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CN114774772B - 一种耐腐蚀500hb马氏体耐磨钢板及其生产方法 - Google Patents

一种耐腐蚀500hb马氏体耐磨钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.30％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.10～0.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.010～0.040％，Ti:0.010～0.040％，Al：0.02～0.05％，Cu：0.50～0.65％，Ni：1.50～2.00％，Cr：1.80～2.50％，Mo：0.50～1.00％，B：0.001～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.015％，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，且满足Ni/Cu≥3.0。显微组织为细小的马氏体组织；表面布氏硬度470‑530HB；抗拉强度≥1600MPa，延伸率≥10％，‑40℃夏比V型冲击功≥30J，表现出良好的低温韧性、强度。钢板在pH值为4.5‑6.5的酸性工况下，其抗腐蚀磨损性能可达同等硬度普通马氏体耐磨钢的1.5倍及以上。

Description

一种耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种铁基合金耐磨钢，属于铁基合金钢技术领域。
背景技术
马氏体耐磨钢具有良好的强韧性与焊接性，在工程机械、矿山机械及煤矿机械等领域得到了广泛的应用。但该种耐磨钢在湿态条件下的抗磨损能力不能得到很好的保证。比如，环卫车车斗用耐磨钢，由于垃圾液的存在，钢板表面很快腐蚀，导致磨损加重；煤矿机械采煤机中部槽，在潮湿矿井中呈弱酸性的恶劣工况下，钢板在腐蚀和磨损双重作用下很快失效，设备使用寿命大大降低。因此，有必要解决耐磨钢板在酸性湿态条件下的耐腐蚀磨损问题。
中国专利文献CN112159934A介绍了一种450HB级别的耐腐蚀耐磨钢。该发明添加了极高的Cr元素，含量在3.00％～6.00％。中国专利文献CN11549277A，Cr含量3.4％～4.0％。如此高的Cr含量一方面提高了钢板的耐腐蚀性，另一方面导致钢板碳当量大幅增加，焊接性能变差，同时大大增加了生产过程中的开裂倾向，其应用推广受到一定限制。
中国专利文献CN112267073A提供了一种低Cr解决方案，Cr含量为0.60～1.20％。为弥补低Cr带来的腐蚀性能下降的问题，该文献添加了0.06％～0.12％的Sb和0.02～0.10％的Sn。Sb和Sn虽然具有一定的耐腐蚀能力，但属于低熔点元素，很容易造成钢铁材料在连铸、轧钢或热处理过程中产生表面裂纹，因此常常被冶金工作者认为是非常规的有害元素而被限制加入。该发明实例硬度为372～476HB。同样，中国专利CN111575581A提供了一种低Cr(Cr：0.90％～1.3％)含Sb(Sb:0.08％～0.12％)450HB级耐蚀耐磨钢。
中国专利文献CN112195404A提供了一种含P含Sb耐蚀耐磨钢。为解决P和Sb带来的开裂问题，该文献创新性的添加了稀土元素铈(Ce：0.0020～0.0035％)。
综上所述，现有技术的耐腐蚀马氏体耐磨钢中，耐腐蚀性能的解决通常通过以下途径获得：(1)高Cr合金化：钢中Cr含量通常添加到3％以上；(2)Sb/Sn/P等非常规特殊合金元素的加入。高Cr、低熔点、低韧性等元素的加入，必然在源头上导致钢板制备及应用过程中韧性降低、极易产生裂纹，从而采用苛刻工艺，限制了该类产品的广泛应用。另外，现有发明的钢板硬度普遍在450HB及以下，属于低级别耐磨钢板。
随着耐磨设备的大型化，使用工况的进一步复杂化，开发500HB高级别低合金易加工耐腐蚀耐磨钢板势在必行，。
发明内容
本发明的目的在于提供一种500HB耐腐蚀耐磨钢板及其制造方法。该低合金耐磨钢板显微组织为细小的马氏体组织；表面布氏硬度470-530HB；抗拉强度≥1600MPa，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥30J，表现出良好的低温韧性、强度。钢板在pH值为4.5-6.5的酸性工况下，其抗腐蚀磨损性能可达同等硬度普通马氏体耐磨钢的1.5倍及以上。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.30％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.10～0.30％，Nb：0.010～0.040％，Ti:0.010～0.040％，Al：0.02～0.05％，Cu：0.50～0.65％，Ni：1.50～2.00％，Cr：1.80～2.50％，Mo：0.50～1.00％，B：0.001～0.005％，Ca：0.0010～0.0050％，P：≤0.015％，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，且满足Ni/Cu≥3.0。
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0.25～0.30％。
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，同时表面质量下降，控制在0.10～0.40％之间。
