CN114369771B - 一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有优异冷弯性能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：0.30％～0.38％、Si：0.10％～0.25％、Mn：0.80％～1.60％、P≤0.010％、S≤0.003％、Mo：0.2％～0.4％、Ni：4.5％～5.5％、Cr：0.7％～1.5％、Ti：0.45％～0.55％、Als：0.015％～0.045％，N≤0.0060％，H≤0.0020％，余量为铁和不可避免的杂质；制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、模铸或连铸、加热、轧制、热处理；应用本发明生产的钢板屈服强度达967～1048MPa，抗拉强度达1248～1359Mpa，表面硬度达420～468HBW，心部硬度达417～467HBW，‑40℃冲击功≥44J，90°冷弯d＝5a合格。

Description

一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢及其制造方法。
背景技术
随着我国工业体系整体升级换代，对基础材料的性能要求不断提高。工程机械设备制造商对耐磨钢性能提出了更高的要求，高耐磨性钢板得到了快速发展，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。但提高耐磨性能的同时却损害了钢的塑韧性，导致钢板的低温冲击韧性不佳，冷弯性能差。
检索到的相关专利和文献如下：
相关专利1：专利申请号为201410742877.8的中国发明专利公开了“TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法”，此专利公开了一种残余奥氏体体积分数6-12％的TiC强化耐磨钢，其化学成分为：C：0.20～0.40％、Si：0.80～1.50％、Mn：1.00～2.50％、Ti：0.40～0.80％、Ni：0.20～0.60％、Mo：0.15～0.50％、B：0.0005～0.003％、P≤0.015％、S≤0.003％，此外需添加Cu：0.00～0.05％、Cr：0.00～0.80％至少一种元素，余量为Fe和不可避免的杂质元素。此专利提出了生产TiC强化耐磨钢的方法，耐磨性优于HB450，其不足在于：此耐磨钢的室温冲击功＞20J，随着温度降低，冲击功会降低，低温冲击性能不佳，且未公开钢板的冷弯性能。
相关专利2：专利申请号201510917941.6,一种超硬粒子增强型奥氏体耐磨钢板及其制造方法。该专利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。
相关专利3：专利申请号201510921071.X，用于细化TiC颗粒增强型耐磨钢中TiC的方法。该专利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℃以下寒冷环境使用条件。
相关文献1：梁小凯等.TiC颗粒强化型马氏体耐磨钢的性能研究[J].钢铁钒钛，2017,38(1):49-53.该文献对比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。
相关文献2：吕殿雷.高钛耐磨钢中TiC的析出机理研究[D].北京：中国石油大学，2017.该文献深入研究了TiC影响钢塑韧性的机理，但并没有给出改善的工艺及方法。
综上所述，现有技术对TiC高耐磨钢的低温冲击韧性和冷弯性能研究尚有不足，高耐磨钢的-40℃低温冲击功和冷弯性能没有公开的数据，不能满足相关用户的使用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢及其制造方法。按照本发明钢的化学成分及生产工艺要求生产的产品具有优异的耐磨性能、良好的冷弯性能和冲击性能，全厚度组织和性能均匀，残余应力小，生产方法可行性强，促进TiC颗粒强化耐磨钢在市场中的推广和应用。
本发明目的是这样实现的：
本发明通过高Ti成分设计形成大量TiC颗粒提高钢的耐磨性，通过添加大量Ni元素配和Mn、Cr元素降低相变温度，提高晶界强度和奥氏体稳定性，钢板经正火和回火后具有较细的晶粒和较高残余奥氏体含量，全厚度组织性能均匀，残余应力水平低，钢板具有良好的低温冲击韧性和冷弯性能。
一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.30％～0.38％、Si：0.10％～0.25％、Mn：0.80％～1.60％、P≤0.010％、S≤0.003％、Mo：0.2％～0.4％、Ni：4.5％～5.5％、Cr：0.7％～1.5％、Ti：0.45％～0.55％、Als：0.015％～0.045％，N≤0.0060％，H≤0.0020％，余量为铁和不可避免的杂质。
