CN115198178A - 一种nm400级钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种NM400级钢及其制备方法，属于耐磨钢技术领域，所述NM400级钢的化学成分为：C:0.15～0.30％；Si:0.60～1.5％；Mn：2.5～4.0％；Nb:0.01～0.20％；Al:0.02～0.35％；P:≤0.010；S:≤0.005；Cr:0.10～0.50％；Ti:0.05～0.10％；N:≤0.004％；B:≤0.004％；其余为Fe及来自制备所述NM400级钢的杂质。该耐磨钢板NM400的屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，‑20℃冲击功≥80J，HBW：370‑430；可以满足用户的加工需求，具有非常好的应用前景。

Description

一种NM400级钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢技术领域，具体涉及一种NM400级钢及其制备方法。
背景技术
耐磨钢是在工程上应用比较广泛的一种特殊材料，由于其具有的良好耐磨损性能，多用于与矿石、岩石、土砂等存在磨损的场合。
但目前使用的NM400级钢存在的不易加工成形的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种NM400级钢及其制备方法，可有效解决现有NM400级钢存在的不易加工成形的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种NM400级钢，所述NM400级钢的化学成分为：
C:0.15～0.30％；Si:0.60～1.5％；Mn：2.5～4.0％；Nb:0.01～0.20％；Al:0.02～0.35％；P:≤0.010；S:≤0.005；Cr:0.10～0.50％；Ti:0.05～0.10％；N:≤0.004％；B:≤0.004％；其余为Fe及来自制备所述NM400级钢的杂质；
以体积分数计,所述NM400级钢的金相组织包括：5～15％的铁素体，75～85％的马氏体，5～15％的残余奥氏体。
进一步地，所述Si的质量分数为1.1～1.5％；所述Mn的质量分数为3.6～4.0％。
进一步地，所述Ti的质量分数为0.08～0.10％。
进一步地，所述Si、所述Mn和所述Ti三者的质量比为(1.01～1.20):(2.50～2.95):(0.085～0.098)。
进一步地，所述NM400级钢的屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，-20℃全尺寸冲击功≥80J，HBW为370～430，厚度为2.0～14.0mm。
第二方面，本发明实施例提供了一种上述NM400级钢的制备方法，所述制备方法包括：
将铸坯经过轧前加热、轧制、一次冷却、卷取和二次冷却，制得所述NM400级钢。
进一步地，所述轧前加热包括：
加热温度≥1250℃，加热时间≥0.5h。
进一步地，所述轧制包括粗轧和精轧；
所述粗轧包括：采用6道次轧制，累计变形量＞80％，中间坯厚度/成品厚度≥3.5，粗轧出口温度为950～1060℃；
所述精轧包括：采用7道次轧制，末道次压下率≥10％，累计变形量为70％～80％，轧制速度3.0～8.0m/s，精轧入口温度为950～1060℃，终轧温度为800～880℃。
进一步地，所述一次冷却包括空冷和快速冷却；
所述空冷包括：持续时间为8～15s，目标温度为630～750℃；
所述快速冷却包括：冷却速度≥50℃/s。
进一步地，所述二次冷却包括：
将卷取后获得的热轧卷进行保温后空冷至室温。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的NM400级钢，对耐磨钢的化学成分及用量进行改进，主要包括：添加适量的Mn和Si元素，起到稳定奥氏体作用，可得到部分先共析铁素体；添加适量的Ti元素，通过析出的TiC颗粒，提高基体的耐磨性能，得到马氏体和少量残余奥氏体，最终得到比例合适的三相组织(铁素体5～15％+马氏体75～85％+残余奥氏体5～15％)，实现易成形耐磨钢NM400的生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明中制备方法的工艺流程图；
