CN112359284A - 一种高强度低温韧性耐磨钢板hy550nme及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种8～100mm厚高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME及其生产方法，其包括如下化学成分：C、Si、Mn、P、S、Als、Nb、Ti、Mo、Ni、Cr、Zr、W、B，其它为Fe和残留元素。其生产方法包括：KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉精炼、浇注、坯锭温清温装、加热、轧制、钢板堆垛缓冷、淬火+回火处理、精整。上述钢板的各化学成分比例合理，生产的钢板组织致密、偏析轻微、硬度高、强度稳定，并具有较好的低温冲击韧性，整板硬度均匀性控制在30HB以内，低温冲击满足‑40℃设计要求，各项性能及指标均满足特殊环境耐磨要求用钢相关要求。
Description
技术领域
本发明属于钢板生产领域，具体涉及一种高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME及其生产方法。
背景技术
目前耐磨钢的国内生产企业供货的牌号主要是NM360、NM400、NM450三个钢种，材质厚度≤60mm，主要应用于常规机械行业耐磨材料。国内生产的高强度500HB级别的耐磨钢，低温冲击韧性极不稳定，同时钢板的硬度均匀性差，耐磨性能较差，在煤矿大型综采机的运煤输送带、盾构机的掘进机刀具护板、大型矿用翻斗车的衬板、大型挖掘机的挖斗等部位，基本上仍在采用瑞典SSAB的Hardox高强韧性耐磨钢，Hardox耐磨钢具有高强度、高硬度，较好的低温冲击韧性等特点。为解决进口材料交货期长、成本高的问题，设计了本方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME及其生产方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME，其厚度为8～100mm，该钢板设计如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.22～0.35、Si：0.10～0.35、Mn：1.0～1.25、P≤0.020、S≤0.003、Als：0.010～0.050、Nb：0.025～0.040、Mo：0.52～0.64、Ti：0.005-0.025、B：0.0008～0.0020、Ni：0.32～0.40、Cr：0.74～0.80、Zr：0.08～0.105、W：0.25～0.30，其它为Fe和残留元素。
由于钢板性能要求严格，为得到内外均匀一致组织，采取调质的方法达到内外一致、组织状态及性能都符合HY550NME的设计要求。
其中，在化学成分设置上，为提高钢板强度、硬度、淬透性和耐磨性能，设计了较高的碳含量，同时添加有合适的Cr、Mo、W、B；为保证钢板同时具有较高的低温韧性，提高铸态组织的原始晶粒细化程度，避免控制轧制过程中的晶粒长大，利用微合金化元素Nb、Zr碳化物的细晶强化，细化晶粒、提高强度和韧性；为提高B的有效含量，添加微量的Ti进行固氮处理，从而得到质量优异、满足设计性能指标要求的钢板。
本发明采取的生产方法步骤包括：KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉精炼、浇注、坯锭温清温装、加热、轧制、钢板堆垛缓冷、淬火+回火处理、精整；
在冶炼过程中，严格控制钢水的纯净度，钢中非金属夹杂物总含量控制在1.5级以内，并严格控制钢水中氮氢氧含量及有害元素铅锡砷含量。
浇注过程中使用连铸或水冷坯锭模，通过控制浇注工艺，设计合理的浇注工艺，促进内部组织致密、减少偏析、成分均匀。
坯锭/钢坯轧制前采用带温清理，清理温度控制在100～400℃，坯锭钢坯清理后带温装炉，装炉温度控制在150-450℃。
加热过程中，通过合理控制升温速度、保温温度及空煤比，保证坯锭烧透、正反面温度均匀，保证组织均匀、利于轧制，同时保证合金成分在奥氏体中充分固溶和奥氏体晶粒的均匀化，避免原始铸态晶粒长大。