进一步，所述耐磨钢最终微观组织为马氏体+残余奥氏体+TiC析出颗粒，
进一步，所述TiC颗粒平均尺寸为0.9～1.8μm，
进一步，所述残余奥氏体体积百分比为8％～12％，
进一步，所述马氏体平均晶粒尺寸为4.4～6.4μm，且表层与心部马氏体平均晶粒尺寸相差不大于0.6μm。
所述耐磨钢板屈服强度为967～1048MPa，抗拉强度为1248～1359Mpa。所述耐磨钢板表面硬度为420～468HBW，心部硬度为417～467HBW，表面硬度与心部硬度差值不大于10HBW。所述耐磨钢板-40℃冲击功为44～49J。所述耐磨钢板90°冷弯，d＝5a合格。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1.80～1.9倍。
钢板具有高强度、高硬度、优异的耐磨性能、良好的低温韧性和冷弯性能。
本发明成分设计理由如下：
C：具有较强的固溶强化作用，能够保证钢板的强度和硬度，此外C可以与Ti形成高硬度TiC析出，一方面微米级的TiC颗粒能够增强钢板的耐磨性能，另一方面，TiC析出相能够阻碍加热过程晶粒长，并且抑制轧制过程钢的再结晶，促进晶粒细化。由于Ti与C的结合会消耗部分固溶C，因此C含量不宜过低；但C的增加不利于韧性和焊接性能。本发明认为C含量控制在0.30％～0.38％较为适宜。
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％；
Si：具有一定的固溶强化作用，本发明Si的主要作用为脱氧剂，但随着Si含量增加，钢的韧脆转变温度提升，冲击韧性下降，为保证钢具有较佳的低温冲击韧性。本发明认为Si含量控制在0.10％～0.25％较为适宜。
Mn、Cr：均是固溶强化元素，能够提高钢的强度，同时降低奥氏体相变温度，提高奥氏体稳定性，通过控制Mn、Cr元素，可以控制钢的相变温度，配和工艺的制定可以获得细小的马氏体组织，但Mn、Cr为易偏析元素，含量过高会造成钢坯偏析严重，本发明控制Mn含量为0.80％～1.60％、Cr含量为0.7～1.5％。
P、S为有害杂质元素；对于超高强钢，过高的P会导致延迟裂纹风险增大，S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，导致裂纹源的出现，它们均低温韧性有明显的不利影响，本发明控制P≤0.010％，S≤0.003％。
Ni：是固溶强化元素，也是提升钢板低温冲击韧性的有效元素。在TiC颗粒强化钢中，Ti容易在晶界处发生偏聚，从而急剧降低钢的晶界强度，使裂纹萌生和扩展容易，而Ni同样作为晶界易偏析元素能够与Ti发生竞争，降低Ti和其他元素如C、P在晶界处的偏析量，提高晶界的强度，提升钢板的低温冲击韧性。此外，Ni能够有效降低钢的相变温度，提升奥氏体稳定性，这有利于细化晶粒，提高残余奥氏体体积分数，增加钢板的塑韧性，本发明控制Ni为4.5％～5.5％。
Mo：能够强烈增加钢的淬透性，推迟贝氏体转变，稳定奥氏体，本发明控制Mo为0.2％～0.4％。
Als：铝是强脱氧元素，有效降低钢中氧含量，本发明控制Als为0.015％～0.045％。
N、H为有害杂气体元素：N容易与Al和Ti结合成氮化物，损害钢的冲击性能，H导致超高强钢延迟裂纹，因此要严格控制N含量≤0.0060％，H含量≤0.0002％。
Ti是本发明添加的关键元素，亚微米和微米级TiC析出相更有利于钢的耐磨性，但随着TiC析出相尺寸的增加不仅会降低钢的低温冲击韧性，并且会增加冷弯过程开裂的风险，这是因为钢种TiC析出相通常具有尖角形态，易发生应力集中，导致裂纹源在此处萌生，一旦裂纹源萌生，会沿着TiC长边迅速拓展，因此避免这个过程的直接方式是减小TiC析出相尺寸，本发明认为TiC析出相尺寸不宜超过1.8μm，同时为了使钢具备较佳的耐磨性，TiC析出相尺寸控制≥0.9μm。
本发明技术方案之二是提供一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、模铸或连铸、加热、轧制、热处理；
加热：其中，坯料加热段温度1180～1240℃，均热段温度1160～1200℃，坯料总在炉时间1.1min/mm～1.5min/mm。
由于合金元素添加较多，钢的传热性能受影响，因此需要钢坯加热温度较高，在炉时间较长，确保合金和温度均匀。
轧制：粗轧开轧温度为1120～1050℃，粗轧终轧温度为1000～1070℃，粗轧阶段平均压下率≥15％，中间坯厚度2.0t～3.0t，其中t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为860～900℃，精轧终轧温度为820～880℃，精轧首道次压下率≥12％，轧后空冷或堆垛冷却至室温。采用二阶段轧制钢板能够大幅细化晶粒，提高钢板塑韧性。
