超高强度高韧性无碳化物贝氏体耐磨钢板及其制备方法

摘要

一种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢，其化学成分质量百分比wt％为：C：0.4～0.5、Si：1.8～2.2、Mn：1.8～2.2、Cr：1.0～1.5、W：0.1～0.3、V：0.001～0.003、Al：0.1～0.3、Re：0.001～0.003、Ca：0.001～0.003、B：0.0001～0.0003、N：0.002～0.005、Mg：0.001～0.005，其余为Fe和少量杂质元素；上述贝氏体钢的制备方法主要是：连铸板坯→除鳞→轧制→去应力退火；钢板的热处理：加热到900～950℃奥氏体化等温1～3h，以80～100℃/min冷却到400℃，等温2～5min，以5～10℃/min冷却Ms温度等温2～5min，然后以10～20℃/min冷却到室温。本发明制备的贝氏体钢抗拉强度大于2300MPa，室温冲击韧性大于35J/cm2，硬度大于HRC58，具有优异的耐磨性能。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，特别涉及一种耐磨钢板及其制备方法。

背景技术

近几十年来，高强度耐磨钢板的开发与应用发展很快，这类钢是在低合金高强度基础上发展起来的，耐磨性能好，使用寿命可达传统结构钢板的数倍，并且，其生产工艺较简单，一般采用轧后直接淬火加回火，或通过控轧、控冷工艺进行强化，成为新一代耐磨钢的代表。目前，国际上耐磨钢板牌号较多，发达国家的一些钢铁公司已经有了自己的系列产品和标准。如瑞典奥克隆德的Hardox系列、德国蒂森克虏伯的Xar系列、日本JFE的Everhard系列等。这些企业从20世纪50－60年代开始生产耐磨钢板，目前能够稳定供应厚度6～100mm、HB300～600各级别耐磨钢板产品。2007年瑞典奥克隆德推出了世界上最高强度的Hardox Extreme耐磨钢板，达到HB700强度级别。我国在高强度耐磨钢的开发方面起步较晚，近10年我国通过借鉴国外相关技术，武钢、鞍钢、宝钢、舞阳、太钢、新钢等中厚板厂均能够稳定供应HB400强度级别以下的耐磨钢板，部分厂家可生产HB500强度级别的耐磨钢板。然而，我国耐磨钢板产品强度级别、性能与国外产品相比还有较大的差距，HB450以上强度级别耐磨钢仍主要依赖进口。近年来，科研工作者相继发明了一些耐磨钢板用钢及其制造技术。比如：中国专利“一种贝氏体耐磨钢板制备工艺CN200510025978.4”，钢板的化学成分(wt％)为：C0.18-0.40、Si0.4-1.2、Mn1.5-2.5、Mo≤0.8、Cr≤1.0，变质剂为0.05-0.2。通过设计合理的成分和多元微合金化处理。轧制工艺为：初轧温度为1050-1150℃，终轧温度为840-920℃，轧后空冷或堆冷。通过轧制变形可以得到金相组织均匀、耐磨性能良好并具有良好可焊性的轧制态空冷贝氏体钢板，大幅度提高刃口板的使用寿命。日本人的美国专利“高韧性耐磨钢US6,899,774”，钢板的化学成分(wt％)：C0.21-0.80、Al0.5-2.0、Ni0.5-4.0，并且含有Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Cu和B元素，控制P、S、N和O元素的含量。中国专利“高韧性超高强度耐磨钢板及其生产方法CN200910013285.1”，耐磨钢板的化学成分(wt％)为：C0.15-0.26、Si0.20-0.55、Mn1.0-1.60、Mo0.0-0.6、Ni 0.0-0.5、Cr0.2-1.0、Ti 0.01-0.05、Als 0.02-0.04、B 0.0005-0.004。生产方法包括：高洁净钢冶炼—铁水脱硫—转炉顶底复合吹炼—真空处理—铸坯，特别是板坯加热—粗轧—精轧、热处理工艺参数的控制。中国专利“一种无碳化物贝氏体耐磨钢板及其生产工艺CN200810021697.5”，耐磨钢板成份(wt％)为：C0.15-0.25、Mn1.5-2.0、Si1.3-2.0、Al0.2-0.6、Cr0.6-1.0、Mo：0.25-0.50、Nb0.01-0.035。