CN105002439B - 一种布氏硬度400级耐磨钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了布氏硬度400级耐磨钢及其制造方法，钢的化学成分按质量百分比为：C 0.14～0.21％，Si 0.20～0.40％，Mn 0.9～1.4％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr 0.5～0.8％，Ni 0.05～0.08％，Mo 0.2～0.4，Als 0.02～0.05％，Ti 0.02～0.03，V≤0.02％，B≤0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。制造方法包括如下步骤：按配比化学成分进行真空冶炼并浇铸成坯，然后再进行板坯加热、轧制、冷却、淬火、低温回火处理制得钢板成品。本耐磨钢的残余应力均匀性好，在使用过程中不发生开裂和变形，耐磨，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于钢铁制造领域，具体涉及一种布氏硬度400级耐磨钢及其制造方法。
背景技术
耐磨钢是广泛应用于各种磨损工况下的一类钢铁材料，其目的在于减缓机械部件的磨损消耗，提高产品的寿命，延长机械产品因磨损而发生失效行为的时间，要求具有较高的硬度值以保证恶劣工况下的耐摩擦磨损性能。
残余应力是影响耐磨钢使用的关键参数，与钢板的开裂以及表面的耐磨性有直接关系。而通常的耐磨钢硬度值高，其内残余应力大，均匀性不好，很容易在使用过程中发生钢板开裂的问题；另外，表面的残余应力还与耐磨性有一定关系，钢板表面如果是压应力，则对提高钢板的耐磨性能和疲劳性能有提升作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种布氏硬度400级耐磨钢及其制造方法，制造方法通过对残余应力有较大影响的重要化学成分C、Si、Mn、Cr、B等元素的控制，并采用合理的淬火、回火热处理工艺，使耐磨钢在拥有优良耐磨性和较高韧性的同时，在其表面具有均匀压应力，进一步增强其耐磨性能和抗疲劳性能；本耐磨钢的残余应力均匀性好，在使用过程中不发生开裂和变形，耐磨，使用寿命长。
本发明是这样实现的：
一种布氏硬度400级耐磨钢，钢的化学成分按质量百分比为：C 0.14～0.21％，Si0.20～0.40％，Mn 0.9～1.4％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr 0.5～0.8％，Ni 0.05～0.08％，Mo 0.2～0.4，Als 0.02～0.05％，Ti 0.02～0.03，V≤0.02％，B≤0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明的碳(C)含量为0.14～0.21％。碳是影响耐磨钢强度、硬度、韧性及淬透性的重要元素，也是影响钢显微组织最为重要的元素；随着碳含量增加，钢的硬度增加，冲击韧性显著下降，耐磨性逐渐提高；碳含量过高，钢中的碳化物量过多，热处理后形成的是高碳片状马氏体，钢的硬度高而韧性低，且热处理过程中容易开裂；碳含量过低，钢的淬硬性不足，硬度过低，耐磨性不足。
本发明的硅(Si)含量为0.20～0.40％。在炼钢过程中，硅用作还原剂和脱氧剂。硅是非碳化物形成元素，是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体。因此可以强化铁素体，提高钢的强度和硬度，同时可以降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。硅还可提高钢的回火稳定性和抗氧化性，它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，仅次于磷，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。另外，硅使钢呈带状组织，使钢材的横向性能低于纵向性能。但硅含量过高会出现块状铁素体，使钢的韧性降低并易产生淬火裂纹；并且残余奥氏体显著增加，使钢的硬度降低。当硅的含量较高时，可能使碳化铁(Fe3C)分解，使碳游离而呈石墨状态存在，即有所谓的石墨化作用。在退火时，表面也容易脱碳。
