CN103233171A - 一种nm400级抗裂纹高强度耐磨钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04~0.08%、Si：0.20~0.50%、Mn：1.20~1.50%、P：≤0.015%、S：≤0.005%、Cr：0.25~0.60%、Mo：0.20~0.50%、Ti：0.005~0.025%、B：0.001~0.005%、Als：0.015~0.05%；生产步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；轧制；水冷却；空冷至室温；回火。本发明合金成本低，合金添加量较少，焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性能优良，并避免了复杂热处理工艺带来的能源损耗，同时大幅缩短生产周期，具有优良的焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性能的同时，由于制造工艺简单且流程短，可使成本降低15%、能耗降低25%，工艺可操作性提高，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。

Description

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢及生产方法

技术领域

本发明属于机械工程用耐磨钢制造领域，特别涉及一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢及其加工方法。

背景技术

磨损一般发生在材料的摩擦表面上，大量统计表明，能源近一半消耗于磨损，材料的80％失效于磨损，若再加上人力更换零部件的停工，机械产品质量差效率低等，则经济损失会更大。据统计，我国每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上，应用摩擦磨损理论防止和减轻摩擦磨损，每年可节约150亿美元。目前可使用的耐磨材料分为金属和金属化合物、陶瓷及其复合材料、塑料等三大类，其中金属耐磨材料仍居主导地位。金属耐磨材料中，有色金属、硬质合金和金属基复合材料由于原材料和制备成本较高，一般只用于特别重要的部件和特殊行业，如航空、航天等。目前实际工程中应用最多、消耗最大的金属抗磨材料仍以耐磨钢板为主。

用于工程机械传统的耐磨钢一般为高锰钢，依靠高锰钢具有的加工硬化性，在其使用过程中受冲击应力作用以后有很强的硬化能力，所以只能在大的冲击载荷下发挥其作用，而对于冲击载荷不大的工况而言其硬度的耐磨性无法提高，而且高锰钢加工硬化后，其屈服强度并不高，在较大力的作用下，工件有时也会产生开裂，难以达到预期的使用寿命。高锰钢大多为铸件，需要特殊热处理和水韧化处理，工艺复杂。近年来，低合金耐磨钢用于制作中小型机械材料，也同样在工程机械领域应用，已被机械行业认可，并成为趋势，为满足工程机械大型化发展趋势，其强度级别有待进一步提高。

然而，目前所有硬度指标HBW/10/3000≥400的耐磨钢普遍存在造价高的问题，主要体现在化学成分和制造工艺上。首先化学成分均添加了大量的贵重合金；制造工艺方面，普遍采用调质工艺生产，能耗和工序成本高。因此研究一种采用低成本制造工艺的高强度耐磨钢有重要意义，其创新性主要 体现在低合金化学成分设计以及非调质制造工艺方面，既提高了强度和耐磨性又大幅降低了制造成本。

经检索，中国专利公开号为CN1109919A的专利文献，公开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。

中国专利公开号为CN102605272A的专利文献，公开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， 将铸锭进行锻造加工，然后进行900℃~940℃正火（保温时间1~3小时）-880℃~920℃淬火（保温时间1~3小时）-150℃~220℃低温回火（保温时间2~4小时）处理，获得具有高强度高、高韧性、高耐磨性的钢板，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。

中国专利公开号为CN102605234A的专利文献，公开了一种400HB级耐磨钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.08~0.24%，Si：0.1~0.3%，Mn：0.7~1.7%，Cr： 1.0%，Mo：0.6%，B：0.0005~0.004%，Ti：0.005~0.04%其余为Fe和微量杂质元素，采用铸造-控轧-调质热处理工艺生产，性能优良，适用于制造工程机械中易磨损设备，不足之处在于采用传统铸造工艺相对连铸工艺效率较低，调质热处理工艺成本较高和生产周期较长，合金成本可进一步降低。

发明内容

本发明针在于克服现有技术存在的不足，提供一种在满足钢种强度和硬度要求，具有优良的焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性能的同时，可使成本降低15%、能耗降低25%、流程短的高强度耐磨钢板NM400及其制造方法。