控温控轧：在轧制过程中，采用两阶段控制轧制工艺，第一阶段采用高温低速大压下轧制工艺，粗轧的开轧温度1000℃～1050℃，单道次压下量＞25mm的道次＞4次，促进形变渗透至厚度1/2处，一阶段轧制完毕后，采用中间控制冷却，通过加速冷却装置进行快速降温，使温度降低至900℃以下，然后进行二阶段轧制，终轧温度控制在850～880℃之间，轧制完毕后不采用Acc加速冷却。
堆冷:轧后堆垛缓冷以促进钢板中[H]的扩散，进一步释放快冷残余应力，改善钢板中心区域的组织结构，提高钢板的塑韧性，堆冷温度450-600℃，堆冷时间＞72～80小时。
热处理：热处理环节高温淬火加热温度890～940℃，保温时间＝钢板实厚*2.3min/mm，淬火冷速控制在5℃/min以上；淬火后按照170±10℃回火，回火时间按4±1min/mm控制，空冷至80～150℃带温切割，切割过程中要将钢板下表面与垫砖接触部分完全切除。
本发明的有益效果包括：本专利所述钢板采用合理的成分组合，其生产方法采用适宜的浇注工艺，减轻了坯锭内部疏松和偏析，促进内部组织致密、成分均匀，坯锭生产完毕后采用温清温装的方式处理，避免清理和加热过程中出现表面裂纹缺陷，在后续轧制加热过程中，采用升温-保温的方式，目的是采用梯级温度加热，一是有利于消除了钢水凝固过程产生的残余应力，温度加热相对均匀，二是避免坯锭内部原始奥氏体晶粒过分长大，为坯锭在轧制过程中晶粒的细化奠定坚实基础。在控冷控轧过程中，通过采用高温低速大压下工艺能够保证HY550NME钢板内部疏松完全啮合、原始铸态组织充分破碎。采用高温淬火+回火热处理工艺来获得其高强度、高硬度、高韧性，最终得到马氏体组织，钢板的强韧性比较好，充分满足HY550NME钢板的机械性能要求，其中，硬度在530～580HB，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥1350MPa，-40℃低温冲击吸收能量≥35J，厚度方向的硬度差控制在30HB以内。同时也避免内外性能差别大、钢板整板性能不均匀的弊病。
附图说明
图1是本发明中高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME 1/4厚度处M 100倍金相组织图。
图2是本发明中高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME 1/4厚度处M 200倍金相组织图。
图3是本发明中高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME 1/4厚度处M 500倍金相组织图。
具体实施方式
本发明所述高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME钢板厚度为8～100mm，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.22～0.35、Si：0.10～0.35、Mn：1.0～1.25、P≤0.020、S≤0.003、Als：0.010～0.050、Nb：0.025～0.040、Mo：0.52～0.64、Ti：0.005-0.025、B：0.0008～0.0020、Ni：0.32～0.40、Cr：0.74～0.80、Zr：0.08～0.105、W：0.25～0.30，其它为Fe和残留元素。
本发明采取的生产方法步骤包括：KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉精炼、浇注、坯锭温清温装、加热、轧制、钢板堆垛缓冷、淬火+回火处理、精整、外检、探伤。
KR铁水预处理：到站铁水前渣必须扒干净，保证液面渣层厚度≤25mm，铁水经KR处理后硫含量控制在0.005％以下，脱硫温降≤25℃。
顶底复吹转炉冶炼：入炉铁水S≤0.005％、P≤0.050％，铁水温度≥1280℃，入炉废钢为干燥的优质边角料，转炉装入量按浇钢铸余6-8吨控制，转炉出钢C控制在0.08～0.15％，出钢过程向钢包中加入脱氧剂硅铝钡钙0.5Kg/t钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，保证钢包液面渣层厚度≤20mm。
吹氩处理：钢水到氩站开启氩气的同时向钢包内加入铝线，铝线必须垂直插入钢包，严禁铝线置于钢包渣层表面；铝线加入后强吹氩3min(强吹氩标准以吹开钢液裸眼直径总和控制在500-700mm为准)后离站，并确保离站温度在1570℃以上。
