CN113215488A - 一种免热处理nm360耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种免热处理NM360耐磨钢板及其制造方法，成分：C0.15‑0.25％；Si1.0‑2.5％；Mn1.5‑2.5％；P≤0.012％；S≤0.005％；Nb0.010‑0.060％；Ti0.010‑0.060％；V0.010‑0.050％；Als0.020‑0.060％；B0.0010‑0.0030％；H≤0.00015％；N≤0.0030％；O≤0.0030％；其余为Fe及不可避免的夹杂。采用轧制后直接三段冷却的制造方法，产品屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1200MPa，冷弯性能180°，D＝4a合格，工艺流程短、生产成本低、产品强硬度高、耐磨性高、冷弯成形性能好。

Description

一种免热处理NM360耐磨钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢生产工艺技术领域，特别涉及到一种免热处理NM360耐磨钢板及其制造方法。
背景技术
随着国家倡导低碳排放、节能减排、绿色环保、治超等政策的全面实施，轻量化、重载化、高服役寿命已成为是商用车行业发展的必然趋势，这就对材料的综合性能提出更高要求，不仅具有高强度、高硬度、高韧性，而且兼具高耐磨性和成本经济性。作为轻量化最直接、有效的方法之一，超高强钢、尤其是耐磨钢的需求愈发迫切。
工业应用的耐磨钢材料主要有三大类：高锰钢、耐磨铸铁(钢)和低合金耐磨钢，相对于高锰钢、耐磨铸铁(钢)，低合金耐磨钢不但具有高强韧性、高硬度、高耐磨性，而且生产成本相对低、应用领域更广，在工程、采矿、建筑、水泥、电力以及冶金等机械领域均有应用。按照显微组织划分，低合金耐磨钢可分为马氏体耐磨钢、贝氏体耐磨钢、马氏体-铁素体耐磨钢、马氏体-贝氏体耐磨钢、奥氏体-贝氏体耐磨钢。相对于奥氏体、贝氏体、铁素体组织，马氏体组织强度高、硬度高、耐磨性能高，且生产工艺过程控制相对简单，目前工业应用最广泛。
但马氏体耐磨钢，一方面，其化学成分设计上往往添加Cr、Mo、Ni以及稀土等贵重合金元素，合金成分设计复杂且成本较高；另一方面，其主流生产技术主要为热轧+淬火+回火热处理和热轧+离线回火热处理工艺两种，材料强硬度、耐磨性主要取决于热处理工序，不仅生产工艺流程长、能耗高、成本高，而且热处理后组织为硬、脆相马氏体，内应力大、屈强比高，冷弯成形性能受限，仅能保证90°，D＝6a(D-弯曲压头直径，a-试样厚度)合格。
2016年8月17日公开的公开号为CN 105861939 A的专利一种生产NM360钢的方法，采用Mo、Cr、Nb、Ti微合金化成分设计，通过控制轧制后弛豫超快速冷却工艺得到NM360级别耐磨钢，但其应用产线为中厚板生产线，非热连轧板带轧制生产线，且产品厚度规格≥8mm，不适用于≤6mm薄规格产品。
2017年8月29日公开的公开号为CN107099731 A的一种在线淬火生产薄规格高Ti耐磨钢NM360的方法和2017年7月28日公开的公开号CN106987760 A的一种在线淬火生产薄规格高Ti耐磨钢NM400的方法，均采用Cr、Mo、Nb、Ti、B微合金化成分设计，合金含量多，成本高，而且应用生产线为薄板坯连铸连轧短流程，生产工艺流程不同，不是传统热连轧板带流程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种免热处理NM360耐磨钢板，产品强硬度高、冷弯成形性能好。
本发明另一目的在于提供一种免热处理NM360耐磨钢板的制造方法，在常规热连轧生产线通过免热处理TMCP工艺实现NM360级别耐磨钢板工业生产，具有工艺流程短、生产成本低的特点。
本发明具体技术方案如下：
