CN112522624B - 高锰奥氏体耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

高锰奥氏体耐磨钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种高锰奥氏体耐磨钢及其制造方法，所述高锰奥氏体耐磨钢包含以下化学组成按重量百分含量为：0.9wt％≤C≤1.1wt％；0.30wt％≤Si≤0.60wt％；12.5wt％≤Mn≤13.5wt％；0.02wt％≤Als≤0.04wt％；0＜S≤0.003wt％；0＜P≤0.02wt％；余量为铁和其他不可避免的杂质。本申请提供的高锰奥氏体耐磨钢，通过控制配比对以上所述元素的适当调整，同时采用低过热度高拉速控制连铸的偏析，以及通过直接在线水韧处理缩短工艺流程获得钢板较好的综合力学性能。实现了用常规连铸生产高锰钢的工艺，解决了在轧制后必须采用离线水韧固溶处理的技术问题，提高了生产效率同时降低了生产成本。

Description

高锰奥氏体耐磨钢及其制造方法
技术领域
本申请属于金属冶炼技术领域，尤其涉及一种高锰奥氏体耐磨钢及其制造方法。
背景技术
1882年英国的Robert Hadfield发明了高锰钢，至今已有100多年的历史。长期以来，高锰钢因具有一定的强度、高的韧性和优异的加工硬化性能而成为应用广泛的一类耐磨钢。高锰耐磨钢含有较高的C、Mn元素，经水韧处理后显微组织为单相奥氏体或奥氏体加少量碳化物。其在较大的冲击载荷或接触应力的作用下，高锰钢表面层能迅速产生加工硬化，表面硬度急剧升高，可以发挥出很好的耐磨作用。采用连铸方式生产高锰耐磨钢容易出现中心偏析、中心疏松、中心缩孔和中心裂纹等内部缺陷，因而传统的高锰耐磨钢大部分是采用铸件或者模铸生产，然而该种方式多采用水韧热处理来消除生产过程中的碳化物的析出，其生产工艺流程长、难度大并且成材率低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种高锰奥氏体耐磨钢及其制造方法，以解决现有技术中存在无法用常规连铸生产高锰钢、在轧制后必须采用离线水韧固溶处理导致生产效率低、生产成本高的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种高锰奥氏体耐磨钢，包含以下化学组成按重量百分含量为：0.9wt％≤C≤1.1wt％；0.30wt％≤Si≤0.60wt％；12.5wt％≤Mn≤13.5wt％；0.02wt％≤Als≤0.04wt％；0＜S≤0.003wt％；0＜P≤0.02wt％；余量为铁和其他不可避免的杂质。
可选地，高锰奥氏体耐磨钢的组织为奥氏体以及碳化物。
可选地，高锰奥氏体耐磨钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度为600～1000MPa，钢板布什硬度HB为170～300，延伸率为20％～50％，-40℃冲击功为100J以上。
本申请的另一方面，提供了一种高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，包括以下步骤：将上述的成分的铁水铸造、轧制、卷取；铸造过程为板坯连铸，板坯连铸步骤中，拉速为0.7～1.2m/min，坯厚为230mm，过热度控制在15～25℃的范围内。
可选地，轧制步骤包括：将的板坯进行加热装炉——再加热——粗轧——精轧——层流冷却。
可选地，其中再加热的步骤包括，将板坯入炉再加热，板坯初始温度大于700℃，再加热温度为1200～1300℃，保温时间为30～60min。
可选地，粗轧的步骤中：总压下率为75％～85％，单道次压下率15％～25％；粗轧后的板坯表面温度为1050℃～1150℃；中间坯厚度控制在40～58mm。
