CN114058973B - 一种nm450级低碳低合金贝氏体耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

一种nm450级低碳低合金贝氏体耐磨钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢及其制备方法，所述耐磨钢化学成分及质量含量为：C:0.15～0.25%，Si:1.50～2.10%，Mn:1.90～2.10%，Mo:0.22～0.28%，Cr:0.85～1.15%，V:0.030～0.040%，P≤0.008%，S≤0.005%，N≤0.005%，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序；所述冷却工序，以15～30℃/s速度将钢板层流冷却至350～400℃后，空冷至室温。本发明未添加镍、铌、钛等合金元素，且无需后续热处理，生产成本低、工艺简单，耐磨钢晶粒度细小、组织均匀，综合性能良好。

Description

一种NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢及其制备方法。
背景技术
低合金高强度耐磨钢主要应用于较为恶劣的工况环境，如高应力、高强度、高磨损的矿山机械、煤炭挖掘、抓斗斗齿、电力机械以及冶金机械等机械产品上。随着科技和经济的发展，服役工况条件更加复杂，对其强度、硬度、冲击韧性及使用寿命的综合要求日益提升。现有低合金耐磨钢产品均以马氏体耐磨钢为主，由于淬火马氏体塑性及韧性相对较差，淬火处理后需要添加合适的回火工艺，在牺牲部分强度、硬度的情况下改善塑性及韧性。然而，耐磨钢对于强度、硬度、延伸率及韧性的要求均较高。马氏体耐磨钢(尤其强度级别较高的)回火处理后经常面临回火不充分因内应力较大导致开裂或延伸率及冲击韧性不达标，或者回火过度导致强度硬度不能满足要求等问题。因此，马氏体耐磨钢不仅生产工艺复杂，降低生产效率，且综合性能难以控制。
贝氏体组织具有较高强度和高延伸率及韧塑性，通过设计合适的成分体系及轧后冷却工艺，制备强度和韧塑性匹配的贝氏体高强钢。然而，现有的低碳贝氏体钢大多添加大量合金元素，如Ni、Nb、Ti、Co、Al等，其中有些合金元素价格昂贵，增加了生产成本；此外，为了获得综合性能较好的下贝氏体组织，通常需要在Ms点以上较低温度等温淬火，工艺复杂，不利于生产控制。
“超细贝氏体耐磨钢及其制造工艺”(CN 1710134A)专利技术，其化学成分(wt％)为：C＝0.7～1.1％，Si＝0.5～3.0％，Mn＝0.5～3.0％，Cr＝0.5～3.0％，V＝0.0～0.3％，W＝0.1～2.0％，Al＝0.010～2.0％，余量为Fe和不可避免的杂质。虽然硬度达到62HRC，冲击韧性为45J/cm2，但是碳质量百分比在0.7％以上，加工成型后机械加工困难，焊接性能很差；而且添加了大量贵重的合金元素Cr，以及稀有元素W，大幅增加了其成本；此外，其还需后续热处理工艺，在900℃奥氏体化180分钟后等温淬火至250℃保温24小时，工艺复杂难以控制且周期较长，不利于实际生产。
“一种低合金贝氏体耐磨钢”(CN 95103148.1)专利技术，其化学成分(wt％)为：C＝0.4～0.5％，Si＝0.9～1.2％，Mn＝1.2～1.6％，Cr＝0.8～1.2％，Mo＝0.3～0.4％，V＝0.08～0.15％，Cu＝0.3～0.4％，B＝0.00075～0.0025％，Re＝0.04～0.07％，P≤0.045％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。该方法使用中碳合金钢通过连续冷却处理获得贝氏体/马氏体复相组织，能够应用于潮湿磨损及较大冲击载荷作用的工况条件下。然而其碳含量相对较高，不利于焊接性能及后期加工性能，且添加极为稀有的Re元素，不利于生产成本控制，同时限制了其大面积应用。
“一种具有NM550硬度的低成本耐磨钢板及制造方法”(CN1020691017A)专利技术，其化学成分(wt％)为：C＝0.25～0.3％，Si＝1.6～2.0％，Mn＝2.0～2.5％，Cr＝1.0～1.5％，Mo＝0.2～0.3％，Nb＝0.01～0.06％，V＝0.01～0.06％，Ni＝0.5～1.0％，B＝0.001～0.0015％，P≤0.015％，S≤0.005％，[O+N]≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。其连铸坯1200～1250℃加热，经过两阶段控轧，终轧温度780～850℃，再以冷却速度≥5℃/s控制冷却至250～280℃后等温120分钟，最后空冷。此方法中，Ni、Cr、Mo含量较高，还添加大量贵重合金元素Nb、V等，成本相对较高；此外合金含量偏高，导致碳当量增加，不利于焊接性能；同时，其冷却后显微组织更多以马氏体为主，虽然强度硬度较高，但韧塑性能相对较低。