一种免热处理NM360耐磨钢板，其化学成分重量百分比含量为C：0.15-0.25％；Si：1.0-2.5％；Mn：1.5-2.5％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；Nb：0.010-0.060％；Ti：0.010-0.060％；V：0.010-0.050％；Als：0.020-0.060％；B：0.0010-0.0030％；H：≤0.00015％；N：≤0.0030％；O：≤0.0030％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述免热处理NM360耐磨钢板，其显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数为75-85％，铁素体体积分数为15-25％，铁素体平均晶粒尺寸为3-8μm；
所述免热处理NM360耐磨钢板厚度3.0-6.0mm；
所述免热处理NM360耐磨钢板的屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1200MPa，延伸率A50≥15％，冷弯性能180°，D＝4a合格，表面布氏硬度≥360HBW，-20℃冲击功AkV≥20J(试样尺寸：2.5×10×55mm)，产品性能满足GB/T24186-2009中NM360技术要求，且冷弯成形良好。
本发明提供的一种免热处理NM360耐磨钢板的制造方法，包括轧制。
所述轧制具体为：粗轧开轧温度为1100-1150℃，精轧开轧温度为950-1050℃，精轧终轧温度为850-900℃；精轧采用小凸度轧制模式，凸度C40＝40±10μm。
进一步的，轧制采用2机架粗轧和7机架精轧热连轧机组进行轧制，粗轧累积压下率为≥80％，精轧累积压下率为≥80％；
粗轧执行全道次除鳞工艺，精轧机组入口进行高压水除鳞，F1-F3机架间二次除鳞均打开。
所述轧制后直接冷却，所述冷却是指：终轧后以≥100℃/s的冷却速度进行快速冷却，接着空冷3-8s后冷却至700-750℃，再将钢板以50-100℃/s的冷却速度冷却至200-300℃进行卷取；
卷取后空冷至室温，最后经平整、横切开平后成品，其中，平整轧制力为4000-6000kN。
所述轧制前进行加热，所述加热是指铸坯热装进入加热炉，加热温度为1200-1250℃，保温时间为2-2.5h；
优选的，控制铸坯入炉温度≥450℃。
进一步的，本发明还包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空循环脱气精炼、连铸，具体为：按照配方化学成分进行转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空循环脱气精炼；所述连铸采用全保护浇注，并投用动态轻压下或电磁搅拌，铸坯出连铸机经切割后直接热装进入加热炉，控制铸坯入炉温度≥450℃。
本发明化学成分设计采用高Si、高Mn，Nb、V、Ti、B微合金化设计思路。
C:0.15-0.25％，作为钢中的基本元素，对提高钢的强度、硬度起着非常重要的作用，C含量直接影响马氏体体积分数以及马氏体硬度，C含量过低不能保证马氏体体积分数和硬度，进而材料强度和耐磨性得不到保证，为了获得较高的强度、硬度，必须保证C的含量在0.15％以上，但C含量不宜过高，否则，轧制冷却过程中难以形成一定比例的铁素体，影响材料的塑韧性；
Si：1.0-2.5％，Si作为本发明重要的元素之一，Si作为扩大奥氏体区的元素，可促进空冷阶段铁素体组织形成，扩大空冷段软相铁素体组织形成的冷却工艺窗口，但Si含量过高一方面，表面氧化铁皮太多、红锈现象严重，不利于表面质量的控制；另一方面，会增加材料脆性，不利于提高冲击性能。
Mn：1.5-2.5％，Mn作为钢的强化元素，可以显著提高钢的淬透性，提高钢的强度，为了保证钢的强度，Mn含量应控制在1.5％以上，但Mn作为稳定奥氏体区元素，Mn含量过高会导致空冷段无法形成一定数量软相铁素体组织，不利于钢的和冲击韧性。同时，Mn含量过高会增加铸坯偏析风险。
P、S、O作为杂质元素，会对钢的塑性、成形、焊接等性能产生不利影响，其含量越低越好，考虑生产成本因素，实际生产中控制P：≤0.012％，S：≤0.005％，O：≤0.0030％；
N：≤0.0030％，含B钢中，N会与B生成BN，降低有效B含量，降低B对材料淬透性的影响。