生产工艺是：将连铸板加热；将加热后的连铸板坯进行控轧控冷轧制；轧制完后对轧制钢板进行中低温回火处理。通过以上工序即可生产出无碳化物贝氏体耐磨钢板，无需进行在线或离线的调质热处理，既可以简化生产工序，又能提高产品性能与产品质量，获得高强度高韧性的贝氏体耐磨钢。中国专利“一种热轧高强耐磨钢板的制造方法及热轧高强耐磨钢板CN201510031599.X”，钢板生产工艺流程：连铸板坯→除鳞→粗轧→精轧→层流冷却，板坯入炉温度300℃-500℃，板坯加热段温度为1270℃-1290℃，均热段温度为1290℃-1300℃，出炉温度为1290℃-1300℃，加热时间为180min-240min；R1一道次轧制且R1一道次除鳞，R2五道次轧制且R2一道次除鳞，R2出口温度为1090℃-1130℃，其中R1表示第一粗轧机，R2表示第二粗轧机；采用板卷箱卷取且中间坯头尾温差为20℃-50℃；采用7机架连续轧制，且终轧温度为890℃-930℃；层流冷却采用前段冷却模式；卷取温度为530℃-570℃。中国专利“一种超高强度耐磨钢板及其生产方法CN201410505809.X”，钢板的化学成分(wt％)为：C0.35-0.40、Si0.4-0.6、Mn0.4-1.0、Cr0.8-1.8、Mo0.2-0.6、Nb0.01-0.03、Ni0.0-0.6、Cu0.0-0.6、B0.0005-0.0022、Ti0.025-0.04、Als0.025-0.045。其中的杂质元素控制：[N]≤0.0080％、[O]≤0.0020％，且Ti/N≥3.4。耐磨钢板的最大厚度可达120mm；不需回火热处理；-40℃低温韧性大于20J。中国专利“一种新型耐磨钢板及其生产方法CN201510905348.X”，钢板的成分(wt％)为：C0.03-0.20、Si0.2-0.4、Mn3.5-6.0、Ti0.002-0.020、Mo≤0.20％、Al≤0.055％。生产工艺包括：冶炼工艺、连铸工艺、加热工艺、轧制、热处理工艺。生产出具有高的低温韧性和高硬度，具有良好的耐磨性和长寿命的耐磨钢板。中国专利“一种高强度高韧性耐磨钢板的生产方法CN201510227326.2”，耐磨钢板的化学成分质量百分比为：C0.15-0.26、Si0.20-0.55、Mn1.0-1.6、Mo0.0-0.6、Ni0.0-0.5、Cr0.2-1.0、Ti0.01-0.05、Als0.02-0.04、B0.0005-0.004。生产工艺流程：高洁净钢冶炼—铁水脱硫—转炉顶底复合吹炼—真空处理—铸坯。中国专利“一种高性能经济型耐磨钢板及其制备方法CN201510068137.5”，耐磨钢板的化学成分(wt％)为：C0.2-0.3、Si1.6-1.8、Mn0.3-0.6、Ti0.0-0.03、Cr0.2-0.5、Ni：0.0-0.3、Mo：0.05-0.20、B：0.001-0.003。制备方法包括冶炼、浇铸、板坯装炉、板坯加热、轧制以及热处理工序。这种耐磨钢板产品硬度达到HBW430-480级别。中国专利“贝氏体-马氏体-奥氏体复相耐磨钢板及制造方法CN201410743570.X”，钢板的化学组成(wt％)为：C0.2-0.4、Mn0.3-1.5、Si0.8-1.2、Cr0.6-1.0、Ni0.2-0.6、Mo0.2-0.4、Cu0.2-0.5；B0.0005-0.003。制造方法是：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造、加热、轧制、冷却、热处理。轧材可得到贝氏体-马氏体-残余奥氏体复相组织，残余奥氏体体积分数5-15％，钢板的硬度HB420-500，磨粒磨损耐磨性达到Hardox450的1.3倍以上，弱酸性环境工况下达到Hardox450的1.5倍以上。这些专利成果的钢的化学成分中基本都含有贵重金属镍，造成耐磨钢板的原材料成本较高；更重要的是，这些耐磨钢板的硬度基本都低于HB500，没有达到HB600水平的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨性能好、制造成本低的超高强度高韧性无碳化物贝氏体耐磨钢板及其制备方法。

