CN114351053A - 一种超细晶高韧性耐磨钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超细晶高韧性耐磨钢及其制造方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.32‑0.40％，Si：0.9‑1.7％，Mn：2.5‑4.0％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Mo：0.20‑0.40％，Ni：1.3‑2.0％，Ti：0.45‑0.55％，Als：0.015‑0.05％，N≤0.010％，O≤0.0030％，H≤0.00020％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法，包括冶炼、铸造、轧制、热处理；应用本发明生产的钢板屈服强度达1006～1221MPa，抗拉强度达1319～1497Mpa，表面硬度达467～461HBW，心部硬度达448～488HBW，心部硬度不低于表面硬度95％，‑20℃冲击功≥24J。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种超细晶高韧性耐磨钢及其制造方法。
背景技术
低合金耐磨钢以回火马氏体为使用组织，其特点是成本低、焊接性良好、韧性优异，是目前使用量最大的耐磨钢。随着用户对耐磨性能提出更高要求，高耐磨性钢得到快速发展，颗粒强化是提升钢耐磨性的技术手段之一。
颗粒强化耐磨钢思想是在钢基体中引入弥散分布的稳定化合物颗粒，以颗粒高硬度提高钢的耐磨性，研究表明微米级颗粒TiC能够显著增强钢的耐磨性，但高硬度TiC颗粒却恶化钢的冲击韧性。
相关论文《TiC颗粒强化型马氏体耐磨钢的性能研究[J].钢铁钒钛》对比Hardox450与不同工艺生产的TiC耐磨钢，相同磨损条件下，TiC耐磨钢失重量为Hardox450的70％，但室温冲击韧性较差，仅为11-14J。
相关论文《高钛耐磨钢中TiC的析出机理研究》深入研究了TiC影响钢塑韧性的机理，但并没有给出改善的工艺及方法。
专利文献《一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法》(申请号201510917941.6)公开了一种粒子增强型奥氏体耐磨钢板，其化学成分为C：1.10-1.30；Mn：8.00-10.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.20-2.50；Ni：0.20-2.50；Mo：0.20-0.40；Ti：0.40-0.80；S≤0.010；P≤0.015，余量为Fe和不可避免的杂质元素。铸坯热轧后经水韧淬火，可以获得弥散于奥氏体基体体积分数为0.5-1.5％的TiC析出相，颗粒平均尺寸为1-5μm，。该钢板的屈服强度约为400Pa，抗拉强度约为800MPa，延伸率大于15％，室温冲击功大于50J，材料的耐磨粒磨损性能可达Hardox450的3倍以上。但该成分C含量及合金含量较高，焊接性较差。
专利文献《TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法》(申请号201410742877.8)公开了一种TiC粒子增强耐磨钢，其化学成分为C：0.20-0.40；Mn：1.00-2.50；Si：0.80-1.50；Ni：0.20-0.60；Mo：0.15-0.50；Ti：0.40-0.80；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015，此外需添加Cu：0.00～0.50wt％、Cr：0.00～0.80wt％中一种或两种合金元素，余量为Fe和不可避免的杂质元素。热轧板经过热处理可以获得体积分数6-12％马氏体/奥氏体的复相组织，及一定体积分数的贝氏体，钢板硬度为370-420HBW，虽然硬度降低，但耐磨性仍然优于Hardox450，且塑韧性较佳。该方法并没有公开TiC耐磨钢的低温韧性，随着使用温度的降低，该钢种的韧性会明显降低。
专利文献《用于细化TiC颗粒增强型耐磨钢中TiC的方法》(申请号201510921071.X)公开了一种通过控制连铸工艺细化TiC方法，通过调节浇注温度、二冷水量、矫直点温度以及控制板坯结晶器热流密度，可以将TiC颗粒细化至1μm，钢板延伸率从7％提高到11％，室温冲击功从12J提高至20J，冷弯性能满足弯心直径6a，90度合格。该方法成功提高了TiC颗粒增强型耐磨钢塑韧性，但室温冲击功20J难以满足-20℃寒冷环境使用条件。
