CN117448672A - 一种120-150mm 400HB级特厚耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

一种120-150mm 400HB级特厚耐磨钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板及其生产方法，其化学成分按重量wt％含有：C：0.26～0.30％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.10～1.50％，Nb：0.010～0.040％，V：0.035～0.065％，Ti:0.015～0.025％,Al：0.03～0.06％，Ni：0.50～0.80％，Cu：≤0.40％，Cr：0.60～0.90％，Mo：0.30～0.50％，B：0.0015～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。其生产工艺步骤是：冶炼‑>炉外精炼‑>真空脱气‑>连铸‑>板坯缓冷‑>加热轧制‑>淬火‑>中温回火。本发明钢板组织以回火屈氏体组织为主，裂纹敏感性低，钢板力学性能优良：表面布氏硬度370～430HB；心部硬度可达表面硬度的90％以上，延伸率≥10％，‑40℃夏比V型冲击功≥27J；满足了国内外工程机械行业对特厚耐磨钢板的使用要求。

Description

一种120-150mm 400HB级特厚耐磨钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种120-150mm 400HB级特厚耐磨钢板及其制造方法。
背景技术
耐磨钢板广泛应用于工程机械、农用机械、矿山采运、道路运输等行业要求强度高、耐磨性好的机械设备上，如挖掘机、推土机、刮板输送机、矿用自卸车等。近年来，随着设备的日益大型化，大厚度规格耐磨钢板的需求日益增加。厚度的增加给耐磨钢的生产带来了众多技术难题：1)厚度增加，由于淬透性问题，耐磨钢硬度从表面到心部迅速下降，在表面淬硬层磨损后，设备使用寿命急剧下降；2)大厚度耐磨钢板的低温冲击韧性无法保证；3)随着厚度的增加耐磨钢板切割开裂风险大幅增加。
中国专利CN110527920B介绍了一种60～80mm特厚耐磨钢板及其制造方法。钢板采用900℃淬火+270℃低温回火热处理，表面硬度390～430HB，心部硬度可达表面硬度的85％以上。该发明对低温冲击韧性未做保证。
中国专利CN107299279A介绍了一种100mm厚410HB级耐磨钢板及其制造方法，钢板淬火温度905～925℃，回火200～240℃，表面硬度410HB，抗拉强度≥1200MPa，-30℃冲击功≥30J，组织形态为回火马氏体。
中国专利CN12063917A提供了一种最大厚度120mm的人造板用耐磨钢板。钢板同样在880～920℃进行淬火，在180～220℃进行回火，表面硬度400～500HB。该发明对心部硬度及低温冲击韧性未做研究。
为推动国内大厚度耐磨钢板的发展，国家标准GB/T24186-2022对400HB耐磨钢板的厚度上限做了修订，目前支持的最大厚度为120mm，但该标准只对80mm以下钢板提出了心部硬度的规定。
综上所述，目前国内对大厚度400HB级耐磨钢板的研发主要集中在120mm以下，对120mm以上的特厚耐磨钢板-40℃低温冲击韧性低、心部硬度下降及钢板切割开裂等问题研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种120～150mm400HB特厚耐磨钢板及其制造方法，该低合金耐磨钢板显微组织为回火屈氏体；表面布氏硬度370～430HB；心部硬度可达表面硬度的90％以上，即333～430HB，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥27J。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种120～150mm400HB特厚耐磨钢板，所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.26～0.30％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.10～1.50％，Nb：0.010～0.040％，V：0.035～0.065％，Ti:0.015～0.025％,Al：0.03～0.06％，Ni：0.50～0.80％，Cu：≤0.40％，Cr：0.60～0.90％，Mo：0.30～0.50％，B：0.0015～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明中钢成分的限定理由阐述如下：
