CN115537635A - 一种基于trip效应的颗粒增强型耐磨钢板nm300及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300及其制备方法。该耐磨钢的化学成分及其合金元素质量百分比(wt.％)含量为C：0.10～0.20、Mn：1.75～1.85、Si：1.75～1.85、Al：0.30～0.45、Ti：0.10～0.30、S≤0.008、P≤0.015，余量为Fe和其他不可避免的杂质；制备方法采用真空炉冶炼，锻造后采用TMCP工艺轧制，最后以冷速大于35℃/s冷却到350～450℃模拟卷取，得到组织为M(马氏体)+F(铁素体)+RA(残余奥氏体)或者M+B(贝氏体)+F+RA，Rm≥1000MPa。该基于TRIP效应的颗粒增强耐磨钢板NM300，由较硬的M或B与软相F相互协调，既具有较高强度又能保证良好的韧性，同时TRIP效应硬化和双峰尺度TiC颗粒增强能保证优异耐磨性能，具有良好的实用价值。

Description

一种基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300及其制备 方法

技术领域

本发明属于钢铁轧制领域，具体涉及到一种基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢NM300及其制备方法

背景技术

混凝土搅拌车罐体用钢为典型的耐磨钢，因为最初采用强度较低、耐磨性能不足的Q235、Q345普碳钢，所以出现了车体较重使用寿命较短的问题，随后选择强度较高的520JJ，虽然车体重量得到了改善，但是耐磨损性能过低导致罐体使用寿命较短的问题依然需要解决。虽然相关企业尝试用强度更高的620JJ、750JJ来进行罐体材料的升级，但是耐磨性能依然不足以保证其较长的使用寿命，因此面对汽车轻量化以及产品寿命提升的需求，研制出一种低成本更低，强度更高且具有良好耐磨以及加工性能的搅拌车罐体使用耐磨钢板是当下极为迫切的需求。

对于耐磨钢的研究，传统工艺主要是以离线QT(淬火+回火)工艺即离线调质为核心来生产耐磨钢，还有一部分企业中厚板的生产采用TMCP+T(控轧控冷+回火)的工艺进行耐磨钢的生产。经过调质工艺处理的钢板，由高温奥氏体淬火后得到硬度较高的马氏体组织，再经过回火，马氏体中的过饱和碳元素扩散排出，降低其过饱和度，得到的回火马氏体，既保证其强度和硬度，同时消除部分由于淬火产生的应力，塑韧性也得到提升。TMCP+T(控轧控冷+回火)工艺主要是通过两阶段轧制技术，分别在高温再结晶区域和非再结晶区两阶段控轧，最后通过合理的冷却工艺，得到晶粒较为细小的贝氏体或者马氏体又或者二者混合的组织。最后将TMCP轧制后的钢板再置于加热炉中，在特定温度下保温一段时间空冷，进行回火处理，最终形成强度韧性得到良好匹配的微观组织。对于传统耐磨钢的生产，虽然不同方法均能稳定生产特定牌号的耐磨钢，但是均存在一定的不足，首先传统耐磨钢均加入了较多的价格昂贵的合金元素，导致冶炼成本较高，其次是传统离线生产工艺流程较长，生产工艺复杂，最后就是对在线淬火钢板的板形控制较为困难，导致产品质量不高且生产成本增加。

目前，对于混凝土搅拌车罐体使用的耐磨钢NM300为了解决生产流程较长的问题，东北大学申请发明采用在线淬火+卷罩式退火的工艺，大幅度缩短了生产流程；相对于传统离线淬火+回火的生产工艺，唐山钢铁集团则采取轧后采用≥50℃/s的超快冷技术冷却到较低的200～300℃来保持其高强度，新的超快冷技术和在线淬火的TMCP工艺均为得到较高强度和硬度来保证其耐磨性能，但是在该工艺在较低的200～300℃进行卷取，低温段的高应力对板形控制带来的困难以及对卷取机的卷取能力也具有很高的要求；在新的耐磨钢的生产中宝钢集团采用回火马氏体加少量残余奥氏体的匹配，在高强度和硬度的同残余奥氏体作为软相组织为材料的韧性提供保证，同时在服役过程中TRIP效应的产生能起到“越用越硬”的效果，使得马氏体钢具有较好的塑韧性能。但是这里的韧性提升和软相F存在的钢差距较大。