本发明的锰(Mn)的含量为0.9～1.4％。锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，能消除或减弱因硫所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，强化基体；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，生成碳化锰(Mn3C)，它与碳化铁(Fe3C)能相互溶解，在钢中形成在合金(碳化物(Fe Mn)3C型化合物)，从而提高钢的强度、硬度和耐磨性。锰可降低临界冷却速度，促进马氏体形成，提高钢的淬透性。锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰扩大铁碳平衡相图中的γ相区，它使钢形成和稳定奥氏体组织的能力仅次于镍。淬火后易得到马氏体组织。但锰是过热敏感性元素，淬火时加热温度过高会引起晶粒粗大；锰在凝固时偏析系数较大，很容易在晶界偏聚，对钢的性能产生不利影响，并会导致钢的淬火组织中残余奥氏体量增加，所以锰含量控制在0.9～1.4％之间。
本发明的磷(P)的含量≤0.015％，硫(S)的含量≤0.008％。硫存在于钢铁中会使钢变的热脆，而磷在结晶过程中易产生偏析，从而在钢中的局部区域产生冷脆。硫、磷对于耐磨钢残余应力控制而言是有害杂质元素，应尽力消除。
本发明的铬(Cr)的含量为0.5～0.8％。铬有利于钢的固溶强化并适宜碳化物的形成，进而提高钢的高温强度、硬度和耐磨性能。铬增加钢的淬透性，尤其与锰、硅合理搭配能大大提高淬透性，但同时也增加钢的回火脆性倾向。铬能固溶于铁素体中而产生固溶强化效应，提高焊缝金属的抗拉强度和屈服点。但其含量超过0.8％，会使焊缝金属韧性明显下降。
本发明的镍(Ni)的含量为0.05～0.08％。镍和碳不形成碳化物，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，加入一定的镍可提高淬透性，使钢的组织在常温下保留少量残余奥氏体，以提高其韧性。镍元素能够提高钢材本身的冲击韧性，尤其是对钢材的低温冲击改善较大。
本发明的钼(Mo)的含量为0.2～0.4。钼在钢中以固溶体相和碳化物相的形式存在。可降低临界冷却速度，促进马氏体形成，提高钢的淬透性。与碳(C)形成碳化钼(MoC)，提高钢的硬度；并通过固溶强化来强化基体，提高硬化相的密度，同时也提高碳化物的稳定性，对钢的强度产生有利的作用。钼对回火脆性的影响颇为复杂，作为单一的合金元素存在，提高钢的回火脆性，但和其他导致回火脆性的元素并存时，钼又降低或抑制其他元素所导致的回火脆性。
本发明的酸溶铝(Als)的含量为0.02～0.05％。钢中加入少量的酸溶铝，可以细化晶粒，提高冲击韧性。
本发明的钛(Ti)的含量为0.02～0.03。钛通过细化晶粒和沉淀强化提高钢的强度，钛在连铸冷却条件下生成弥散的碳化钛(TiN)颗粒，由于它的熔点很高，在焊接热影响区能显著抑制晶粒长大，加微量钛能显著改善热影响区的韧性。
本发明的钒(V)的含量≤0.02％。钒通过细化晶粒提高钢的强度，适量的钒含量能够提高基体的耐磨性，但是钒含量的增加对冲击韧性亦有影响。
本发明的硼(B)的含量≤0.005％。微量的硼可吸附在奥氏体晶界上，降低晶界的能量，提高钢的淬透性。
本发明还提供上述布氏硬度400级耐磨钢的制造方法，包括如下步骤：超纯净钢工艺进行冶炼→铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→真空处理→连铸成板坯→板坯加热→轧制→冷却→淬火→低温回火→钢板成品，其中，
在板坯加热步骤中，为了保证微合金元素充分溶解以及具有一定的奥氏体晶粒度，减小残余应力分布不均可能性，均热温度采用1190℃～1250℃，加热速率为8～10min/cm；