“一种无碳化物纳米贝氏体耐磨钢板及其生产工艺”(CN101338399A)专利技术，其成分(wt％)为：C＝0.15～0.25％，Si＝1.3～2.0％，Mn＝1.5～2.0％，Cr＝0.6～1.0％，Mo＝0.25～0.3％，Al＝0.2～0.6％，Nb＝0.01～0.35％，P≤0.015％，和S≤0.006％，余量为Fe和伴随的杂质。此方法生产工艺为连铸坯1200℃出炉，终轧温度在800～900℃后控冷至530～650℃后空冷，再经过中低温回火制得无碳化物贝氏体耐磨钢板。该钢合金成分相对较低，但其性能方面：硬度330HB，抗拉强度1100MPa，屈服强度900MPa，室温冲击功30J/cm2，综合性能在低合金耐磨钢领域相对较差，无法应用于工况复杂，高强应力作用的磨损环境。此外，该方法制备无碳化物贝氏体耐磨钢轧后冷却还需离线进行中低温回火处理，增加了生产周期，不利于工业生产及成本控制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种工艺简单、生产成本低、生产周期短且综合性能良好的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢，其化学成分组成及质量百分含量为：C:0.15～0.25％，Si:1.50～2.10％，Mn:1.90～2.10％，Mo:0.22～0.28％，Cr:0.85～1.15％，V:0.030～0.040％，P≤0.008％，S≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述耐磨钢的厚度为15～22mm，其室温下的显微组织由面积占比为55～75％贝氏体、15～25％马氏体、5～20％残余奥氏体组成。
所述耐磨钢维氏硬度为430～480HV，抗拉强度Rm为1300～1700MPa，屈服强度Rp0.2为1100～1300MPa，伸长率为12～18％，-40℃低温冲击韧性为30～50J/cm2。
上述NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的制备方法，包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序；所述冷却工序，以15～30℃/s冷却速度将钢板层流冷却至350～400℃后，置于空气中冷却至室温。
所述加热工序，加热至1200～1300℃保温120～180min。
所述轧制工序，粗轧温度1000～1120℃，粗轧阶段分为5～7个道次，单道次变形量18～30％；精轧阶段分为4～6个道次，单道次变形量9.5～17％，终轧温度800～850℃。
所述冷却工序，空气中冷却速度为5～8℃/s。
本发明以价格低廉的C、Si、Mn元素为主，该成分基础相对其他同级别耐磨钢产品降低了碳的含量，提高耐磨钢产品后期可加工性及焊接性能；Si元素的加入抑制碳化物的形成，使延伸性能进一步提高，冲击韧性大大增强；不需要添加Ni、Nb、Ti、B等贵重合金元素，故生产成本较低；利用向低碳低合金钢中添加适量Cr和Mo提高钢的淬透性，避免高温铁素体的转变，促进更多过冷奥氏体向贝氏体转变；控制贝氏体转变在低温下进行，短周期内获得较多的板条状贝氏体组织，提高钢的强度及韧性。
同时，结合轧后冷却工艺可获得晶粒度细小、金相组织均匀、综合性能良好，耐磨性能优异且具有良好可焊性的NM450级别贝氏体耐磨钢，轧后快速冷却避免高温铁素体的转变，进入贝氏体相变区后空冷，促进更多过冷奥氏体发生贝氏体相变，且控制贝氏体转变在低温下进行，获得以板条贝氏体组织为主的贝氏体+马氏体复相组织，贝氏体、马氏体、残余奥氏体比例为55～75％：15～25％：5～20％。大量板条贝状氏体组织既具有较高的强度，又有良好的塑性，有利于提升材料的综合力学性能，且可以有效控制残余应力导致板型不好和开裂等问题；部分马氏体组织可以有效提升材料的强度、硬度，增加材料耐磨性能；少量残余奥氏体在外加载荷作用下诱导马氏体相变，进一步提高材料的强度、硬度，同时残余奥氏体还可以钝化裂纹，提升冲击韧性。该低碳低合金贝氏体耐磨钢在相同耐磨级别贝氏体耐磨钢中，提高钢的强度及韧性；且无需后续热处理，可以明显提高生产效率，适于工业化生产。
本发明NM450级耐磨钢，厚度规格为15～20mm，维氏硬度为430～480HV，抗拉强度Rm为1300～1700MPa，屈服强度Rp0.2为1100～1300MPa，伸长率为12～18％，-40℃低温冲击韧性为30～50J/cm2，相对同化学成分体系下贝氏体钢，具备更好的硬度、强度及韧塑性的综合性能。本发明工艺简单、成本低、生产周期短，所制备的耐磨钢综合性能优异，可广泛应用于矿山机械、煤炭挖掘、抓斗斗齿、电力机械以及冶金机械等机械产品上。
附图说明
图1为实施例1贝氏体耐磨钢表面的金相组织图(2000倍)；
图2为实施例1贝氏体耐磨钢表面的金相组织图(5000倍)；
图3为实施例1贝氏体耐磨钢芯部的金相组织图(2000倍)；
图4为实施例1贝氏体耐磨钢芯部的金相组织图(5000倍)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1240℃保温180min后热轧，粗轧温度为1000～1120℃，粗轧阶段分为6个道次，单道次变形量控制在20～27％；精轧阶段分为5个道次，单道次变形量控制在10～13％，终轧温度为820℃；轧后使用层流冷却快冷至380℃后，冷却速度为30℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度7℃/s。
表1为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表1.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000051
