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CN110055462B - 一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢，化学组成按重量百分数含量为C：0.18～0.60％、Si：0.30～1.20％、Mn：1.00～3.00％、Cr：0.20～0.40％、Ti：0.2～1.00％、Mo：0.10～0.50％、B：0.0005～0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015，余量为铁和不可避免的杂质元素；其中，C、Ti的含量满足0.10％≤C％－Ti％/4≤0.40％；低合金超级耐磨钢中含有均匀分布的微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子的双尺度TiC粒子。所述超级耐磨钢制备方法，包括冶炼、凝固成型、轧制、冷却和热处理步骤，其中冷却时，将轧制后的钢超快速冷却至450～750℃，然后进行堆冷。本发明耐磨钢的硬度在HB360‑550，耐磨性能达到相同硬度传统超级耐磨钢板的1.5～3.0倍，并且使用性能满足相关设备的使用需求。

Description

一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢及其制造 方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢及其制造方法。
背景技术
低合金耐磨钢由于成本低、工艺简单、综合性能好，被广泛应用到工程机械、矿山机械、交通机械、冶金机械等领域。
低合金耐磨钢的基体组织以马氏体或回火马氏体为主，其耐磨性能与马氏体基体的硬度直接相关，即低合金耐磨钢的级别越高硬度越高；究其原因，低合金耐磨钢依靠基体的硬度来抵抗磨损，磨损机制为微切割或者微犁耕，单纯提高硬度，只是提高了抵抗磨损的能力，并没有改变磨损机制。
近几年，国内已经成功开发并可批量稳定生产NM360-NM600全系列低合金耐磨钢，但市场上应用最广泛的低合金耐磨钢依然是NM360-NM500。其主要原因是，高等级耐磨钢硬度太高，加工和焊接等使用性能大幅度降低，已经不能满足一些既要求超高的耐磨性能又需要保证一定使用性能的设备要求。因此，改变常用的提高硬度提高耐磨性能的方法，在低合金耐磨钢中引入第二相耐磨相，实现既可以大幅度提高耐磨性能的同时又可以保障良好的使用性能，成为新一代低合金耐磨钢发展的方向。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢及其制造方法。耐磨性能达到相同硬度传统低合金超级耐磨钢板的1.5～3.0倍，并且使用性能满足相关设备的使用需求。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢，其特征在于，低合金超级耐磨钢的化学组成按重量百分数含量为：C：0.18～0.60％、Si：0.30～1.20％、Mn：1.00～3.00％、Cr：0.20～0.40％、Ti：0.20～1.00％、Mo：0.10～0.50％、B：0.0005～0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015，余量为铁和不可避免的杂质元素；其中，C、Ti的重量百分含量满足0.10％≤C％－Ti％/4≤0.40％；低合金超级耐磨钢中含有均匀分布的微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子。
优选地，低合金超级耐磨钢中，Nb≤0.10％、V≤0.10％、Cu≤0.20％、Pb≤0.02％、Sn≤0.03％、H≤2.0PPm、O≤0.0020％、N≤0.0045％。
优选地，微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子的体积分数为0.5～2.0％；微米级TiC粒子的平均尺寸为3～5μm，纳米级TiC粒子的平均尺寸为5～25nm。
