合金化成分设计，采用淬火或在线淬火加低温回火的热处理方式生产。
耐磨钢板的耐磨性取决于钢板基体的组织硬度和钢中析出的耐磨质点的大小、数量、硬度和分布情况，一般低合金耐磨钢采用马氏体基体和Cr、Mo、V等低硬度碳化物强化耐磨性的设计。改善HB500级别耐磨钢耐磨性一般通过提高钢板碳含量与合金含量来实现，因此会导致钢材加工性能、焊接性能变差。
在重型矿车、煤机、电厂、水泥等行业的生产过程中，由于物料硬，运动快，对设备磨损非常严重，造成备件磨损快，检修周期短，普通HB500耐磨钢板的耐磨性已经不能满足其使用要求，如使用硬度等级高的耐磨钢又会严重降低加工和焊接性能，影响生产使用。因此，迫切需要一种高耐磨性HB500级别耐磨钢板，在不增加硬度的情况下延长备件的使用寿命。
为提高低合金钢板的耐磨性，不同领域的技术人员曾先后采用了双金属复合、堆焊，以及镶嵌高硬度耐磨合金层、耐磨陶瓷层或橡胶层等方法，虽然获得了较好的耐磨性，但工序复杂、成本较高，且焊接、弯曲等工艺性能较差。近年来，国内外一些钢厂在低合金耐磨钢中增加Ti、V含量，利用马氏体基体加高硬度TiC、VC析出增强耐磨性，虽然成本较低，但钢的塑性、韧性较差，难以推广应用。
如公开号为CN103725976B的中国发明专利公开的一种“高耐磨双金属复合耐磨板”，包括低碳钢板或低碳合金钢板，所述低碳钢板或低碳合金钢板上焊接有耐磨合金层，占耐磨合金层总质量的百分比计，所述耐磨合金层中各成分含量如下：C：0.35～0.55％；Si：2～2.4％；Mn：2.7～3.2％；Cr：11～12.5％；Mo：2.5～2.9％；V：0.7～1.8％；W：2.2～3.6％；B：0.7～1.1％；其余为铁。其优点是能够保证耐磨板表面的平整光滑，耐磨性好。该技术方案中耐磨板采用双金属复合堆焊的工艺生产，工序复杂，成本高，由于堆焊层硬度高，钢板不能成型加工。
公开号为CN105695861B的中国发明专利公开了“一种耐磨轧制复合钢板”，其由基材和复材热轧而成，基材为普碳钢板，复材为高强度耐磨钢板；普碳钢板成分的质量百分比为，C：0.1—0.2％、Si：0.15—0.35％、Mn：0.5—1.4％、P：≤0.04％、S：≤0.04％，余量为Fe；高强度耐磨钢板成分的质量百分比为，C：0.20-0.35％、W：1.0-2.0％、Si：0.5-1.5％、Mn：0.8-1.5％、Cr：1.0-2.0％、Ti：1.0-2.0％、S：≤0.04％、P：≤0.04％，余量为Fe。由于普碳钢板整体性能优异，强度、塑形、焊接等性能较高，其成本较低；而高强度耐磨钢板具有高淬透性、高韧性，且具有优良的低温韧性、抗裂性能和焊接性能；该技术方案将普碳钢板和高强度耐磨钢板热轧复合方法获得高耐磨性，从生产工艺复杂，不具有成型性能。
公开号为CN105063497B的中国发明专利公开了“一种高耐磨性能易加工低合金耐磨钢板及其制造方法”，所述耐磨钢板的成分按重量百分比计为：C 0.12～0.35％，Si 0.20～0.60％，Mn 0.80～1.60％，P≤0.015％，S≤0.004％，Mo 0.00～0.60％，V 0.000～0.040％，Cr0.00～1.20％，Ti 0.08～0.30％，Als 0.02～0.06％，B 0.0008～0.004％，N≤0.0045％，余量为Fe及不可避免的杂质。所述钢板力学性能优秀，其耐磨性能是同等级硬度条件下的1.3～3.0倍。该技术方案生产的低合金耐磨钢板的耐磨性虽好，但其Ti含量高，冶炼连铸困难，不容易实施。
公开号为CN107217202B的中国发明专利公开了“一种布氏硬度500级的耐磨钢及其制造方法”，其钢的化学成分按质量百分比为：C 0.25～0.28％，Si 0.22～0.28％，Mn1.15～1.24％，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。该技术方案能够使耐磨钢具有优良耐磨性和较高韧性，并使其表面具有均匀压应力，增强其耐磨性能和抗疲劳性能。但是该发明只涉及HB500级别普通耐磨钢，不具有1.3倍以上的高耐磨性。