因此本发明主要针对现有搅拌车罐体所用的耐磨钢NM300存在的生产成本较高、生产流程较长、以及现有TMCP工艺多采用超快冷技术且冷却后仍然需要回火处理来保证产品的可靠性的问题，发明了基于TRIP效应和TiC颗粒增强的双重作用的一种新型高强耐磨钢NM300。

发明内容

本发明主要是基于TRIP效应和TiC颗粒增强的双重作用提供的一种低成本，厚度在3～8mm、布氏硬度在≥270HBW的适用于搅拌车罐体的耐磨钢板，解决了该用途耐磨钢生产成本高且强度低、以及耐磨性能不足导致的服役周期较短的问题，同时本发明还提供了该耐磨钢板以短流程工艺的制备方法。

为解决上述在耐磨钢生产上的技术问题，本发明提供了一种基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300，该耐磨钢的化学成分及其合金元素质量百分比(wt.％)含量为C：0.10～0.20、Mn：1.75～1.85、Si：1.75～1.85、Al：0.30～0.45、Ti：0.10～0.30、S≤0.008、P≤0.015，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

进一步地，抗拉强度≥1000MPa，布氏硬度≥270HBW，残余奥氏体含量5～10％。

进一步地，所述钢板的组织主要为马氏体+铁素体和少量残余奥氏体，或者为马氏体、贝氏体+铁素体和少量残余奥氏体，钢板成品厚度为3～8mm。

如上所述的基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300的制备方法，具体步骤如下：

(1)冶炼和锻造：冶炼过程中精确控制各阶段合金成分及冶炼温度，严格控制P、S、N、O和H元素的含量，采用全程保护浇铸，钢锭锻造成适合轧制的锻坯尺寸50mm×50mm的方坯；

(2)加热：采用KSL-1200X电阻加热炉加热，热温度1150-1200℃，保温时间85-95min，出炉后去除氧化铁皮；

(3)轧制：对步骤(2)获得的锻坯进行轧制，咬入温度为1050～1100℃，经过7道次轧制，终轧温度为870～900℃，厚度为3～8mm；

(4)冷却：对步骤(3)获得的轧后钢板进行水冷，开冷温度为820～860℃，冷速35～45℃/s，冷却到350～450℃后立刻放进相同温度的加热炉中保温25-35min模拟卷取过程，然后空冷至室温。

进一步地，通过在给定范围对冷速和卷取温度的控制，均能生产出该发明所述的热轧高强耐磨钢NM300。本发明提供的热轧耐磨钢板其厚度为3～8mm，Rm≥1000MPa，主要组织是M(马氏体)或LB(下贝氏体)、F(铁素体)和少量RA(残余奥氏体)。

本发明所述低成本的成分设计主要元素的先择及理由如下：

C：在本发明中选择0.1～0.2％的低C设计，较高的C含量虽然可以很好的保证钢板强度和硬度，但是高C也会带来韧性及焊接性能较差的问题，对于该钢种服役环境中是不希望出现的，若采取极低C设计虽然塑韧性有所提升，但是会造成强度和硬度的不足，耐磨性能使用寿命都会降低；

Al和Si：高Si高Al的选择，一方面二者皆为铁素体形成元素，有利于形成铁素体的控制，Si能固溶于F中，既保证F的形成又能保证其具有较高的强度。同时Ac3温度的升高，热加工窗口也得到优化，另一方面是Al和Si均能阻止奥氏体中渗碳体的析出提高RA的稳定性，使成品钢板具有一定量残余奥氏体，在后期服役过程中通过TRIP效应，实现“越用越硬”的效果，来提升产品使用寿命，最后Al作为提高Ms的元素，对中高温卷取的工艺提供了保证作用；