专利文献《一种高强度耐磨钢及其制备方法》(申请号201910124582.7)公开了一种高强度耐磨钢，其化学成分为含C:0.41-0.59％、Si:0.31-0.58％、Mn:7.1-8.9％、P≤0.018％、S≤0.01％、Ti:0.25-0.35％，Cr:3.60-5.60％、Zr:0.10-0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。该钢的组织有10-20％奥氏体和回火马氏体组成，-40℃冲击功最高可达220J，但是该钢的屈服强度约为700-780MPa，在中低冲击磨损条件下，不利于耐磨性能充分发挥，且该钢合金元素含量较高，铸坯质量控制难度较大，焊接性能差。
可以看到，与低合金耐磨钢相比，上述颗粒强化耐磨钢板的耐磨性均有明显提升，但韧性较差。通过细化TiC颗粒可以提高冲击功，但效果不明显；提高组织奥氏体体积分数需要增加合金元素，不利于焊接性能，且奥氏体体积分数增加会降低钢的屈服强度，削弱钢的耐磨性。
为解决上述技术问题，本发明通过成分与工艺的配合，降低钢Ac3温度，降低淬火加热温度，细化奥氏体晶粒尺寸，将颗粒强化耐磨钢组织晶粒细化至3μm，以此增加高耐磨性钢板的低温冲击功，效果显著。
发明内容
本发明的目的在于克服上述颗粒强化耐磨钢由于引入微米级颗粒造成其冲击韧性较低的问题和不足而提供一种一种超细晶高韧性耐磨钢及其制造方法，细化组织晶粒，提高耐磨板冲击功。
本发明目的是这样实现的：
一种超细晶高韧性耐磨钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.32-0.40％，Si：0.9-1.7％，Mn：2.5-4.0％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Mo：0.20-0.40％，Ni：1.3-2.0％，Ti：0.45-0.55％，Als：0.015-0.05％，N≤0.010％，O≤0.0030％，H≤0.00020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明所述耐磨钢钢板厚度≤60mm。
所述耐磨钢组织为马氏体+残余奥氏体+TiC析出颗粒，优选，TiC析出颗粒平均尺寸为2.5～3.8μm，钢板具有高强度、高硬度、优异的耐磨性能和良好的低温韧性。
所述残余奥氏体体积百分含量为1.4％～10.3％。
所述耐磨钢平均晶粒尺寸≤3μm。
所述耐磨钢-20℃冲击功≥24J。
所述耐磨钢板屈服强度为1006～1221MPa，抗拉强度为1319～1497Mpa。
所述耐磨钢板表面硬度为467～461HBW，心部硬度为448～488HBW，心部硬度不低于表面硬度95％。
所述耐磨钢板相对耐磨性能为同级别低合金耐磨钢耐磨性的1.9～2.1倍。
本发明成分设计理由如下：
选择合金元素种类及其含量是因为：
C：是决定钢强度和硬度的主要元素，强化方式为固溶强化和析出强化，由于该钢种添加了一定的Ti，TiC析出减少固溶碳，因此为保证硬度450～520HBW，碳含量控制在0.32％～0.4％。
Si：是碳化物析出抑制元素，在冷却及回火过程中，其能够抑制渗碳体析出，确保碳扩散至残余奥氏体中，提高残余奥氏体体积分数和稳定性，范围控制在0.9％～1.7％。
Mn：是固溶强化元素，降低相变温度，稳定奥氏体，提高钢的淬透性，但锰含量过多不利于钢坯质量控制，会出现严重偏析情况，范围控制在2.5％～4.0％。
Ni：是改善冲击韧性元素，其在晶界处偏聚会提高晶界强度，该钢中镍的添加会减小钛和锰对韧性的不利影响，更重要的是镍会继续降低相变温度，为低温正火超细化晶粒提供条件，细化的晶粒能够大幅提升钢的韧性。但镍价格较高，且会加剧表层脱碳，降低表层硬度，范围控制在1.3～2.0％。
Ti：是强碳化物形成元素，本发明Ti能够与C结合形成TiC颗粒析出相，这些高硬度TiC颗粒能够极大地提升钢的耐磨性能。随着Ti含量的增加，TiC析出相平均尺寸增大，TiC析出相体积分数增加，但TiC会大幅削弱钢板冲击韧性。为了控制TiC析出相尺寸和含量，平衡钢板的综合性能，本发明控制Ti含量为0.45～0.55％。
Mo：能够推迟铁素体相的形成，使钢板在正火冷却过程不软化，此外，钼能够细化析出相，减少TiC析出相尺寸半径，增强析出强化效果，促进晶粒细化，范围控制在0.20％～0.40％。
Als：为确保Ti的收得率，酸溶铝范围控制在0.015％～0.045％。
