CN110184532B

CN110184532B - 一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的耐磨钢板及其生产方法

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Publication number: CN110184532B
Application number: CN201810839036.7A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 杨洋; 许晓红; 武金明
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: CN110184532A

Abstract

本发明涉及一种具有优良‑60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板及其生产方法，其化学成分按重量wt％含有：C：0.12～0.20％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.8～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.020～0.050％，Ti:≤0.010％,Al：0.04～0.08％，Ni：≤0.1％，Cu：≤0.1％，Cr：0.20～0.60％，Mo：0.30～0.80％，B：0.001～0.005％，Ca：≤0.0015％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，且满足0.16≤(Mn+Mo)/10+Cr/20≤0.26，S+P+O+N+H≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。工艺步骤是：冶炼‑>炉外精炼‑>真空脱气‑>连铸‑>铸坯缓冷处理‑>加热‑>轧制‑>淬火‑>去应力矫治。本发明成分经济，工艺简单，钢板为细小的板条马氏体组织，综合力学性能优良，满足了国内外大型机械行业对低温耐磨钢板的使用要求。

Description

一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的耐磨钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的低合金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、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关键部件上，如挖掘机挖斗、刮板输送机中部槽、矿用自卸车车斗等等。由于设备使用过程中，存在各种摩擦、碰撞、冲击等复杂工况，耐磨钢除了要求良好的耐磨性能外，还需要具有优良的抗冲击韧性。比如，矿用自卸车车斗，就要求在矿山大型石料的高空坠落冲击下不变形，不开裂。

近年来，国内耐磨钢生产企业对如何提高低温冲击韧性进行了大量的工作。中国专利CN103103448A介绍了一种450HB级别低合金高强韧耐磨钢板。该钢种采用离线调制处理得到板条状马氏体和粒状贝氏体，保证钢板-20℃低温冲击功在50J以上。中国专利CN103146997B介绍了一种在线分阶段控冷的方式生产硬度400HB以上的高韧性耐磨钢的方法。钢板在轧制后，以20℃/s以上的冷却速度加速冷却至400℃，然后空冷至室温，以获得细小的马氏体和少量的残余奥氏体(分数≤5％)来进行强韧性匹配，-40℃低温冲击功可达到60J。中国专利CN103205627B同样采用分阶段控制冷却获得细小马氏体和少量残余奥氏体获得不低于50J的-40℃低温冲击韧性。这三种方法均采用复相的方法提高韧性，但由于出现了粒状贝氏体和残余奥氏体软相，钢板耐磨性必然会受到一定的影响。中国专利CN104789881A采用无Mo、Ni或少Mo、Ni成分体系，采用实验室淬火加回火的方法生产了一种-40℃低温冲击韧性≥40J的高强韧性耐磨板。该钢板在钢厂大生产条件下的低温韧性如何，有待进一步确认。上述专利均采用回火工序进行强韧性匹配调节和去应力处理，成本相对较高；同时回火温度低(＜400℃)，组织生产困难。目前，尚未见具有-60℃超低温冲击韧性淬火型耐磨钢板的生产及研发报道。

随着设备的大型化，使用工况的进一步复杂化，比如针对俄罗斯西伯利亚、蒙古等极寒地带，耐磨设备制造商逐渐对耐磨钢板的-60℃超低温冲击韧性提出了需求。

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具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金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；抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12％，-60℃夏比V型纵向冲击功≥30J；表面及心部布氏硬度均满足370～450HB。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板，该钢板的化学成分按质量百分含量计为C：0.12～0.20％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.8～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.020～0.050％，Ti:≤0.010％,Al：0.04～0.08％，Ni：≤0.1％，Cu：≤0.1％，Cr：0.20～0.60％，Mo：0.30～0.80％，B：0.001～0.005％，Ca：≤0.0010％，P：≤0.010％，S：≤0.0015％，O：≤0.0015％，N：≤0.0035％，H：≤0.0002％，且满足0.15≤(Mn+Mo)/10+Cr/20≤0.26，S+P+O+N+H≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明所述淬火型耐磨钢板的厚度为4～30mm。

本发明中钢成分的限定理由阐述如下：

C：碳的高低很大程度决定了钢板的硬度级别、韧性和焊接性能。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0.12～0.20％。

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。

Mn：强烈提高钢的淬透性，降低马氏体转变临界冷却速度。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，故本发明中考虑到合金的综合加入，规定锰含量加入量介于0.80～1.30％的范围内。

