CN104451403B - 低温用hb450级复相组织耐磨钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温用HB450级复相组织耐磨钢及其生产方法。其化学成分重量百分比含量为：C：0.20‑0.28％、Si：0.90‑1.40％、Mn：1.30‑1.60％、P：≤0.013％、S：≤0.012％、Cr：0.50‑0.80％、Mo：0.20‑0.50％、Ti：0.005‑0.025％、B：0.001‑0.003％、V：0.02‑0.05％、Als：0.020‑0.050％，N：0.0050‑0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素。与国内外同等级别耐磨钢相比，本发明合金成本低，制造工艺简化，性能更加优良，属于资源节约型钢种。解决了单相马氏体耐磨钢强度和塑性匹配的难题，经济效益和社会效益明显。

Description

低温用HB450级复相组织耐磨钢及其生产方法

技术领域

本发明属于工程机械用耐磨钢制造领域，具体涉及一种低温用HB450级复相组织耐磨钢及其生产方法。

背景技术

磨损是机械零件失效的三种主要原因(磨损、腐蚀、疲劳)之一，各种机械零件的磨损所造成的能源和材料的消耗是十分惊人的。据统计，世界工业化发达国家能源约30％以不同形式消耗在磨损上。如美国每年由于摩擦磨损和腐烛造成的损失约1000亿美元，占国民经济收入的4％。据我国有关部门的不完全统计，国内每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上，每年磨损造成的损失达400亿元人民币。而耐磨材料在建材、火力发电和冶金矿山等工业领域的整个能量和经济成本消耗中占有相当大的比重。

而目前耐磨钢主要分为：奥氏体锰钢、低合金马氏体钢、贝氏体钢，均为较单一的组织，不利于同时提高硬度、强度、韧性、塑性和焊接性能。目前应用的强度超过1300MPa的高强度低合金钢的组织一般为回火马氏体，该类钢零件和构件在使用过程中暴露出的主要问题是韧性不足、延迟断裂抗力低和疲劳极限波动大，这些弊端大大削弱了回火马氏体钢在强度性能方面的优势。因此，开发复合组织耐磨钢从而提高综合性能，是耐磨钢的研究方向。

现有专利技术中介绍高强度耐磨钢的有很多，抗拉强度一般在1100-1400之间，如CN1109919A、CN102605272A，各有其不足之处，主要体现在合金成本高、制造工艺复杂、性能有缺陷等。CN1109919A提供了一种低合金耐磨钢，其成分重量百分比为：C：0.5-0.6％，Si：0.9-1.2％，Mn：1.4-1.7％，Cr：1.35-1.60％，Mo：0.3-0.5％，V：0.05-0.10％，Ti：0.03-0.06％，Re：0.02-0.04％，强度和耐磨性均较好，但大量添加提高淬透性的合金元素，成本较高，C、Si含量高易产生淬火裂纹，添加稀土元素与目前提倡的节约资源相违背。CN102605272A提供了一种低合金超高强度耐磨钢及其生产方法，采用模铸方法获得铸锭，其成分重量百分比为：C：0.20-0.35％，Si：0.3-0.7％，Mn：0.6-1.0％，Cr：0.7-1.1％，Ni：0.6-1.0％，Mo：0.3-0.7％，其余为Fe和微量杂质元素，不足之处在于贵重合金Ni、Cr、Mo添加量大，合金成本仍然较高，热处理工艺复杂，工序成本和能耗均较高。

抗拉强度≥1450的高强度耐磨钢，如CN1132263A和CN1132264A的耐磨钢，其最大抗拉强度分别为1450和1765，主要依赖于碳的强化作用，钢中碳含量越高，抗拉强度也越高，但碳含量太高使淬火形成的马氏体组织内部应力大，影响除强度和硬度的其它性能，如韧性和焊接性能。因此，在强度满足要求的前提下，通常需要降低碳含量，而通过其它合金的合理添加来弥补。如CN 102127705A，提供了一种高强度高硬度耐磨钢，其主要化学成分为C：0.20-0.350％，Si：0.5-1.0％，Mn：1.4-2.0％，V：0.03-0.06％，Nb：0.02-0.04％，Ti：0.02-0.035％，B：0.0015-0.002％、Al：0-0.03％，N：0.0020-0.0040％，主要通过Nb、Ti、V的复合添加达到细晶强化和析出强化作用，通过热加工工艺可获得马氏体耐磨钢，抗拉强度≥1450MPa，布氏硬度在440以上，塑性较好，但韧性不足，该工艺在不进一步热处理的情况下工业化生产难度很大，主要体现在板形不易控制，马氏体组织转变产生的内应力不能消除，有产生裂纹的风险。