P、S：是钢中不可避免杂质，范围控制P≤0.015％、S≤0.008％。
本发明技术方案之二是提供一种超细晶高韧性耐磨钢板的制造方法，包括冶炼、铸造、轧制、热处理。
本发明所述钢坯可以为连铸钢坯或模铸开坯钢坯。
钢坯厚度/钢板终轧厚度≥4，钢坯加热温度1080～1260℃，钢坯在炉时间1.2～2.0min/mm。
开轧温度950～1150℃，终轧温度830～1060℃，轧后空冷至室温。
热处理包括正火和回火，正火加热温度810～850℃，正火保温时间1.0～3.0min/mm；回火加热温度250～350℃，回火保温时间1.0～2.0min/mm。
TiC颗粒尺寸是影响该钢种耐磨性能的关键因素，当钢种添加大量Ti元素，会形成纳米、亚微米和微米级多梯度TiC颗粒，其中亚微米和微米级TiC颗粒能够显著增强钢耐磨性能。本发明是通过控制微米级TiC颗粒和基体组织控制钢的综合性能，控制TiC颗粒尺寸为2.5～3.8μm，并且同时控制钢基体马氏体组织平均晶粒尺寸≤3μm，使TiC颗粒尺寸和马氏体组织平均晶粒尺寸相当，这样即能够增强TiC颗粒在基体组织中的稳定性，进而提升钢的耐磨性，又能够保证钢的低温冲击韧性。这是因为随着基体晶粒尺寸的减小，在受到外部冲击和磨损时，TiC能够通过周围尺寸多取向晶粒高效率传递力和变形，相当于更多的作用于TiC颗粒上的能量在基体中耗散掉，这有利于减缓磨损工况下高硬度TiC颗粒的剥离，增强钢的耐磨性。而超细晶粒提升了钢种晶界面总量，晶界是缺陷聚集区，能够增强钢的强度和硬度，有利于耐磨性的提升，更重要的是，晶界能够使裂纹在扩展的过程中不断发生偏转，有效提升了裂纹扩展的阻力，提升了钢板的冲击韧性。
TiC颗粒一方面以其超高硬度增强了钢的耐磨性，但也大幅削弱了钢的低温冲击韧性，并且TiC颗粒尺寸越大，钢的低温冲击韧性约低。为了使钢中TiC颗粒充分变形，控制其晶粒尺寸，促使其弥散分布，限定了钢坯厚度/钢板终轧厚度≥4。弥散分布的TiC能够使钢板综合性能更加均匀。
钢坯加热温度1080～1260℃，钢坯在炉时间1.2～2.0min/mm，是因为钢中添加大量合金元素，延长加热时间使合金元素充分均匀化。
开轧温度950～1150℃，终轧温度820～1060℃，轧后空冷至室温，选择较高的轧制温度是因为钢板中含有大量TiC颗粒，这些微米级TiC颗粒很容易影响基体组织的连续性，使钢板内部出现裂纹，这些内部裂纹在后续的热处理过程会扩展，严重削弱钢板的塑性和韧性。高温能够使基体塑性更佳，保证奥氏体基体在变形过程中的连续性，而不会导致钢板内部裂纹。轧后空冷是使钢板残余应力水平控制在较低水平，有利于冷却过程钢板内部裂纹控制。
由于添加了0.45％～0.55％的Ti合金元素，TiC析出温度＞1150℃，轧制前钢中已经包含多梯度尺寸TiC颗粒，其中纳米级TiC析出相能够有效钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体发生再结晶，因此尽管终轧温度为820～1060℃，轧后钢板仍可以获得大量扁平状畸变奥氏体，抑制轧制组织粗化，保证最终组织超细化。
正火能够使热轧形变组织重新奥氏体化，消除不均匀组织；与淬火相比，正火钢板组织更均匀，内应力更小，能够有效避免淬火裂纹产生，保证钢板表面及内部质量。由于此成分钢板淬透性较佳，正火即可以发生马氏体相变，完成钢板强化。为获得超细晶组织，削弱钢在正火加热过程中晶粒长大倾向，因此选择正火加热温度为810～850℃，保温时间1.0～3.0min/mm。
回火能够进一步均匀组织，减小钢板内应力，且促进马氏体中C、Mn元素向残余奥氏体中扩散，获得能够发生TRIP效应的亚稳残余奥氏体，选择回火温度为250～350℃，保温时间1.0～2.0min/mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过高Ti成分设计，形成大量弥散分布的TiC颗粒，TiC颗粒平均尺寸为2.5～3.8μm，相对耐磨性为同硬度级别低合金耐磨钢1.9～2.1倍。
(2)本发明高Mn、高Ni成分设计，有效降低相变温度Ac3，配合低温正火工艺及回火工艺，能够有效均匀细化晶粒，平均晶粒尺寸≤3μm，有效提升该颗粒强化耐磨钢的低温冲击性能，-20℃冲击功≥24J。
(3)本发明钢板通过正火+回火生产工艺方案，使钢板的组织均匀性和力学均匀性较佳，残余应力水平低。
(4)本发明成分具有较高的淬透性，配和合理的正火及回火工艺，可使钢板屈服强度达1006～1221MPa，抗拉强度达1319～1497Mpa，表面硬度达467～461HBW，心部硬度达448～488HBW，心部硬度不低于表面硬度95％。