Nb：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。通过晶粒细化同时显著提高钢的强度和韧性。添加量小于0.010％时效果不明显，大于0.040％时韧性降低，导致连铸坯产生表面裂纹。因此，本发明规定铌含量应介于0.010～0.040％的范围内。

V：VN、V(C、N)一方面在加热过程中阻碍奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用；另一方面这些纳米级的细小弥散分布的析出物可以显著提高钢板的强度、硬度和耐磨性。本发明规定钒含量应介于0.020～0.050％的范围内。

Ti：Ti是强碳化物形成元素，TiC颗粒细小，分布在晶界，达到细化晶粒的效果，同时提高钢板耐磨性。同时Ti与N也具有极强的亲和力，很容易形成微米级尺寸的液析TiN，析出物坚硬多带有尖角，不易变形，对钢板的低温冲击性能不利；本发明为获得优良超低温冲击性能，不允许加入Ti元素，明确控制Ti含量≤0.010％。

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，不允许添加Ti元素，需要有一定量的Al来固N保B，规定Al含量不得低于0.04％。同时由于Al含量过高，会导致过多的Al2O3夹杂物的形成，使得钢板探伤不合冲击韧性下降，因此本发明规定Al含量不高于0.08％。

Ni、Cu：有效提高钢的低温韧性的最常用元素。但由于价格较高，经济性较差，本发明取消Ni、Cu的加入，大大提高了发明钢种的成本竞争力。

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(Fe，Cr)₃C、(Fe，Cr)₇C和(Fe，Cr)₂₃C等碳化物，提高钢的强度、硬度和耐磨性。Cr过高会降低钢板的可焊接性。故本发明中铬含量控制在0.20～0.80％。

Mo：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，细化晶粒，显著提高钢板强度、硬度、耐磨性和韧性。Mo同时可以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。本发明中Mo含量控制在0.30～0.80％。

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。但在本发明中，CaS、CaO等Ca的球形夹杂物的存在对于追求-60℃超低温冲击韧性同样不利，因此本发明不允许进行Ca处理，控制Ca含量≤0.0010％。

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。本发明中由于不允许进行Ca处理，因此对S含量必须进行严格控制，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％。

为了保证钢板表面硬度及心部硬度同时满足要求，获得细小的板条马氏体，大幅提高钢板的耐磨性和-60℃超低温冲击韧性，钢种强淬透性元素Mn、Cr和细化碳化物元素Mo还需满足0.15≤(Mn+Mo)/10+Cr/20≤0.26。同时，五害元素S+P+O+N+H之和≤0.015％，大大减少钢板冷脆倾向，提高钢板使用寿命和抗裂性。

本发明另提供上述一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的低合金耐磨钢板的制备方法，具体工艺如下，

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。由于钢水不允许进行Ca处理，夹杂物数量必须在前道工序严格控制。BOF终止碳含量≥0.06％，确保钢水不得过氧化，导致大量氧化物夹杂的形成。LF深脱硫处理，目标要求S≤0.0010％；RH脱气，真空度≤0.5mbar，时间不低于30min。RH后为防止气体含量增加，尽快上连铸；控制S+P+O+N+H之和≤0.015％；夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5。

连铸工艺：为了控制钢板内部疏松、偏析，进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制。浇铸温度控制在液相线温度T_L以上5～20℃,其中

T_L＝1536-78C-7.6Si-4.9Mn-34P-30S-3.6Al-5Cu-1.3Cr-3.1Ni-2.0Mo-2.0V-18Ti℃；

轻压下区间控制在0.4≤fs≤0.95，其中fs为铸坯中固相份数，以保证铸坯中心偏析不高于C1.0级。

铸坯缓冷工艺：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。

加热轧制工艺：为提高最终钢板的超低温冲击韧性，轧钢工艺主要在以下四个方面做出设计：(1)采用较低的加热温度，最高温度不得超过1200℃。将铸坯进入步进式加热炉，加热至1150-1200℃。待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30分钟。结果表明，该工艺可以获得相对较细的原始奥氏体晶粒，提高钢板低温冲击韧性。(2)采用粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1050-1100℃。精轧开轧温度介于840～900℃。较低的精轧开轧温度可以使得奥氏体晶粒伸长，为后续铁素体形核和进一步细化提供基础。(3)采用较大的压下率。粗轧后三道道次压下率≥15％。待温厚度≥3.0H，其中H为成品厚度。精轧总压下率≥66％。(4)由于淬火时原始板型不好，钢板各处冷却不均匀，组织差异较大，会大大影响钢板性能均匀性，导致超低温冲击韧性降低。为保证钢板良好的板型，保证淬火均匀性，该发明规定热轧钢板不得进行浇水控冷处理。热轧钢板板型不平度控制≤10mm/m。