图2是本发明中实施例2的金相组织图；
图3是本发明中实施例2的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
耐磨钢是在工程上应用比较广泛的一种特殊材料，由于其具有的良好耐磨损性能，多用于与矿石、岩石、土砂等存在磨损的场合。目前，耐磨钢无论薄板(2.0-12.0mm)还是中厚板(≥14.0mm)，均采用离线热处理工艺(调质)生产，其生产工艺流程长，能耗大，制造成本高。同时，采用调质工艺生产的NM400级耐磨钢屈强比偏高(＞0.9)，延伸率偏低(≥8％)，下游企业之前使用材料为Q345B或者700MPa级别高强钢，如果替换为耐磨钢，利用现有设备在使用NM400级耐磨钢过程中容易出现加工困难，折弯开裂情况，限制了NM400级耐磨钢的推广与应用。
鉴于此，本申请提供一种NM400级钢及其制备方法，可有效解决现有NM400级钢中存在的上述问题。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种NM400级钢，所述NM400级钢的化学成分为：
C:0.15～0.30％；Si:0.60～1.5％；Mn：2.5～4.0％；Nb:0.01～0.20％；Al:0.02～0.35％；P:≤0.010；S:≤0.005；Cr:0.10～0.50％；Ti:0.05～0.10％；N:≤0.004％；B:≤0.004％；其余为Fe及来自制备所述NM400级钢的杂质；
以体积分数计,所述NM400级钢的金相组织包括：5～15％的铁素体，75～85％的马氏体，5～15％的残余奥氏体。
本发明主要合金元素作用和限制范围如下：
C：固溶强化元素和强淬透性元素，C含量偏低(≤0.1％)，冷却后无法形成马氏体组织，或者得到马氏体硬度偏低，无法满足耐磨性能要求，但过高的C含量在板坯冶炼和轧制过程中容易形成带状组织，严重的带状组织对钢板的冷成形性能、疲劳性能造成不利的影响，另外，C含量较高，对材料的焊接性能不利。因此，本发明中C含量控制：0.15-0.30％。
Si：Si为传统的固溶强化元素，添加较高的Si元素明显提高材料的淬透性，另外Si元素成本低，依靠Si提高强度降低材料的生产成本。Si另一个重要作用是可以抑制相变过程中渗碳体的析出，保证了C固溶量，在马氏体相变区卷取保温过程中，部分C实现配分，形成少量的残余奥氏体，提高了材料的延伸率。但添加过高的Si对材料的塑性、韧性以及表面质量产生负面影响，Si促使石墨化，促进脱碳，添加较高的Si容易在钢板表面形成脱碳层，降低了表面硬度和耐磨性能。因此，本发明中Si含量控制：0.6-1.0％。
Mn：Mn具有固溶强化作用，同时可以提高材料的淬透性和耐磨性能。Mn也是奥氏体稳定元素，降低奥氏体临界相变点，细化晶粒。部分奥氏体在超快过程总保持下来，形成残余奥氏体，提高了材料的延伸率。但Mn含量过高，由于Mn元素的偏析作用，板坯在冶炼和轧制过程中容易出现带状组织，影响加工性能。因此，本发明专利中Mn含量控制：2.5-4.0％。
S和P：S和P元素过高会对材料的塑性、韧性及疲劳性能产生不利影响。本发明限定了S含量控制在0.005％以内，P含量控制在0.015％以内。
Ti：Ti为强碳氮化物形成元素，钢中添加一定量的Ti元素，在高温奥氏体区Ti与N结合形成TiN或者Ti(C,N)阻碍奥氏体晶粒的长大。在轧后空冷过程中Ti与部分C结合形成TiC析出相，在各类微合金第二相粒子中，TiC硬度最高(3200HV)，具有优良的耐磨性能，因此基体中析出的TiC粒子提高了材料的耐磨性能。若果Ti含量过高，会大量消耗固溶C含量，降低了钢板淬透性，无法保证马氏体硬度，影响耐磨性能。因此，本发明中Ti含量控制：0.05-0.1％。
Nb：Nb为强碳氮化物形成元素，在奥氏体区析出，可以细化晶粒，提高材料的强度和韧性，另外Nb还可以保证焊缝组织的细化，提高焊后强度，避免焊接软化。
Cr：Cr元素为固溶强化元素和淬透性元素，添加适量的Cr元素可以显著提高材料的抗拉强度和强硬度，但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性。本发明控制Cr含量为：0.1～0.5％
Al：Al是有效的脱氧元素之一，而且可以形成氮化物来细化晶粒。Al含量过高将损害钢的韧性，而且焊接热影响区的韧性也变差。