公开号为CN109072367A的中国专利申请公开了一种“耐磨损钢板及耐磨损钢板的制造方法”，所述钢板的成分组成以质量％计含有：C：0.10～0.23％，Si：0.01～1.0％，Mn：0.30～3.00％，P：0.025％以下，S：0.02％以下，Cr：0.01～2.00％，Al：0.001～0.100％，及N：0.01％以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成，所述组织中，距所述耐磨损钢板的表面1mm的深度处的马氏体的体积率为90％以上，所述耐磨损钢板的板厚中心部的原奥氏体粒径为80μm以下，距所述耐磨损钢板的表面1mm的深度处的硬度以布氏硬度计为360～490HBW10/3000耐磨损钢板及耐磨损钢板的制造方法。该钢板的合金成分复杂，成本高，且只具有普通钢板的耐磨性。
公开文献“热轧温度制度对高强度热轧耐磨卷板性能的影响”(唐文军等著，2006年发表，第二届全国宝钢学术年会论文)，研究了均热温度、终轧温度和卷取温度等热轧工艺对含Ti低碳微合金钢组织和性能的影响。该方法为高Ti高强钢，其硬度低，冶炼连铸困难。
公开文献“3500m3/h绞吸挖泥船专用高效高耐磨泥泵研制与应用”(刘明明等著，《港口科技》2018年2期)，记载了为提高绞吸挖泥船的施工效率,在原船动力系统不变的前提下，结合耐磨试验,研制出高效高耐磨水下泥泵和舱内泥泵,并成功应用于3500m3/h绞吸挖泥船输送系统的改造。该技术方案中的耐磨钢为高Cr耐磨钢，虽然硬度在HB500-600,耐磨性好，但其制造成本高，且冶炼连铸困难。
综上，现有文献记载的薄规格耐磨钢板普遍存在以下不足：1)化学成分及工艺过程复杂，或需异质复合或堆焊；2)钢中含0.1％～0.5％的Ti或高Cr，导致冶炼连铸困难；3)不能冷成型；4)耐磨性不足。
发明内容
本发明提供了一种HB500级别高耐磨薄钢板及其生产方法，化学成分设计在低合金耐磨钢的基础上，以碳、中硼微合金化为主复合添加Cr、Ti等微量元素，生产工艺简单，钢板的板型、塑韧性、成型性能好；所生产的HB500级别高耐磨钢板具有同等硬度普通耐磨钢板1.3倍以上的耐磨性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种HB500级别高耐磨薄钢板，所述钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.25％～0.35％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.8％～1.2％，Cr:0.5％～0.7％，B：0.005％～0.010％，Ti：0.03％～0.060％，Ti/B≥3.0，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中的杂质元素控制：P≤0.015％，S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0015％。
所述钢板的厚度为4～10mm。
所述钢板的表面硬度大于HB470，平直度≤5mm/m。
一种HB500级别高耐磨薄钢板的生产方法，生产工艺包括：铁水预处理、转炉冶炼、精炼、板坯连铸、轧制及热处理过程；其中：
1)转炉冶炼及精炼工艺过程；
转炉冶炼通过顶吹或顶底复合吹炼，然后进行精炼处理及微合金化，控制钢中杂质含量在限定范围内；精炼时RH真空循环时间≥15min；
2)板坯连铸过程；
采用电磁搅拌或轻压下，二冷区采用中冷，同时控制连铸坯拉速为1.0～1.5m/min；
3)轧制工艺过程：
铸坯厚度为135～250mm，轧前加热温度1150～1200℃，加热保温时间控制在1.0～1.5min/mm；采用两阶段控轧，粗轧开轧温度≥1050℃，粗轧终轧温度≥980℃；粗轧的单道次压下率不低于15％；精轧温度为970～1040℃，精轧单机架压下率不低于10％，轧制速度为5～15m/s，精轧终轧温度为850～900℃；出精轧后立即进行层流冷却，冷速≥15℃/s，在550～600℃时卷取，空冷到室温；