LF精炼：按照大渣量工艺标准进行造渣，石灰加入量1000-1200公斤，碱度按4.0-6.0控制，一加热3min后，先加入50Kg电石，再加入20-40Kg铝粒，此后每隔2min向钢包中用铁锨添加2～4锨铝粒，以确保炉渣变白为准；二加热根据埋弧效果每次加入10-30Kg的电石，同时每隔2min用铁锨向钢包中添加1～3锨铝粒，以确保整个二加热过程维持白渣；三加热脱氧剂的加入视炉渣颜色加入，维持白渣即可；精炼过程中要求白渣保持时间30-35分钟。
VD精炼：真空度≤67Pa，保压总时间18-24min，保压后10分钟通过高位真空料仓加入硼铁微合金化，破空后软吹3-5min，软吹过程中钢水不得裸露，抽真空结束后进行定H控制在1.5PPm以内；破空后根据Als含量加入1.5～2.0m/t钙线进行钙处理，确保W(Ca)/W(Al)＝0.09～0.14，钢水钙质处理能够脱氧、脱硫、去夹杂，改变夹杂物的形态，利于提高钢水纯净度、提高钢材性能。离站前加入覆盖剂，保证铺满钢液面，离站温度1560±15℃。
浇注：浇注过程中使用连铸或水冷坯锭模，连铸采用0.72±0.5m/min拉速进行恒拉速浇注，二冷水量设定1050±50L/min，二冷水和结晶器进出水水温差控制在10℃以内，过热度控制在15±10℃以内；模铸浇注采用低温快铸工艺，浇注前软吹氩10±5min，均匀钢液温度，过热度控制在35±15℃以内；通过设计合理的浇注工艺，促进内部组织致密、减少偏析、成分均匀；坯锭/钢坯轧制前采用带温清理，清理温度控制在100～400℃，坯锭钢坯清理后带温装炉，装炉温度控制在150-450℃。
坯锭加热过程中，通过控制升温速度、保温温度、保温时间、翻钢时机及空煤比，保证坯锭烧透、温度均匀利于轧制，同时保证合金成分在奥氏体中的部分固溶和奥氏体晶粒的均匀化，避免原始铸态晶粒长大。根据水冷铜板锭模装置生产坯锭的锭型特点，制定出最优的加热制度，采用缓慢升温，多阶段保温，出前四个小时翻钢保证坯锭均匀透烧，表面氧化铁皮易去除。坯锭总加热时间15min/cm，装钢时炉膛温度≤750℃，焖钢2～4小时来减少炉温与坯锭之间温差，降低坯锭内外温差导致的应力差，高温段目标保温温度1260～1280℃、总保温时间14～15小时。
控温控轧过程中，采用两阶段控制轧制工艺，第一阶段采用高温低速大压下轧制工艺，粗轧的开轧温度1000℃～1050℃，单道次压下量＞25mm的道次＞4次，促进形变渗透至厚度1/2处，一阶段轧制完毕后，采用中间控制冷却，通过加速冷却装置进行快速降温，使温度降低至900℃以下，然后进行二阶段轧制，终轧温度控制在850～880℃之间，轧制完毕后不采用Acc加速冷却。
堆冷:轧后堆垛缓冷以促进钢板中[H]的扩散，进一步释放快冷残余应力，改善钢板中心区域的组织结构，提高钢板的塑韧性，堆冷温度450-600℃，堆冷时间＞72～80小时。
热处理：热处理环节高温淬火加热温度890～940℃，保温时间＝钢板实厚*2.3min/mm，淬火冷速控制在5℃/min以上；淬火后按照170±10℃回火，回火时间按4±1min/mm控制，空冷至80～150℃带温切割，切割过程中要将钢板下表面与垫砖接触部分完全切除，切割完毕堆垛缓冷24小时。
案例实施检测
通过KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉精炼、浇注、坯锭温清温装、加热、轧制、钢板堆垛缓冷、淬火+回火处理、精整、外检、探伤等工艺，获得如发明内容所述成分设计的高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME钢板厚度为8～100mm。其中各工艺参数及力学性能如下表1、2所示：
表1厚度8～100mm HY550NME钢板化学成分
表2厚度8～100mm HY550NME钢板拉伸性能
检测分析：钢板的化学成分、力学性能试件取样位置及试样制备按照标准GB/T24186焊接结构用轧制钢材规定进行。对钢板在供货状态各项力学性能及金相组织进行了全面检验。从以上数据来看，8～100mm厚度HY550NME各项目性能指标符合设计要求，从检测值看，本发明的-40℃低温纵向冲击功最小值大于40J，且数值非常稳定，说明此钢板有良好的低温冲击韧性；检测钢板屈服强度大于1500MPa，抗拉强度大于1600MPa；钢板五点修磨后检测布氏硬度541～570，硬度指标及均匀性满足设计硬度要求。