可选地，精轧的步骤中：总压下率大于60％，单道次压下率不低于12％，终轧温度为900℃～1000℃，成品厚度控制在2～25mm。
可选地，层流冷却的步骤包括，先采用超快速冷却，然后采用10℃/s～25℃/s的层流冷却的冷却速度进行冷却；其中，超快速冷却的冷却速度为100℃/s～300℃/s，冷却至750℃。
可选地，卷取的步骤中，卷取温度为100～200℃。
本申请提供的高锰奥氏体耐磨钢的有益效果在于：与现有技术相比，本申请高锰奥氏体耐磨钢，通过控制配比对以上所述元素的适当调整，同时采用低过热度高拉速控制连铸的偏析，以及通过直接在线水韧处理，在轧制时采用高的终轧温度，轧完后快速冷却到接近室温，以防止高锰钢中沿奥氏体晶界析出脆性的碳化物，缩短工艺流程获得具有较好的综合力学性能的钢板，实现了用常规连铸生产高锰钢的工艺，解决了在轧制后必须采用离线水韧固溶处理的技术问题，提高了生产效率同时降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的高锰奥氏体耐磨钢板的金相组织图；
图2为本申请实施例提供的高锰奥氏体耐磨钢板中的碳化物沿奥氏体晶界网状析出的显微图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
虽然从高锰钢出现至今已经有一百多年的历史，但是由于其钢种成分特殊和凝固特性，凝固的过程中易产生严重缺陷，甚至导致生产事故，为了保险起见大多数的企业还是采用模铸工艺进行生产，难以避免的造成生产成本高、效率低的问题。
具体来说，连铸凝固过程柱状晶发达，容易在铸坯芯部形成树“搭桥”，因选分结晶的作用使晶枝间富集了大量低熔点的溶质，在凝固末期凝固末端固液两相区的凝固收缩产生的强大抽吸力引起树枝晶间富集杂质的残余液体向中心流动并填充于其中，进而产生中心偏析、中心疏松、中心缩孔和中心裂纹等内部缺陷。铸坯的后续生产工艺中虽然经过了轧制、锻造等机械加工，但难以彻底消除。如果用EAF→LF→CC的工艺生产高锰钢，会出现初始凝固坯壳不稳定，容易漏钢造成铸坯表面形成大面积的重皮缺陷和不规律的纵裂纹。
因为上述原因，高锰钢生产过程中存在上述的问题严重制约了连铸生产的工业化应用。因此，如何采用常规连铸工艺和常规热轧工艺生产出合格的高锰耐磨钢，成为当前冶金和耐磨行业亟待解决的关键技术难题。
高锰钢由于其导热系数低、热膨胀系数高、高温强度低，在连铸过程中，容易出现以下的问题：
1、初始凝固坯壳不均匀，形成较大的热应力，凝固裂纹敏感性高。
2、易形成粗大柱状晶，偏析、缩孔、疏松等缺陷严重，且随着铸坯温度降低，强度迅速升高，导致拉矫困难。
总的来说，高锰钢由模铸工艺改为连铸工艺，技术的难点主要在于：如何降低柱状晶的比例，提高等轴晶的比例；减轻心偏析、疏松、缩孔、裂纹等缺陷。
通过研究，本申请实施例提供的高锰奥氏体耐磨钢克服了上述的技术问题，使用连铸生产的工艺生产高锰钢，实现了高锰奥氏体耐磨钢板的大规模工业生产，提高了生产效率、降低了生产成本。
首先，本实施例中的高锰奥氏体耐磨钢调整了配比，与现有技术相比，本实施例配方降低了C含量，提升了Si含量，提升了Mn含量。具体地，包含以下化学组成按重量百分含量为：0.9wt％≤C≤1.1wt％；0.30wt％≤Si≤0.60wt％；12.5wt％≤Mn≤13.5wt％；0.02wt％≤Als≤0.04wt％；0＜S≤0.003wt％；0＜P≤0.02wt％；余量为铁和其他不可避免的杂质。
本申请实施例中，各化学元素的添加原理如下：
