CN111471928A - 一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板及生产方法，属于钢铁冶炼技术领域，耐磨钢板的化学成分质量百分比为：C=0.15～0.25，Si=0.8～2.0，Mn=1.0～2.0，P≤0.020，S≤0.005，Ti=0.070～0.20，B=0.0010～0.0025，余量为Fe和不可避免的杂质；耐磨钢板的金相组织，是原奥氏体晶内形核切变长大形成的篮筐编结马氏体组织；生产方法：炼钢生产板坯；轧制钢板；离线淬火；回火。本发明通过降低合金含量，不采用Cr、Mo、Nb合金元素；采用Ti的氧化物冶炼技术；提高回火温度；柔性生产各级别的耐磨钢板，有效的提升了耐磨钢板的冷弯成型性能及焊接性能。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，尤其是一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板及生产方法。
背景技术
高强度耐磨钢板作为一类重要的钢铁材料，广泛应用于矿山机械、车辆、船舶、桥梁等行业。随着我国国民经济的迅速发展，对高强度耐磨板的需求增长迅猛。目前国内耐磨钢冷弯成型性能、焊接性能差。我国还有相当数量的耐磨钢板需要进口，特别是400HB以上的高强度耐磨板。
目前耐磨钢有两种不同的生产工艺路线：离线淬火+回火，在线淬火+回火。
离线淬火+回火工艺生产的耐磨钢板组织为：回火板条马氏体+少量残余奥氏体(AR)，主要是依靠大量的合金元素强化马氏体，提高马氏体的淬硬性及回火抗力，提高钢板的淬透性，以满足钢板高强度、高硬度性能的需要，达到钢板耐磨的要求；但回火马氏体钢焊接后，热影响区硬度下降，热影响区同时产生冷裂纹，钢板火焰切割后产生裂纹如不及时处理将扩展。
在线淬火+回火工艺生产的耐磨钢板组织为：板条马氏体+残余奥氏体(AR)。目前典型耐磨钢板生产工艺路线如表1所示：
表1典型耐磨钢板生产工艺路线表
各厂耐磨钢板交货技术条件也不相同，分析目前各厂耐磨钢板显微组织也不相同。
WNM-400钢耐磨板在线淬火+回火的OM形貌，结合X射线衍射和TEM分析表明,组织为板条马氏体和残余奥氏体组成。如图1和图2所示。
ANM-360、ANM-400耐磨钢由板条马氏体和板条间细小的残余奥氏体膜组成；球形第二相粒子分布相对均匀，尺寸在10～30nm之间，能谱分析表明这种第二相粒子是以Nb为主的Nb、Ti复合碳氮化物；经X射线衍射仪测量残余奥氏体量为7﹪。如图3所示。
JNM-400钢耐磨板的组织，是典型的回火低碳板条马氏体，马氏体板条组织较为粗大。如图4所示。
SNM-400钢耐磨板的组织(如图5、7所示)，同JNM-400(如图6所示)一样为典型的低碳回火板条马氏体，除了部分大的板条外，晶粒较为细化，板条比JNM-400更细小，具有较高的冲击韧度。
WNM-400与JNM-400、SNM-400耐磨钢板力学性能如表2所示：
表2 WNM-400与JNM-400、SNM-400力学性能
WNM-400与JNM-400、SNM-400耐磨钢板的硬度也不相同，如表3所示：
表3 WNM-400与JNM-400、SNM-400硬度性能
| 钢种 | 硬度测定值HB | 平均值HB |
| WNM-400 | 388 389 390 393 391 401 401 398 390 398 | 394 |
| JNM-400 | 373 390 375 390 375 378 390 393 385 390 | 384 |
| SNM-400 | 375 392 368 372 381 380 390 390 392 372 | 381 |
WNM-400与JNM-400、SNM-400耐磨钢板的耐磨性能也不同，如表4所示。二体磨料磨损试验在ML10型磨料磨损试验机上进行，磨损试样尺寸为4×24mm，试验参数为：磨程10.409m，磨料为180#碳化硅水砂纸,载荷19.3N；试样运动状态：水平进给4mm/rad；对磨材料：盘状砂纸，转速60r/min。用TG328型天平测定磨损试样磨损前后的质量，计算磨损后质量损失。
表4 WNM-400与JNM-400、SNM-400耐磨性能
由表4可知WNM-400钢板离线淬火生产的耐磨性最好。
从图8可以看出，不同的热处理工艺形成的板条组织都是在奥氏体晶界行核向晶内切变长大，因此材料断裂时裂纹沿着板条方向扩展，材料的韧性较低。
从图9可以看出，在线淬火位错密度较大，材料的塑性较低，内应力较大。
