背景技术
高性能耐磨钢薄钢材(钢板)是工程机械、矿山机械、冶金机械等装备制造的重要原材料,如轻量化自卸车、矿用自卸车、混凝土搅拌车、垃圾运输车、城市绿色环保渣土车、渣浆运输车、垃圾压缩式连体厢车等。因此近年来,随着国民经济的快速发展,装备制造的大型化、轻量化和高端化,薄规格(3~8mm)高性能耐磨钢板的使用量急剧增加。
高性能耐磨薄钢板首先要求足够的硬度、强度,以满足复杂使用工况下材料耐磨性能,另一方面要求具有良好的加工使用性能,能够满足复杂结构的冷成型和焊接工艺要求。
目前国内高性能耐磨薄钢板一般采用低合金成分设计,热轧后再采用淬火加低温回火的生产方法,组织为低碳回火马氏体,根据硬度级别,牌号有NM300-NM600。但采用淬火加低温回火生产工艺得到的组织为回火马氏体,致使生产的耐磨钢板存在内应力大、冷弯成型性差等缺点。
对于NM300、NM360牌号,国内也有采用热轧在线淬火获得M(或B)+F双相钢组织的生产方法。而采用热轧在线淬火获得M(或B)+F双相钢组织的生产NM300、NM360的生产工艺,由于需要特定的双相钢成分设计以及轧制工艺和随后的在线淬火冷却的控制精度问题,生产难度大且存在板形差和性能稳定性差的缺点。
此外,现有NM300-NM360薄规格耐磨钢板还存在以下不足:
(1)合金成分Ti、Si、Al以及其他贵重合金含量高;
(2)塑性指标仍然偏低,不利于钢板成形加工;
(3)韧性指标较低,对于复杂使用条件下抗冲击性能不足;
(4)硬度波动大,导致耐磨性能不稳定;
(5)采用双相钢生产时,热轧在线淬火板形难以控制;
(6)离线淬火+回火工艺时,一般低合金成分设计钢板在250~400℃温度属于第一回火脆性区,材料冲击韧性会下降,而大于400℃中高温回火,虽然材料韧性塑性提高但硬度强度会急剧降低。
因此,对于需要高塑韧性的NM300、NM360薄规格耐磨钢板的生产和控制存在较多问题,一定程度上制约了国内高性能薄规格耐磨钢板的生产和应用。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术至少一方面的不足,提供一种耐磨钢材及其制备方法,以解决现有薄规格(厚度3.0~10.0mm)NM300、NM360耐磨钢板中钢板合金成分高、热轧组织控制不稳定、硬度和性能波动大、折弯成形性能差、焊接性能不好的技术问题。
为了实现上述申请目的,本申请的第一方面,提供了一种耐磨钢材,含有以下按重量百分比含量计的化学成分:C 0.14%~0.18%、Si 0.10%~0.30%、Mn 0.90%~1.10%、Cr 0.080%~0.30%、Nb 0.005%~0.015%、P≤0.025%、S≤0.010%、Ti0.010%~0.030%、Al 0.010%~0.050%、Ca 0.001%~0.004%、B 0.001%~0.003%、余量为Fe和不可避免的杂质;本申请的耐磨钢材含马氏体和铁素体双相组织。
进一步地,耐磨钢材的焊接碳当量CEV0.36~0.39;和/或耐磨钢材的金相组织中马氏体含量为60%~75%,铁素体含量为25%~40%。
进一步地,耐磨钢材的带状组织≤2.5级;和/或
耐磨钢材的各类非金属夹杂≤2.0级;和/或
耐磨钢材的晶粒度≥10.0级。
进一步地,耐磨钢材的抗拉强度≥1000MPa,屈服强度≤670MPa,屈强比≤0.66;延伸率≥14%,-20℃纵向冲击功≥50J,硬度HBW300~330,180゜弯曲试验(d=3a,a为钢材厚度)完好;金相组织中马氏体含量为60%±2%,铁素体含量为40%±2%。
进一步地,耐磨钢材的抗拉强度≥1100MPa,屈服强度≤850MPa,屈强比≤0.75;延伸率≥13%,-20℃纵向冲击功≥90J,硬度HBW340~370,180゜弯曲试验(d=3a,a为钢材厚度)完好;金相组织中马氏体含量为75%±2%,铁素体含量为25%±2%。
本申请的第二方面,提供了一种耐磨钢材的制备方法,包括以下步骤:
将预处理后的铁水依次进行顶底复吹、精炼脱硫、连铸、加热、粗轧、精轧、超快冷、层流冷却、卷取、横切开平、亚温淬火工艺处理过程;
其中,亚温淬火过程钢材以≤80℃/min随炉升温,之后保温,保温温度为710~835℃,保温时间为(a+4)min,a为钢材厚度,单位为mm。
进一步地,保温温度为775℃~805℃。
进一步地,超快冷冷却速度为50~70℃/S,经过超快冷冷却后钢材温度为700~750℃;和/或
层流冷却中间温度为600~650℃;和/或