Cr：提高钢板耐腐蚀性能必须添加的元素，同时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。但Cr含量过高会降低钢板的可焊接性，同时在淬火过程中易产生裂纹。故本发明采用中铬设计，含量控制在1.80％～2.50％。
Mn：增加奥氏体稳定性，提高钢的淬透性的有效元素。过高时有使晶粒粗化的倾向，同时会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低。而偏析形成的MnS会大幅减低酸性条件下钢板的抗腐蚀磨损能力。本发明采用超低Mn设计，限定锰含量加入量介于0.10～0.30％的范围内。主要原因有：(1)Mn易于氧化及偏析，对于钢板抗腐蚀能力十分不利；(2)本发明采用中Cr设计，淬透性很强，如继续采用中高Mn设计，钢板碳当量将大幅增加，钢板淬火过程中开裂风险很大，同时焊接性能将无法保证。
Cu：能够有效地降低钢的平均腐蚀深度和腐蚀速率,利于提高钢的耐腐蚀性能；同时也是有效提高钢的低温韧性的常用元素。但Cu含量过高，易于在晶界偏局导致星裂纹。为确保本发明钢板在耐腐蚀的同时，具有-40℃超低温冲击韧性，本发明限定Cu含量应介于0.50～0.65％。
Ni：抗腐蚀元素，有效提高钢的低温韧性的最常用元素，同时能与Cu相互固溶，降低Cu的热脆裂纹。由于本发明Cu含量相对较高，在连铸时有一定风险产生星形裂纹。为解决该问题，本发明采用Ni-Cu复合添加，限定Ni含量介于1.50～2.00％之间，同时要求Ni/Cu比≥3。
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。由于V元素的增加不利于钢的焊接性能，本发明取消V的加入，采用Nb/Ti复合，规定Nb或Ti含量应介于0.010～0.040％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0.020～0.050％。
Mo：是提高钢淬透性的元素，有利于淬火时马氏体的形成。添加一定含量的Mo会提高钢板的强度，而不会影响钢板的低温冲击性能。Mo能增加钢板的回火抗性，可以使得钢板在较高的温度下不降低强度。本发明中Mo含量控制在0.50～1.00％。
B：本发明加入0.001～0.005％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≤0.015％。
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耐腐蚀500HB耐磨钢板的制备方法，具体工艺如下：
冶炼、连铸工艺：可选的：钢水冶炼涉及铁水预处理，采用电炉或转炉方式初炼，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理。钢水脱气后进行微量Ca处理。连铸采用低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制。钢水过热度控制在5～25℃,中心偏析不高于C1.0级。
加热轧制工艺：加热优选将铸坯进入步进式加热炉，加热的温度为1150-1250℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+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℃。待温厚度≥2H，其中H为成品厚度。精轧开轧温度介于820-920℃。为降低钢板内应力，降低延迟裂纹风险，钢板轧制后快速下线进行缓冷处理。缓冷开始温度≥100℃，缓冷时间≥24h。
淬火热处理工艺：钢板缓冷后进行离线淬火处理。淬火温度880-940℃，炉温到温后保温时间为30-60min，水淬。
回火热处理工艺：钢板淬火后，需要在200-250℃进行低温回火。钢板心部到温后，回火保温时间30-90min。
本申请与现有技术相比，具有如下特点和优势：
本发明采用超低Mn及中Cr设计，钢板合金含量低，在保证钢板耐腐蚀性能的同时，确保了钢板具有良好的焊接性能。
本发明采用Cu-Ni复合设计，Ni/Cu比≥3.0，在充分发挥Cu元素抗腐蚀性能的同时，降低了钢板裂纹产生的风险。同时，Ni-Cu的加入有利于钢板及焊接接头-40℃低温冲击性能的提高。
生产工艺上，本发明轧制后，快速下线进行缓冷处理。缓冷开始温度≥100℃，缓冷时间≥24h，降低了钢板延迟裂纹产生的风险。
产品性能上，本发明钢板表面布氏硬度470-530HB；抗拉强度≥1600MPa，延伸率≥10％，-40℃夏比V型冲击功≥30J，表现出良好的低温韧性和强度。钢板在PH值为4.5-6.5的酸性工况下，其抗腐蚀磨损性能可达同等硬度普通马氏体耐磨钢的1.5倍及以上。
本申请的耐腐蚀500HB耐磨钢板综合性能优良，相比现有钢种，合金含量低，添加元素均为常规元素，生产制造工艺控制简单，为社会经济和钢铁工业发展之必然趋势。
附图说明
图1是本发明实施例1的产品钢典型组织金相图片。
图2为本发明实施例1的产品与对比案例1、2产品的极化曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请的耐腐蚀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->加热->轧制->缓冷->淬火->回火。
实施例1-2及对比例1-2的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。钢水脱气后进行微量Ca处理。钢水成分控制及对比例化学成分控制见表1。
