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CN104357758A - 一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法，属于合金钢技术领域。该耐磨钢板的化学组成按重量百分含量为：0.20-0.40；Mn：0.50-1.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.50-0.80；Ni：0.40-0.60；Mo：0.30-0.40；Ti：0.40-0.80；Cu：0.30-0.50；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。该钢种的制造方法是：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸或模铸、加热、轧制、冷却、热处理。根据上述成分及工艺，轧材可得到体积分数约为0.5-1.5％的TiC析出相，析出物平均粒径约为1μm；钢板硬度HB400-500，耐磨性达到Hardox450的1.5倍以上，且加工性能及焊接性能优良，满足相关设备制造要求。

Description

一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法，是一种具有优异耐磨性和加工性能的超硬粒子增强型马氏体耐磨钢。
背景技术
耐磨钢广泛应用于工作条件特别恶劣，要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上，如刮板运输机、转载机、挖掘机、自卸车及各种矿山机械等。传统低合金耐磨钢的组织通常选择单相马氏体，提高其耐磨性的主要方法是提高钢中碳含量和淬火马氏体的硬度，据此开发出布氏硬度HB360～600不同级别耐磨钢。然而，随着硬度的增加，钢的加工性和焊接性将严重恶化，难以满足装备制造相关要求。如何在不提高硬度的前提下大幅改善钢的耐磨性，成为当前冶金和耐磨行业亟待解决的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板及其制造方法，解决了现有高硬度耐磨钢焊接性能及加工性能差、难以满足设备制造要求的难题，本发明提供一种的钢板耐磨性可达相同硬度传统马氏体耐磨钢的1.5倍。超硬粒子选择硬度HV≥3000的TiC析出相，析出相平均尺寸约为1μm，体积分数为0.5-1.5％。这些超硬TiC粒子提高耐磨性原理是：阻止磨粒磨损犁沟的通过，或者破碎磨粒、钝化磨粒尖角，显著减轻基体的磨损失重。
本发明的耐磨钢板化学组成按重量百分含量(wt.％)为C：0.20-0.40；Mn：0.50-1.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.50-0.80；Ni：0.40-0.60；Mo：0.30-0.40；Ti：0.40-0.80；Cu：0.30-0.50；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明各元素的作用及配比依据如下：
碳：提高钢的淬透性，具有强烈的固溶强化作用，显著提高马氏体钢的强度和硬度；适当含量的碳与钛结合形成微米级TiC粒子，可显著改善耐磨性。本发明钢控制碳含量为0.20-0.40％，碳含量低于0.20wt.％，难以形成足够体积分数的TiC粒子，且钢的淬透性和硬度都较低，碳含量高于0.40wt.％，则钢的韧塑性、加工性和焊接性恶化。
硅：钢中脱氧元素之一，同时具有一定的固溶强化作用，但过量的硅对钢的韧性及焊接性能不利。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为0.30-0.60wt.％。
锰：明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。但锰含量较高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，钢的回火脆性敏感性增大，另外对焊接性能不利。本发明钢锰含量范围为0.50-1.00wt.％。
钛：作为强碳化物形成元素，与碳结合形成硬度HV大于3000的超硬粒子TiC，显著改善钢的耐磨性。本发明控制钛含量0.40-0.80wt.％，所形成的TiC粒子体积分数约为0.5-1.5％，平均粒度约为1μm。过多的TiC粒子恶化材料的塑性及韧性，过少的粒子不能有效提高材料的耐磨性。
采用强碳化物形成元素Ti，含量在0.40-0.80％范围能有效提高材料的耐磨性，同时材料加工性和焊接性优良，能够满足相关设备制造要求。
钼：显著提高钢的淬透性，降低回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。同时，钼可溶入TiC形成(TiMo)C，提高TiC颗粒的体积分数。本发明控制钼含量范围为0.30-0.40wt.％。
铬：提高钢的淬透性和耐腐蚀磨损性能，但过高的铬降低加工性和焊接性，本发明控制铬含量范围为0.50-0.80wt.％。
镍：提高钢的淬透性，显著改善低温韧性，提高钢的耐蚀性能。本发明控制镍含量范围为0.40-0.60wt.％。
铜：提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，在腐蚀磨损环境下可明显提高耐磨性。本发明钢控制铜含量范围为0.30-0.50wt.％。
硼：强烈偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，加入微量硼即可显著提高淬透性，但硼含量超过0.003wt.％后上述作用饱和，而且还可能形成各种对热加工性能和韧性不利的含硼析出相，因此硼含量应控制在0.0005-0.003wt.％范围内。
磷、硫作为杂质元素严重损害钢的韧塑性，含量分别控制在S≤0.005wt.％，P≤0.015wt.％。
本发明耐磨钢板的制造方法，工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸(模铸)、加热、控制轧制、控制冷却、热处理；在工艺中控制的技术参数如下：
连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1050-1220℃，时间为1-5小时。加热温度高于1220℃，铸造过程中形成的TiC粒子会部分溶解于奥氏体中，降低耐磨性；加热温度低于1050℃，钢板变形抗力过大，轧制困难。
采用中厚板轧机轧制或热连轧。中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-950℃，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为300-700℃。空冷过程中或加速冷却后对钢板进行矫直。热连轧工艺为：粗轧轧制3-8道次，将铸坯轧制成20-60mm厚度的中间坯，然后经6或7机架热连轧，终轧温度为850-950℃，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为300-700℃。将钢卷开平后剪切成钢板，并在矫直机上进行矫直。
钢板热处理，包括淬火和回火。
淬火加热温度为860～940℃，加热时间为5-60分钟，钢板加热后水淬。过高的加热温度使奥氏体晶粒粗化，降低钢的韧塑性；过低的加热温度则明显降低钢的淬透性和厚规格钢板的心部硬度，不利于耐磨性。
回火温度为100-250℃，保温时间10-120分钟，保温后空冷。
通过上述工艺，该耐磨钢的基体组织为板条马氏体，同时基体中包含体积分数约为0.5-1.5％的TiC析出相，析出物颗粒尺寸平均约为1um(如图1和图2所示)。材料的屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1300MPa，延伸率大于8％，室温冲击功大于20J，硬度HB400-500，机加工性能及焊接性能优良，能够满足设备制造要求。材料的耐磨粒磨损性能可达Hardox450的1.5倍以上。
本发明突破传统马氏体耐磨钢单纯通过提高硬度来改善耐磨性的技术思路，在硬度基本不变条件下，通过引入一定体积分数微米级超硬TiC粒子提高耐磨性，有效解决了传统马氏体耐磨钢耐磨性与加工性和焊接性的突出矛盾，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明超硬粒子增强型马氏体耐磨钢的光学微观组织，图中白色粒子为TiC。
图2为本发明超硬粒子增强型马氏体耐磨钢的TiC粒子粒度分布。
具体实施方式：
实施例1：本发明的化学组成按重量百分含量为C：0.33；Si：0.43；Mn：0.54；Cr：0.82；Ni：0.55；Mo：0.31；Ti：0.61；Cu：0.32；B：0.0016；S：0.005；P：0.005；余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，RH精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度1200℃，精轧终轧温度860℃，轧制厚度30mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度880℃，保温时间0.5小时，水淬至室温，然后200℃回火1小时空冷至室温。
实施例2：本发明的化学组成按重量百分含量为C：0.31；Si：0.48；Mn：0.92；Cr：0.91；Ni：0.51；Mo：0.32，Ti，0.58，Cu：0.35；B：0.0020；S：0.005；P：0.015；余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度1180℃，精轧终轧温度900℃，轧制厚度60mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度900℃，保温时间0.5小时，水淬至室温，然后200℃回火1小时空冷至室温。
实施例3：本发明的化学组成按重量百分含量为C：0.38；Si：0.45；Mn：0.85；Cr：0.82；Ni：0.58；Mo：0.38；Ti：0.58；Cu：0.45；B：0.0018；S：0.005；P：0.015；余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度1200℃，精轧终轧温度880℃，轧制厚度40mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度900℃，保温时间0.5小时，水淬至室温，然后200℃回火1小时空冷至室温。
本发明实施例与Hardox450力学性能和耐磨性检测结果如表1所示。
表1 本发明实施例与Hardox450力学性能和耐磨性检测结果