B：B元素为强淬透性元素，添加适量的B元素，可以明显提高带钢的淬透性，在低温卷取后形成马氏体组织，保证材料的硬度。含B量超过0.007％时，容易引起脆性，会降低奥氏体晶粒粗化的温度，易产生粗晶，造成强度强度。因此本发明控制B含量为：0.015-0.040％
本发明实施例提供的NM400级钢，对耐磨钢的化学成分及用量进行改进，主要包括：添加适量的Mn和Si元素，起到稳定奥氏体作用，可得到部分先共析铁素体；添加适量的Ti元素，通过析出的TiC颗粒，提高基体的耐磨性能，得到马氏体和少量残余奥氏体，最终得到比例合适的三相组织(铁素体5～15％+马氏体75～85％+残余奥氏体5～15％)，实现易成形耐磨钢NM400的生产。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述Si的质量分数为1.1～1.5％；所述Mn的质量分数为3.6～4.0％。
Si和Mn元素对易加工成形是重要元素，主要原因是Si元素抑制渗碳体形成，在三段冷工艺下，空冷过程中只形成铁素体组织，由于Si抑制渗碳体形成，不会形成珠光体组织，铁素体为软相组织，可以降低带钢的屈服强度，带钢易加工成形。另外，组织设计为铁素体+马氏体+残余奥氏体组织，铁素体和残余奥氏体为软相组织，可以降低材料的屈服强度，提高延伸率，马氏体组织为影响组织，主要提高材料的抗拉强度和硬度，保证材料的耐磨性能。即通过进一步控制关键成分Si和Mn的用量，可提高所得NM400级钢的易加工成形性能。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述Ti的质量分数为0.08～0.10％。
通过进一步控制关键成分Ti的用量，提高所得NM400级钢的耐磨性。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述Si、所述Mn和所述Ti三者的质量比为(1.01～1.20):(2.50～2.95):(0.085～0.098)。
Si元素一个重要作用是可以抑制相变过程中渗碳体的析出，保证了C固溶量，在马氏体相变区卷取保温过程中，部分C实现配分，形成少量的残余奥氏体，提高了材料的延伸率；Mn元素是奥氏体稳定元素，在奥氏体向马氏体转变过程中，未转变的奥氏体(残余奥氏体)中固溶的Mn元素起到稳定残余奥氏体的作用，不容易在后续冷加工变形中转变为马氏体，基体组织中残余奥氏体存在，提高了带钢的延伸率和冷加工性能；Ti元素为强碳氮化物元素，由于基体组织设计为铁素体+马氏体+残余奥氏体，采用三段冷却工艺，在空冷过程中，在铁素体基体中Ti与C结合形成高硬度的TiC析出相，增加了铁素体提基体的耐磨性能，进而提高了耐磨钢的耐磨性能。通过进一步控制Si、Mn和Ti的用量，提高所得NM400级钢的如易加工成形和耐磨性等整体综合性能。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述NM400级钢的屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，-20℃全尺寸冲击功≥80J，HBW为370～430，厚度为2.0～14.0mm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了上述NM400级钢的制备方法，所述制备方法包括：
将铸坯经过轧前加热、轧制、一次冷却、卷取和二次冷却，制得所述NM400级钢。
本发明采用热连轧产线生产方法，采用控制轧制和控制冷却技术，无需离线热处理，具有生产流程短，无需后续热处理，节能降耗等优点；所得NM400级钢的屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，-20℃全尺寸冲击功≥80J，HBW为370～430，厚度为2.0～14.0mm。由于屈服强度低，可以满足现有用户的加工需求，具有非常好的应用前景。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述轧前加热包括：
加热温度≥1250℃，加热时间≥0.5h；如加热温度为1250～1300℃，加热时间为3.0～5.0h。
本发明中，较高的加热温度和较长保温时间目的在于保证合金元素的碳氮化物充分溶解及奥氏体均匀化。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述轧制包括粗轧和精轧；