实现上述目的的措施：

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04~0.08%、Si：0.20~0.50%、Mn：1.20~1.50%、P：≤0.015%、S：≤0.005%、Cr：0.25~0.60%、Mo：0.20~0.50%、Ti：0.005~0.025%、B：0.001~0.005%、Als：0.015~0.05%，其余为Fe和微量杂质元素，CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15≤0.57。

生产一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，加热温度为1180℃～1240℃；

3）进行轧制：控制开轧温度在1050℃～1150℃，终轧温度950℃～1050℃；控制每道次压下率10~30%;

4）进行水冷却：控制开冷温度不低于900℃，在冷却速率不低于20℃/s下，控制终冷温度控制在不超过300℃；

5）空冷至室温；

6）进行回火，回火温度控制在200~400℃；回火时间根据板厚常规确定。

在设计钢的合金成分时，主要考虑了以下两点：即对普通合金元素C、Mn、Cr 、Mo的成分最优化和微量添加元素Ti、B 的有效利用，在满足钢种强度和硬度要求的同时，使生产成本降低，同时提高焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性能。

普通合金元素降低了从奥氏体到铁素体的相变温度，Ar3 的降低扩大了奥氏体未再结晶加工区域，有助于更有效的进行控制轧制。碳会降低焊接性能，因此要尽可能降低碳的含量，由此会引起Ar3 的上升，要依靠添加Mn、Cr、Mo等来控制。最佳合金成分设计应是尽可能同时降低Ar3 和碳当量。Mn、Cr、Mo具有较强的固溶强化作用。Mn可有效降低临界淬火速度，Cr、Mo可显著提高淬透性，对获得马氏体均有益处。但C、Mn、Cr、Mo含量过高会导致焊接性能恶化以及冲击韧性大幅降低，且Cr、Mo含量超过一定范围易形成针状马氏体，提高了钢的回火脆性和热敏感性。综合考虑，设计了C、Mn、Cr的成分范围为：C：0.04~0.08%，Mn：1.20~1.50%，Cr：0.25~0.60%、Mo：0.20~0.50%。

微量添加元素在控制轧制中对下述四个参数，即加热时的奥氏体晶粒、对再结晶的抑制、相变行为和析出强化有很大的影响。加热时，微细的合金析出物TiN等通过阻止晶界移动而细化晶粒，并且，微量的TiN 析出物可以有效的控制再结晶后的晶粒成长。固溶在奥氏体中的Ti在相变时或相变后作为极微细的碳化物、碳氮化物析出，使强度升高。所以，如上所述，微量添加元素是控制轧制所不可缺少的成分。Ti含量过高可能会导致析出相过分长大，析出强化作用将减弱且冲击韧性会恶化，因此控制Ti的含量为0.005~0.025%。

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 或Ti来固定N。其它合金元素尤其是碳氮化物生成元素等在奥氏体中均匀固溶，也有助于提高淬透性，并可提高在高温回火过程中的软化抗力。当B含量达到0.0008%时可明显提高淬透性，但是当B含量高于0.002%时淬透性下降，钢的韧性恶化，且会形成低熔点共晶体，集中于晶粒的边界，这将引起热脆性，增加热加工的困难。故本发明中将B的含量限定在0.001~0.005%。

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。

控轧+直接冷却工艺是获得马氏体组织的关键工序，设计关键在于，通过板坯加热、轧制制度及冷却制度控制钢材高温奥氏体组织形态、控制相变过程，最终控制钢材的组织类型、形态、分布和析出相等因素，满足钢板设计性能要求。本发明通过对轧制道次与压下量的优化分配，控制开轧温度和终轧温度，以稳定钢板在线冷却的入水温度。

本发明与现有技术相比，合金成本低，合金添加量较少，，焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性能优良，并避免了复杂热处理工艺带来的能源损耗，同时大幅缩短生产周期，具有优良的焊接性能和抗火焰切割裂纹敏感性能的同时，由于制造工艺简单且流程短，可使成本降低15%、能耗降低25%，工艺可操作性提高，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

附图为本发明钢的金相组织为回火马氏体的结构图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例经检测后的力学性能列表；

实施例1

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.04%，Si：0.37%，Mn：1.40%，Als：0.015%，P： 0.01%，S： 0.0078%，Cr：0.42 %，Mo：0.30%， Ti：0.014%，B：0.0015%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.483。