H：≤0.00015％，钢水中的H含量过高会增加钢的氢脆敏感性，尤其对于超高强钢而言还会产生氢致延迟开裂，对钢的塑韧性等使用性能不利。
Nb：0.010-0.060％，主要通过细化晶粒来提高钢的强度和冲击性能、冷弯成形性能的提高。
Ti：0.010-0.060％，一方面，Ti与Nb元素配合，细化奥氏体晶粒并对最终转变的马氏体和铁素体组织起到细化作用，提高钢的强度；二是提高材料焊接性能，Ti与N结合形成TiN对焊接过程中奥氏体晶粒粗化有明显抑制作用。
V：0.010-0.050％，一方面，V作为强碳化物形成元素，与C、N元素形成的V(C、N)弥散分布在钢的基体中主要起到析出强化的作用，提高钢的强度；另一方面，V在加热过程中还可以钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
Als：0.020-0.060％，Als在钢中主要起脱氧作用，但Als不能过高，Als过高会与钢中的N发生反应析出粗大的AlN颗粒，不利于晶粒细化作用。
B：0.0010-0.0030％，B作为本发明的重要元素，添加B元素一方面为了增加钢的淬透性，另一方面，B作为稳定奥氏体区元素，可以提高轧制冷却过程中奥氏体向铁素体、马氏体转变的一致性，减少钢板表面温度波动对相变一致性的影响，进而有利于提高力学性能稳定性。同时硼铁合金成本低，兼具成本经济性。B含量达到0.0008％时可明显提高淬透性，但B含量不宜过高，B作为稳定奥氏体区元素，会强烈推迟奥氏体向铁素体转变，即使通过延长空冷时间也难以形成一定比例的铁素体，或者通过降低空冷段温度增加过冷度进而奥氏体向铁素体相变驱动力，但会发生贝氏体相变，导致冷却工艺窗口变窄。因此，B含量宜控制在0.0010-0.0030％。
本发明铸坯直接热装进入加热炉，控制铸坯入炉温度≥450℃，主要目的是避免铸坯表面产生裂纹。本发明在热轧工艺设计上，材料强化途径主要为细晶强化+相变强化，其目标显微组织为马氏体+铁素体(马氏体为主)，硬相马氏体用于提高材料强度、硬度和耐磨性，软相铁素体用于改善材料塑韧性和冷弯成形性能。加热温度控制在1200-1250℃，主要基于Nb、Ti第二相粒子固溶效果、提升Nb、Ti第二相析出强化效果和控制氧化铁皮厚度、改善带钢表面质量考虑，加热温度过低，Nb、Ti第二相粒子不能充分固溶，导致未固溶的第二相粒子尺寸较大，对于钉轧奥氏体晶界、细化奥氏体晶粒尺寸以及析出强化效果均不利；加热温度过高，Si与FeO发生反应生成铁橄榄石Fe2SiO4，氧化铁皮难以去除，影响带钢的表面质量；，粗轧执行全道次除鳞工艺，精轧机组入口进行高压水除鳞，F1-F3机架间二次除鳞均打开，主要基于本发明Si含量较高氧化铁皮生成量较多、最大程度降低氧化铁皮厚度、提高材料表面质量考虑，终轧温度控制在850-900℃，在保证轧制稳定性的前提下，以较低的终轧温度有利于细化原始奥氏体晶粒尺寸，提高细晶强化效果。精轧采用小凸度轧制，主要目的在于控制板宽方向厚度精度，减少后续冷却过程中因板宽方向厚度波动造成奥氏体向铁素体转变的不一致性，影响钢板板形和力学性能均匀性；轧后采用分段冷却模式，可实现材料组织中存在少量软相铁素体，并采用合理的卷取温度控制马氏体自回火效果，最终目标显微组织为75％-85％马氏体+15％-25％铁素体，硬相马氏体用于提高材料强度、硬度和耐磨性，软相铁素体用于改善材料塑韧性和冷弯成形性能。终轧后第一段冷却速度控制在100℃/s以上，其目的是使材料快速进入铁素体相变区域，并充分细化转变形成的铁素体晶粒，进而有利于材料冷弯性能和冲击性能的提高；第二段空冷时间控制在3-8s，空冷结束温度控制在700-750℃，其目的是为了获得一定比例的铁素体组织，且有利于保证板形。