CN109881089A - 一种高强度耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度耐磨钢，化学组成以重量百分比计包含C:0.41‑0.59％、Si:0.31‑0.58％、Mn:7.1‑8.9％、P≤0.018％、S≤0.01％、Ti:0.25‑0.35％，Cr:3.60‑5.60％、Zr:0.10‑0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢的微观组织由10‑20％奥氏体和回火马氏体构成。同时，本发明还公开了一种该耐磨钢的制备方法，采用的工艺路线包括：转炉冶炼→钢包炉精炼→模铸→锻造→轧制→轧后冷却→热处理。该耐磨钢具有较高的屈服强度和优良的耐磨性能。采用该耐磨钢制造的铲齿使用时间可以达到220天以上。

Description

一种高强度耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明设计一种合金结构钢，具体涉及一种高强度耐磨钢及其制备方法。

背景技术

耐磨钢材广泛应用于建造矿山机械、球磨机衬板、挖掘机、铁道辙叉等磨损结构件，年需求量巨大。一般将磨损工况分为两种类型：一种是高冲击载荷下的冲击磨损，如铁道辙叉与高速车轮之间的磨损；另一种是中低载荷磨料磨损，如挖掘机铲齿等，不同工况下磨损结构件所采用的钢材品种差别较大。传统挖掘机铲齿等通常采用低合金耐磨钢板建造，通过高温淬火+低温回火制造，微观组织为单一回火马氏体，硬度较高，但韧性较低，使用过程中容易发生断裂，更换频繁，使用寿命短。而高碳高锰钢经高温固溶处理(水韧处理)后获得单一奥氏体组织，耐磨性能良好，但屈服强度较低，如果制作成矿山大型挖掘机铲齿，在使用过程中容易发生塑性变形而失效。

申请号为201711332869.6的中国发明专利申请公开了一种低合金中锰耐磨钢热轧板及制备方法，其成份为：C：0.6～0.8％，Si：0.1～0.2％，Mn：4.5～4.9％，P≤0.02％，S≤0.02％，Cr：3.0～3.5％，Cu：0.4～1.0％，其余为Fe和杂质。该专利技术的不足之处在化学成分中C含量较高，在制造过程中容易在晶界形成碳化物(Fe、Mn)₃C、Cr的系列碳化物，导致晶界脆，成材率低；另一方面，添加了合金元素Cu，而没有添加抑制Cu热裂的合金元素，在钢材制造过程中易产生Cu热裂现象，增加了生产难度，制造成本升高。

申请号为201611226312.X的中国发明专利公开了一种中锰高硬度高韧性的耐磨球，其各组分的重量百分数如下：C：3.3～3.7％，Mn：5.5～6.5％，S＜0.04％，P＜0.1％，Si：3.6～4.6％，Cr：14.83～16.83％，Mo：0.012～0.018％，V：0.05～0.09％，W：0.01～0.02％，Ti：0.02～0.06％，Bi：0.01～0.03％，稀土：0.02～0.045％，Mg：0.04～0.055％，其余为Fe和不可避免的杂质。并且还提出上述一种中锰高硬度高韧性的耐磨球的制备方法。该专利技术提供的是一种典型的铸铁材料，合金元素复杂，既有昂贵的合金元素V、Mo、Bi，还添加了易氧化元素稀土、Mg等，冶炼工艺不易掌握，生产难度大，成本高。添加的Si含量较高，脆性倾向严重，不能用于制造挖掘机铲齿结构件。

申请号为201510711213.X中国发明专利公开了一种高碳中锰耐磨钢及热轧板制造方法。该耐磨钢的化学组分重量百分比分别为：C：1.0～1.2％，Si≤0.3％，Mn：5.0～7.0％，P<0.02％，S<0.02％，Cr：1.5～2.5％，Mo：0.2～0.8％，V：0.1～0.3％，Ti≤0.1％，Al：0.03～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。所述耐磨钢热轧板的制造步骤包括炼钢、连铸、加热炉加热、热轧和热处理。热轧板水韧温度为950～1050℃，水韧终止温度在200℃以下。该专利技术经950～1050℃水韧处理后得到的微观组织为全奥氏体，抗拉强度虽然大于700MPa，但屈服强度较低，使用过程中容易发生变形，不能用于制造挖掘机的铲齿，尤其是大型矿山挖掘机的铲齿要求屈服强度较高和良好的耐磨性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高强度耐磨钢，该耐磨钢具有较高的屈服强度和优良的耐磨性能。

本发明的另一目的是提供一种上述高强度耐磨钢的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种高强度耐磨钢，化学组成以重量百分比计包含C:0.41-0.59％、Si:0.31-0.58％、Mn:7.1-8.9％、P≤0.018％、S≤0.01％、Ti:0.25-0.35％，Cr:3.60-5.60％、Zr:0.10-0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢的微观组织由10-20％奥氏体和回火马氏体构成。