钢板采用二阶段轧制目的是：(1)控制轧制过程中奥氏体得到硬化，有利于TiC颗粒细化。影响钢中的TiC颗粒尺寸的关键环节为铸造/连铸和轧制变形。变形量越大，TiC越细越弥散。一方面，控制轧制能够使晶粒压扁拉长，这有利于晶粒内部TiC颗粒的变形破碎，细化晶粒内部TiC，并促进其分布分散。另一方面，畸变的晶粒包含大量的位错，存储了大量畸变能，同时控制轧制温度低，这些因素使得热状态奥氏体组织得到硬化，硬化的晶粒能够促进钢板内部晶粒间变形的传递，促进晶界处TiC的变形，这有利于晶界处TiC的破碎，进而使其细化、分散。粗轧主要任务是快速完成大量的变形，保证生产效率，因此粗轧阶段温度设定较高一些。精轧部分则需要硬化奥氏体，促进TiC破碎，因此精轧阶段温度设定稍低一些。中间坯厚度设计为2.0～3.0t，主要考虑粗轧阶段平衡生产效率和精轧阶段TiC破碎效果；(2)钢板控制轧制能够大幅细化晶粒，提高钢板塑韧性；(3)限定粗轧平均压下率≥15％和精轧首道次压下率≥12％是为了保证钢板全厚度的变形渗透，钢板全厚度变形均匀才能保证TiC弥散均匀，能够缓解TiC对于塑韧性的削弱作用。
热处理：钢板正火温度为810～850℃，在炉时间2.5～3.5min/mm，出炉空冷至室温；钢板回火温度为280～320℃，在炉时间3～4min/mm，出炉空冷至室温。
选择钢板正火温度设定为810～850℃，在炉时间2.5～3.5min/mm，出炉空冷至室温，目的是：(1)由于钢板化学成分种添加了大量Ni、Cr元素，使钢板的Ac3大幅降低，选择较低的正火温度能够细化再热奥氏体晶粒，最终细化马氏体晶粒尺寸，提高冲击性能；(2)正火后空冷能够使钢板全厚度同时温降，不会产生温度梯度，不会产生热应力，这能够有效保证钢板的内部无裂纹，并且获得全厚度组织和力学性能均匀的钢板；(3)由于钢板淬透性强，空冷可以得到大量马氏体，保证钢板强度和硬度。当钢板空冷至约200-300℃时可以同时发生马氏体相变和碳配分，一方面，有利于获得更高体积分数的残余奥氏体。由于该合金中Si元素含量较低，在正火缓慢冷却过程中，碳会以碳化物形式不断析出，因此利用合理的工艺增加残余奥氏体含量十分重要。缓冷过程马氏体相变过程减缓，马氏体中的部分碳原子会进入奥氏体，提升室温下保留的残余奥氏体含量；另一方面，有利于减小组织应力。由于相变过程缓慢，马氏体先后在奥氏体中形成，组织应力大幅减小，有力保证超高强钢内部无裂纹。(4)能够保证钢板各个方向组织和力学性能均匀，同时有利于降低钢板残余应力水平，提高钢板的冷弯性能。
选择钢板回火温度为280～320℃，在炉时间3～4min/mm，目的是以较低的回火温度再次释放钢的组织应力，并且保证残余奥氏体不分解或微量分解。采用正火+回火方式生产能够保证钢板各个方向组织和力学性能均匀，同时有利于降低钢板残余应力水平，提高钢板的冷弯性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过高Ti成分设计，形成大量弥散分布TiC颗粒，TiC颗粒平均尺寸为0.9～1.8μm，相对耐磨性为同硬度级别低合金耐磨钢1.8～1.9倍。
(2)通过添加高含量Ni，使晶界处原子产生竞争，将晶界处Ti、C、P等不利益冲击韧性的化学元素比例降低，增强晶界强度，配和Mn和Cr元素降低钢的相变温度，增强奥氏体稳定性，获得平均晶粒尺寸约为3μm，残余奥氏体体积分数为8％～12％，具有高折弯性能和高韧性的耐磨钢板，-40℃冲击功≥44J，90°冷弯d＝5a合格。
(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，可使钢板的屈服强度达967～1048MPa，抗拉强度达1248～1359Mpa，表面硬度达420～468HBW，心部硬度达417～467HBW。
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，进行铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、模铸或连铸、轧制。
轧制：粗轧开轧温度为1120～1050℃，粗轧终轧温度为1000～1070℃，粗轧阶段平均压下率≥15％，中间坯厚度2.0t～3.0t，其中t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为860～900℃，精轧终轧温度为820～880℃，精轧首道次压下率≥12％，轧后空冷或堆垛冷却至室温；
热处理：钢板正火温度为810～850℃，在炉时间2.5～3.5min/mm，出炉空冷至室温；钢板回火温度为280～320℃，在炉时间3～4min/mm，出炉空冷至室温。
所述加热工艺中，坯料加热段温度1180～1240℃，均热段温度1160～1200℃，坯料总在炉时间1.1min/mm～1.5min/mm。
本发明实施例钢和对比例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要轧制工艺参数见表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的主要生产工艺参数见表1和表5。
本发明实施例和对比例钢的性能见表6。本发明实施例和对比例钢的组织见表7。本发明实施例和对比例钢磨损试验结果见表8。