一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢的制备方法，依次包括冶炼、凝固成型、轧制、冷却和热处理步骤，按照上述的低合金超级耐磨钢中化学组成含量，准备冶炼所需的原料；将凝固成型后的坯料进行加热保温，然后采用中厚板轧机或热连轧轧机直接高温连续轧制8～16道次至4～60mm厚度的钢板，轧制压缩比≥5；冷却包括：将轧制后的钢以冷速≥10℃/s冷却至450～750℃，然后进行堆冷；对冷却后的钢进行淬火处理，冷却至室温，再对淬火后的钢进行回火处理，空冷至室温，获得低合金超级耐磨钢；淬火温度为820～920℃，淬火时间为10～40min，回火温度为150～400℃，回火时间为10～90min。
作为本发明双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢制备方法的一种改进，加热保温的温度为1000～1250℃，加热保温的时间为3～8h。
作为本发明双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢制备方法的一种改进，冶炼包括转炉或电炉初炼和炉外精炼。
一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢，采用上述低合金超级耐磨钢的制备方法制备得到。
优选地，低合金超级耐磨钢中含有均匀分布的微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子；微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子的体积分数为0.5～2.0％；微米级TiC粒子的平均尺寸为3～5μm，所述纳米级TiC粒子的平均尺寸为5～25nm。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供的低合金超级耐磨钢板的硬度为HB360-550，拉伸强度在1100MPa以上，断后延伸率10％以上，-20℃冲击功20J以上。在硬度相同的条件下，超级耐磨钢的耐磨性能是传统耐磨钢板的1.5-3.0倍，并且使用性能满足相关设备制造的要求。
本发明采用微米-纳米双尺度TiC粒子复合强化的方法，开发出了低合金超级耐磨钢。其中，微米级TiC粒子是耐磨相，是使超级耐磨钢具有超高耐磨性能的主要因素，微米级TiC粒子可有效抵抗微切削/微犁耕，使超级耐磨钢的磨损机制由犁沟改变为塑性变形和疲劳，并且磨损机制的改变大幅提高了耐磨性能；纳米级TiC粒子能够有效细化超级耐磨钢基体晶粒尺寸至3～5μm，而细晶是同时提高强度和塑韧性的有效方法之一，可有效保证基体的强度和塑韧性，为微米级TiC粒子提供了良好的支撑，是超级耐磨钢具备超高耐磨性兼具良好使用性能的保障。
本发明超级耐磨钢制备方法中，通过对轧制后的钢板进行超快速冷却至预定温度，该冷却工艺抑制了纳米级TiC在高温段析出，然后利用余热使纳米级TiC在低温段析出，有利于析出的纳米级TiC粒子细小并均匀分布，提高了能源利用率，避免了生产工序的增多。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1为本发明实施例1中坯料中偏聚在晶界上的微米级TiC粒子的扫描形貌图；
图2为本发明实施例1中坯料轧制后均匀弥散分布的微米级TiC粒子的扫描形貌图；
图3为本发明实施例1中获得的低合金超级耐磨钢板中均匀弥散分布的纳米级TiC粒子的扫描形貌图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，通过具体实施方式结合附图，对本发明作详细描述。
在本发明的具体实施方式中，各化学组成的百分数含量，除特别说明之外，均为重量百分数含量。
本发明提供了一种低合金超级耐磨钢，其化学组成按重量百分数含量为：C：0.18～0.60％、Si：0.30～1.20％、Mn：1.00～3.00％、Cr：0.20～0.40％、Ti：0.20～1.00％、Mo：0.10～0.50％、B：0.0005～0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015、Nb≤0.10％、V≤0.10％、Cu≤0.20％、Pb≤0.02％、Sn≤0.03％、H≤2.0PPm、O≤0.0020％、N≤0.0045％，余量为铁和不可避免的杂质元素；其中，C、Ti的含量满足0.10％≤C％－Ti％/4≤0.40％；低合金超级耐磨钢中均匀分布着微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子。