空冷时间过长、铁素体比例多、铁素体晶粒尺寸大反而不利于材料强度、硬度的提升；空冷结束温度>750℃，空冷结束温度处于铁素体相变区域高温段，过冷度小、相变驱动力低，导致铁素体组织比例少且铁素体晶粒尺寸长大速度较快、铁素体晶粒尺寸大；空冷结束温度过低，尤其是低于670℃，虽然可以获得一定比例铁素体，但铁素体比例相对较多，不利于保证材料强、硬度；第三段冷却速度控制在50-100℃/s以上，其目的是使未转变的奥氏体组织快速转变为细小马氏体组织，冷却速度过低会形成一定比例贝氏体组织；卷取温度控制在200-300℃，其目的是控制马氏体自回火效果，卷取温度太高，转变形成的马氏体自回火程度大，马氏体内部发生分解会降低材料的强度；卷取温度太低，一方面，板宽、长度方向卷取温度波动范围较大、卷取均匀性、材料力学性能稳定性以及板形均难以保证，另一方面，材料的屈服强度偏低、屈强比较低，易发生塑性变形，不利于高强耐磨结构件服役安全性。为了改善材料板形以及提高提高开平板板形合格率，本发明热轧后增加平整工序，平整轧制力为4000～6000kN，平整轧制力太小、太大均不利于改善板形。
本发明在常规热连轧生产线通过免热处理TMCP工艺实现NM360级别耐磨钢板工业生产，通过合理合金成分设计，结合相匹配的免热处理TMCP工艺技术，在常规热连轧板带生产线上实现良好冷弯成形性能的NM360级别耐磨钢板生产。生产的钢板显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数为75-85％，铁素体体积分数为15-25％，铁素体平均晶粒尺寸为3-8μm，屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1200MPa，延伸率A50≥15％，冷弯性能180°，D＝4a合格，表面布氏硬度≥360HBW，-20℃冲击功Akv≥20J(试样尺寸：2.5×10×55mm)，产品性能满足GB/T24186-2009中NM360技术要求。本发明生产的NM360级别耐磨钢板，具有工艺流程短、生产成本低、产品强硬度高、冷弯成形性能好等特点。
附图说明
图1实施例1钢板对应的典型金相组织；
图2实施例2钢板对应的典型金相组织；
图3实施例3钢板对应的典型金相组织；
图4实施例4钢板对应的典型金相组织；
图5对比例1钢板对应的典型金相组织；
图6对比例2钢板对应的典型金相组织。
具体实施方式
下面通过具体实施例、对比例对本发明的技术方案予以说明。
一种免热处理NM360耐磨钢板，其化学成分重量百分比含量为C：0.15-0.25％；Si：1.0-2.5％；Mn：1.5-2.5％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；Nb：0.010-0.060％；Ti：0.010-0.060％；V：0.010-0.050％；Als：0.020-0.060％；B：0.0010-0.0030％；H：≤0.00015％；N：≤0.0030％；O：≤0.0030％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
实施例1-实施例4，对比例1-对比例2
一种免热处理NM360耐磨钢板，其化学成分如表1所示，表1没有显示的余量为Fe及不可避免的杂质。
表1各实施例、对比例的实测化学成分(质量百分数，wt％)
编号 C Si Mn P S Nb Ti V Als B H O N
实施例1 0.15 1.23 1.75 0.010 0.004 0.056 0.021 0.012 0.039 0.0011 0.00012 0.0019 0.0024
实施例2 0.16 1.63 1.68 0.008 0.005 0.015 0.058 0.025 0.053 0.0013 0.00014 0.0016 0.0019
实施例3 0.17 1.85 1.72 0.007 0.006 0.035 0.031 0.033 0.045 0.0016 0.00013 0.0010 0.0027
实施例4 0.22 2.31 2.23 0.009 0.005 0.026 0.035 0.050 0.030 0.0021 0.00012 0.0018 0.0022
对比例1 0.17 1.60 1.80 0.010 0.005 0.034 0.036 0.038 0.041 0.0015 0.00013 0.0011 0.0028
对比例2 0.12 1.20 1.25 0.011 0.003 0.036 0.029 0.032 0.038 0.0008 0.00013 0.0011 0.0028