Claims (3)

1.一种超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板，其特征在于：采用转炉或电炉冶炼，化学组成按重量百分含量为：0.20-0.40；Mn：0.50-1.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.50-0.80；Ni：0.40-0.60；Mo：0.30-0.40；Ti：0.40-0.80；Cu：0.30-0.50；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种权利要求1所述的超硬粒子增强型马氏体耐磨钢板的制造方法，工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸、加热、控制轧制、控制冷却、热处理；其特征在于：在工艺中控制的技术参数如下：
(1)连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1050-1220℃，时间为1-5小时；
(2)采用中厚板轧机轧制或热连轧，中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为850-950℃，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为300-700℃；
热连轧工艺为：粗轧轧制3-8道次，将铸坯轧制成20-60mm厚度的中间坯，然后经6或7机架热连轧，终轧温度为850-950℃，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为300-700℃；将钢卷开平后剪切成钢板，并在矫直机上进行矫直；
(3)钢板热处理，淬火加热温度为860～940℃，加热时间为5-60分钟，钢板加热后水淬到室温；回火温度为100-250℃，保温时间10-120分钟，保温后空冷。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，轧后钢板得到体积分数为0.5-1.5％的TiC析出相，析出相颗粒尺寸平均约为1μm；钢板硬度HB400-500，机加工性能及焊接性能满足设备制造要求，钢板的耐磨性达到Hardox450的1.5倍以上。
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