本发明提供的低合金超级耐磨钢，解决了传统耐磨钢依靠提高基体组织的硬度来提高耐磨性能所导致的耐磨钢使用性能大幅下降的问题，并且本发明的低合金超级耐磨钢板的耐磨性能达到相同硬度传统低合金超级耐磨钢板的1.5～3.0倍。本发明的低合金超级耐磨钢基体中分布着微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子。其中，微米级TiC粒子是耐磨相，是超级耐磨钢具有超高耐磨性能的主要因素，微米级TiC粒子可有效抵抗微切削/微犁耕，使超级耐磨钢的磨损机制改变为塑性变形和疲劳，并且磨损机制的改变大幅度提高了耐磨性能；纳米级TiC粒子有效细化超级耐磨钢基体晶粒尺寸至3～5μm，细晶是同时提高强度和塑韧性的有效方法之一，保证了基体的强度和塑韧性，为微米级TiC粒子提供了良好的支撑，是超级耐磨钢具备超高耐磨性兼具良好使用性能的保障。
本发明中各化学组成的作用及配比依据如下：
碳：一方面起到固溶强化作用，显著提高马氏体高钢的基体强度和硬度，为TiC粒子提供良好的支撑；另一方面与Ti元素形成微米级TiC粒子和纳米级TiC析出，微米级TiC粒子是超级耐磨钢提高耐磨性能的重要因素，纳米级TiC粒子可以有效细化超级耐磨钢原奥氏体晶粒尺寸，改善超级耐磨钢的塑韧性，是良好使用性能的保障。本发明的超级耐磨钢控制碳含量为0.18-0.60％，碳含量过高会降低超级耐磨钢的使用性能，碳含量过低不能保障超级耐磨钢的耐磨性能。
硅：超级耐磨钢中含有较高的钛，钛非常活泼，很容易被氧化。硅元素是有效的脱氧元素，同时可以有效的抑制钢中碳化物形成与TiC竞争碳。本发明的超级耐磨钢硅含量范围为0.30-1.20％，硅含量过多会对超级耐磨钢的韧性和焊接性能不利。
锰：锰是超级耐磨钢中主要提高淬透性的元素，同时可以起到一定固溶强化作用，也可以扩大奥氏体区，提高残余奥氏体稳定性，使钢中获得一定的残余奥氏体，但锰元素过高会形成偏析，严重危害超级耐磨钢的使用性能，因此本发明的锰元素含量范围为1.00-3.00％。
钛：强碳化物形成元素，与碳结合形成维氏硬度大于3200HV的超硬TiC纳米级和微米级粒子，微米级粒子主要作为耐磨第二相，显著提高超级耐磨钢的耐磨性能；纳米级粒子可有效细化超级耐磨钢原奥氏体晶粒尺寸，给微米级TiC粒子提供良好支撑和保证良好的使用性能。本发明的添加钛含量范围为0.20-1.00％，过多的TiC粒子会恶化材料的使用性能，过少的TiC粒子提高的耐磨性能有限。
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。超级耐磨钢中含有大量的钛，钼可以和钛、碳形成(Ti、Mo)C，提高TiC的体积分数，但是钼本身的作用会大幅度降低。本发明控制钼元素的添加含量范围为0.10-0.50％。
铬：提高超级耐磨钢的淬透性，本发明控制铬的范围为0.2-0.4％。
硼：微量的硼即可以显著提高超级耐磨钢的淬透性，本发明控制硼含量范围为0.0005-0.003％。
磷、硫：属于钢中的杂质元素，严重危害超级耐磨钢的韧塑性，含量控制在S：≤0.005％，P：≤0.015％。
优选地，低合金超级耐磨钢中TiC粒子的体积分数为0.5～2.0％，微米级TiC粒子的平均尺寸为3～5μm，纳米级TiC粒子的平均尺寸为5～25nm。过大的TiC粒子会恶化材料的使用性能，过小的粒子提高的耐磨性能有限。
优选地，低合金超级耐磨钢中Nb≤0.10％、V≤0.10％、Cu≤0.20％、Pb≤0.02％、Sn≤0.03％、H≤2.0PPm、O≤0.0020％、N≤0.0045％。
本发明还提供了一种低合金超级耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：
S1、冶炼：按照上述低合金超级耐磨钢的化学组成重量百分数含量，准备冶炼所需的原料；将原料依次进行转炉初炼、LF精炼和RH精炼，获得冶炼钢液。