碳C：碳可提高钢板的淬透性，具有强烈的固溶强化作用，碳含量提高，耐磨性提高，冲击韧性降低，在高锰钢中其与Mn配合能促进加工硬化，提高耐磨性，在低温或强烈冲击工况下，C应该控制在小于等于1.15％。本申请实施例将C含量控制为0.9wt％～1.1wt％。
硅Si：Si元素固溶在钢板中，具有一定的固溶强化作用，可以提高钢板的强度。在高锰钢中Si为脱氧剂，但超过0.6％时会促进碳化物的粗化，降低耐磨性。因此，本申请实施例中的Si含量控制为0.30wt％～0.60wt％。
锰Mn：Mn元素是弱碳化物形成元素，通常固溶在钢板中，起到固溶强化的效果；Mn为稳定奥氏体的主要元素，Mn增加冲击韧性提高，强烈促进奥氏体晶粒长大，易产生柱状晶，增大冷凝收缩量，形成热裂纹。一般情况下wt.％Mn+13wt.％C≥17能获得稳定的全奥氏体组织。当锰碳比的＜10时，奥氏体基体上分布有碳化物，耐磨性提高，韧性降低，使用中易产生断裂现象。当锰碳比＞10，水韧处理后能得到单一的奥氏体，有良好的韧性和耐磨性配合。因此，为了使钢板具有良好的强韧性，本申请实施例中Mn元素的含量控制为12.5wt％～13.5wt％。
P、S、O、N、H：钢中的有害杂质元素，会显著降低钢的塑韧性和焊接性能，因此应尽可能的减少上述杂质元素含量。
本发明提供的高锰耐磨钢，配比简单，组织为奥氏体加极少量的碳化物，屈服强度≥400MPa，抗拉强度为600～1000MPa，钢板布什硬度HB为170～300，延伸率为20％～50％，-40℃冲击功为100J以上。在受到外力冲击的情况下奥氏体组织能迅速转变为马氏体组织，具有良好的耐磨性能。
进一步地，高锰奥氏体耐磨钢的组织为奥氏体以及极少量的碳化物。
进一步地，高锰奥氏体耐磨钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度为600～1000MPa，钢板布什硬度HB为170～300，延伸率为20％～50％，-40℃冲击功为100J以上。
本申请的另一方面，提供了一种高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：钢材的冶炼、铸造、轧制、卷取；其中，轧制步骤包括：将上述含量成分的板坯直接热装炉，并依次进行再加热、粗轧、精轧以及层流冷却。
本发明的制造方法，对成分的元素以及配比进行适当控制，采用简单的成分配比以及同时采用低过热度高拉速的轧制过程控制连铸的偏析，通过快速入炉控制铸坯缓慢冷却过程中碳化物沿晶界的网状析出，并且通过超快冷+层流冷却的方式直接在线水韧处理缩短工艺流程获得钢板较好的综合力学性能。其中，在线水韧处理是指在轧制时采用高的终轧温度，轧完后快速冷却到接近室温，以防止高锰钢中沿奥氏体晶界析出脆性的碳化物。而普通的离线水韧处理是指将轧完的钢板再加热进行奥氏体化和碳化物的回溶，然后通过淬火冷却，最终得到单一的奥氏体组织。相比而言，本申请中的方法实现了用常规连铸生产高锰钢的工艺，解决了在轧制后必须采用离线水韧固溶处理的技术问题，提高了生产效率同时降低了生产成本。
优选地，再加热的步骤包括，将板坯进行红送入炉再加热，红送温度大于700℃，再加热温度为1200～1300℃，保温时间为30～60min。红送入炉加热即钢铁在高温烧红状态下进入到加热炉中，红送入炉的温度为不低于700摄氏度，温度无上限，只要红送温度大于700摄氏度即可达到相应的效果。
进一步地，铸造过程为板坯连铸，板坯连铸步骤中，拉速为0.7～1.2m/min，坯厚为230mm，且连铸过热度控制在15～25℃以内。较低的过热度能有效的降低柱状晶的比例，提高等轴晶的比例。
优选地，粗轧的步骤中：粗轧的总压下率为75％～85％，单道次压下率15％～25％；粗轧后的板坯表面温度为1050℃～1150℃；粗轧中间坯厚度控制在40～58mm。粗轧大的压下率能有效的防止轧制过程中板坯的分层现象。
