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CN108220806A - 超高强高韧耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

超高强高韧耐磨钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高强高韧耐磨钢及其制备方法，钢的化学成分为wt％:C 0.25～0.55，Si 1.50～2.50，Mn 1.50～2.20，Cr 0.3～1.0，Mo 0.2～0.8，Re 0.01～0.1，S＜0.01,P＜0.01，其余为Fe。废钢或铁水配以合金料经电弧炉或中频感应炉熔炼，再经VOD、LF精炼，采用连铸或模铸成形。连铸坯或铸锭轧制或锻造成形，再经特殊热处理后，零件抗拉强度1800～2000MPa，延伸率16～18％，冲击韧性aku 60～80J/cm2，硬度HRC 55～62。这种超强耐磨钢不仅具有焊接性能，而且具有突出的塑性，是断后延伸率能达到18％的一种2000MPa级超高强钢。

Description

超高强高韧耐磨钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种1800～2000MPa级SiMnCrMoRe系中碳低合金超高强 高韧耐磨钢，特别涉及一种超高强高韧耐磨钢及其制造方法。
背景技术
冶金煤炭矿山领域对耐磨材料的需求量巨大。与耐磨铸铁相比，耐磨 钢因其兼具硬度、强度和韧性的综合性能，是应用最为广泛的耐磨材料。 在耐磨钢的发展历史中，已经得出明确的结论，贝氏体钢、奥氏体/贝氏体 双相钢、马氏体/贝氏体双相钢等都表现出最为优异的综合性能。近年来， 以硅为主要合金元素，利用硅在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物析出的 特点，可以获得由无碳化物贝氏体铁素体和被碳、硅稳定化了的残余奥氏体组成的奥-贝双相组织，由于无碳化物消除了裂纹或剥落诱因，因而具有 优异的强韧性综合力学性能，是目前世界上最为青睐的新一代高强高韧耐 磨钢，但是，在稍高于该钢马氏体转变温度进行长时间(1～3星期)的过 冷奥氏体低温贝氏体等温转变，虽然获得了由30 100纳米级厚度的板条 贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，并具有 超高强度和较高的断裂韧性，以及较好的压缩塑性，但其等温转变速度极 为缓慢。因工业生产的周期长、效率低，而且其含碳量超过0.6％，属于高 碳合金钢，焊接性能差，很难得到应用。虽然在后续的研究中，加入Co和 Al加速贝氏体转变速度，降低Mn比增加Co能更有效地加速贝氏体转变， 而且带来显著的成本降低，但在规模化生产中，特别是大型工件的等温淬 火工艺，在工业生产中很难实现。
钢铁材料强韧性同时提高是材料科研工作者追求的目标之一，细化组 织几乎是唯一途径。杰出性能的低温贝氏体就是因其板条厚度几十纳米而 使强韧性得以同时提高。如何加快贝氏体-马氏体转变速度，又保证获得纳 米级无碳化物贝氏体-马氏体组织是高强高韧钢能否实现工业应用推广的关 键。除了要对钢的化学成分恰当设计外，使其具有良好的焊接性能，低的 MS转变温度，保证其获得低温贝氏体转变条件，还要利用相转变形成的更 多的界面缺陷，提供更多的贝氏体形核位置，加快残余奥氏体的等温贝氏 体转变速度，提高工业生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有可焊性、可锻性，可实现工业化生产 的低成本超高强高韧耐磨钢及其制造方法。为了对披露的实施例的一些方 面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述， 也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一 目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明通过下述技术方案实现：
一种超高强高韧耐磨钢，钢的化学成分为wt％:C 0.25～0.45％，Si
1.50～2.20％，Mn 1.50～2.20％，Cr 0.30～1.0％，Mo 0.20～1.0％，Re 0.01～0.1％， S＜0.01％，P＜0.01％，其余为Fe。
一种超高强高韧耐磨钢的制备方法，包括：
(1)电弧炉或中频感应炉冶炼，LF、VOD精炼，出钢温度1550±20℃, 浇入钢锭模或连铸结晶器；
(2)钢锭或连铸坯经轧制或锻造成形后成为型材或锻件，加热到930 ±20℃，保温1.5～3h后随炉冷却到400℃以下时出炉，进行退火处理；
(3)机加工零件或锻件加热到940±20℃，保温20min到3小时后淬 火；
(4)淬火后的高强耐磨钢进行回火，回火温度150℃～450℃，回火时 间2h～10h，回火后空冷，制备出超高强高韧耐磨钢，显微组织为无碳化 物贝氏体-马氏体复相组织，其板条厚度为10～50nm，抗拉强度 σb1800～2000MPa，屈服强度σs1300～1520MPa，延伸率δ16～18％，断面收缩 率冲击韧性aku60～80J/cm2，硬度HRC55～62。
本发明与现有技术相比，包括以下有益效果：
现有技术中，高碳(％C0.7～0.9)低温贝氏体高强钢，其焊接性能很差， 且易形成脆性相渗碳体，存在潜在脆性危险。本发明完全客服了现有技术 的缺陷。经锻后热处理，获得10～30nm板条厚度的无碳化物贝氏体-马氏体 混合组织，具有33GPa％的强塑积，抗拉强度1800～2000MPa，断后延伸率 16.5～18％，断面收缩率38～42/％，冲击韧性aku 60～80J/cm2，硬度HRC 55～62；特别是强度为2000MPa时，断后延伸率仍能达到18％。