实施例2
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1200℃保温120min后热轧，粗轧温度为1020～1100℃，粗轧阶段分为6个道次，单道次变形量控制在20～24％，精轧阶段分为5个道次，单道次变形量控制在10～12.5％，终轧温度为840℃，轧后使用层流冷却快冷至370℃后，冷却速度控制在25℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度6℃/s。
表2为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表2.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000061
实施例3
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1280℃保温150min后热轧，粗轧温度为1020～1100℃，粗轧阶段分为7个道次，单道次变形量控制在18～25％，精轧阶段分为4个道次，单道次变形量控制在10～17％，终轧温度为850℃，轧后使用层流冷却快冷至395℃后，冷却速度控制在15℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度8℃/s。
表3为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表3.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000062
实施例4
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1290℃保温180min后热轧，粗轧温度为1000～1080℃，粗轧阶段分为5个道次，单道次变形量控制在20～30％，精轧阶段分为6个道次，单道次变形量控制在9.5～12.5％，终轧温度为800℃，轧后使用层流冷却快冷至350℃后，冷却速度控制在30℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度5℃/s。
表4为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表4.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000071
实施例5
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1245℃保温180min后热轧，粗轧温度为1020～1100℃，粗轧阶段分为6个道次，单道次变形量控制在19.6～23.3％，精轧阶段分为5个道次，单道次变形量控制在9.5～14.3％，终轧温度为805℃，轧后使用层流冷却快冷至360℃后，冷却速度控制在30℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度5℃/s。
表5为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表5.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000072
Figure BDA0003334407480000081
实施例6
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1264℃保温175min后热轧，粗轧温度为1030～1100℃，粗轧阶段分为6个道次，单道次变形量控制在18～26％，精轧阶段分为4个道次，单道次变形量控制在10.8～17.0％，终轧温度为837℃，轧后使用层流冷却快冷至400℃后，冷却速度控制在18℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度6℃/s。
表6为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表6.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000082
实施例7
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1300℃保温133min后热轧，粗轧温度为1020～1120℃，粗轧阶段分为5个道次，单道次变形量控制在21～30％，精轧阶段分为6个道次，单道次变形量控制在10～17％，终轧温度为814℃，轧后使用层流冷却快冷至366℃后，冷却速度控制在27℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度8℃/s。
表7为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表7.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000091
实施例8