本发明的超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢是一种连续转变的超细无碳化物复合贝氏体组织，其中上贝氏体占比为20～25％，下贝氏体占比60～65％，残余奥氏体占比为10～15％，其化学成分质量百分比wt％为：C：0.4～0.5、Si：1.8～2.2、Mn：1.8～2.2、Cr：1.0～1.5、W：0.1～0.3、V：0.001～0.003、Al：0.1～0.3、Re：0.001～0.003、Ca：0.001～0.003、B：0.0001～0.0003、N：0.002～0.005、Mg：0.001～0.005，其余为Fe和少量杂质元素。

上述超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢的制备方法：

(1)将上述成分的连铸板坯在1400～1500℃温度区间冷却速度为350～450℃/min；在950～1000℃温度区间保温4～6h后，对板坯进行除鳞处理；

(2)将步骤(1)的连铸板坯轧制钢板，初轧温度为1150～1200℃，终轧温度为860～920℃；轧后空冷；再加热到600～650℃保温4～6h进行去应力退火处理；

(3)将步骤(2)的钢板加热到900～950℃奥氏体化保温1～3h，以80～100℃/min冷却速度冷却到400℃，等温2～5min，以5～10℃/min冷却速度冷却到Ms温度等温2～5min，然后以10～20℃/min冷却到室温；再加热到100～120℃等温0.5～1.0h后，继续加热到260～290℃等温2～3h，进行回火和奥氏体稳定化处理。

本发明与需要技术相比具有如下优点：

制备的超高强度高韧性贝氏体钢抗拉强度大于2300MPa，室温冲击韧性大于35J/cm²，硬度达到HB600以上，具有优异的耐磨性能，其耐磨性能超过国际最著名的耐磨钢板品牌Hardox600耐磨钢板水平，然而其成本仅为Hardox600的三分之一。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的耐磨钢板的电镜图。

图2是本发明实施例3制备的耐磨钢板的电镜图。

具体实施方式

实施例1

一种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢，它具有一种连续转变的超细无碳化物复合贝氏体组织，其化学成分质量百分比wt％为：C：0.41、Si：2.2、Mn：1.8、Cr：1.5、W：0.10、V：0.003、Al：0.29、Re：0.001、Ca：0.003、B：0.0003、N：0.002、Mg：0.001，其余为Fe和少量杂质元素。这种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢板的制备方法是，将上述成分的连铸板坯在1400～1500℃温度区间冷却速度355℃/min；在960℃温度区间保温6h对板坯进行除鳞处理；将连铸坯轧制成钢板，初轧温度为1150℃，通过4个道次轧制完成，终轧温度为920℃；轧后空冷；再加热到650℃保温4h进行去应力退火。耐磨钢板的热处理工艺是，加热到900℃奥氏体化等温3h，以100℃/min冷却速度冷却到400℃，等温2min，以5℃/min冷却速度冷却Ms温度等温5min，然后以10℃/min冷却到室温。再加热到100℃等温1.0h，继续加热到290℃等温2h，进行回火和奥氏体稳定化处理。

如图1所示，制得的超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢为连续转变的超细无碳化物复合贝氏体组织，其中，上贝氏体占比为20％，下贝氏体占比65％，残余奥氏体占比为15％。这种超高强度高韧性贝氏体钢抗拉强度2320MPa，室温冲击韧性41J/cm²，硬度HRC58，具有优异的耐磨性能。