附图说明
图1为本发明实施例1显微组织金相图(100倍)。
图2为本发明实施例1显微组织金相图(200倍)。
图3为本发明实施例1显微组织金相图(500倍)。
图4为本发明实施例1显微组织金相图(1000倍)。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、铸造、轧制、热处理。钢坯厚度/钢板终轧厚度≥4，钢坯加热温度1080～1260℃，钢坯在炉时间1.2～2.0min/mm。
开轧温度950～1150℃，终轧温度830～1060℃，轧后空冷至室温。
热处理包括正火和回火，正火加热温度810～850℃，正火保温时间1.0～3.0min/mm；回火加热温度250～350℃，回火保温时间1.0～2.0min/mm。
钢坯可以为连铸钢坯或模铸开坯钢坯
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的主要热处理工艺参数见表3。
选取不同Ti含量的低合金耐磨钢作为对比例，对比例钢成分和对比例钢生产工艺见表4和表5。
本发明实施例和对比例钢的性能和组织见表6。本发明实施例和对比例钢磨损试验结果见表7。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Mo | Ti | Als |
| 1 | 0.33 | 0.98 | 3.34 | 0.010 | 0.004 | 1.30 | 0.25 | 0.5 | 0.02 |
| 2 | 0.34 | 0.90 | 3.58 | 0.011 | 0.005 | 1.41 | 0.27 | 0.55 | 0.03 |
| 3 | 0.36 | 1.32 | 3.91 | 0.009 | 0.006 | 1.52 | 0.35 | 0.5 | 0.028 |
| 4 | 0.32 | 1.27 | 3.40 | 0.009 | 0.003 | 1.54 | 0.40 | 0.48 | 0.033 |
| 5 | 0.34 | 1.44 | 3.62 | 0.014 | 0.003 | 1.71 | 0.25 | 0.52 | 0.018 |
| 6 | 0.32 | 1.03 | 3.90 | 0.009 | 0.003 | 1.76 | 0.20 | 0.45 | 0.041 |
| 7 | 0.35 | 1.16 | 2.90 | 0.013 | 0.002 | 1.52 | 0.32 | 0.49 | 0.029 |
| 8 | 0.33 | 1.67 | 3.07 | 0.011 | 0.003 | 1.55 | 0.28 | 0.47 | 0.033 |
| 9 | 0.37 | 1.38 | 3.27 | 0.012 | 0.004 | 1.86 | 0.23 | 0.46 | 0.035 |
| 10 | 0.40 | 1.26 | 3.86 | 0.010 | 0.005 | 1.91 | 0.25 | 0.50 | 0.032 |
| 11 | 0.38 | 1.51 | 3.15 | 0.009 | 0.006 | 1.94 | 0.25 | 0.52 | 0.023 |
| 12 | 0.39 | 1.24 | 3.09 | 0.010 | 0.004 | 2.00 | 0.37 | 0.52 | 0.025 |
| 13 | 0.33 | 1.70 | 3.15 | 0.015 | 0.002 | 1.69 | 0.35 | 0.52 | 0.022 |
| 14 | 0.36 | 1.67 | 3.33 | 0.014 | 0.002 | 1.54 | 0.34 | 0.51 | 0.038 |
| 15 | 0.40 | 1.43 | 3.47 | 0.010 | 0.006 | 1.82 | 0.31 | 0.47 | 0.046 |
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的主要热处理工艺参数
表4对比例钢的成分(wt％)
表5对比例钢的生产工艺
表6本发明实施例和对比例钢的性能和组织
表7本发明实施例和对比例钢磨损试验结果
| 实施例 | 磨前质量/g | 磨后质量/g | 平均磨损质量损失/g | 相对耐磨性 |
| 1 | 101.9725 | 101.9338 | 0.0387 | 2.0 |
| 2 | 100.6813 | 100.6414 | 0.0399 | 1.94 |