优选地，精轧的步骤中：精轧的总压下率大于60％，单道次压下率不低于12％，终轧温度为900℃～1000℃，成品厚度控制在2～25mm。较高的终轧温度能确保在线水韧的效果。
优选地，层流冷却的步骤包括，先采用超快速冷却，然后采用10℃/s～25℃/s的层流冷却的冷却速度进行冷却，超快速冷却的冷却速度为100℃/s～300℃/s，冷却至750℃左右。高锰钢连铸坯中C元素在交叉树枝晶区存在一定程度的负偏析，在中心等轴景区偏析程度明显加剧，C元素的微观偏析，主要以晶界偏析为主；Mn元素无明显的宏观偏析现象，但存在一定的成分波动现象。当温度降低至550℃以下时，随着冷却温度的降低，碳化物的析出量明显增加，为了避免碳化物的大量析出，本申请的技术方案采用连铸坯下线后采用快速冷却的方法，较少其在高温段的停留时间，降低碳化物的大量析出，提升高锰钢的耐磨性。
优选地，卷取的步骤包括，卷取温度为100～200℃。卷取之后再开平，即可获得高锰奥氏体耐磨钢板。
实施例一
为实现上述发明目的，本申请实施例一方面提供了一种高锰奥氏体耐磨钢，高锰耐磨钢以质量百分数计包括：0.9wt％≤C≤1.1wt％；0.30wt％≤Si≤0.60wt％；12.5wt％≤Mn≤13.5wt％；Als:0.02～0.04％；S≤0.003％；P≤0.02％；余量为Fe和不可避免的杂质元素；高锰奥氏体耐磨钢成品组织为奥氏体加少量碳化物。高锰奥氏体耐磨钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度为600～1000MPa，钢板布什硬度HB为170～300，延伸率为20％～50％，-40℃冲击功为100J以上。
使用本发明中的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法制造的具体包括：首先，将钢水冶炼经常规连铸为板坯，热轧板坯形成钢卷，将钢卷经开平获得奥氏体耐磨钢。
其中，钢水冶炼为板坯包括：钢水依次经KR法脱硫、转炉炼钢、RH法精炼处理后，连铸为板坯。其中转炉容量为210吨，连铸的步骤中连铸拉速为0.7～1.2m/min，连铸坯厚为230mm，连铸过热度控制在15～25℃以内。
然后，板坯直接热装入炉再加热、粗轧、精轧、层流冷却后，卷取形成钢卷，其中再加热的步骤包括，将板坯进行红送入炉再加热。其中，红送温度大于700℃，再加热温度为1200～1300℃，保温时间为30～60min。
其中，粗轧的步骤中，粗轧的总压下率为75％～85％，粗轧的单道次压下率15％～25％；粗轧后的板坯表面温度为1050℃～1150℃；粗轧中间坯厚度控制在40～58mm。
精轧的步骤中，精轧的总压下率大于60％，精轧的单道次压下率不低于12％；精轧的终轧温度为900℃～1000℃；精轧成品厚度控制在2～25mm。
层流冷却的步骤包括，先采用超快速冷却，冷却速度为100℃/s～300℃/s冷却至750℃左右，然后采用10℃/s～25℃/s的层流冷却的冷却速度进行冷却。再进行卷取，卷取的步骤包括，卷取温度为100～200℃，卷取后的钢卷按照需要的尺寸进行开平成钢板。
本申请实施例提供的耐磨钢的组织为奥氏体加少量的碳化物，屈服强度≥400MPa，抗拉强度为600～1000MPa，钢板布什硬度HB为170～300，延伸率为20％～50％，-40℃冲击功为100J以上。在受到外力冲击的情况下奥氏体组织能迅速转变为马氏体组织，具有良好的耐磨性能。
请结合附图进行参考，图1为本申请实施例提供的高锰奥氏体耐磨钢板的金相组织图。图中的浅色线条为高锰奥氏体耐磨钢板的奥氏体晶界的界线。图2为本申请实施例提供的高锰奥氏体耐磨钢板中的碳化物析出的显微图像。结合图1可看出，碳化物析出的痕迹与图1中的浅色线条重合，即碳化物仅仅是沿奥氏体晶界析出的，并且形成了明显的网状的析出结构，避免了大面积的碳化物的析出。