C：碳含量决定了钢板的硬度。碳含量低，硬度低、韧性好、焊接性优良；碳含量高，淬火马氏体转变完全，强度高，硬度高，耐磨性好，但钢板塑韧性降低，焊接性差。基于钢板硬度、耐磨性和焊接性需要，本发明中碳含量控制为0.26～0.30％。
Si：硅固溶在铁素体和奥氏体中提高强度和硬度。含量过高会恶化马氏体钢的韧性，本发明中硅含量控制在0.10～0.40％之间。
Mn：增加奥氏体稳定性，淬火时降低马氏体转变临界冷却速度，强烈提高钢的淬透性。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高时有使晶粒粗化的倾向，同时会引起连铸坯偏析形成MnS、韧性差和可焊性降低，故本发明规定锰含量加入量介于1.10～1.50％的范围内。
Nb/V/Ti：是强烈的C、N化物的形成元素，起到对奥氏体晶界的钉扎作用，在加热时抑制奥氏体晶粒的长大，并在轧制和回火过程中析出，显著提高钢的强度和韧性。本发明主要通过Nb/Ti的固溶和形变诱导析出控制晶粒大小；本发明为解决特厚钢板的切割裂纹问题，采用400～500℃的中温回火，彻底去除淬火马氏体应力，为弥补中温回火强度的降低，添加适量的V，通过V的回火析出，提高钢的强度和硬度，增加回火稳定性。本发明规定铌含量应介于0.010～0.040％；Ti含量0.015～0.025％；钒含量应介于0.035～0.065％的范围内。
Al：强脱氧元素，同时与N有较强的亲和力，可以消除N元素造成的时效敏感性。N化物的析出起到细化奥氏体晶粒的效果，保护了B元素的淬透性作用。本发明中，规定Al含量应介于0.030～0.060％。
Ni、Cu：有效提高钢的低温韧性的最常用元素，但成本较高。为提高特厚钢板-40℃低温冲击韧性，本发明Ni含量控制为0.50～0.80％，Cu控制为≤0.40％。
Cr：降低马氏体转变临界冷却速度，提高淬透性。Cr在钢中还可以形成多种碳化物，提高钢的强度、硬度和耐磨性，提高钢的高温回火抗力。Cr含量过高会降低钢板的可焊接性。本发明中铬含量控制在0.60～0.90％。
Mo：大幅提高钢淬透性的元素，有利于淬火时全马氏体的形成，提高钢板冲击韧性。Mo同时是强碳化物形成元素，通过影响C的扩散速率，细化析出碳化物尺寸，提高高温回火抗力，使得钢板在中高温范围内可以维持一定的强度、硬度和耐磨性。本发明中Mo含量控制在0.30～0.50％。
B：本发明加入0.0015～0.0050％的微量B，其主要目的是提高钢板的淬透性，从而减少其他贵重金属的添加量，降低成本。超过0.005％的B很容易产生偏析，形成硼化物，严重恶化钢板韧性和降低淬透性。
Ca：Ca处理通常用来进行夹杂物变性处理，改变MnS等长条状夹杂物为CaS等球形夹杂物，降低钢板各向异性，提高钢板综合性能。本发明控制Ca含量0.0010～0.0050％。
P：有害元素，对材料塑性和韧性有不利影响。本发明追求超纯净钢，严格控制P含量≤0.01％。
S：钢中有害元素，对材料塑性和韧性有不利影响。S含量高，极易形成MnS等长条夹杂物，导致钢板各向异性，容易发生分层开裂。本发明要求S：≤0.0015％。
O、N、H：有害气体元素，含量高，夹杂物多，易产生白点，大大降低钢板塑性、韧性，产生切割延迟裂纹。本发明严格控制O含量不高于0.0015％；N含量不高于0.0035％；H含量≤0.0002％。
本发明另提供上述一种400HB特厚耐磨钢板的制备方法，具体工艺如下，
冶炼连铸工艺：采用转炉方式冶炼，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理。为确保特厚钢板低温韧性，夹杂物控制A、B、C、D细类夹杂物总级别≤2.5。
连铸工艺：铸坯和成品压缩比≥3，采用450mm特厚连铸板坯进行低过热度浇注生产，钢水过热度控制在5～25℃；凝固末端采用大压下控制，压下量不低于10mm；中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级。
板坯缓冷：铸坯下线后，必须进行入坑或加罩缓冷处理。处理开始温度要求控制在650～700℃，时间不得低于48小时，缓冷速度≤5℃/h。
加热轧制工艺：将铸坯进入步进式加热炉，加热至1200-1250℃,待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min。钢坯出炉后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，细化晶粒，提高强度和韧性。粗轧的开轧温度介于1000～1100℃。为保证钢板心部变形，钢板轧制主要在粗轧阶段完成。粗轧后中间坯厚度控制在1.3～1.5H，其中H为成品厚度。精轧开轧温度介于800～850℃。轧制完成之后钢板过ACC机组进行加速冷却，终冷温度控制在600～700℃，冷却速度要求≥6℃/s，细化晶粒，为后续离线淬火获得细小的马氏体板条，提高低温冲击韧性提供良好基础。