所述粗轧包括：采用6道次轧制，累计变形量＞80％，粗轧出口温度为950～1060℃；
所述精轧包括：采用7道次轧制，末道次压下率≥10％，累计变形量为70％～80％，轧制速度3.0～8.0m/s，精轧入口温度为950～1060℃，终轧温度为800～880℃。
本发明中，粗轧累计变形量＞80％的好处是使得材料发生充分的再结晶行为，细化晶粒，低于该范围带来的不利影响是再结晶不完全，晶粒粗大，造成材料强度和延伸率偏低，中间坯厚度与所述基于热连轧产线的易成形耐磨钢的厚度比值≥3.5好处是精轧阶段为未再结晶区轧制，大变形量保证奥氏体晶粒进一步细化，低于该范围带来的不利影响是奥氏体晶粒未充分细化，造成相变后组织晶粒粗大。
精轧末道次压下率≥10％的好处是增大相变储能，增加相变形核点，细化晶粒，低于该范围带来的不利影响是相变速率变慢，晶粒粗化，精轧出口温度大于1060℃时，精轧阶段板坯处于部分再结晶区轧制，容易出现混晶；出口温度小于950℃时，精轧过程温降大，无法保证终轧温度，终轧温度为800～880℃，控制终轧温度是为了调控热轧组织并获得良好的热轧板卷质量。终轧温度大于880℃时，对于奥氏体晶粒细化有不利影响；终轧温度小于800℃时，精轧所需轧制力较大，轧制稳定性能差，容易出现事故。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述一次冷却包括空冷和快速冷却；
所述空冷包括：持续时间为8～15s，目标温度为630～750℃；
所述快速冷却包括：冷却速度≥50℃/s。
本申请中，通过控制空冷时间，使得轧后钢板进行两相区(Ar1-Ar3)，在两相区部分奥氏体转变为先共析铁素体，通过控制空冷后的温度和空冷时间，在空冷过程中Ti与C结合，析出部分TiC颗粒，提高基体的耐磨性能。后端快冷的冷却速度≥50℃/s，冷却至马氏体相变区Ms～Mf(Ms为马氏体开始相变温度，Mf为马氏体相变结束温度)，即卷取温度。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述二次冷却包括：
将卷取后获得的热轧卷进行保温后空冷至室温。
本申请中，未相变的奥氏体经过超快冷后转变为马氏体组织及部分残余奥氏体，钢卷卷取后进入保温坑进行保温，使得过饱和的C元素由马氏体向残余奥氏体中扩散，起到温度残余奥氏体作用，使得最终得到组织为铁素体(F)+马氏体(M)+少量的残余奥氏体(RA)。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
实施例1
本例提供一种NM400级钢的制备方法，其工艺流程图如图1所示，包括：
获得板坯，以质量分数计，所述板坯的化学成分为：
C:0.15～0.30％；Si:0.60～1.5％；Mn：2.5～4.0％；Nb:0.01～0.20％；Al:0.02～0.35％；P:≤0.010；S:≤0.005；Cr:0.10～0.50％；Ti:0.05～0.10％；N:≤0.004％；B:≤0.004％；其余为Fe及来自制备所述NM400级钢的杂质；
粗轧：所得板坯加热，温度为1250～1300℃，加热时间为3.0～5.0h，温度≥1250℃的时间≥0.5h，后粗轧，采用6道次轧制，累计变形量＞80％，粗轧出口温度为950～1060℃，中间坯厚度与所述基于热连轧产线的易成形耐磨钢的厚度比值≥3.5；
精轧：采用7道次轧制，末道次压下率≥10％，累计变形量为70％～80％，轧制速度3.0～8.0m/s，精轧入口温度为950～1060℃，终轧温度为800～880℃；
层流冷却：热轧结束后空冷8～15s，目标温度为630～750℃，后端快冷的冷却速度≥50℃/s，卷取温度为230～350℃；
冷却：卷取获得的热轧卷进入保温坑进行保温，保温时间1-5h，后出保温坑并空冷至室温。
基于上述制备方法，本发明提供7个典型的实施例，表1为各实施例中的钢成分，表2为本发明钢实施例的制造工艺。表3为本发明实施例钢的力学性能。
表1实施例化学成分
Figure BDA0003704493390000101
Figure BDA0003704493390000111
表2实施例制造工艺
Figure BDA0003704493390000112
表3实施例力学性能
Figure BDA0003704493390000113
附图2、3的详细说明：