现有技术的缺陷是：耐磨钢的板条马氏体组织是在晶界形核产生切变长大，形成一束一束切割原奥氏体晶粒，材料断裂时裂纹沿着组织的束向在板条间快速扩展，材料的塑性及韧性低；回火板条马氏体组织使火焰切割后钢板开裂，长时间存放后内应力作用下钢板自然开裂；回火板条马氏体组织低温韧性差；为提高回火板条马氏体组织耐磨性加入大量的合金元素，造成生产成本高，合金含量高，连铸坯易产生表面裂纹。
中国专利申请号201110358240.5“一种耐磨钢板的生产方法”，热处理采用Q-P(淬火-碳分配)工艺，钢板组织为(板条M+AR)，如图10所示。
中国专利申请号201010260178.1“一种低成本高强度耐磨钢板及其生产方法”，工艺为Q+T，成分体系为C-Si-Mn-Cr-Ti。该钢板生产工艺为淬火+回火，其组织为粗大的板条回火马氏体组织，传统的淬火后回火耐磨钢的残余奥氏体为≤3％。
极寒地区要求耐磨钢板具备较好的低温冲击韧性，目前一般耐磨钢板组织不能满足使用要求，需要改进满足使用要求。耐磨钢板(板条M+AR)组织不能满足钢板高热输入焊接的要求，热影响区抗回火能力差。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板及生产方法，耐磨钢板的金相组织是是原奥氏体晶内形核切变长大的篮筐编结马氏体组织，该篮筐编结马氏体金相组织钢板只需要低成分合金含量，不采用Cr、Mo、Nb等合金元素，该组织的耐磨钢板生产成本低；该篮筐编结马氏体在原奥氏体晶内形核并向四周产生切变长大，因此篮筐编结马氏体组织有较好阻止裂纹扩展的能力，-40℃低温冲击断口形貌仍然有大量韧窝，有此组织的材料低温冲击韧性高，满足极寒地区使用的要求；炼钢采用Ti的氧化物冶炼技术使得晶内形核篮筐编结马氏体能满足大线能量焊接的要求，提高了焊接效率；篮筐编结马氏体组织高的回火抗力，利用此特征可柔性生产各个级别的耐磨钢板(NM400、NM450、NM500)；篮筐编结马氏体组织回火工艺温度提高减少了钢板火焰切割的开裂及钢板自然开裂倾向。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板，耐磨钢板的化学成分质量百分比为：C＝0.15～0.25，Si＝0.8～2.0，Mn＝1.0～2.0，P≤0.020，S≤0.005，Ti＝0.070～0.20，B＝0.0010～0.0025，余量为Fe和不可避免的杂质；耐磨钢板的金相组织，是原奥氏体晶内形核切变长大形成的篮筐编结马氏体组织。
一种生产具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板的方法，包括以下步骤：
(1)炼钢生产板坯：采用Ti的氧化物冶金技术生产高质量的板坯；
(2)轧制钢板：采用控制轧制技术生产相应厚度的钢板；
(3)离线淬火：淬火加热温度890～910℃、在炉时间不少于30min、冷却；
(4)回火：加热温度200～400℃、在炉时间4～5min/mm×板厚、空冷。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(3)中的在炉时间为1.8min/mm×板厚。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明中的马氏体在原奥氏体晶内形核并向四周产生切变长大，形成一种篮筐编结马氏体金相组织；如图11、12所示。
2、本发明中的篮筐编结马氏体金相组织有较好阻止裂纹扩展的能力，-40℃低温冲击断口形貌有大量韧窝，有此组织的材料低温冲击韧性高，满足极寒地区使用的要求；篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢比板条组织的耐磨钢的耐磨性能好；炼钢采用Ti的氧化物冶炼技术使得晶内篮筐编结马氏体能满足大线能量焊接的要求，提高了焊接效率。
3、本发明中篮筐编结马氏体金相组织钢板有高的回火抗力，利用此特征可柔性生产各个级别的耐磨钢板(NM400、NM450、NM500)；回火工艺温度提高减少了钢板火焰切割的开裂及钢板自然开裂倾向。
4、本发明中篮筐编结马氏体金相组织钢板只需要低成分合金含量，不采用Cr、Mo、Nb等合金元素，具有该组织的耐磨钢板生产成本低。
附图说明
图1是WNM-400钢板热轧的金相组织图；
图2是WNM-400钢板的金相组织图；
图3是ANM-400钢板的金相组织图；
图4是JNM-400钢板的金相组织图；
图5是SNM-400钢板的金相组织图；
图6是JNM-400G钢常温冲击断口的金相组织图；
图7是SNM-400钢-40℃冲击断口的金相组织图；
图8是不同淬火状态下实验钢板的板条金相组织形貌图；
图9是不同淬火状态下实验钢板的位错金相组织形貌图；
图10是Q-P处理耐磨钢板的金相组织图；
图11是钢板淬火金相组织图；
图12是原奥氏体晶粒内马氏体形核位置图；