| 3 | 100.9612 | 100.9243 | 0.0369 | 2.1 |
| 4 | 101.6941 | 101.6546 | 0.0395 | 1.96 |
| 5 | 101.0592 | 101.0213 | 0.0379 | 2.04 |
| 6 | 100.9246 | 100.8867 | 0.0379 | 2.04 |
| 7 | 102.6462 | 102.6077 | 0.0385 | 2.01 |
| 8 | 101.5624 | 101.5229 | 0.0395 | 1.96 |
| 9 | 101.6549 | 101.6144 | 0.0405 | 1.90 |
| 10 | 101.1609 | 101.1228 | 0.0381 | 2.03 |
| 11 | 101.597 | 101.5591 | 0.0379 | 2.04 |
| 12 | 101.974 | 101.9345 | 0.0395 | 1.96 |
| 13 | 101.82674 | 101.7878 | 0.03894 | 1.99 |
| 14 | 101.7913 | 101.7528 | 0.0385 | 2.01 |
| 15 | 101.2269 | 101.1890 | 0.0379 | 2.04 |
| 对比例1 | 101.0668 | 100.9894 | 0.0774 | 1 |
| 对比例2 | 101.9542 | 101.8790 | 0.0752 | 1.03 |
| 对比例3 | 101.4287 | 101.3701 | 0.0586 | 1.32 |
| 对比例4 | 101.8402 | 101.7903 | 0.0499 | 1.55 |
注：磨损试验设备为湿式橡胶轮磨粒磨损试验机，磨损试样尺寸及试验方法依据ASTM G65，SiC砂子粒度为80～120目，试验力140KN，转速200r/min，磨损时间10min。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.32-0.40％，Si：0.9-1.7％，Mn：2.5-4.0％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Mo：0.20-0.40％，Ni：1.3-2.0％，Ti：0.45-0.55％，Als：0.015-0.05％，N≤0.010％，O≤0.0030％，H≤0.00020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，所述马氏体+微量残余奥氏体+TiC析出颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，所述TiC析出颗粒平均尺寸为2.5～3.8μm。
4.根据权利要求2所述的一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，所述残余奥氏体体积百分含量为1.4％～10.3％。
5.根据权利要求1所述的一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，耐磨钢平均晶粒尺寸≤3μm。
6.根据权利要求1所述的一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，所述耐磨钢钢板厚度≤60mm。
7.根据权利要求1所述的一种超细晶高韧性耐磨钢，其特征在于，所述耐磨钢-20℃冲击功≥24J，所述耐磨钢板屈服强度为1006～1221MPa，抗拉强度为1319～1497Mpa，所述耐磨钢板表面硬度为467～461HBW，心部硬度为448～488HBW，心部硬度不低于表面硬度95％。
8.一种权利要求1-7任一项所述的一种超细晶高韧性耐磨钢的制备方法，包括冶炼、铸造、轧制、热处理；其特征在于：
钢坯厚度/钢板终轧厚度≥4，钢坯加热温度1080～1260℃，钢坯在炉时间1.2～2.0min/mm。
开轧温度950～1150℃，终轧温度830～1060℃，轧后空冷至室温。
热处理包括正火和回火，正火加热温度810～850℃，正火保温时间1.0～3.0min/mm；回火加热温度250～350℃，回火保温时间1.0～2.0min/mm。
9.根据权利按要求8所述的一种超细晶高韧性耐磨钢的制备方法，其特征在于：所述钢坯可以为连铸钢坯或模铸开坯钢坯。
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