卷取温度为600~620℃。
进一步地,连铸过程控制钢水过热度15~35℃;和/或稳定拉速1.1~1.3米/min,全程轻压下保护浇铸。
进一步地,加热温度控制为1200~1240℃;和/或
粗轧的粗开轧温为1150~1200℃;和/或
精轧的精开轧温为1040~1060℃;和/或
精轧的终轧温度为860~880℃。
与现有技术相比,本申请具有以下的技术效果:
本申请的耐磨钢材含马氏体和铁素体双相组织,铁素体金相组织的存在可以提高钢材的塑性和韧性,本申请的耐磨钢材具有双相钢的综合优良性能,使得钢材具有良好的加工成形性能和耐磨性能;此外,本申请的耐磨钢材采用低合金成分设计,钢材料中C、Si、Mn、Cr、B成分及含量保证钢材具有足够的淬透性,添加少量Nb、Ti成分又能保证钢材具有较高的强度和硬度;且钢材料中不含Mo、Ni、V等贵重合金,Nb、Ti含量较低,在保证钢材高硬度、高强度性能的同时能有效降低钢材的合金成本。
本申请的耐磨钢材的制备方法在钢材横切开平后采用亚温淬火工艺,并精准控制保温温度和保温时间,进而精准控制钢材中铁素体的含量,通过亚温淬火后获得具有马氏体和铁素体双相组织的耐磨钢材,有效提高钢材的塑性和韧性,并使得钢材具有双相钢的综合优良性能。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、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。
本申请中,术语“和/或”,描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B的情况。其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中,“至少一个”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,“a,b,或c中的至少一项(个)”,或,“a,b,和c中的至少一项(个)”,均可以表示:a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c分别可以是单个,也可以是多个。
应理解,在本申请的各种实施例中,上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,部分或全部步骤可以并行执行或先后执行,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量,也可以表示各组分间重量的比例关系,因此,只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地,本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,用来将目的如物质彼此区分开,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。例如,在不脱离本申请实施例范围的情况下,第一XX也可以被称为第二XX,类似地,第二XX也可以被称为第一XX。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。
第一方面,本申请实施例提供了一种高塑韧性能双相组织耐磨钢材,含有以下按重量百分比含量计的化学成分:C 0.14%~0.18%、Si 0.10%~0.30%、Mn 0.90%~1.10%、Cr 0.080%~0.30%、Nb 0.005%~0.015%、P≤0.025%、S≤0.010%、Ti0.010%~0.030%、Al 0.010%~0.050%、Ca 0.001%~0.004%、B 0.001%~0.003%、余量为Fe和不可避免的杂质;本申请的耐磨钢材为马氏体和铁素体双相组织。
本申请实施例的双相组织耐磨钢材采用经济的低合金成分设计,钢材材料中的C、Si、Mn、Cr、B成分及含量保证钢材具有足够的淬透性,同时添加少量Nb、Ti成分又能保证钢材具有较高的强度和硬度;且钢材材料中不含Mo、Ni、V等贵重合金,Nb、Ti含量较低,在保证钢材高硬度、高强度性能的同时能有效降低钢材的合金成本。
另一方面,本申请实施例的双相组织耐磨钢材为马氏体和铁素体双相组织(M+F),在马氏体(M)基体上保留了适量的铁素体组织(F),铁素体的存在,可以提高钢材的延伸率和冷弯性能,继而提高钢材的塑性,并提高钢材在室温和低温下的冲击韧性;且可以降低钢材的冷脆转变温度,使钢材可在更低的温度下处于韧性状态;此外,还可以抑制钢材的可逆回火脆性,在不牺牲钢材强度的前提下提高钢材的韧性。