Ti：Ti元素一般作为微合金元素加入到钢中，固溶于基体，起到细化晶粒增加基体强度的作用，在本发明中Ti的添加量为相对较高的0.1～0.3％，高Ti的加入，一方面引入纳米尺度TiC析出作为基体强化，另一方面析出微米及亚微米尺度的TiC作为硬质第二相颗粒引入基体，来抵抗磨损过程中的切削行为，如果Ti元素含量过高大量尺度过大颗粒析出，会使组织综合性能严重恶化尤其塑韧性严重降低，对于该产品的服役环境不合适，因此适量Ti的加入，将适量的双峰尺度TiC颗粒引入，即保证基体强度又可以提升耐磨性能，同时可以将卷取温度提升到较高的350～450℃，该产品依然具备优异的耐磨性能以及良好的板形。

本发明采取真空炉冶炼，严格控制P、S等有害元素含量，然后在实验室锻造成等待轧制的锻坯，具体轧制工艺，采用模拟现场TMCP工艺的方法进行实验室轧制，将锻坯置于加热炉中升温到1150～1200℃，保温1.5h，取出后去除表面氧化铁皮，在轧机上进行轧制，咬入温度问1000℃～1050℃，经过7道次轧制后，轧成板厚度为6mm的钢板，终轧温度在870℃～900℃，然后通过层流冷却以冷速≥35℃/s的速度冷却到350～450℃，立刻放到温度相同的加热炉中，保温30min模拟卷取过程，最重得到该发明所述的基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300。

相对于已有发明，本发明主要优势在于，具体有以下几点：

(1)成分设计上相对于传统耐磨钢的设计，本发明没有使用大量的昂贵的合金元素，在成本控制上具有较大的优势；

(2)在生产工艺上，本发明采用TMCP加直接卷取的全流程在线生产的方式大幅度缩短整个生产流程，提高了生产效率；

(3)本发明的产品组织主要是M+F和少量RA或者M+B+F和少量RA，在软硬相相互协调的基础上，适量的RA在服役过程中引起TRIP效应带来的硬化抵变形，延缓裂纹的扩展，以及双峰尺度TiC颗粒的引入，纳米尺度增强机体，微米及亚微米尺度在磨损过程中阻碍切削过程提高耐磨性能。

附图说明

图1为实施例1基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢NM300的SEM图；

图2为实施例2基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢NM300的SEM图；

图3为实施例3基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢NM300的SEM图；

图4为基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢NM300钢板微观组织中双峰尺度TiC扫面图及能谱，其中，(b)为(a)中分布图数据。

图5为3种实施例XRD衍射分析图；

表1为3种实施例具体合金成分质量百分比。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案，但不局限于以下实施例。

本实施例为基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢NM300的成分设计及生产工艺，其成品板厚为6mm，其化学成分及合金元素质量百分比(wt.％)为：C：0.10～0.20、Mn：1.75～1.85、Si：1.30～1.85、Al：0.35～0.45、Ti：0.10～0.30、S≤0.008、P≤0.015，余量为Fe和其他不可避免的杂质。具体化学成分及合金元素百分含量(wt.％)见表1。

表1本发明实施例的化学成分(wt.％)。

实施例1

本实施例为该基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300及其制备方法，其成品板厚为6mm，该耐磨钢为NM300级别的耐磨钢，具体生产工艺为：将锻坯置于设定温度为1150℃的加热炉中，保温90min，然后在将保温后的钢坯取出去除氧化铁皮，经过7道次的轧制，轧成6mm的钢板，轧制过程中咬入温度为1050℃，终轧温度为870℃，轧后冷却过程控制其冷速≥35℃/s，在该实施例中选择冷却到300℃，然后立刻置于已经加热到300℃的加热炉中，保温30min，然后取出空冷，模拟卷取过程。该工艺下即可得到基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300，该耐磨钢主要由M、F和少量RA构成，其微观组织图见图1。抗拉强度为1106MPa。