淬火热处理工艺：轧制后钢板进行淬火处理，淬火温度880～920℃，炉温到温后保温时间为20～60min。为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃。

去应力处理：低合金马氏体耐磨钢淬火后一般采取低温回火进行去应力处理。由于淬火马氏体在≥80℃即可发生马氏体分解，导致碳化物的析出，从而影响到钢板冲击韧性。本发明耐磨钢取消回火工序，采用强力冷矫进行去应力处理，也大大降低了耐磨钢的生产成本。强力冷矫后要求钢板不平度≤5mm/m。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)化学成分设计中取消有利于提高低温冲击韧性的贵金属Ni、Cu和稀土元素的加入，大大降低了钢板的合金成本；

2)化学成分设计中取消微Ti处理(Ti:≤0.010％)，降低了Ti的夹杂物粒子对冲击及折弯性能的影响，同时大大降低了合金成本；

3)化学成分设计中取消Ca处理(Ca≤0.0010％)，降低了Ca处理带来的各类夹杂物粒子对超低温冲击韧性的影响，同时大大降低了合金及工序成本；

4)化学成分设计中控制淬透性及强碳化物形成元素的配比，0.15≤(Mn+Mo)/10+Cr/20≤0.26，确保钢板表面硬度和心部硬度同时满足要求；淬火后钢板可获得细小的全马氏体板条和细小的碳化物，显著提高钢板低温冲击韧性和耐磨性；

5)化学成分设计中严格控制五害元素及夹杂物总量上限，S+P+O+N+H之和≤0.015％，夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5，大大降低钢板冷脆倾向，提高钢板超低温冲击韧性；

6)BOF冶炼中严格控制吹止碳含量，不得低于0.06％，大大降低后续由于脱氧而产生的各类氧化物夹杂，导致超低温冲击韧性的降低；

7)本发明采用的低过热度(≤20℃)及动态轻压下工艺，有效降低钢板中心疏松及偏析(中心偏析不高于C1.0级)，钢板厚度方向成分均匀，性能稳定；

8)本发明采用较低板坯再加热温度≤1200℃，较低的精轧开轧温度和较大的精轧压下率≥66％；充分细化原始奥氏体晶粒尺寸，确保淬火后得到细小的马氏体组织，晶粒尺寸≤25um，从而提高钢板最终超低温冲击韧性；

9)本发明取消轧后控冷工序，避免加速冷却带来的板型问题，通过控制热轧钢板不平度≤10mm/m，保证淬火前钢板平整，从而达到钢板淬火组织及应力的均匀性，大大提高整板冲击韧性；同时大大降低了工序成本，提高了生产节奏；

10)本发明取消回火工序，采用强力矫治去应力处理，避免了回火过程中碳化物的析出聚集导致超低温冲击韧性的降低，同时降低了生产成本，加快了生产节奏。钢板板型良好，不平度≤5mm/m；

11)本发明钢板综合性能优良，相比现有钢种，-60℃超低温冲击韧性优异≥30J；能同时满足表面硬度和心部硬度的要求。

12)本发明方法，可以推广应用至其它钢板，如高强海工船板用钢、高层建筑用钢、桥梁用钢、工程机械用钢、压力容器用钢等。

附图说明

图1是本发明实施例1的试验钢典型组织SEM电镜扫描图片(2000X)。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的超高强度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->铸坯缓冷处理->加热->轧制->淬火->矫治去应力。

本发明实施例1-2的具有超低温冲击韧性耐磨钢板的生产方法，包括如下步骤：

(1)冶炼：采用150吨转炉冶炼，BOF吹止碳0.06％，然后送入LF炉进行精炼深脱硫；经过RH高真空脱气处理上连铸。成分控制见表1。

表1实施例耐磨钢板的化学成分(wt％)

(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。连铸工艺参数见表2。

(3)铸坯缓冷处理：连铸板坯入坑进行缓冷，入坑温度及时间见表2。

表2连铸工艺控制

(4)轧制：将步骤(3)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50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1050-1100℃，采用大压下量轧制，粗轧后三道道次压下率≥15％。待温厚度≥3.0H。精轧开轧温度介于840-900℃。控制热轧钢板不平度≤10mm/m。相关工艺参数见表3。