根据不同型号钢材的金相组织要求,本申请实施例的耐磨钢材的金相组织中马氏体含量为60%~75%,铁素体含量为25%~40%,以符合NM300、NM360两种型号规格钢材的性能要求。
本申请实施例的耐磨钢材的焊接碳当量为CEV0.36~0.39,可以保证钢材具有良好的焊接性能。
本申请实施例的耐磨钢材的带状组织≤2.5级;和/或各类非金属夹杂≤2.0级;和/或晶粒度≥10.0级,使得本申请实施例的耐磨钢材具有高塑韧性能的同时还能保证足够的强度和硬度。
本申请实施例的耐磨钢材有NM300、NM360两种型号规格,不同型号规格的钢材具有不同的金相组织要求,以满足其强度、硬度等性能要求。对于NM300型号钢材,其金相组织中马氏体含量为60%±2%,铁素体含量为40%±2%,钢材的抗拉强度≥1000MPa,屈服强度≤670MPa,屈强比≤0.66;延伸率≥14%,-20℃纵向冲击功≥50J,硬度HBW300~330,180゜弯曲试验(d=3a,a为钢材厚度)完好。对于NM360型号钢材,其金相组织中马氏体含量为75%±2%,铁素体含量为25%±2%,钢材的抗拉强度≥1100MPa,屈服强度≤850MPa,屈强比≤0.75;延伸率≥13%,-20℃纵向冲击功≥90J,硬度HBW340~370,180゜弯曲试验(d=3a,a为钢材厚度)完好。
本申请的第二方面,提供了上述高塑韧性能双相组织耐磨钢材的制备方法,包括以下步骤:
将预处理后的铁水依次进行顶底复吹、精炼脱硫、连铸、加热、粗轧、精轧、超快冷、层流冷却、卷取、横切开平、亚温淬火工艺处理过程;
其中,亚温淬火过程钢材以≤80℃/min随炉升温,之后保温,保温温度为710~835℃,保温时间为(a+4)min,a为钢材厚度,单位为mm。
本申请实施例的耐磨钢材的制备方法在钢材横切开平后采用亚温淬火工艺,并精准控制保温温度和保温时间,进而精准控制钢材中铁素体的含量,通过亚温淬火后获得具有马氏体和铁素体双相组织的耐磨钢材,有效提高钢材的塑性和韧性,并使得钢材具有双相钢的综合优良性能。
根据本申请实施例中钢材的化学成分组成,计算出钢材中金相组织处于两相区的亚温淬火温度范围为710~835℃,通过控制亚温淬火的保温温度范围,使得钢材在保温过程中不能完全奥氏体化,部分铁素体相得到保留,这样经过亚温淬火后可获得具有适当铁素体含量的双相钢材。
本申请实施例中,对于NM300、NM360两种型号规格的钢材,具有不同的保温温度要求。具体地,对于NM300型号规格的钢材,其保温温度控制在780℃±5℃,并通过对保温时间的控制以使得钢材在亚温淬火过程中保留适量的铁素体组织,并最终获得满足NM300性能要求的钢材,即钢材金相组织中马氏体含量在60%左右,铁素体含量在40%左右。而对于NM360型号规格的钢材,其保温温度控制在800℃±5℃,并通过对保温时间的控制以使得钢材在亚温淬火过程中保留适量的铁素体组织,并最终获得满足NM360性能要求的钢材,即钢材金相组织中马氏体含量在75%左右,铁素体含量在25%左右。
本申请实施例中,钢水经过精炼脱硫后进入后续连铸工艺,连铸过程控制钢水过热度15~35℃;和/或稳定拉速1.1~1.3米/min,全程轻压下保护浇铸,以减少铸坯中心偏析和枝晶偏析。
本申请实施例中,控制加热温度为1200~1240℃,以保证钢坯中合金成分充分固溶且不会导致组织过热;钢坯加热后经过高压水除磷,温降40~50℃,粗轧的粗开轧温为1150~1200℃;和/或精轧的精开轧温为1040~1060℃;和/或精轧的终轧温度为860~880℃。在精轧工艺中,通过将终轧温度设置为860~880℃,避免精轧制阶段轧件局部温度偏低导致先共析铁素体的析出而造成钢带组织晶粒度不均匀现象的出现。本申请实施例通过对“加热、粗轧、精轧”工艺中的温度控制,来改善钢材的带状组织,使得带状组织≤2.5级,以提升钢材性能。
为了最大限度细化热轧带钢材中的铁素体组织,获得均匀细小的铁素体组织,降低带状组织级别,提升钢材的性能,本申请实施例在层流冷却工艺前增加超快冷处理工艺,即钢带在精轧工艺后进入层流冷却前先进行超快速冷却处理。在本申请实施例中,超快冷冷却速度为50~70℃/S,经过超快冷冷却后钢材温度为700~750℃。经过超快冷处理后,钢材进入层流冷却工艺,层流冷却采用前端冷却模式,层流冷却中间温度为600~650℃;卷取温度为600~620℃。本申请实施例通过快速冷却能够抑制铁素体在较高温度下的形核、相变和长大速度,较低温度下铁素体大量形核相变、增加铁素体晶粒数量,同时减缓铁素体在较高温度下的长大,为最终获得细小、均匀的铁素体组织创造了有利条件。