表1本发明实施例钢和对比例钢的成分(wt％)
Figure BDA0003468099190000081
表2本发明实施例钢的主要轧制工艺参数
Figure BDA0003468099190000091
表3本发明实施例钢的主要热处理工艺参数
Figure BDA0003468099190000092
表5对比例钢的主要生产工艺参数
Figure BDA0003468099190000101
表6本发明实施例和对比例钢的性能
Figure BDA0003468099190000111
表7本发明实施例和对比例钢的组织
Figure BDA0003468099190000121
表8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
1 101.2709 101.2267 0.0442 1.82
2 101.6167 101.5723 0.0444 1.81
3 101.3889 101.3457 0.0432 1.86
4 101.3387 101.295 0.0437 1.84
5 101.2613 101.2178 0.0435 1.85
6 101.3459 101.3017 0.0442 1.82
7 101.1525 101.1078 0.0447 1.8
8 101.6115 101.5671 0.0444 1.81
9 101.9863 101.9424 0.0439 1.83
10 101.2774 101.2351 0.0423 1.9
对比例1 102.0316 101.9512 0.0804 1
对比例2 102.5431 102.4665 0.0766 1.05
对比例3 101.2493 101.1888 0.0605 1.33
对比例4 101.762 101.7091 0.0529 1.52
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 (6)

1.一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.30%～0.38%、Si：0.10%～0.25%、Mn：0.80%～1.60%、P≤0.010%、S≤0.003%、Mo：0.2%~0.4%、Ni：4.5%~5.5%、Cr：0.7%~1.5%、Ti：0.45%～0.55%、Als：0.015%～0.045%，N≤0.0060%，H≤0.0020%，余量为铁和不可避免的杂质；所述耐磨钢微观组织为马氏体+残余奥氏体+TiC析出相；
所述的一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢的制备方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、模铸或连铸、加热、轧制、热处理；
轧制：粗轧开轧温度为1120～1050℃，粗轧终轧温度为1000～1070℃，粗轧阶段平均压下率≥15%，中间坯厚度2.0t～3.0t，其中t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为860～900℃，精轧终轧温度为820～880℃，精轧首道次压下率≥12%，轧后空冷或堆垛冷却至室温；
热处理：钢板正火温度为810~850℃，在炉时间2.5~3.5min/mm，出炉空冷至室温；钢板回火温度为280~320℃，在炉时间3~4min/mm，出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，其特征在于，所述残余奥氏体体积百分比为8%~12%。
3.根据权利要求1所述的一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，其特征在于，所述TiC析出相平均尺寸为0.9~1.8μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，其特征在于，所述马氏体平均晶粒尺寸为4.4~6.4μm，且表层与心部马氏体平均晶粒尺寸相差不大于0.6μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，其特征在于，所述耐磨钢板屈服强度为967~1048MPa，抗拉强度为1248~1359Mpa所述耐磨钢板表面硬度为420~468HBW，心部硬度为417~467HBW，表面硬度与心部硬度差值不大于10HBW；所述耐磨钢板-40℃冲击功为44~49J；耐磨钢板90°冷弯，d=5a合格。
6.根据权利要求1所述的一种具有优异冷弯性能高韧性耐磨钢，其特征在于：
所述加热工艺中，坯料加热段温度1180～1240℃，均热段温度1160～1200℃，坯料总在炉时间1.1min/mm~1.5min/mm。
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