实施例2

本实施例为该基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300及其制备方法，其成品板厚为6mm，该耐磨钢为NM300级别的耐磨钢，具体生产工艺为：将锻坯置于设定温度为1150℃的加热炉中，保温90min，然后在将保温后的钢坯取出去除氧化铁皮，经过7道次的轧制，轧成6mm的钢板，轧制过程中咬入温度为1040℃，终轧温度为872℃，轧后冷却过程控制其冷速≥35℃/s，在该实施例中选择冷却到400℃，然后立刻置于已经加热到400℃的加热炉中，保温30min，然后取出空冷，模拟卷取过程。该工艺下即可得到基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300，该耐磨钢主要由M、F和少量RA构成，其微观组织图见图1。抗拉强度为1030MPa。

实施例3

本实施例为该基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300及其制备方法，其成品板厚为6mm，该耐磨钢为NM300级别的耐磨钢，具体生产工艺为：将锻坯置于设定温度为1150℃的加热炉中，保温90min，然后在将保温后的钢坯取出去除氧化铁皮，经过7道次的轧制，轧成6mm的钢板，轧制过程中咬入温度为1060℃，终轧温度为865℃，轧后冷却过程控制其冷速≥35℃/s，在该实施例中选择冷却到450℃，然后立刻置于已经加热到450℃的加热炉中，保温30min，然后取出空冷，模拟卷取过程。该工艺下即可得到基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢NM300，该耐磨钢主要由M、B、F和少量RA构成，其微观组织图见图3。抗拉强度为1026MPa。

对本发明实施例1～3所提到的双峰尺度TiC颗粒，具体形貌以及尺度大小见图4。残余奥氏体含量见图5。

Claims (5)

1.一种基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300，其特征在于，该耐磨钢的化学成分及其合金元素质量百分比(wt.％)含量为C：0.10～0.20、Mn：1.75～1.85、Si：1.75～1.85、Al：0.30～0.45、Ti：0.10～0.30、S≤0.008、P≤0.015，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的基于TRIP效应的颗粒增强耐型磨钢板NM300，其特征在于，抗拉强度≥1000MPa，布氏硬度≥270HBW，残余奥氏体含量5～10％。

3.根据权利要求1所述的基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300，其特征在于，所述钢板的组织主要为马氏体+铁素体和少量残余奥氏体，或者为马氏体、贝氏体+铁素体和少量残余奥氏体，钢板成品厚度为3～8mm。

4.根据权利要求1～3所述的基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)冶炼和锻造：冶炼过程中精确控制各阶段合金成分及冶炼温度，严格控制P、S、N、O和H元素的含量，采用全程保护浇铸，钢锭锻造成适合轧制的锻坯尺寸50mm×50mm的方坯；

(2)加热：采用KSL-1200X电阻加热炉加热，热温度1150-1200℃，保温时间85-95min，出炉后去除氧化铁皮；

(3)轧制：对步骤(2)获得的锻坯进行轧制，咬入温度为1050～1100℃，经过7道次轧制，终轧温度为870～900℃，厚度为3～8mm；

(4)冷却：对步骤(3)获得的轧后钢板进行水冷，开冷温度为820～860℃，冷速35～45℃/s，冷却到350～450℃后立刻放进相同温度的加热炉中保温25-35min模拟卷取过程，然后空冷至室温。

5.根据权利要求4所述的该基于TRIP效应的颗粒增强型耐磨钢板NM300的制备方法，其特征在于，通过在给定范围对冷速和卷取温度的控制，均能生产出该发明所述的热轧高强耐磨钢NM300。

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