生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1190~1200℃；

3）轧制工艺：开轧温度1050~1060℃，终轧温度1020~1030℃，道次压下率：10%；

4）进行水冷，开冷温度在920℃，冷却速度控制在23℃/秒，终冷温度在295~299℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在280~290℃。

实施例2

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.062%，Si：0.39%，Mn：1.42%，Als：0.023%，P： 0.013%，S： 0.0048%，Cr：0.45 %，Mo：0.38%， Ti：0.015%，B：0.0013%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.512。

生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1180~1187℃；

3）轧制工艺：开轧温度1090~1100℃，终轧温度1025~1035℃，道次压下率：15%；

4）进行水冷，开冷温度在930℃，冷却速度控制在25℃/秒，终冷温度在265~275℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在270~290℃。

实施例3

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.072%，Si：0.33%，Mn：1.35%，Als：0.022%，P： 0.011%，S： 0.0022%，Cr：0.26 %，Mo：0.47%， Ti：0.021%，B：0.0023%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15≤0.57。

生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1230~1240℃；

3）轧制工艺：开轧温度1120~1130℃，终轧温度1040~1050℃，道次压下率：20%；

4）进行水冷，开冷温度在940℃，冷却速度控制在27℃/秒，终冷温度在275~295℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在310~320℃。

实施例4

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.08%，Si：0.39%，Mn：1.39%，Als：0.027%，P： 0.014%，S： 0.0029%，Cr：0.43 %，Mo：0.42%， Ti：0.019%，B：0.0022%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.531。

生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1203~1213℃；

3）轧制工艺：开轧温度1140~1150℃，终轧温度955℃，道次压下率：25%；

4）在线进行淬火，开冷温度在915℃，冷却速度控制在22℃/秒，终冷温度在245~265℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在255~260℃。

实施例5

一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量：C：0.052%，Si：0.36%，Mn：1.30%，Als：0.029%，P： 0.014%，S： 0.0020%，Cr：0.29 %，Mo：0.44%， Ti：0.023%，B：0.003%，其余为Fe和微量杂质元素，并满足CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15=0.533。

生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行加热，加热温度控制在1210~1220℃；

3）轧制工艺：开轧温度1125~1135℃，终轧温度1030~1040℃，道次压下率：30%；

4）进行水冷，开冷温度在910℃，冷却速度控制在29℃/秒，终冷温度在273~280℃；

5）自然冷却至室温；

6）进行回火，回火温度控制在380~395℃。

表1为上述各实施例经检测后的力学性能情况列表。

表1  各实施例经检测后力学性能结果列表

实施例	规格/mm	ReL/MPa	Rm/MPa	A/%	-20℃冲击功/J	HBW/10/3000
							1	10	1080	1250	12	55	430
2	20	1070	1230	12.5	65	420
							3	30	1075	1245	12	80	425
4	35	1065	1235	13	70	410
							5	40	1060	1205	14	75	405

从表1中可看出，本发明钢板厚度规格范围为10~40mm，屈服强度≥1050MPa，Rm≥1200MPa，延伸率≥12%，-20℃Akv≥40J，HBW/10/3000≥400。从实例可以看出，采用热机械加工+回火工艺生产的钢板性能稳定。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种NM400级抗裂纹高强度耐磨钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04~0.08%、Si：0.20~0.50%、Mn：1.20~1.50%、P：≤0.015%、S：≤0.005%、Cr：0.25~0.60%、Mo：0.20~0.50%、Ti：0.005~0.025%、B：0.001~0.005%、Als：0.015~0.05%，其余为Fe和微量杂质元素，CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+ (Ni+Cu)/15≤0.57。

2.生产权利要求1所述的一种HB400级抗裂纹高强度马氏体耐磨钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，加热温度为1180℃～1240℃；

3）进行轧制：开轧温度在1050℃～1150℃，终轧温度950℃～1050℃；控制每道次压下率10~30%;

4）进行水冷却，控制开冷温度不低于900℃，在冷却速率不低于20℃/s下，控制终冷温度控制在不超过300℃；

5）空冷至室温；

6）进行回火，回火温度控制在200~400℃；回火时间根据板厚常规确定。

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