发明内容

本发明目的在于提供一种低温用HB450级别高强度耐磨钢及其生产方法，制造成本低、工艺简单、综合性能优良。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

低温用HB450级复相组织耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.20-0.28％、Si：0.90-1.40％、Mn：1.30-1.60％、P：≤0.013％、S：≤0.012％、Cr：0.50-0.80％、Mo：0.20-0.50％、Ti：0.005-0.025％、B：0.001-0.003％、V：0.02-0.05％、Als：0.020-0.050％，N：0.0050-0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素；钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

低温用HB450级复相组织耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.23-0.26％、Si：1.22-1.32％、Mn：1.38-1.52％、P：≤0.013％、S：≤0.012％、Cr：0.67-0.72％、Mo：0.39-0.43％、Ti：0.009-0.015％、B：0.0019-0.0024％、V：0.03-0.04％、Als：0.020-0.050％，N：0.0068-0.0073％，其余为Fe和微量杂质元素；钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

低温用HB450级复相组织耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.28％、Si：1.40％、Mn：1.30％、P：0.011％、S：0.008％、Cr：0.80％、Mo：0.50％、Ti：0.025％、B：0.003％、V：0.05％、Als：0.050％，N：0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素；钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

上述低温用HB450级复相组织耐磨钢的生产方法，包括以下步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)轧制工艺：板坯加热温度在1180℃～1230℃；道次压下率≥10％；终轧温度：790-850℃；

3)冷却：开冷温度≥750℃；冷却速率为18～25℃/s；终冷温度控制在≤300℃；

4)回火：回火温度420±10℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min。

一种低温用HB450级复相组织耐磨钢的生产方法，其化学成分重量百分比含量为：C：0.28％、Si：1.40％、Mn：1.30％、P：0.011％、S：0.008％、Cr：0.80％、Mo：0.50％、Ti：0.025％、B：0.003％、V：0.05％、Als：0.050％，N：0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素；

其过程如下：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1230℃；道次压下率≥10％，终轧温度850℃；

3)开冷温度在810℃，冷却速度控制在25℃/秒，终冷温度在290℃，自然冷却至室温；

4)回火温度430℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝80min；

钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

C、Mn是最有效的固溶强化元素，传统耐磨钢均以高C-Mn为成分设计基础，随着钢中的C、Mn含量的增加，强度和耐磨性能提高十分明显。C为间隙固溶，对塑性和韧性十分不利，含碳量大于0.25％时，产生片状马氏体趋势增强，从而大幅降低抗裂纹性能，焊接性能恶化。因此设计该钢C含量范围为：0.20-0.28％。Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区奥氏体，降低淬火时的临界冷却速度，提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小。但Mn含量增加时，Mn易溶于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强，加热过程中极易完全溶入奥氏休中，易产生回火脆性。因此设计该钢Mn含量范围为：1.30-1.60％。

Si元素与其他合金元素(Cr、Mn、Mo)共同作用提高实验钢淬透性的作用逐渐明显，使板条马氏体数量明显增加，因而使实验钢的硬度逐渐增大，而韧性则先升高后降低，Si达到一定量时会严重影响冲击韧性和焊接性能。Si在钢中的一个重要作用是强烈抑制和延缓过冷奥氏体的碳化物分解，提高奥氏体稳定性，当向钢中加入一定量的Si后，形变奥氏体相比过程中，在马氏体-贝氏体基体内部出现连续的富碳残余奥氏体。由于奥氏体的存在和它的这种形态分布，可使裂纹分枝和钝化，或者产生相变，从而有效地改善钢的塑性。适量的Si可显著地减慢C在回火时的扩散速度，增加回火稳定性，并使回火时析出的碳化物不易聚集，减小回火脆性。因此设计该钢Si含量范围为：0.90-1.40％。