在轧制步骤中，轧制步骤的开轧温度≥1050℃，终轧温度≥980℃，单道次压下率大于20％，低度打压可以细化钢板心部晶粒，使得板材厚度上组织及残余应力分布趋于均匀；
在淬火步骤中，淬火温度为870℃，保温时间为1.0～2.0min/mm*板厚；
在低温回火步骤中，回火温度为190℃，保温时间为3～4min/mm*板厚，低温回火保留了板材表面的压向应力，充分的回火时间对于板材内残余应力分布的均匀化起到重要作用，回火后得到回火马氏体组织。
本方法按配比化学成分进行真空冶炼并浇铸成坯，然后再将板坯加热到1190℃～1250℃，随后再进行轧制，再冷却至室温，随后再进行淬火和低温回火得到耐磨性较好的钢板，低温回火保留了板材表面的压向应力，对提高钢板的耐磨性能和疲劳性能有明显提升作用。
本发明在优化残余应力的同时，保证了耐磨钢表面硬度值在390左右，抗拉强度约1300Mpa，具有较高的表面硬度，保证了其耐磨性能，具有较高的抗拉强度及较好的韧性；充分的回火时间使得板材内残余应力更加均匀，有利于减少板材的开裂倾向。
本发明中碳(C)含量为0.14～0.21％，碳含量过高，则钢的硬度高而韧性低，热处理过程中容易开裂，碳含量过低，钢的淬硬性不足，硬度过低，耐磨性不足。成分中含有的Mn、Cr、Ni、B元素可以提高钢的淬透性，从而减小产品在厚度方向的残余应力梯度，抑制开裂。成分中的Ti、Als、V起到细化晶粒作用，使钢中残余应力分布更均匀。
本发明的有益效果在于：
(1)在板坯加热步骤中，均热温度采用1190℃～1250℃，加热速率为8～10min/cm，保证了微合金元素充分溶解，及使板坯具有一定的奥氏体晶粒度，减小了残余应力分布不均的可能性；
(2)、在轧制过程中，单道次压下率大于20％，可以细化钢板心部晶粒，使板材厚度上组织及残余应力分布均匀；
(3)、低温回火中，回火温度为190℃，保温时间为每1毫米板厚保温3～4分钟。低温回火保留了板材表面的压向应力，充分的回火时间对于板材内残余应力分布的均匀化起到重要作用，回火后钢板得到回火马氏体组织，增加了耐磨性；
(4)、钢板成分中含有的Mn、Cr、Ni、B元素可以提高钢的淬透性，从而减小产品在厚度方向的残余应力梯度，抑制开裂；成分中的Ti、Als、V起到细化晶粒作用，使钢中残余应力分布更均匀。
附图说明
图1为使用本方法后得到的钢板的残余应力测点布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种厚度为30mm的布氏硬度400级耐磨钢，其化学成分按质量百分比为：C0.18％，Si 0.25％，Mn 1.05％，P 0.014％，S≤0.005％，Cr 0.78％，Ni 0.07％，Mo0.31％，Als 0.038％，Ti 0.024％，V 0.013％，B 0.002，其余为铁和不可避免的杂质。
按配比化学成分进行真空冶炼并浇铸成坯，采用1200℃高温对板坯进行加热，加热240min；然后再采用1060℃的开轧温度进行轧制，终轧温度为980℃，采用单道次压下率大于20％对板坯进行轧制；随后进行冷却；将冷却后的板材进行870℃高温淬火，保温30min；将淬火后的板材进行190℃低温回火，保温100min，完成耐磨钢的制作。表1和表2分别为采用上述方法制得的厚度为30mm的布氏硬度400级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。
表1力学性能
表2表面残余应力(见图1)
实施例2
一种厚度为20mm的布氏硬度400级耐磨钢，其化学成分按质量百分比为：C0.19％，Si 0.31％，Mn 1.2％，P 0.013％，S≤0.005％，Cr 0.68％，Ni 0.07％，Mo 0.29％，Als 0.032％，Ti 0.026％，V 0.017％，B 0.002，其余为铁和不可避免的杂质。
按配比化学成分进行真空冶炼并浇铸成坯，采用1200℃对板坯进行均热，加热时间为160min；将加热后的板坯进行轧制，开轧温度为1060℃，终轧温度为980℃，单道次压下率大于20％；冷却；将冷却后的板材进行870℃高温淬火，保温20min；将淬火后的板材进行190℃低温回火，保温时间70min，完成耐磨钢的制作。