表3轧制工艺控制

(5)淬火：钢板淬火温度为900±10℃,保温时间为30～60min，淬火介质为水。

(6)去应力冷矫：淬火钢板进入强力冷矫机进行去应力矫直。控制冷矫后不平度≤5mm/m

(8)冷矫后钢板进行表面硬度、心部硬度、横向拉伸、纵向冲击试验。

具体成分、工艺参数见表1～表3。各实例样板对应的性能见表4。

表4本发明实施例拉伸、冲击及不平度

图1给出了实施例1、2试验钢的微观组织照片。成品钢板的微观组织为均一的细小板条马氏体组织，晶粒细小，尺寸≤25um。可见，通过控轧工艺控制和合适的淬火工艺参数选择，使得原始奥氏体晶粒充分细化，晶内马氏体板条细小，充分保证了钢板的-60℃超低温冲击韧性。

本发明采用高洁净度炼钢连铸工艺，控轧，离线淬火，及去应力冷矫工艺，从化学成分设计、母材组织、夹杂物、中心偏析、淬回火温度及时间等角度进行控制，保证钢板表面硬度、心部硬度的同时，钢的延伸率、-60℃超低温冲击韧性良好，同时钢板板型良好，切割后不变形，为工程设备进一步大型化、轻量化和低温化使用提供了可行性，具有批量生产及应用的优势和前景。

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

1.一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板的生产方法，其由以下重量百分比含量的组分组成：C：0.12～0.20%，Si：0.10～0.40%，Mn：0.8～1.30%， Nb：0.010～0.040%，V：0.020～0.050%，Ti: ≤0.010%,Al：0.04～0.08%，Ni：≤0.1%，Cu：≤0.1%，Cr：0.20～0.60%，Mo：0.30～0.80%，B：0.001～0.005%，Ca：＜0.0010%，P：≤0.010%，S：≤0.0015%，O：≤0.0015%，N：≤0.0035%，H：≤0.0002%，且满足0.15≤(Mn+Mo)/10+Cr/20≤0.26，S+P+O+N+H≤0.015%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；其特征在于，包括如下步骤：

（1）冶炼

按照化学成分采用转炉方式冶炼，冶炼终止碳≥0 .06％，并采用炉外精炼，高真空脱气；取消Ca处理，控制Ca含量＜0.0010%；在冶炼时，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，LF深脱硫处理，目标要求S≤0 .0010％；RH脱气，真空度≤0 .5mbar，时间不低于30min；RH后为防止气体含量增加，尽快上连铸；控制S+P+O+N+H之和≤0 .015％；夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2 .5；

（2）连铸

浇铸过热度控制在液相线温度T_L以上5~20℃,轻压下区间满足0.40≤fs≤0.95，其中fs为铸坯中固相份数，以保证铸坯中心偏析不高于C1.0级；

（3）铸坯缓冷处理

对下线铸坯进行入坑或加罩缓冷处理，起始温度600~700℃，时间≥48小时；

（4）加热轧制

将连铸坯轧制到目标厚度；为提高最终钢板的超低温冲击韧性，加热轧制时主要包括以下内容：1）将铸坯进入步进式加热炉，加热至1150-1200℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于30分钟；2）采用粗轧+精轧两阶段控制轧制，粗轧的开轧温度介于1050-1100℃，精轧开轧温度介于840~900℃；3）采用较大的压下率，粗轧后三道道次压下率≥15%，待温厚度≥3.0H，其中H为成品厚度，精轧总压下率≥66%；4）热轧钢板不得进行浇水控冷处理，热轧钢板板型不平度控制≤10mm/m；

（5）淬火

轧制后钢板进行淬火处理，淬火温度880~930℃，炉温到温后保温时间为20~60min，为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃；

（6）去应力矫直

钢板淬火后采用强力冷矫去应力，控制钢板不平度≤5mm/m，该工序进一步去除钢板淬火应力，确保用户切割后不会产生钢板变形和应力延迟裂纹。

2.根据权利要求1所述的一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板的生产方法，其特征在于：所述钢板的厚度为4~30mm。

3.根据权利要求1所述的一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板的生产方法，其特征在于：所述钢板的显微组织为细小板条马氏体，晶粒尺寸≤25um。

4.根据权利要求1所述的一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板的生产方法，其特征在于：抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥12%，-60℃夏比V型纵向冲击功≥30J；表面及心部布氏硬度均满足370~450HB；板型良好，钢板不平度≤5mm/m。

5.根据权利要求1所述的一种具有优良-60℃超低温冲击韧性的淬火型低合金耐磨钢板的生产方法，其特征在于：在连铸工艺中液相线温度为：T_L==1536-78C-7.6Si-4.9Mn-34P-30S-3.6Al-5Cu-1.3Cr-3.1Ni-2.0Mo-2.0V-18Ti℃。