淬火热处理工艺：轧制后钢板进行离线淬火处理。淬火温度880～940℃，炉温到温后保温时间为80～120min。为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃，确保获得均匀的淬火马氏体组织。
回火热处理工艺：钢板淬火后，需要在400～500℃进行中温回火。钢板心部到温后，回火保温时间150～220min。钢板获得稳定的回火屈氏体组织，内应力获得完全去除，低温冲击韧性优良，同时钢板切割裂纹风险大幅降低。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用国内最厚450mm特厚连铸板坯成功开发最大厚度150mm 400HB低合金耐磨钢板。120-150mm特厚钢板截面性能优良，心部硬度可达表面硬度的90％以上。
本发明采用纯净钢冶炼，夹杂物控制A、B、C、D细类夹杂物总级别≤2.5；连铸凝固末端采用大压下工艺，压下量≥10mm；铸坯采用缓冷处理，时间不得低于48小时，缓冷速度≤5℃/h；确保特厚钢板截面性能优良。
本发明采用中碳，Cr-Mo-V合金化，打破了传统耐磨钢淬火+低温回火的传统生产路线，采用400～500℃中温回火，可完全消除淬火马氏体应力，大幅降低切割裂纹风险。
本发明组织与常规耐磨钢板的回火马氏体不同，为回火屈氏体。该组织不仅具有高强度、高硬度，而且裂纹敏感性低，同时韧性优于回火马氏体，可确保特厚钢板-40℃低温冲击优良。
本发明解决了特厚耐磨钢板随厚度增加，心部硬度下降、无法保证-40℃低温冲击韧性及切割裂纹等关键生产问题，生产流程简单，生产工艺稳定，为国内特厚高强耐磨钢板的生产提供了解决思路。
附图说明
图1是本发明实施例1的试验钢1/4厚度处典型组织金相图片(500X)。
图2是本发明实施例1的试验钢心部典型组织金相图片(500X)。
具体实施方式
结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。
本发明的耐高温耐磨钢的生产工艺流程为：转炉炼钢->LF精炼->VD或RH高真空脱气->连铸->铸坯缓冷->加热->轧制->淬火->中温回火
本发明实施例1-2的耐高温耐磨钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：采用电炉或转炉方式冶炼，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理。夹杂物控制A、B、C、D细类夹杂物级别0.5级；成分控制见表1。
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成450mm特厚连铸板坯。浇铸温度控制在液相线以上5～25℃。凝固末端采用大压下控制，压下量≥10mm。中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级。相关工艺参数见表2。
(3)板坯缓冷：铸坯下线后，入坑缓冷处理。处理开始温度控制在650～700℃，时间≥48小时，缓冷速度≤5℃/h。
(4)加热轧制：将步骤(2)所得连铸坯放入步进式加热炉，将铸坯进入步进式加热炉，加热至1200～1250℃,待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min。钢坯出炉后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1000～1100℃。粗轧后中间坯厚度控制在1.3～1.5H，其中H为成品厚度。精轧开轧温度介于800～850℃。轧制完成之后钢板过ACC机组进行加速冷却，终冷温度控制在600～700℃，冷却速度要求≥6℃/s。相关工艺参数见表3。
(5)淬火：钢板淬火温度为920±10℃,保温时间为80～120min，淬火介质为水。
(6)回火：淬火钢板进入回火炉进行高温回火，回火温度400～500℃，保温时间150～220min。
具体成分、工艺参数见表1～表4。各实例样板对应的性能见表5。
图1给出了实施例1试验钢1/4厚度的微观组织照片。成品钢板的微观组织为均一的回火屈氏体，铁素体基体上弥散着细小均匀的析出物。图2为实施例1试验钢心部的微观组织照片。组织以回火屈氏体为主，含有少量的贝氏体体。