V和Ti是强碳化物形成元素，钢中钒的主要作用有细晶强化、析出强化和固溶强化。微合金元素中Nb、V、Ti都有析出强化作用，它们的碳氮化物在奥氏体中的溶解度不同，其中以V的碳氮化物溶解度最大，是最理想的沉淀析出强化元素。溶解的V、Ti在相变过程中以及相变后弥散析出的C、N化物能对奥氏体晶界起到钉扎作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，即阻碍了奥氏体晶粒的长大，同时抑制奥氏体再结晶，细化晶粒，产生细晶强化和沉淀强化综合效果。V在铁素体区一定温度范围内无限固溶，当钒以固溶状态存在时，增加钢回火稳定性，即提高对回火软化的抗力，大量的V仍以析出相存在，提高了钢的强度和硬度。Ti能形成很强固的Ti(C、N)，可稳定到1300℃，所以可细化晶粒，降低钢的过热倾向性，Ti能防止产生晶间腐蚀现象，可改善焊接性能，Ti能与S作用，降低硫的热脆作用。因此设计该钢V、Ti、N含量范围分别为Ti：0.005-0.025％、V：0.02-0.05％、N：0.0050-0.0080％。

为了提高淬透性向钢中加入微量的B元素。固溶的B向淬火前的奥氏体晶界处偏析，通过抑制铁素体相变，提高了淬透性。由于在奥氏体中B会以BN的形式析出而影响提高淬透性的效果，因此，还要通过添加Al来固定N。B含量增加会向晶界偏聚增加裂纹敏感性。因此设计该钢B、ALs含量范围分别为：B：0.001-0.006％、Als：0.020-0.050％。

Cr与Mo复合添加，可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性，在一定的冷却速度范围内有利于获得贝氏体+马氏体复相组织，并可细化晶粒，提高强度和韧性。Cr在钢中可以形成多种碳化物，提高强度和硬度，Mo在钢中固溶于铁素体和奥氏体中，具有固溶强化和碳化物弥散强化作用。本发明中Cr、Mo的含量为Cr：0.50-0.80％、Mo：0.20-0.50％。

钢中S、P是有害杂质元素，钢中P、S含量越低越好。当钢中S含量较多时，热轧时容易产生热脆等问题；而钢中P含量较多时，钢容易发生冷脆，此外，磷还容易发生偏析。

复合合金化成分设计：Cr-Ti-B添加微量钒和一定量的硅，该成分设计有利于获得复相组织，尤其是在马氏体+贝氏体基体内部获得一定比例的残余奥氏体和弥散粒子，从而提高耐磨钢的综合力学性能尤其是塑性和韧性，在低成本前提下达到良好的综合力学性能。

对终轧温度、冷却速度、回火工艺的控制，可采用两阶段控制轧制，采用本工艺获得具有形变热处理效果马氏体+贝氏体+残余奥氏体+弥散粒子组织，提高综合力学性能。利用贝氏体对马氏体的分隔效应，细化组织，其优点在于与单一组织相比具有更加细小的断裂面，进一步提高了韧性。

本发明的有益效果在于：

与目前已有的耐磨钢完全不同的成分设计，降低合金成本，减少合金用量并确保材料的强度和耐磨性；成分设计有利于获得复相组织，尤其是获得一定比例的残余奥氏体，从而提高耐磨钢的综合力学性能尤其是塑性和韧性。

短流程制造工艺：TMCP+回火，替代传统的耐磨钢生产工艺，缩短生产周期，降低工序成本和工序能耗，采用本工艺获得具有形变热处理效果马氏体+贝氏体+残余奥氏体+弥散粒子组织，提高综合力学性能。

优良的综合力学性能和抗裂纹性能，提高耐磨钢的使用安全性和高效性。钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450，可焊接易加工。