由附图可知，通过本发明的方法生产的钢材，采用快速冷却的方法，减少了在高温段的停留时间，降低碳化物的大量析出，达到以晶界偏析为主的析出状态，提升高锰钢的耐磨性。采用本实施例中的制造方法生产的高锰奥氏体耐磨钢，完全达到采用铸件或者模铸方法生产的高锰奥氏体材料的性能，并且组织和性能明显优于采用铸件或者模铸生产出的高锰钢。
具体的，与现有技术相比，本实施例的技术方案具有以下有益效果：本申请实施例通过对元素的添加范围适当控制，采用简单的成分配比、通过低过热度高拉速控制连铸的偏析、采用高温红送热装控制铸坯冷却的碳化物沿晶界的网状析出、以及直接在线水韧处理缩短工艺流程获得钢板较好的综合力学性能。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高锰奥氏体耐磨钢，其特征在于，包含以下化学组成按重量百分含量为：0.9wt％≤C≤1.1wt％；0.30wt％≤Si≤0.60wt％；12.5wt％≤Mn≤13.5wt％；0.02wt％≤Als≤0.04wt％；0＜S≤0.003wt％；0＜P≤0.02wt％；余量为铁和其他不可避免的杂质；
所述高锰奥氏体耐磨钢的组织为奥氏体以及碳化物；
所述高锰奥氏体耐磨钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度为600～1000MPa，钢板布氏硬度HB为170～300，延伸率为20％～50％，-40℃冲击功为100J以上。
2.一种如权利要求1所述的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将如权利要求1中所述的成分的铁水铸造、轧制、卷取；所述铸造过程为板坯连铸，所述板坯连铸步骤中，拉速为0.7～1.2m/min，坯厚为230mm，过热度控制在15～25℃的范围内；
所述轧制步骤包括精轧，所述精轧的终轧温度为900℃～1000℃；
所述精轧过后为层流冷却，所述层流冷却的步骤包括，先采用超快速冷却，然后采用10℃/s～25℃/s的层流冷却的冷却速度进行冷却；其中，所述超快速冷却的冷却速度为100℃/s～300℃/s，冷却至700～750℃。
3.根据权利要求2所述的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，所述轧制步骤的精轧步骤之前还包括：将所述的板坯进行加热装炉——再加热——粗轧。
4.根据权利要求3所述的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，其中所述再加热的步骤包括，将所述板坯入炉再加热，板坯初始温度大于700℃，再加热温度为1200～1300℃，保温时间为30～60min。
5.根据权利要求3所述的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，所述粗轧的步骤中：总压下率为75％～85％，单道次压下率15％～25％；所述粗轧后的板坯表面温度为1050℃～1150℃；中间坯厚度控制在40～58mm。
6.根据权利要求3所述的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，所述精轧的步骤中：总压下率大于60％，单道次压下率不低于12％，成品厚度控制在2～25mm。
7.根据权利要求2所述的高锰奥氏体耐磨钢的制造方法，其特征在于，所述卷取的步骤中，卷取温度为100～200℃。
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