其中，8～100mm的高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME厚度截面上的金相组织如附图1、2、3所示。
由上述试验结果可见，8～100mm的高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME组织致密，偏析轻微，成分均匀，杂质含量低，满足洁净钢的技术要求，各项性能及指标均满足低温环境下耐磨件用钢相关要求。
外检及探伤：按本方案生产的钢板外检正品率100％，最终钢板探伤达到JB/4730.3I级探伤要求。
Claims (4)
1.一种高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME，其特征在于：所述钢板包括如下质量含量百分比的化学成分：C：0.22～0.35、Si：0.10～0.35、Mn：1.0～1.25、P≤0.020、S≤0.003、Als：0.010～0.050、Nb：0.025～0.040、Mo：0.52～0.64、Ti：0.005-0.025、B：0.0008～0.0020、Ni：0.32～0.40、Cr：0.74～0.80、Zr：0.08～0.105、W：0.25～0.30，其它为Fe和残留元素；所述钢板的交货状态为调质处理。
2.根据权利要求1所述的高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME，其特征在于：所述钢板的厚度为8～100mm，组织为马氏体组织。
3.根据权利要求1所述的高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME，其特征在于：所述钢板的硬度在530～580HB，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥1350MPa，-40℃低温冲击吸收能量≥24J，厚度方向的硬度差控制在30HB以内。
4.根据权利要求1～3任一项所述的高强度低温韧性耐磨钢板HY550NME钢板的生产方法，其特征在于包含如下步骤:KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉精炼、浇注、坯锭温清温装、加热、轧制、钢板堆垛缓冷、淬火+回火处理、精整；
具体为：
1)冶炼过程中，严格控制钢水的纯净度，钢中非金属夹杂物总含量控制在1.5级以内，并严格控制钢水中氮氢氧含量及有害元素铅锡砷含量；
2)浇注过程中使用连铸或水冷坯锭模，通过控制浇注工艺，设计合理的浇注工艺，促进内部组织致密、减少偏析、成分均匀；
3)坯锭/钢坯轧制前采用带温清理，清理温度控制在100～400℃，坯锭钢坯清理后带温装炉，装炉温度控制在150-450℃；
4)加热过程中，通过合理控制升温速度、保温温度及空煤比，保证坯锭烧透、正反面温度均匀，保证组织均匀、利于轧制，同时保证合金成分在奥氏体中充分固溶和奥氏体晶粒的均匀化，避免原始铸态晶粒长大。
5)在轧制过程中，采用两阶段控制轧制工艺，第一阶段采用高温低速大压下轧制工艺，粗轧的开轧温度1000℃～1050℃，连续4次或4次以上，每道次压下量至少为25mm，促进形变渗透至厚度1/2处，一阶段轧制完毕后，采用中间控制冷却，通过加速冷却装置进行快速降温，使温度降低至900℃以下，然后进行二阶段轧制，终轧温度控制在850～880℃之间，轧制完毕后不采用Acc加速冷却；
6)堆冷:轧后堆垛缓冷以促进钢板中[H]的扩散，进一步释放快冷残余应力，改善钢板中心区域的组织结构，提高钢板的塑韧性，堆冷温度450-600℃，堆冷时间＞72～80小时；
7)热处理：热处理环节高温淬火加热温度890～940℃，保温时间＝钢板实厚*2.3min/mm，淬火冷速控制在5℃/min以上；淬火后按照170±10℃回火，回火时间按4±1min/mm控制，空冷至80～150℃带温切割，切割过程中要将钢板下表面与垫砖接触部分完全切除。
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