S2、凝固成型：将冶炼钢液进行板坯连铸或模铸，获得坯料。
S3、轧制：将坯料放置在加热炉中加热至1000～1250℃，保温3～8h；然后采用中厚板轧机或热连轧轧机直接高温连续轧制加热保温后的坯料8～16道次，获得4～60mm厚度的钢板，轧制压缩比≥5。
具体地，加热保温结束后，将坯料取出加热炉，尽量避免坯料在传输过程中热量散失使坯料温度大幅下降，以保证坯料的高温热塑性。轧制压缩比≥5，无需待温和控制轧制，缩短了轧制时间，提高了生产率。
S4、冷却：将钢板以冷速≥10℃/s冷却至450～750℃，然后进行堆冷。
具体地，以冷速≥10℃/s冷却至450～750℃抑制了纳米级TiC在高温段析出，然后利用余热使纳米级TiC在低温段析出，有利于析出的纳米级TiC粒子细小弥散化，提高了能源利用率，避免了生产工序的增多。可以想见，以冷速≥10℃/s冷却至450～750℃仅仅是优选，将钢板在空气中冷却也可实现类似的效果。
S5、热处理：对冷却后的钢板进行淬火处理，淬火温度为820～920℃，淬火时间为10～40min，冷却至室温；再对淬火后的钢板进行回火处理，回火温度为150～400℃，回火时间为10～90min，空冷至室温，获得低合金超级耐磨钢。
实施例1
S1、冶炼：依据低合金超级耐磨钢的化学组成重量百分数含量为C：0.45％、Si：1.10％、Mn：1.35％、Cr：0.35％、Ti：0.80％、Mo：0.24％、B：0.0005-0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015，余量为铁和不可避免的杂质元素，准备冶炼所需的原料；将原料依次进行转炉初炼、LF精炼和RH精炼，获得冶炼钢液。
S2、凝固成型：将冶炼钢液进行板坯连铸，获得坯料。使用扫描电镜对坯料进行观测，如图1所示，可见坯料中微米级的TiC粒子偏聚在晶界上。
S3、轧制：将坯料放置在加热炉中加热至1200℃，保温4h；然后采用中厚板轧机直接高温连续轧制加热保温后的坯料11道次，获得30mm厚度的钢板。使用扫描电镜对钢板进行观测，如图2所示，可见钢板中均匀弥散分布着微米级TiC粒子。
S4、冷却：将钢板以冷速≥10℃/s冷却至500℃，然后进行堆冷。使用扫描电镜对冷却后的钢板进行观测，如图3所示，可见有纳米级TiC粒子析出。
S5、热处理：对冷却后的钢板进行淬火处理，淬火温度为900℃，淬火时间为30min，冷却至室温；再对淬火后的钢板进行回火处理，回火温度为180℃，回火时间为60min，空冷至室温，获得低合金超级耐磨钢。
本实施例获得的低合金超级耐磨钢的力学性能测试结果见表1。
实施例2
S1、冶炼：依据低合金超级耐磨钢的化学组成重量百分数含量为C：0.40％、Si：0.55％、Mn：1.32％、Cr：0.35％、Ti：0.60％、Mo：0.25％、B：0.0005-0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015，余量为铁和不可避免的杂质元素，准备冶炼所需的原料；将原料依次进行转炉初炼、LF精炼和RH精炼，获得冶炼钢液。
S2、凝固成型：将冶炼钢液进行板坯连铸，获得坯料。
S3、轧制：将坯料放置在加热炉中加热至1200℃，保温5h；然后采用中厚板轧机直接高温连续轧制加热保温后的坯料15道次，获得10mm厚度的钢板。
S4、冷却：将钢板以冷速≥10℃/s冷却至600℃，然后进行堆冷。
S5、热处理：对冷却后的钢板进行淬火处理，淬火温度为880℃，淬火时间为30min，冷却至室温；再对淬火后的钢板进行回火处理，回火温度为180℃，回火时间为60min，空冷至室温，获得低合金超级耐磨钢。
本实施例获得的低合金超级耐磨钢的力学性能测试结果见表1。
实施例3
S1、冶炼：依据低合金超级耐磨钢的化学组成重量百分数含量为C：0.30％、Si：0.50％、Mn：1.20％、Cr：0.30％、Ti：0.40％、Mo：0.25％、B：0.0005-0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015，余量为铁和不可避免的杂质元素，准备冶炼所需的原料；将原料依次进行转炉初炼、LF精炼和RH精炼，获得冶炼钢液。