图13是本发明耐磨钢板的金相组织系列温度回火金相组织及-40℃低温冲击断口形貌图；
图14是PYNM500钢板回火金相组织及-40℃低温冲击断口形貌图；
图15是PYNM450钢板回火组织及-40℃低温冲击断口形貌图；
图16是PYNM400钢板回火金相组织及-40℃低温冲击断口形貌图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板，耐磨钢板的化学成分质量百分比为：C＝0.15～0.25，Si＝0.8～2.0，Mn＝1.0～2.0，P≤0.020，S≤0.005，Ti＝0.070～0.20，B＝0.0010～0.0025，余量为Fe和不可避免的杂质；耐磨钢板的金相组织，是原奥氏体晶内形核切变长大形成的篮筐编结马氏体组织。
一种生产具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板的方法，包括以下步骤：
(1)炼钢生产板坯：采用Ti的氧化物冶金技术生产高质量的板坯；
(2)轧制钢板：采用控制轧制技术生产相应厚度的钢板；
(3)离线淬火：淬火加热温度890～910℃、在炉时间1.8min/mm×板厚、在炉时间不少于30min、冷却；
(4)回火：加热温度200～400℃、在炉时间4～5min/mm×板厚、空冷。
本发明生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板力学性能如表5所示：
表5厚度20mm耐磨钢板力学性能实绩
从表5可以看出生产厚度为20mm的耐磨钢板，回火温度对于钢板力学性能的影响如下：
回火温度为200℃时，屈服强度≥1145MPa，Rm≥1689MPa，伸长率≥20.5％，-40℃AKV2≥59J，硬度≥515HB。
回火温度为300℃时，屈服强度≥990MPa，Rm≥1391MPa，伸长率≥18％，-40℃AKV2≥46J，硬度≥448HB。
回火温度为400℃时，屈服强度≥941MPa，Rm≥1317MPa，伸长率≥18％，-40℃AKV2≥48J，硬度≥403HB。
从以上数据可以看出，采用本发明生产方法生产的耐磨钢板性能稳定，能够满足相关使用要求。
本发明生产的PYNM400耐磨钢板与离线淬火的WNM400钢板冲击磨损试验对比结果如表6所示：
表6冲击磨损试验对比结果
从表6可以看出：本发明生产的PYNM400耐磨钢板的耐磨性明显高于离线淬火的WNM400钢板的耐磨性。
本发明生产的耐磨钢板的金相组织，如图13所示，由图13可见，金相组织与其他方法生产的耐磨钢板的金相组织明显不一样。
以下是具体的实施例
实施例1
生产具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM500耐磨钢板，工艺过程如下：
炼钢应用Ti氧化物冶金生产高质量钢坯，钢的化学成分质量百分比为C＝0.20，Si＝1.05，Mn＝1.33，P＝0.015，S＝0.003，Ti＝0.078，B＝0.0020，Ni＝0.18，余量为Fe和不可避免的杂质。
生产工艺路线：炼钢生产板坯→轧制钢板→离线淬火→回火。
(1)炼钢生产板坯：采用Ti的氧化物冶金技术生产高质量的320×2000mm断面板坯。
(2)轧制钢板：采用控制轧制技术生产30×2200×12000mm的钢板，钢板厚度为30mm。
(3)离线淬火：淬火加热温度910℃、在炉时间1.8×30＝54min、冷却。
(4)回火：加热温度200℃、在炉时间5×30＝150min、空冷。
本实施例生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM500耐磨钢板的性能检验结果如表7所示：
表7 PYNM500耐磨钢板性能检验结果
从表7可以看出：PYNM500耐磨钢板厚度规格为30mm，屈服强度≥1149MPa，Rm≥1678MPa，伸长率≥20.5％，-40℃AKV2≥61J，硬度≥507HB，从实例可以看出，采用本发明生产方法生产的钢板性能稳定，能够满足使用要求。
本实施例生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM500耐磨钢板回火后的金相组织及-40℃低温冲击断口形貌，如图14所示。
实施例2
生产具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM450耐磨钢板，工艺过程如下：
炼钢应用Ti氧化物冶金生产高质量钢坯，钢的化学成分质量百分比为C＝0.20，Si＝1.05，Mn＝1.33，P＝0.015，S＝0.003，Ti＝0.078，B＝0.0020，Ni＝0.18，余量为Fe和不可避免的杂质。