4)热处理工艺过程：
采用淬火+回火的热处理方式；淬火在连续淬火机内分两阶段进行，一阶段淬火采用升温加热，加热温度为850～950℃，升温总时间为1.5～2.0min/mm，二阶段淬火采用降温加热，出炉温度为700～800℃，降温总时间1～2min/mm；连续淬火机出炉辊道速度≥30m/min；回火温度为150～250℃，回火保温时间为4～8min/mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)钢板化学成分设计以碳、中硼微合金化为主要特征，复合添加微量元素Cr、Ti等；成分简单，合金含量相对较低，可焊性好，生产成本低且便于冶炼、连铸；
2)钢板表面硬度大于HB470，钢板平直度≤5mm/m；
3)与同等硬度低合金耐磨钢相比，耐磨性提高1.3倍以上；
4)生产工艺简单，塑韧性、成型性能好。
具体实施方式
本发明所述是一种HB500级别高耐磨薄钢板，所述钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.25％～0.35％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.8％～1.2％，Cr:0.5％～0.7％，B：0.005％～0.010％，Ti：0.03％～0.060％，Ti/B≥3.0，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中的杂质元素控制：P≤0.015％，S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0015％。
所述钢板的厚度为4～10mm。
所述钢板的表面硬度大于HB470，平直度≤5mm/m。
一种HB500级别高耐磨薄钢板的生产方法，生产工艺包括：铁水预处理、转炉冶炼、精炼、板坯连铸、轧制及热处理过程；其中：
1)转炉冶炼及精炼工艺过程；
转炉冶炼通过顶吹或顶底复合吹炼，然后进行精炼处理及微合金化，控制钢中杂质含量在限定范围内；精炼时RH真空循环时间≥15min；
2)板坯连铸过程；
采用电磁搅拌或轻压下，二冷区采用中冷，同时控制连铸坯拉速为1.0～1.5m/min；
3)轧制工艺过程：
铸坯厚度为135～250mm，轧前加热温度1150～1200℃，加热保温时间控制在1.0～1.5min/mm；采用两阶段控轧，粗轧开轧温度≥1050℃，粗轧终轧温度≥980℃；粗轧的单道次压下率不低于15％；精轧温度为970～1040℃，精轧单机架压下率不低于10％，轧制速度为5～15m/s，精轧终轧温度为850～900℃；出精轧后立即进行层流冷却，冷速≥15℃/s，在550～600℃时卷取，空冷到室温；
4)热处理工艺过程：
采用淬火+回火的热处理方式；淬火在连续淬火机内分两阶段进行，一阶段淬火采用升温加热，加热温度为850～950℃，升温总时间为1.5～2.0min/mm，二阶段淬火采用降温加热，出炉温度为700～800℃，降温总时间1～2min/mm；连续淬火机出炉辊道速度≥30m/min；回火温度为150～250℃，回火保温时间为4～8min/mm。
本发明所述一种HB500级别高耐磨薄钢板的化学成分设计理由如下：
C：耐磨钢板的强度、硬度在一定范围内随碳含量的增加而相应的增加，为了保证钢板有高的强度、硬度，需要相当的碳含量做保证；同时碳可以和B、Cr、Ti形成碳化物析出，增加耐磨性。但碳含量过高则塑性、韧性会降低，焊接性能下降，为了保证钢板具有高的耐磨性及良好的焊接性能、成型性能及低温韧性，本发明中C含量控制在0.25％～0.35％。
Si：具有固溶强化和脱氧作用，但含过多Si会使钢的焊接性能下降，并且会影响钢板的表面质量，因此本发明中Si含量控制在0.10％～0.30％。