图2和图3分别为实施例2的金相组织图和扫描电镜图，采用扫描电镜EBSD分析的残余奥氏体体积分数；图2中统计的铁素体体积分数为10％，马氏体体积分数为80％；图3中黑色部分为残余奥氏体，残余奥氏体体积分数10％。
综上所述，本申请在热连轧产线生产易成形耐磨钢NM400，添加适量的Mn和Si元素，起到稳定奥氏体作用，采用轧后两段冷工艺，通过控制终轧温度、轧制速率以及空冷时间，得到部分先共析铁素体(10％)，添加少量的Ti元素，在空冷过程中析出的TiC粒子，提高基体的耐磨性能；利用层流冷却后端超快冷设备，超快速冷却至马氏体相变区，得到马氏体和少量残余奥氏体，最终得到比例合适的三相组织(铁素体+马氏体+残余奥氏体)，实现易成形耐磨钢NM400的生产。所得NM400级钢的屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，-20℃全尺寸冲击功≥80J，HBW为370～430，厚度为2.0～14.0mm。由于屈服强度低，可以满足现有用户的加工需求，具有非常好的应用前景。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种NM400级钢，其特征在于，以质量分数计，所述NM400级钢的化学成分为：
C:0.15～0.30％；Si:0.60～1.5％；Mn：2.5～4.0％；Nb:0.01～0.20％；Al:0.02～0.35％；P:≤0.010；S:≤0.005；Cr:0.10～0.50％；Ti:0.05～0.10％；N:≤0.004％；B:≤0.004％；其余为Fe及来自制备所述NM400级钢的杂质；
以体积分数计,所述NM400级钢的金相组织包括：5～15％的铁素体，75～85％的马氏体，5～15％的残余奥氏体。
2.根据权利要求1所述的NM400级钢，其特征在于，所述Si的质量分数为1.1～1.5％；所述Mn的质量分数为3.6～4.0％。
3.根据权利要求1所述的NM400级钢，其特征在于，所述Ti的质量分数为0.08～0.10％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的NM400级钢，其特征在于，所述Si、所述Mn和所述Ti三者的质量比为(1.01～1.20):(2.50～2.95):(0.085～0.098)。
5.根据权利要求1～3任一项所述的NM400级钢，其特征在于，所述NM400级钢的性能参数：屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，-20℃全尺寸冲击功≥80J，HBW为370～430。
6.一种权利要求1～5任一项所述的NM400级钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将铸坯进行加热和粗轧处理，得到中间坯；
将所述中间坯进行精轧、第一冷却、卷取和第二冷却，得到NM400级钢成品。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将铸坯依次进行加热和粗轧处理，得到中间坯具体包括：
在不低于1250℃的温度下，将铸坯至少加热0.5h，得到热铸坯；
将热铸坯进行粗轧，得到中间坯；其中，所述粗轧的工作参数包括：
粗轧累计变形量＞80％，中间坯的厚度与NM400级钢成品的厚度的比值≥3.5，粗轧出口温度为950～1060℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述精轧的工作参数包括：
精轧末道次压下率≥10％，精轧累计变形量为70％～80％，精轧轧制速度3.0～8.0m/s，精轧入口温度为950～1060℃，精轧终轧温度为800～880℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一冷却的步骤包括：空冷和快速冷却；
所述空冷的工作参数包括：空冷的持续时间为8～15s，空冷的目标温度为630～750℃；
所述快速冷却的工作参数包括：快速冷却的冷却速度≥50℃/s。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二冷却的步骤包括：
将卷取后获得的轧卷进行保温1-5h后空冷至室温。
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