上述实施例1-实施例4所述免热处理NM360耐磨钢板的制造方法为：进行转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空循环脱气精炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取、平整以及开平工艺。
1)冶炼、精炼、连铸，按照上述要求1中的化学成分进行转炉冶炼、精炼，连铸采用全保护浇注，并投用动态轻压下或电磁搅拌，铸坯出连铸机经切割后直接热装进入加热炉，控制铸坯入炉温度≥450℃。
2)加热、轧制，铸坯加热温度为1200-1250℃，保温时间为2-2.5h；轧制采用2机架粗轧和7机架精轧热连轧机组进行轧制，粗轧开轧温度为1100-1150℃，精轧开轧温度为950-1050℃，粗轧执行全道次除鳞工艺，精轧机组入口进行高压水除鳞，F1-F3机架间二次除鳞均打开，精轧终轧温度为850-900℃；精轧采用小凸度轧制模式，凸度C40＝40±10μm。
3)冷却：终轧后以≥100℃/s的冷却速度进行快速冷却，接着空冷3-8s后冷却至700-750℃，再将钢板以50-100℃/s的冷却速度冷却至200-300℃进行卷取，卷取后空冷至室温，最后经平整、横切开平后成品，平整轧制力为4000-6000kN。
各实施例、对比例生产具体工艺参数如表2所示。
表2各实施例、对比例的主要轧制工艺参数
Figure BDA0003054077660000091
实施例1-实施例4、对比例1-对比例2生产的钢板的显微组织组成相比例、晶粒尺寸如表3所示。实施例1-实施例4、对比例1-对比例2和调质热处理生产的NM360对比例3-对比例4对应的力学性能如表4所示，耐磨试验磨损失重量如表5所示。可以看出，本发明对应实施例的强度、延伸率、硬度、耐磨性能均达到传统NM360实物水平，且冷弯性能更好。
表3各实施例、对比例的显微组织组成相比例、尺寸
编号 马氏体体积分数(％) 铁素体体积分数(％) 铁素体平均晶粒尺寸(μm)
实施例1 79.83 20.17 5.73
实施例2 81.18 18.82 6.01
实施例3 82.44 17.56 6.68
实施例4 83.19 16.81 5.96
对比例1 57.59 42.41 7.43
对比例2 52.56 47.44 8.92
表4各实施例和对比例钢板力学性能
Figure BDA0003054077660000101
注：对比例3和对比例4为调质热处理生成的传统NM360钢板，其化学成分、轧制、热处理生产工艺如下。
对比例3：
NM360钢板成分：C：0.19％；Si：0.33％；Mn：1.55％；P：0.008％；S：0.003％；Cr：0.17％；B：0.0010％；Ti：0.020％；Als：0.030％。
NM360钢板制造方法：钢水经转炉或电炉冶炼加炉外精炼，并连浇铸成板坯。板坯加热温度为1200℃，开轧温度为1100℃，终轧温度为950℃，轧后空冷至室温。钢板轧制进行热处理，包括淬火、回火，其中淬火工艺为淬火温度950℃，保温时间30mmin；回火工艺为：回火温度250℃，保温30min，成品厚度规格5.0mm。
对比例4：
NM360钢板成分：C：0.18％；Si：0.35％；Mn：1.58％；P：0.010％；S：0.002％；Cr：0.20％；B：0.0012％；Ti：0.025％；Als：0.030％。
NM360钢板制造方法：钢水经转炉或电炉冶炼加炉外精炼，并连浇铸成板坯。板坯加热温度为1200℃，开轧温度为1100℃，终轧温度为940℃，轧后空冷至室温。钢板轧制进行热处理，包括淬火、回火，其中淬火工艺为淬火温度950℃，保温时间30min；回火工艺为：回火温度235℃，保温30min，成品厚度规格4.0mm。
表5各实施例和对比例磨损失重量数据
编号 磨损失重量△m(g)
实施例1 1.5532
实施例2 1.5516
实施例3 1.5435
实施例4 1.5422
对比例1 2.0721
对比例2 2.0674
对比例3(NM360) 1.5700
对比例4(NM360) 1.5646