Mn：主要作用是固溶强化，可以提高马氏体中碳的过饱和度，有利于强度和硬度的提高，且成本低廉；但含量高于1.5％时易形成中心偏析，使板坯中心有易发裂纹的倾向；因此本发明中Mn含量控制在0.8％～1.2％。
B：本发明的重点添加元素，本发明所述耐磨钢中添加了明显高于常规低合金耐磨钢的B，主要作用是保证钢板的高耐磨性。大于0.005％含量的硼与钛复合加入钢中可形成细小的金属硼化物TiB2，B4C、TiB2等硼化物具有高的化学稳定性、高的硬度和优异的耐磨性能，可提高钢板的耐磨性。由于B在冶炼时与钢液中氧、氮有较强的亲和力，很容易与其发生化合反应，从而失去提高耐磨性的作用，因此冶炼时应尽量降低钢水中氧和氮的含量。但B含量过多时易在晶界处富集，会降低晶界结合能，使钢板轧制时产生热脆。综合考虑后，本发明将B含量控制在0.005％～0.010％。为保证B收得率，本发明控制[N]≤0.0040％，[O]≤0.0015％；同时，为保证钢的脱氧效果又不产生过多的氧化物夹杂，控制Als：0.015％～0.045％。
Ti：本发明的重点添加元素，价格便宜，硼钢中加入一定量的Ti元素，配合一定的冷却速度，可以使晶界连续网状分布的硼化物变为断网状、孤立分布，可避免热脆的产生；另外，加入Ti可减少硼钢中Fe2B、FeB在晶界析出的数量.使其弥散地分布在铁素体基体上，有利于硼化物均匀分布，提高钢的耐磨性；细小钛的碳氮化物还能有效抑制加热时晶粒的长大，提高钢的塑韧性能，因此本发明添加0.03％以上的Ti；但Ti含量过高时不但会增加冶炼难度，且钢中会形成过多的粗大的TiC，降低钢板的韧性、淬透性和冷弯性能，本发明按重量比Ti：B≥3.0的比例加入Ti，可得到最佳效果；Ti/B＜3.0时，晶界连续网状硼化物无法破断，可产生热脆。因此本发明中Ti的加入量控制在0.03％～0.06％，同时控制Ti/B≥3.0。
Cr：具有固溶强化、提高强度、增加钢的淬透性的作用。铬是强碳化物形成元素，在钢中可形成多种碳化物，提高钢板热处理后的强度和硬度。但Cr过多加入，会影响焊接性，因此本发明控制Cr的添加量为0.5％～0.7％。
杂质元素的控制：为保证钢板具有良好的塑形和韧性，避免高强度钢板切割和焊接延迟裂纹的发生，本发明控制P≤0.015％，S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0015％。
本发明所述一种HB500级别高耐磨薄钢板的生产工艺流程设计原理如下：
1)精炼时对RH脱气时间进行控制，RH真空循环时间≥15min，通过长时间真空处理，可控制中间包钢水[N]≤0.0040％，[O]≤0.0015％，[H]≤0.00015％。为避免高温区硼化物析出，适当加大二冷区冷速，同时控制连铸坯拉速为1.0～1.5m/min。连铸采用电磁搅拌或轻压下，以减少中心偏析。
2)为保证合金能充分固溶，轧前加热保温时间控制在1.0～1.5min/mm；轧制时采用两阶段控轧，目的在于充分细化热轧态组织；粗轧阶段轧制过程中，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复的过程，使奥氏体晶粒得以细化；
3)采用热轧后前段快冷的生产工艺，冷速≥15℃/s，快冷后550～600℃卷取，可减少硼化物在缓冷时在晶界的聚集，既能保证钢板的耐磨性，又不影响钢板的塑形和韧性。
4)淬火时采用分段加热、低温淬火的热处理工艺，一阶段淬火时高温加热可保证钢板奥氏体化均匀，晶界网状硼化物充分回溶，二阶段淬火时降温加热可降低淬火开始温度，减少钢板内应力，有利于获得良好的板型。回火温度为150～250℃，目的在于进一步去除淬火内应力，提高钢板的塑形，保证钢板的冷成型性能。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】
本实施例中，冶炼钢种的化学成分如表1所示，钢板的生产工艺流程具体为：铁水预处理→转炉冶炼→精炼→板坯连铸→加热→初轧→精轧→层流冷却→卷取→开卷→淬火→回火→检验→包装。