与国内外同等级别耐磨钢相比，本发明合金成本低，制造工艺简化，性能更加优良，属于资源节约型钢种。解决了单相马氏体耐磨钢强度和塑性匹配的难题提高了耐磨钢使用安全性和高效性。因此具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，经济效益和社会效益明显。

附图说明

图1：实施例4产物金相组织(马氏体+贝氏体)。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明低温用HB450级复相组织耐磨钢，其化学成分重量百分比含量为：C：0.20-0.28％、Si：0.90-1.40％、Mn：1.30-1.60％、P：≤0.013％、S：≤0.012％、Cr：0.50-0.80％、Mo：0.20-0.50％、Ti：0.005-0.025％、B：0.001-0.003％、V：0.02-0.05％、Als：0.020-0.050％，N：0.0050-0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素。

优化地，其化学成分重量百分比含量为：C：0.23-0.26％、Si：1.22-1.32％、Mn：1.38-1.52％、P：≤0.013％、S：≤0.012％、Cr：0.67-0.72％、Mo：0.39-0.43％、Ti：0.009-0.015％、B：0.0019-0.0024％、V：0.03-0.04％、Als：0.020-0.050％，N：0.0068-0.0073％，其余为Fe和微量杂质元素。

本发明低温用HB450级复相组织耐磨钢生产方法过程如下：

1)冶炼并连铸成坯；

2)轧制工艺：板坯加热温度在1180℃～1230℃；道次压下率≥10％；终轧温度：790-850℃；

3)冷却：开冷温度≥750℃；冷却速率为18～25℃/s；终冷温度控制在≤300℃；

4)回火：回火温度420±10℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min。

钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

实施例1

其化学成分重量百分比含量为：C：0.20％、Si：0.90％、Mn：1.60％、P：0.013％、S：0.012％、Cr：0.50％、Mo：0.20％、Ti：0.005％、B：0.001％、V：0.02％、Als：0.020％，N：0.0050％，其余为Fe和微量杂质元素。

低成本HB450级复相组织耐磨钢及其加工方法，其步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1180℃；

3)轧制工艺：道次压下率≥10％，终轧温度850℃；

4)开冷温度在790℃，冷却速度控制在18℃/秒，终冷温度在280℃，自然冷却至室温；

5)回火温度410℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝42.5min。

6)待用。

实施例2

其化学成分重量百分比含量为：C：0.23％、Si：1.22％、Mn：1.47％、P：0.012％、S：0.011％、Cr：0.67％、Mo：0.39％、Ti：0.009％、B：0.0019％、V：0.03％、Als：0.037％，N：0.0068％，其余为Fe和微量杂质元素。

低成本HB450级复相组织耐磨钢及其加工方法，其步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1210℃；

3)轧制工艺：道次压下率≥10％，终轧温度790℃；

4)开冷温度在750℃，冷却速度控制在21℃/秒，终冷温度在270℃，自然冷却至室温；

5)回火温度418℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝50min。

6)待用。

实施例3

其化学成分重量百分比含量为：C：0.26％、Si：1.31％、Mn：1.52％、P：0.012％、S：0.010％、Cr：0.72％、Mo：0.43％、Ti：0.013％、B：0.0024％、V：0.04％、Als：0.046％，N：0.0073％，其余为Fe和微量杂质元素。

低成本HB450级复相组织耐磨钢及其加工方法，其步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1220℃；

3)轧制工艺：道次压下率≥10％，终轧温度820℃；

4)开冷温度在760℃，冷却速度控制在23℃/秒，终冷温度在260℃，自然冷却至室温；

5)回火温度420℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝65min。

6)待用。

实施例4

其化学成分重量百分比含量为：C：0.28％、Si：1.40％、Mn：1.30％、P：0.011％、S：0.008％、Cr：0.80％、Mo：0.50％、Ti：0.025％、B：0.003％、V：0.05％、Als：0.050％，N：0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素。

低成本HB450级复相组织耐磨钢及其加工方法，其步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1230℃；

3)轧制工艺：道次压下率≥10％，终轧温度850℃；

4)开冷温度在810℃，冷却速度控制在25℃/秒，终冷温度在290℃，自然冷却至室温；

5)回火温度430℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝80min。

6)待用。性能表征金相组织图(马氏体+贝氏体见图附图1所示。)