主要控制的合金元素原理说明如下：

C(碳)：添加一定含量的合金元素C，经过淬火+低温回火后，一部分C固溶于铁素体基体形成固溶强化，另一部分在低温回火过程中生成细小的析出相碳化物，形成弥散强化，使本发明申请耐磨钢的屈服强度≥695MPa。加入C的另一作用是扩大奥氏体区域，一部分高温奥氏体能够稳定保持至室温，使本发明申请耐磨钢的-40℃冲击功≥48J。若添加的C含量低于0.41％,强化效果不够，屈服强度难于达到预期；若C含量高于0.59％，韧性降低。故将C的含量设定为0.41-0.59％。

Mn(锰)：钢中Mn可稳定高温奥氏体组织，降低奥氏体转变温度。采用本专利申请的制造方法，可抑制10-20％奥氏体转变为多边形铁素体，使得高温奥氏体稳定至室温，获得良好的冲击韧性。Mn含量若低于7.1％，则稳定高温奥氏体的能力不足，回火马氏体含量过高，韧性低；若Mn含量高于8.9％，则会产生过多的室温奥氏体组织，强度低，故将Mn含量范围设定在7.1-8.9％。

P(磷)：P是害元素，含量高时急剧恶化钢的韧性，故将P限定在P≤0.018％，若将P含量控制得过低，冶炼过程成本高。

S(硫)：S是有害元素，与钢中Mn反应形成有害夹杂物MnS，急剧降低钢的低温冲击韧性，因此S含量越低越好，但若将S控制得过低，脱硫成本大幅增加，故将S含量控制在S≤0.01％为宜。

Si(硅)：合金元素Si可形成固溶强化，提高钢的屈服强度，但Si含量过高易促使钢中C石墨化，降低钢的韧性，故将钢中的Si含量设定在0.31-0.58％范围。

Ti(钛):Ti与钢中C、N反应生成的Ti(CN)细小颗粒，有效阻止晶界移动，抑制晶粒长大，可以细化铸态晶粒及组织，改善生产工艺性。部分固溶于基体的Ti则具有稳定奥氏体作用，使室温奥氏体含量达到预期。但若加入发热Ti含量过高，形成的Ti(CN)析出相容易长大，失去细化晶粒的作用，故将钢中的Ti含量设定在0.25-0.35％范围。

Cr(铬)：耐磨钢中添加适量的合金元素Cr，在生产制造过程中形成Cr的系列碳化物如Cr₇C₃，Cr₂₃C₆、Cr₃C等，弥散分布于基体提高硬度，增强耐磨性能。若Cr含量低于3.6％，生成的析出相不足于形成预期的弥散强化效果。若Cr含量高于5.6％，生成的析出相容易粗化，失去强化效果，故将Cr的含量范围设定在3.60-5.60％范围。

Zr(锆)：添加适量的合金元素Zr可与钢中的C反应生成纳米级第二相ZrC等碳化物，细化晶粒及组织。另外，Zr的导热系数是Mn的近3倍，添加Zr的另一重要目的在于提高中高锰钢铸造过程的流动性，改善生产工艺性能，提高铸锭质量。若Zr含量低于0.10％，则改善钢水流动性不佳；若高于0.30％，则显著增加了生产成本，因为Zr是较昂贵的合金元素，故将Zr的含量设定在0.10-0.30％范围。

其中，所述钢的屈服强度≥695MPa，布氏硬度≥375HBW，-40℃冲击功≥48J。

在一个优选实施例中，所述化学组成以质量百分比计含有C:0.59％、Si:0.51％、Mn:8.9％、P:0.012％、S:0.007％、Ti:0.272％，Cr:4.7％、Zr:0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。