以下通过多个具体实施例来举例说明本申请实施例的高塑韧性能双相组织耐磨钢材及其制备方法。
在本申请具体实施例中,钢材(钢板)的具体生产工艺流程路线如下:
铁水—铁水预处理—转炉(顶底复吹)—LF炉精炼(+钙处理+软吹)—连铸—加热炉加热—粗轧—精轧—超快冷+层流冷却—卷取—检验—打包—横切开平—亚温淬火—检验—矫平—打包入库。
根据上述工艺流程路线,具体操作如下:
(1)高炉铁水进入KR站进行铁水预处理脱硫;
(2)脱硫后的铁水转炉炼钢,在转炉中加入废钢,采用顶底复吹工艺,吹炼过程分批加入石灰、轻烧白云石以及其它造渣材料进行造渣。转炉终点控制C 0.05%~0.10%、P≤0.015%、S≤0.030%,温度1630~1670℃。出钢时加入硅铁、锰铁、铝铁等进行脱氧合金化。
(3)之后,钢水进入LF炉精炼进行脱硫、升温,合金成分调整达到要求后喂入钙线、氩气轻吹,各实施例成分达到下表1要求。LF炉温度达到1556~1571℃(或钢水液相线温度达到1516℃)后钢水出站进入连铸平台。
(4)连铸工艺处理过程中,控制连铸钢水过热度15~35℃,稳定拉速1.1~1.3米/min,全程保护浇铸,投入动态轻压下以减少铸坯中心偏析和枝晶偏析。
(5)钢带板坯检验合格后,运送到轧钢工序,各实施例轧钢工序工艺参数控制如下表2所示。轧钢工序中控制钢带金相组织为:铁素体+珠光体(F+P),晶粒度≥11级,带状组织≤2.5。各实施例夹杂物含量控制如下表3所示。
(6)钢带卷取后取样检验、打包、横切开平,开平后的钢板运送到亚温淬火工序,各实施例在亚温淬火工艺中的工艺参数控制如下表4所示。
表1
上表1中,Als为酸溶铝,各实施例除含上述成分外,余量为Fe和不可避免杂质。
表2
表3
表4
上表4表明,实施例1~实施例3的耐磨钢材制备过程中各自经过两种不同的保温温度,即780℃±5℃,或800℃±5℃,以分别获得两种型号NM300、NM360的钢材。
需要说明的是,在上表1~表4中,实施例1包括实施例1-1、实施例1-2、实施例1-3、实施例1-4,实施例2包括实施例2-1、实施例2-2、实施例2-3、实施例2-4,实施例3包括实施例3-1、实施例3-2、实施例3-3、实施例3-4。
采用实施例1~实施例3的制备方法,保温温度为780℃±5℃时,制备4.0mm厚度钢材的各项试验性能如下表5所示。
表5
图1示出了本申请实施例1-1制备的耐磨钢材的金相组织图,图中深色代表马氏体组织(M),浅色代表铁素体组织(F),从图1中看到,M约占60%,F约占40%。
采用实施例1~实施例3的制备方法,保温温度为780℃±5℃时,制备8.0mm厚度钢材的各项试验性能如下表6所示。
表6
采用实施例1~实施例3的制备方法,保温温度为800℃±5℃时,制备4.0mm厚度钢材的各项试验性能如下表7所示。
表7
图2示出了本申请实施例1-3制备的耐磨钢材的金相组织图,图中深色代表马氏体组织(M),浅色代表铁素体组织(F),从图2中看到,M约占75%,F约占25%。
采用实施例1~实施例3的制备方法,保温温度为800℃±5℃时,制备8.0mm厚度钢材的各项试验性能如下表8所示。
表8
从上述表5~表8中的性能测试数据看到,本申请实施例制备的耐磨钢材性能满足GB/T 24186-2009工程机械用高强度耐磨钢板所需要性能。同时,具有屈强比低、延伸率高、冲击功高、冷弯性能好、硬度稳定等性能特点。此外,本申请实施例制备的耐磨钢材的焊接碳当量为CEV0.36~0.39,可以保证钢材具有良好的焊接性能。
传统耐磨钢热处理工艺为淬火+低温回火,淬火组织全为M组织,该组织强度高、硬度高、但塑性韧性较低且组织内残余内应力大,需要低温回火消除残余内应力。耐磨钢板最终成品组织为回火M,高强度、高硬度以满足耐磨性能需要,但折弯成形加工性能低,如加入较多的合金含量还会导致CEV高,影响焊接性能。而通过本申请实施例的制备方法,同一种成分的热轧钢带开平后通过不同的亚温淬火工艺,可得到满足标准要求的NM300、NM360耐磨钢材,大大便利生产组织。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。