本发明采用高洁净度炼钢连铸工艺，控轧控冷，离线淬火，及中温回火，从化学成分设计、母材组织等角度进行控制，保证了特厚耐磨钢板截面力学性能及低裂纹敏感性，为工程机械耐磨设备超大型化使用提供了可行性。
表1实施例耐磨钢板的化学成分(wt％)
表2连铸工艺控制
实施例 过热度，℃ 大压下量，mm 中心偏析 中心疏松
1 18 12 C0.5 0.5
2 16 11 C0.5 0.5
表3轧制工艺控制`
表4热处理工艺控制`
表5本发明实施例硬度、拉伸、冲击
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.26～0.30％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.10～1.50％，Nb：0.010～0.040％，V：0.035～0.065％，Ti:0.015～0.025％,Al：0.03～0.06％，Ni：0.50～0.80％，Cu：≤0.40％，Cr：0.60～0.90％，Mo：0.30～0.50％，B：0.0015～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板，其特征在于：所述耐磨钢板的厚度为120～150mm。
3.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板，其特征在于：所述钢板的显微组织为细小回火屈氏体。
4.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板，其特征在于：所述钢板的表面布氏硬度370～430HB；心部硬度可达表面硬度的90％以上，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥27J。
5.一种如权利要求1所述的120～150mm400HB级特厚耐磨钢板的制造方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
1)冶炼工艺：采用转炉方式冶炼，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理；
2)连铸工艺：铸坯和成品压缩比≥3，采用450mm特厚连铸板坯进行低过热度浇注生产，钢水过热度控制在5～25℃；凝固末端采用大压下控制，压下量不低于10mm；中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级；
3)板坯缓冷：铸坯下线后，进行入坑或加罩缓冷处理；
4)加热轧制工艺：将铸坯进入步进式加热炉，加热至1200-1250℃,待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min，钢坯出炉后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，细化晶粒，提高强度和韧性，轧制完成之后钢板过ACC机组进行加速冷却，终冷温度控制在600～700℃，冷却速度要求≥6℃/s，细化晶粒，为后续离线淬火获得细小的马氏体板条，提高低温冲击韧性提供良好基础；
5)淬火热处理工艺：轧制后钢板进行离线淬火处理，淬火温度880～940℃，炉温到温后保温时间为80～120min；
6)回火热处理工艺：钢板淬火后，需要在400～500℃进行中温回火，钢板心部到温后，回火保温时间150～220min。
6.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板的制造方法，其特征在于步骤1)中为确保特厚钢板低温韧性，夹杂物控制A、B、C、D细类夹杂物总级别≤2.5。
7.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板的制造方法，其特征在于步骤3)中板坯缓冷处理开始温度要求控制在650～700℃，时间不得低于48小时，缓冷速度≤5℃/h。
8.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板的制造方法，其特征在于步骤4)中粗轧的开轧温度介于1000～1100℃。为保证钢板心部变形，钢板轧制主要在粗轧阶段完成。粗轧后中间坯厚度控制在1.3～1.5H，其中H为成品厚度，精轧开轧温度介于800～850℃。
9.根据权利要求1所述的一种120～150mm400HB级特厚耐磨钢板的制造方法，其特征在于步骤5)中为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃，确保获得均匀的淬火马氏体组织。
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