而本发明所述的高强度耐磨钢的制备方法，所采用的工艺路线包括：转炉冶炼→钢包炉精炼→模铸→锻造→轧制→轧后冷却→热处理。

具体的，该制备方法包括下述步骤：

(1)采用顶底复吹转炉装入高炉铁水、废钢、MnFe、TiFe合金料熔炼；加CaO、FeO脱P；吹氧脱碳；加SiFe脱氧；

(2)钢包炉精炼，通电升温，加脱硫剂除硫；调整合金元素含量至控制范围；

(3)模铸成钢锭；

(4)将模铸钢锭加热至1180～1240℃，锻造成宽厚板产线可轧制成材的板坯尺寸，终锻温度≥900℃；

(5)板坯加热温度：1160～1220℃，保温时间≥4小时；

(6)不间断连续轧制至成品钢板尺寸，轧制温度≥900℃；

(7)轧后冷却：轧后空冷至室温；

(8)淬火：淬火温度：950～1070℃，保温时间：60～120min；冷却：浸入水中急冷至室温；

(9)回火：回火温度：178～368℃，保温时间：90～196min；冷却：空冷至室温。

有益效果：本发明的高强度耐磨钢通过合理的成分设计，经过转炉冶炼后采用钢包炉精炼，净化钢质，成分易于控制。采用一次不间断连续轧制至成品钢板尺寸，生产效率高。经过淬火+回火热处理后，钢种微观组织结构由10～20％奥氏体+回火马氏体构成，具有良好的强韧性配合，屈服强度≥695MPa、冲击功-40℃KV₂≥48J，布氏硬度≥375HBW。采用该钢板建造矿山大型挖掘机铲齿、破碎机齿板等易磨损结构件，使用寿命比传统耐磨钢提高50％以上。

具体实施方式

下面，通过冶炼并轧制和热处理八批钢板，以对本发明做进一步详细说明。

具体的，按照本发明化学元素成分、质量百分比及生产方法要求，制备了五批钢板，分别为实施例1-5。同时，为验证各化学组分和质量百分比含量以及轧制、热处理过程中的温度、时间范围等参数对性能和使用寿命的影响，还制备了三批钢板作为对比例，即对比例1-3。

其中，对比例1的化学组分质量百分比含量均不在本发明的范围内，而制备过程的工艺参数在本发明的范围内；对比例2的化学组分质量百分比含量在本发明的范围内，而制备过程的工艺参数不在本发明的范围内，对比例3的化学组分质量百分比含量及制备过程的工艺参数均不在本发明的范围内。五个实施例及三个对比例的化学元素成分重量百分比见表1，其中余量为Fe和不可避免的杂质。

表1本发明实施例及对比例的化学成分对比(wt％)

生产过程控制参数与钢板性能、使用寿命等情况见表2。

表2实施例及对比例生产过程控制对钢板性能及使用情况表

由表1和表2可看出，本发明实施例1-5的化学组分及质量百分比和生产工艺过程控制的轧制、热处理温度、回火时间等所生产的钢板屈服强度均高于695MPa，-40℃冲击功均高于48J，钢板布氏硬度均高于375HBW。而对比1、对比2和对比3的钢成分范围或/和生产工艺不在本发明范围内所生产的对比钢板屈服强度低于518MPa，-40℃冲击功均低于41J，布氏硬度低于342HBW。其中，最少使用天数的实施例比使用天数最多的对比例实际使用天数提高了50％。实施例的失效模式均为磨损失效而更换，而对比例铲齿失效模式为断裂、屈服变形+磨损、磨损+断裂失效。

进一步的，可以看出实施例5所制备的钢板-40℃冲击功达到220J，布氏硬度为401HBW，综合力学性能优良，制造的铲齿使用时间达到227天，为最佳实施例。

Claims (5)

1.一种高强度耐磨钢，其特征在于，化学组成以重量百分比计包含C:0.41-0.59％、Si:0.31-0.58％、Mn:7.1-8.9％、P≤0.018％、S≤0.01％、Ti:0.25-0.35％，Cr:3.60-5.60％、Zr:0.10-0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢的微观组织由10-20％奥氏体和回火马氏体构成。

2.根据权利要求1所述的高强度耐磨钢，其特征在于，所述钢的屈服强度≥695MPa，布氏硬度≥375HBW，-40℃冲击功≥48J。

3.根据权利要求1所述的高强度耐磨钢，其特征在于，所述化学组成以质量百分比计含有C:0.59％、Si:0.51％、Mn:8.9％、P:0.012％、S:0.007％、Ti:0.272％，Cr:4.7％、Zr:0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述高强度耐磨钢的制备方法，其特征在于，工艺路线包括：转炉冶炼→钢包炉精炼→模铸→锻造→轧制→轧后冷却→热处理。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采用顶底复吹转炉装入高炉铁水、废钢、MnFe、TiFe合金料熔炼；加CaO、FeO脱P；吹氧脱碳；加SiFe脱氧；

(2)钢包炉精炼，通电升温，加脱硫剂除硫；调整合金元素含量至控制范围；

(3)模铸成钢锭；

(4)将模铸钢锭加热至1180～1240℃，锻造成宽厚板产线可轧制成材的板坯尺寸，终锻温度≥900℃；

(5)板坯加热温度：1160～1220℃，保温时间≥4小时；

(6)不间断连续轧制至成品钢板尺寸，轧制温度≥900℃；

(7)轧后冷却：轧后空冷至室温；

(8)淬火：淬火温度：950～1070℃，保温时间：60～120min；冷却：浸入水中急冷至室温；

(9)回火：回火温度：178～368℃，保温时间：90～196min；冷却：空冷至室温。