表3和表4分别为采用上述方法制得的厚度为20mm的布氏硬度400级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。
表3力学性能
表4表面残余应力
实施例3
一种厚度为25mm的布氏硬度400级耐磨钢，其化学成分按质量百分比为：C0.17％，Si 0.31％，Mn 0.9％，P 0.013％，S≤0.008％，Cr 0.68％，Ni 0.07％，Mo 0.29％，Als 0.032％，Ti 0.026％，V 0.017％，B 0.002，其余为铁和不可避免的杂质。
按配比化学成分进行真空冶炼并浇铸成坯，采用1250℃对板坯进行均热，加热时间为200min；将加热后的板坯进行轧制，开轧温度为1200℃，终轧温度为980℃，单道次压下率大于30％；冷却；将冷却后的板材进行870℃高温淬火，保温50min；将淬火后的板材进行190℃低温回火，保温时间100min，完成耐磨钢的制作。
表5和表6分别为采用上述方法制得的厚度为25mm的布氏硬度400级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。
表5力学性能
表6表面残余应力
实施例4
一种厚度为22mm的布氏硬度400级耐磨钢，其化学成分按质量百分比为：C0.14％，Si 0.31％，Mn 0.9％，P 0.013％，S≤0.006％，Cr 0.68％，Ni 0.07％，Mo 0.29％，Als 0.032％，Ti 0.026％，V 0.017％，B 0.002，其余为铁和不可避免的杂质。
按配比化学成分进行真空冶炼并浇铸成坯，采用1250℃对板坯进行均热，加热时间为176min；将加热后的板坯进行轧制，开轧温度为1200℃，终轧温度为980℃，单道次压下率大于30％；冷却；将冷却后的板材进行870℃高温淬火，保温33min；将淬火后的板材进行190℃低温回火，保温时间77min，完成耐磨钢的制作。
表7和表8分别为采用上述方法制得的厚度为22mm的布氏硬度400级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。
表7力学性能
表8表面残余应力
从表1至表8可以看出，采用本方法在优化残余应力的同时，保证了耐磨钢表面硬度值在390左右，抗拉强度约1300Mpa，-20℃冲击功超过30J，因此具有较高的表面硬度保证了其耐磨性能，同时具有较高的抗拉强度以及较好的韧性。
武钢2014年布氏硬度400级别耐磨钢产量约为8000吨，营业额约为4800万元。本发明能够防止产品开裂，明显提高产品耐磨性能和疲劳性能，仅按1％的边际效益计算，产生效益约4800万元*1％＝48万元每年。
Claims (1)
1.一种布氏硬度400级耐磨钢的制造方法，包括如下步骤：超纯净钢工艺进行冶炼→铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→真空处理→连铸成板坯→板坯加热→轧制→冷却→淬火→低温回火→钢板成品，其特征在于：
所述布氏硬度400级耐磨钢的化学成分按质量百分比为：C 0.21％，Si 0.20～0.40％，Mn1.05～1.4％，P 0.013～0.015％，S 0.006～0.008％，Cr 0.5～0.8％，Ni 0.05～0.08％，Mo0.2～0.4％，Als 0.02～0.05％，Ti 0.024～0.03％，V≤0.02％，B≤0.005％，其余为铁和不可避免的杂质；
在板坯加热步骤中，均热温度为1190℃～1250℃，加热速率为8～10min/cm；
在轧制步骤中，轧制步骤的开轧温度≥1050℃，终轧温度≥980℃，单道次压下率大于20％；
在淬火步骤中，淬火温度为870℃，保温时间为1.0～2.0min/mm*板厚；
在低温回火步骤中，回火温度为190℃，保温时间为3～4min/mm*板厚。
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