注：磨粒磨损试验在MLS-225型湿式橡胶轮试验机进行，磨粒磨损试验的试样尺寸为：57mm(长度)×25.5mm(宽度)×2.5mm(厚度)，其中57mm×25.5mm面为磨损面，磨损表面磨光。试验参数如下：橡胶轮硬度为60HS，橡胶轮转速240r/min，磨料为石英砂和水按1:1比例混合成的溶液，石英砂颗粒大小为20-40目，载荷为170N。首先将试样磨损面进行1000r预磨，记录试样预磨后重量m1，然后进行40min精磨，记录试样精磨后重量m2，预磨后和精磨后试样均进行超声波清洗，重量采用电子天平(精度为0.1mg)测量。以磨损失重量△m(m1-m2)作为评价材料耐磨性能的主要参数，磨损失重量越小，材料的耐磨性能越好。每种试验材料在相同试验条件下分别选取3块进行磨粒磨损试验，并取3块试样磨损失重量的平均值作为最终磨损失重量。

Claims (10)

1.一种免热处理NM360耐磨钢板，其特征在于，所述免热处理NM360耐磨钢板其化学成分重量百分比含量为C：0.15-0.25％；Si：1.0-2.5％；Mn：1.5-2.5％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；Nb：0.010-0.060％；Ti：0.010-0.060％；V：0.010-0.050％；Als：0.020-0.060％；B：0.0010-0.0030％；H：≤0.00015％；N：≤0.0030％；O：≤0.0030％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
2.根据权利要求1所述的免热处理NM360耐磨钢板，其特征在于，所述免热处理NM360耐磨钢板，其显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数为75-85％，铁素体体积分数为15-25％，铁素体平均晶粒尺寸为3-8μm。
3.根据权利要求1或2所述的免热处理NM360耐磨钢板，其特征在于，所述免热处理NM360耐磨钢板的抗拉强度≥1200MPa，延伸率A50≥15％，冷弯性能180°，D＝4a合格，表面布氏硬度≥360HBW，-20℃冲击功AkV≥20J。
4.一种权利要求1-3任一项所述的免热处理NM360耐磨钢板的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括加热，所述加热是指铸坯热装进入加热炉，加热温度为1200-1250℃，保温时间为2-2.5h。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述加热，控制铸坯入炉温度≥450℃。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括轧制，所述轧制具体为：粗轧开轧温度为1100-1150℃，精轧开轧温度为950-1050℃，精轧终轧温度为850-900℃；精轧采用小凸度轧制模式，凸度C40＝40±10μm。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述轧制粗轧累积压下率为≥80％，精轧累积压下率为≥80％。
8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，粗轧执行全道次除鳞工艺，精轧机组入口进行高压水除鳞，F1-F3机架间二次除鳞均打开。
9.根据权利要求4-7任一项所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括冷却，所述冷却是指：终轧后以≥100℃/s的冷却速度进行快速冷却，接着空冷3-8s后冷却至700-750℃，再将钢板以50-100℃/s的冷却速度冷却至200-300℃进行卷取。
10.根据权利要求4-7任一项所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括平整，平整轧制力为4000-6000kN。
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