本发明中，钢的可焊性和可锻性能良好，具有突出的塑性、显著的延 伸率、冲击韧性和硬度，使其应用领域广泛；同时，淬火回火工艺克服了 等温转变工艺时间长，效率低的弊端。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释 性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本 发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明中贝氏体-马氏体板条组织结构图；
图2为本发明中热处理工艺示意；
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员 能够实践它们。
如图1所示，为本发明中贝氏体-马氏体板条组织结构图；如图2所示， 为本发明中热处理工艺示意。
本发明在对钢的成分设计的基础上，测定了等温和连续转变曲线，确 定了锻后热处理工艺。经淬火、回火热处理工艺后，用EBSD技术分析了 马氏体、贝氏体和残余奥氏体的体积分数。利用高分辨透射电镜测定了贝 氏体、马氏体和奥氏体的板条厚度。并测定了热处理后试样的拉伸性能、 冲击韧性和硬度值，最终确定了热处理工艺，该工艺适宜工业化生产，克 服了等温淬火工艺在工业化生产中的不可操作性。
高强高韧耐磨钢可用于“新型高性能掘进机刀具用钢”(抗拉强
度>2000MPa,热处理硬度>56HRC,冲击韧性Aku>20J)，也可制作高强螺栓， 或者第三代汽车高强钢(强塑积20～40GPa％)，实现汽车的轻量化和安全 性，也可锻造高强度履带板，实现装甲轻量化。
实施例1
利用本发明生产的钎杆工艺为：化学成分为wt％:C 0.35％，Si 1.50％， Mn1.50％，Cr0.80％，Mo 0.20％，Re0.01％，S＜0.01％，P＜0.01％，其余为 Fe；其制造工艺为：中频感应炉冶炼，LF精炼；精炼后出钢温度1550℃, 浇入钢锭模；钢锭去头锻造成形后退火、机加工；零件加热到930℃，保温 3h后,在20-40℃淬火液中淬火；淬火后重新加热到320℃，保温5h后空冷。 经此热处理后，可获得板条厚度为14nm的无碳化物贝氏体-马氏体混合组 织，抗拉强度1950MPa，断后延伸率18％，冲击韧性87.5J/cm2，硬度HRC55。
实施例2
利用本发明生产的先进掘进机刀杆工艺为：化学成分为wt％:C 0.45％， Si2.1％，Mn 1.95％，Cr 0.40％，Mo 0.20％，Re 0.02％,S＜0.01％，P＜0.01％， 其余为Fe；其制造工艺为：中频感应炉冶炼，LF精炼；精炼后出钢温度 1560℃,浇入钢锭模；钢锭锻造成棒材，模锻成刀杆；高频感应加热到920℃， 保温3分钟后淬火；然后加热到350℃，保温3h后空冷。经此热处理后， 可获得板条厚度为20nm的无碳化物贝氏体-马氏体混合组织，抗拉强度 1960MPa，冲击韧性60J/cm2，断后延伸率16.5％，硬度HRC61。
实施例3
利用本发明生产的装甲履带板的工艺为：化学成分为wt％:C 0.40％， Si1.88％，Mn1.50％，Cr 0.40％，Mo 0.40％，Re 0.02％，S＜0.01％，P＜0.01％， 其余为Fe；其制造工艺为：中频感应炉冶炼，LF精炼；精炼后出钢温度 1560℃,浇入钢锭模；钢锭锻造成棒材，模锻成装甲履带板，始锻温度1200℃， 终锻温度920℃，直接淬火；加热到400℃，保温3h后空冷。经此热处理 后，可获得板条厚度为30nm的无碳化物贝氏体-马氏体混合组织，抗拉强 度1880MPa，冲击韧性68J/cm2，断后延伸率17％，硬度HRC56。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流 程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围 仅由所附的权利要求来限制。

Claims (2)

1.一种超高强高韧耐磨钢，其特征在于，钢的化学成分为wt％:C0.25～0.45％，Si1.50～2.20％，Mn 1.50～2.20％，Cr 0.30～1.0％，Mo 0.20～1.0％，Re 0.01～0.1％，S＜0.01％，P＜0.01％，其余为Fe。
2.一种超高强高韧耐磨钢的制备方法，包括：
(1)电弧炉或中频感应炉冶炼，LF、VOD精炼，出钢温度1550±20℃,浇入钢锭模或连铸结晶器；
(2)钢锭或连铸坯经轧制或锻造成形后成为型材或锻件，加热到930±20℃，保温1.5～3h后随炉冷却到400℃以下时出炉，进行退火处理；
(3)机加工零件或锻件加热到940±20℃，保温20min到3小时后淬火；
(4)淬火后的高强耐磨钢进行回火，回火温度150℃～450℃，回火时间2h～10h，回火后空冷，制备出超高强高韧耐磨钢，显微组织为无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，其板条厚度为10～50nm，抗拉强度σb1800～2000MPa，屈服强度σs1300～1520MPa，延伸率δ16～18％，断面收缩率冲击韧性aku60～80J/cm2，硬度HRC55～62。
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