实施例5

其化学成分重量百分比含量为：C：0.23％、Si：1.32％、Mn：1.38％、P：0.010％、S：0.009％、Cr：0.72％、Mo：0.41％、Ti：0.015％、B：0.002％、V：0.03％、Als：0.037％，N：0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素。

低成本HB450级复相组织耐磨钢及其加工方法，其步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1235℃；

3)轧制工艺：道次压下率≥10％，终轧温度830℃；

4)开冷温度在800℃，冷却速度控制在22℃/秒，终冷温度在270℃，自然冷却至室温；

5)回火温度422℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝80min。

6)待用。

对比例1

其化学成分重量百分比含量为：C：0.25％、Si：0.75％、Mn：1.65％、Ti：0.022％、B：0.0020％、V：0.052％、Nb：0.031％，N：0.0035％，其余为Fe和微量杂质元素。

其生产步骤：

1)连铸板坯厚度为200mm，板坯加热温度在1150℃；

2)轧制工艺：1070～1000，轧制至40mm,800～850℃，轧制至15mm；

3)水淬，冷却速度为20～40℃/s，至室温；

4)待用。

对比例2

其化学成分重量百分比含量为：C：0.27％、Si：0.8％、Mn：1.0％、Cr：1.1％、Mo：0.35％、Ti：0.09％、V：0.17％，其余为Fe和微量杂质元素。

其生产步骤：

1)冶炼并连铸成坯，为轧制做好准备；

2)初轧成坯，为锻造做好准备；

3)锻造成型，形变后油淬；

4)回火温度480℃，得到回火索氏体组织。

5)待用。

表1为上述各实施例和对比例经检测后的力学性能情况与对比例力学性能列表。

表1

从表1中可看出，本发明钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450，从实例可以看出，采用短流程加工工艺(TMCP+回火)生产的钢板组织达到设计目标，性能稳定。

Claims (4)

1.低温用HB450级复相组织耐磨钢，其特征在于化学成分重量百分比含量为：C：0.23-0.26％、Si：1.22-1.32％、Mn：1.38-1.52％、P：≤0.013％、S：≤0.012％、Cr：0.67-0.72％、Mo：0.39-0.43％、Ti：0.009-0.015％、B：0.0019-0.0024％、V：0.03-0.04％、Als：0.020-0.050％，N：0.0068-0.0073％，其余为Fe和微量杂质元素；钢板厚度规格范围为15-40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

2.低温用HB450级复相组织耐磨钢，其特征在于化学成分重量百分比含量为：C：0.28％、Si：1.40％、Mn：1.30％、P：0.011％、S：0.008％、Cr：0.80％、Mo：0.50％、Ti：0.025％、B：0.003％、V：0.05％、Als：0.050％，N：0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素；钢板厚度规格范围为40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。

3.权利要求1-2任一项所述低温用HB450级复相组织耐磨钢的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)轧制工艺：板坯加热温度在1180℃～1230℃；道次压下率≥10％；终轧温度：790-850℃；

3)冷却：开冷温度≥750℃；冷却速率为18～25℃/s；终冷温度控制在≤300℃；

4)回火：回火温度420±10℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min。

4.一种低温用HB450级复相组织耐磨钢的生产方法，其化学成分重量百分比含量为：C：0.28％、Si：1.40％、Mn：1.30％、P：0.011％、S：0.008％、Cr：0.80％、Mo：0.50％、Ti：0.025％、B：0.003％、V：0.05％、Als：0.050％，N：0.0080％，其余为Fe和微量杂质元素；其生产过程如下：

1)冶炼并连铸成坯；

2)对铸坯进行加热，板坯加热温度在1230℃；道次压下率≥10％，终轧温度850℃；

3)开冷温度在810℃，冷却速度控制在25℃/秒，终冷温度在290℃，自然冷却至室温；

4)回火温度430℃，回火时间为板厚mm×1.5min/mm+20min＝80min；

钢板厚度规格范围为40mm，Rm≥1450MPa，延伸率≥15％，-40℃Akv≥47J，HBW/10/3000≥450。