本实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量见表9。其生产方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
将经过真空冶炼、铸造后的钢坯加热至1225℃保温160min后热轧，粗轧温度为1000～1080℃，粗轧阶段分为7个道次，单道次变形量控制在18～25％，精轧阶段分为4个道次，单道次变形量控制在9.5～14.5％，终轧温度为825℃，轧后使用层流冷却快冷至385℃后，冷却速度控制在23℃/s，随后空冷至室温，控制空冷速度7℃/s。
表8为此成分下轧制工艺各道次变形量，该工艺参数下得到的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的力学性能见表10。
表8.本实施例轧制工序各道次分配
Figure BDA0003334407480000092
表9.各实施例耐磨钢的化学成分及含量(wt％)
实施例 C Si Mn Mo Cr V P S N
1 0.208 1.93 1.94 0.252 1.07 0.036 0.005 0.002 0.001
2 0.196 2.06 1.94 0.23 0.98 0.037 0.005 0.003 0.002
3 0.246 1.52 1.92 0.27 1.13 0.040 0.008 0.005 0.005
4 0.154 2.10 2.03 0.25 0.85 0.040 0.007 0.004 0.004
5 0.225 1.72 1.95 0.22 0.98 0.030 0.006 0.003 0.003
6 0.150 1.81 2.10 0.26 1.02 0.033 0.003 0.002 0.005
7 0.177 1.50 2.06 0.28 0.89 0.039 0.004 0.005 0.003
8 0.250 1.65 1.90 0.24 1.15 0.035 0.004 0.004 0.002
表10.各实施例NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢力学性能
Figure BDA0003334407480000101
附图1-4为本发明实施例1中制备的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的金相显微组织图，本发明耐磨钢的显微组织为板条贝氏体+少量马氏体+残余奥氏体。大量板条贝状氏体组织既具有较高的强度，又有良好的塑性，有利于提升材料的综合力学性能，且可以有效控制残余应力导致板型不好和开裂等问题；部分马氏体组织可以有效提升材料的强度、硬度，增加材料耐磨性能；少量残余奥氏体在外加载荷作用下诱导马氏体相变，进一步提高材料的强度、硬度，同时残余奥氏体还可以钝化裂纹，提升冲击韧性。

Claims (5)

1.一种NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢，其特征在于，所述耐磨钢的化学成分组成及质量百分含量为：C:0.15～0.246%，Si:1.65～2.10%，Mn:1.90～2.10%，Mo:0.22～0.28%，Cr:0.85～1.15%，V:0.030～0.040%，P≤0.008%，S≤0.005%，N≤0.005%，余量为Fe及不可避免的杂质；所述耐磨钢的厚度为15～22mm，其室温下的显微组织由面积占比为55～75%贝氏体、15～25%马氏体、5～20%残余奥氏体组成；维氏硬度为430～480HV，抗拉强度Rm为1300～1700MPa，屈服强度Rp0.2为1100～1300MPa，伸长率为12～18%，-40℃低温冲击韧性为30～50J/cm2；
所述耐磨钢的制备方法包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序；所述冷却工序，以15～30℃/s冷却速度将钢板层流冷却至350～400℃后，置于空气中冷却至室温，空气中冷却速度为5～8℃/s。
2.基于权利要求1所述的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于，包括真空冶炼、铸造、加热、轧制及冷却工序；所述冷却工序，以15～30℃/s冷却速度将钢板层流冷却至350～400℃后，置于空气中冷却至室温，空气中冷却速度为5～8℃/s。
3.根据权利要求2所述的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于，加热工序，加热至1200～1300℃保温120～180min。
4.根据权利要求3所述的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于，轧制工序，粗轧温度1000～1120℃，粗轧阶段分为5～7个道次，单道次变形量18～30%。
5.根据权利要求4所述的NM450级低碳低合金贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述轧制工序，精轧阶段分为4～6个道次，单道次变形量9.5～17%，终轧温度800～850℃。
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