S2、凝固成型：将冶炼钢液进行板坯连铸，获得坯料。
S3、轧制：将坯料放置在加热炉中加热至1200℃，保温7h；然后采用中厚板轧机直接高温连续轧制加热保温后的坯料9道次，获得60mm厚度的钢板。
S4、冷却：将钢板以冷速≥10℃/s冷却至750℃，然后进行堆冷。
S5、热处理：对冷却后的钢板进行淬火处理，淬火温度为900℃，淬火时间为30min，冷却至室温；再对淬火后的钢板进行回火处理，回火温度为180℃，回火时间为60min，空冷至室温，获得低合金超级耐磨钢。
本实施例获得的低合金超级耐磨钢的力学性能测试结果见表1。
表1各实施例与Hardox450型耐磨钢板的力学性能测试结果
Figure BDA0002040766620000091
从表中可以看出，本发明低合金超级耐磨钢板的硬度为HB360-550，拉伸强度在1100MPa以上，断后延伸率10％以上，-20℃冲击功20J以上。在硬度相同的条件下，超级耐磨钢的耐磨性能是传统耐磨钢板的1.5-3.0倍，使用性能满足相关设备制造的要求。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢，其特征在于，所述低合金超级耐磨钢的化学组成按重量百分数含量为：C：0.18～0.60％、Si：0.30～1.20％、Mn：1.00～3.00％、Cr：0.20～0.40％、Ti：0.20～1.00％、Mo：0.10～0.50％、B：0.0005～0.003％、S：≤0.005％、P：≤0.015、Nb≤0.10％、V≤0.10％、Cu≤0.20％、Pb≤0.02％、Sn≤0.03％、H≤2.0PPm、O≤0.0020％、N≤0.0045％，余量为铁和不可避免的杂质元素；其中，C、Ti的重量百分含量满足0.10％≤C％－Ti％/4≤0.40％；
所述低合金超级耐磨钢中含有均匀分布的微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子；
所述微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子的体积分数为0.5～2.0％；所述微米级TiC粒子的平均尺寸为3～5μm，所述纳米级TiC粒子的平均尺寸为5～25nm。
2.一种双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢的制备方法，依次包括冶炼、凝固成型、轧制、冷却和热处理步骤，其特征在于，
按照权利要求1所述的低合金超级耐磨钢中化学组成含量，准备冶炼所需的原料；
将凝固成型后的坯料进行加热保温，然后采用中厚板轧机或热连轧轧机直接高温连续轧制8～16道次至4～60mm厚度的钢板，轧制压缩比≥5；
对冷却后的钢进行淬火处理，冷却至室温，再对淬火后的钢进行回火处理，空冷至室温，获得低合金超级耐磨钢；淬火温度为820～920℃，淬火时间为10～40min，回火温度为150～400℃，回火时间为10～90min；其中，所述低合金超级耐磨钢中含有均匀分布的微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子，所述微米级TiC粒子和纳米级TiC粒子的体积分数为0.5～2.0％，所述微米级TiC粒子的平均尺寸为3～5μm，所述纳米级TiC粒子的平均尺寸为5～25nm。
3.根据权利要求2所述双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢的制备方法，其特征在于，
所述冷却为将轧制后的钢以冷速≥10℃/s冷却至450～750℃，然后进行堆冷。
4.根据权利要求2所述双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢的制备方法，其特征在于，
所述加热保温的温度为1000～1250℃，所述加热保温的时间为3～8h。
5.根据权利要求2所述双尺度TiC粒子复合强化低合金超级耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述冶炼包括转炉或电炉初炼和炉外精炼。
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