生产工艺路线：炼钢生产板坯→轧钢轧制钢板→离线淬火→回火。
(1)炼钢生产板坯：采用Ti的氧化物冶金技术生产高质量的320×2000断面板坯。
(2)轧制钢板：采用控制轧制技术生产30×2200×12000mm的钢板，钢板厚度为30mm。
(3)离线淬火：淬火加热温度900℃、在炉时间1.8×30＝54min、冷却。
(4)回火：加热温度300℃、在炉时间5×30＝150min、空冷。
本实施例生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM450耐磨钢板的性能检验结果如表8所示：
表8 PYNM450耐磨钢板性能检验结果
从表8可以看出：PYNM450耐磨钢板厚度规格为30mm，屈服强度≥991MPa，Rm≥1392MPa，伸长率≥18.5％，-40℃AKV2≥52J，硬度≥448HB，从实例可以看出，采用本发明生产方法生产的耐磨钢板性能稳定，能够满足使用要求。
本实施例生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM450钢板回火后的金相组织及-40℃低温冲击断口形貌，如图15所示。
实施例3
生产具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM400耐磨钢板，工艺过程如下：
炼钢应用Ti氧化物冶金生产高质量钢坯，钢的化学成分质量百分比为C＝0.20，Si＝1.05，Mn＝1.33，P＝0.015，S＝0.003，Ti＝0.078，B＝0.0020，Ni＝0.18，余量为Fe和不可避免的杂质。
生产工艺路线：炼钢生产板坯→轧制钢板→离线淬火→回火。
(1)炼钢生产板坯：采用Ti的氧化物冶金技术生产高质量的320×2000断面板坯。
(2)轧制钢板：采用控制轧制技术生产30×2200×12000mm的钢板，钢板厚度为30mm。
(3)离线淬火：淬火加热温度890℃、在炉时间1.8×30＝54min、冷却。
(4)回火：加热温度400℃、在炉时间5×30＝150min、空冷。
本实施例生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM400耐磨钢板的性能检验结果如表9所示：
表9 PYNM400耐磨钢板性能检验结果
从表9可以看出：PYNM400耐磨钢板厚度规格为30mm，屈服强度≥942MPa，Rm≥1309MPa，伸长率≥19％，-40℃AKV2≥47J，硬度≥398HB，从实例可以看出，采用本发明生产的耐磨钢板性能稳定，能够满足使用要求。
本实施例生产的具有篮筐编结马氏体金相组织的PYNM400耐磨钢板回火后的金相组织及-40℃低温冲击断口形貌，如图16所示。
本发明的工艺参数(如化学成分质量百分比、温度、时间等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
综上所述，本发明是针对现有技术生产的耐磨钢板冷弯成型性能、焊接性能差而研发的一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板及生产方法，通过降低合金含量，不采用Cr、Mo、Nb等合金元素；炼钢采用Ti的氧化物冶炼技术；提高回火工艺温度；柔性生产各个级别的耐磨钢板(NM400、NM450、NM500)，有效的提升了耐磨钢板的冷弯成型性能及焊接性能，能够满足极寒地区使用的要求。
Claims (3)
1.一种具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板，其特征在于：耐磨钢板的化学成分质量百分比为：C=0.15～0.25，Si=0.8～2.0，Mn=1.0～2.0，P≤0.020，S≤0.005，Ti=0.070～0.20，B=0.0010～0.0025，余量为Fe和不可避免的杂质；耐磨钢板的金相组织，是原奥氏体晶内形核切变长大形成的篮筐编结马氏体组织。
2.一种生产具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）炼钢生产板坯：采用Ti的氧化物冶金技术生产高质量的板坯；
（2）轧制钢板：采用控制轧制技术生产相应厚度的钢板；
（3）离线淬火：淬火加热温度890～910℃、在炉时间不少于30min、冷却；
（4）回火：加热温度200～400℃、在炉时间4～5min/mm×板厚、空冷。
3.根据权利要求2所述的一种生产具有篮筐编结马氏体金相组织的耐磨钢板的方法，其特征在于：步骤（3）中在炉时间为1.8min/mm×板厚。
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