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成150mm厚的连铸坯。浇铸温度控制在液相线以上5-25℃。浇铸过程中实施动态轻压下，中心偏析不高于C1.0级。连铸工艺参数及板坯低倍控制见表2。
(3)轧制及缓冷：将步骤(2)所得连铸坯放入步进式加热炉，加热至1200℃，心部到温后开始保温，保温时间60分钟。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1000-1100℃，待温厚度≥2.0H；精轧开轧温度介于820-920℃。钢板轧制后快速下线进行缓冷处理。缓冷开始温度≥100℃，缓冷时间≥24h。具体相关工艺参数见表3。
(4)淬火：钢板淬火温度为900左右℃，保温时间为30-60min，水淬。
(5)回火：淬火钢板进入回火炉进行高温回火，回火温度200-250℃，保温时间30-90min。
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试验钢的微观组织照片。成品钢板的微观组织为均一的马氏体，晶粒细小，尺寸≤25um。
图2为本发明和对比例1、2钢板极化曲线对比。可见，本发明采用中Cr设计，钢板自腐蚀电位明显高于对比例1 0.81％低Cr钢板，略高于对比例2 4％高Cr钢板，表现了优越的耐腐蚀性能。
将实施例1和对比例1、2钢板试样放入盐雾箱进行盐雾加速腐蚀试验。试验按照国家标准GB/T10125-2012进行，溶液PH值5.5，实验周期240h，腐蚀失重检测结果见表6。可见，本发明腐蚀后失重最小，体现了良好的抗腐蚀能力。
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℃ 中心偏析
1 20 C1.0
2 15 C0.5
表3轧制工艺控制
表4热处理工艺控制
表5钢板力学性能
表6盐雾腐蚀实验
实验前质量，g 腐蚀酸洗后质量，g 失重比 相对耐腐蚀能力
实施例1 30.609 30.527 0.268％ 5.20
对比例1 29.155 28.479 1.393％ 1
对比例2 32.531 32.441 0.28％ 4.98
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.30%，Si：0.10～0.40%，Mn：0.10～0.30%， Nb：0.010～0.040%， Ti: 0.010～0.040%，Al：0.02～0.05%，Cu：0.50～0.65%，Ni：1.50～2.00%，Cr：1.80～2.50%，Mo：0.50～1.00%，B：0.001～0.005%，Ca：0.0010～0.0050%，P：≤0.015%，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，且满足Ni/Cu≥3.0；表面布氏硬度470-530HB；抗拉强度≥1600MPa，延伸率≥10%，-40℃夏比V型冲击功≥30J，马氏体组织的晶粒尺寸≤25um，钢板在PH值为4.5-6.5的酸性工况下，其抗腐蚀磨损性能为同等硬度普通马氏体耐磨钢的1.5倍及以上。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，其特征在于：钢板的生产方法包括如下工艺：
冶炼、连铸工艺：获得符合化学成分的铸坯；
加热轧制工艺：铸坯入炉加热，使钢中的合金元素充分固溶，钢坯出炉后经高压水除鳞，之后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制：粗轧的开轧温度介于1000-1100℃，待温厚度≥2H， H为成品厚度，精轧开轧温度介于820-920℃，钢板轧制后快速下线进行缓冷处理；
淬火热处理工艺：钢板缓冷后进行离线淬火处理，淬火温度880-940℃，炉温到温后保温30-60min，水淬；
回火热处理工艺：钢板淬火后，需要在200-250℃进行低温回火，钢板心部到温后，回火保温30-90min。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，其特征在于：所述冶炼涉及：铁水预处理，采用电炉或转炉方式对钢水初炼，钢水精炼，钢水VD或RH真空处理，钢水脱气后进行微量Ca处理。
4.根据权利要求2所述的耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，其特征在于：所述连铸采用低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制，钢水过热度控制在5～25℃，中心偏析不高于C1.0级。
5.根据权利要求2所述的耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，其特征在于：加热轧制工艺中，将铸坯送入步进式加热炉，加热至1150-1250℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30min。
6.根据权利要求2所述的耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，其特征在于：加热轧制工艺中，轧制结束后的缓冷，缓冷开始温度≥100℃，缓冷时间≥24h。
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