实施例2

一种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢，它具有一种连续转变的超细无碳化物混合贝氏体组织，其化学成分质量百分比wt％为：C：0.49、Si：2.0、Mn：2.2、Cr：1.0、W：0.17、V：0.001、Al：0.1、Re：0.003、Ca：0.001、B：0.0001、N：0.0045、Mg：0.002，其余为Fe和少量杂质元素。这种超高强度高韧性无碳化物贝氏体板钢的制备方法是，将上述成分的连铸板坯在1400～1500℃温度区间冷却速度450℃/min；在1000℃温度区间保温4h对板坯进行除鳞处理；将连铸板坯轧制成钢板，初轧温度为1180℃，通过4个道次轧制完成，终轧温度为860℃；轧后空冷；再加热到600℃保温6h去应力退火。耐磨钢板的热处理工艺是，加热到950℃奥氏体化等温1.5h，以80℃/min冷却速度冷却到400℃，等温4min，以10℃/min冷却速度冷却Ms温度等温3min，然后以15℃/min冷却到室温。再加热到120℃等温0.5h，继续加热到260℃等温3h，进行回火和奥氏体稳定化处理。

制得的超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢为连续转变的超细无碳化物复合贝氏体组织，其中，上贝氏体占比为25％，下贝氏体占比65％，残余奥氏体占比为10％。这种超高强度高韧性贝氏体钢抗拉强度大于2420MPa，室温冲击韧性36J/cm²，硬度HRC60，具有优异的耐磨性能。

实施例3

一种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢，它具有一种连续转变的超细无碳化物混合贝氏体组织，其化学成分质量百分比wt％为：C：0.5、Si：1.9、Mn：2.1、Cr：1.2、W：0.21、V：0.002、Al：0.22、Re：0.0025、Ca：0.0019、B：0.00019、N：0.005、Mg：0.005，其余为Fe和少量杂质元素。这种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢板的制备方法是，将上述成分的连铸板坯在1400～1500℃温度区间冷却速度350℃/min；在980℃温度区间保温5h对板坯进行除鳞处理；将连铸板坯轧制成钢板，初轧温度为1180℃，通过4个道次轧制完成，终轧温度为900℃；轧后空冷；再加热到630℃保温5h去应力退火。耐磨钢板的热处理工艺是，加热到920℃奥氏体化等温2h，以90℃/min冷却速度冷却到400℃，等温3min，以8℃/min冷却速度冷却Ms温度等温4min，然后以15℃/min冷却到室温。再加热到110℃等温0.8h，继续加热到280℃等温2.5h，进行回火和奥氏体稳定化处理。

如图2所示，制得的超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢为连续转变的超细无碳化物复合贝氏体组织，其中上贝氏体占比为25％，下贝氏体占比60％，残余奥氏体占比为15％。这种超高强度高韧性贝氏体钢抗拉强度2450MPa，室温冲击韧性38J/cm²，硬度HRC59，具有优异的耐磨性能。

实施例4

一种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢，它具有一种连续转变的超细无碳化物混合贝氏体组织，其化学成分质量百分比wt％为：C：0.45、Si：1.8、Mn：1.9、Cr：1.1、W：0.3、V：0.003、Al：0.2、Re：0.002、Ca：0.003、B：0.0001、N：0.003、Mg：0.002，其余为Fe和少量杂质元素。这种超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢板的制备方法是，将上述成分的连铸板坯在1400～1500℃温度区间冷却速度380℃/min；在970℃温度区间保温5.5h对板坯进行除鳞处理；将连铸板坯轧制钢板，初轧温度为1160℃，通过4个道次轧制完成，终轧温度为910℃；轧后空冷；再加热到610℃保温6h去应力退火。耐磨钢板的热处理工艺是，加热到940℃奥氏体化等温2.5h，以85℃/min冷却速度冷却到400℃，等温5min，以10℃/min冷却速度冷却Ms温度等温3min，然后以20℃/min冷却到室温。再加热到120℃等温0.6h，继续加热到280℃等温2.5h，进行回火和奥氏体稳定化处理。

制得的超高强度高韧性无碳化物贝氏体钢为连续转变的超细无碳化物复合贝氏体组织，其中上贝氏体占比为25％，下贝氏体占比62％，残余奥氏体占比为8～13％。这种超高强度高韧性贝氏体钢抗拉强度2400MPa，室温冲击韧性40J/cm²，硬度HRC60，具有优异的耐磨性能。