轧制工艺参数如表2所示，热处理工艺参数见表3，产品性能检验结果见表4、表5及表6，耐磨性实验结果见表7。
表1钢的化学成分，Wt％
表2轧制工艺参数
表3热处理工艺参数
表4钢板的力学性能
表5钢板180℃冷弯性能
| 实施例 | 1-1 | 1-2 | 2-1 | 2-2 | 3-1 | 3-2 | 4-1 | 4-2 |
| 弯曲直径(D＝6A) | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 |
表6钢板拉伸力学性能
在MLS-225型湿砂橡胶轮式磨损试验机上，对本实施例所生产的HB500级别高耐磨薄钢板与普通NM500钢板进行对比实验，施加压力为70N，砂轮转速为200r/min,总转数为2000r，试验时间为10分钟，实验结果如表7所示。
表7耐磨性对比
| 对比例/实施例 | 磨损量ΔM/g | 耐磨性对比 |
| 普通NM500 | 0.0332 | 1 |
| 1-1 | 0.0221 | 1.50 |
| 1-2 | 0.0223 | 1.49 |
| 2-1 | 0.0227 | 1.46 |
| 2-2 | 0.0229 | 1.45 |
| 3-1 | 0.0241 | 1.38 |
| 3-2 | 0.0244 | 1.36 |
| 4-1 | 0.0250 | 1.33 |
| 4-2 | 0.0252 | 1.32 |
本实施例中，所生产钢板的耐磨性均达到对比例普通耐磨钢板的1.3倍以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种HB500级别高耐磨薄钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.27%～0.35%，Si：0.10%，Mn：0.8%～0.9%，Cr:0.5%～0.7%，B：0.005%～0.010%，Ti：0.052%～0.060%，3.0≤Ti/B≤6.9，Als：0.015%或0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中的杂质元素控制：P≤0.015%，S≤0.003%，[N]≤0.0040%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0015%；
所述钢板的厚度为4～10mm，表面硬度大于HB470，平直度≤5mm/m；
生产工艺包括：铁水预处理、转炉冶炼、精炼、板坯连铸、轧制及热处理过程；其中：
1）转炉冶炼及精炼工艺过程：
转炉冶炼通过顶吹或顶底复合吹炼，然后进行精炼处理及微合金化，控制钢中杂质含量在限定范围内；精炼时RH真空循环时间≥15min；
2）板坯连铸过程：
采用电磁搅拌或轻压下，二冷区采用中冷，同时控制连铸坯拉速为1.0～1.5m/min；
3）轧制工艺过程：
铸坯厚度为135～250mm，轧前加热温度1150～1200℃，加热保温时间控制在1.0～1.5min/mm；采用两阶段控轧，粗轧开轧温度≥1050℃，粗轧终轧温度≥980℃；粗轧的单道次压下率不低于15%；精轧温度为970～1040℃，精轧单机架压下率不低于10%，轧制速度为5～15m/s，精轧终轧温度为850～900℃；出精轧后立即进行层流冷却，冷速≥15℃/s，在550～600℃时卷取，空冷到室温；
4）热处理工艺过程：
采用淬火+回火的热处理方式；淬火在连续淬火机内分两阶段进行，一阶段淬火采用升温加热，加热温度为850～950℃，升温总时间为1.5～2.0min/mm，二阶段淬火采用降温加热，出炉温度为700～800℃，降温总时间1～2 min/mm；连续淬火机出炉辊道速度≥30m/min；回火温度为150～250℃，回火保温时间为4～8min/mm。
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