低成本高淬透性HB450级中厚板耐磨钢板及制造方法

摘要

本发明公开了一种低成本高淬透性HB450级中厚板耐磨钢板及制造方法，其化学元素成分及其重量百分比为：C：0.24～0.29％、Si：1.4～1.6％、Mn：3.7～4％、Ni：0.38～0.42％、Mo：0.20～0.35％、V：0.15～0.25％、P≤0.010％、S≤0.005％，满足0.4％≤V+Mo≤0.56％，其余为Fe及不可避免的夹杂，且钢板的厚度为20～70mm。该耐磨钢板淬透性好，组织性能均匀，残余应力小，避免耐磨钢重复高温加热可能带来的微裂纹源，应用过程中出现开裂的风险显著降低，抗拉强度达1250MPa以上，布氏硬度420以上。

说明书

技术领域

本发明属于耐磨钢制造领域，具体涉及一种低成本高淬透性HB450级中厚板耐磨钢板及制造方法。

背景技术

耐磨钢是重要的基础材料之一，广泛应用于矿山机械、煤炭采运、工程机械、建材、电力机械、铁路运输等领域，按金相组织分类，分为奥氏体型耐磨钢、马氏体型耐磨钢和贝氏体型耐磨钢，其中马氏体耐磨钢一般采用Mn、Mo、Cr、Ni等元素合金化，有时也添加Nb、V、Ti等微合金元素，通过淬火+回火得到以马氏体为主的组织，在实际应用中显示出了优良综合力学性能。

然而在钢铁行业严峻的市场竞争及资源日益匮乏的形势下，采用离线淬火+回火的工艺路线生产的马氏体耐磨钢虽组织性能满足产品要求，但其未能充分利用轧后余热，且工艺路线较长，能源消耗大，生产成本较高，在钢铁行业朝着短流程、低能耗的方向发展的背景下，市场竞争力不强。

中国发明专利申请(公开号为CN101676425A)公开了一种高强度马氏体耐磨钢，其化学成分按重量百分比计为：0.1％≤C≤0.2％，0.5％≤Si≤1.0％，1.0％≤Mn≤2.0％，P≤0.009％，S≤0.004％，Al≤0.03％，0.02％≤Nb≤0.04％，0.02％≤Ti≤0.03％，0.015％≤V≤0.060％，0.0015％≤B≤0.0020％，其余为Fe以及其它不可避免的杂质。本发明专利申请高强度马氏体耐磨钢生产工艺为：转炉或电炉冶炼-真空炉二次精炼-铸坯或铸锭-钢坯或钢锭再加热-TMCP+快速冷却工艺-钢板，本发明高强度马氏体耐磨钢具有极高的强度、硬度、韧性以及耐磨性，但快速冷却后的钢板可能由于冷速不均导致钢板存在较大的内应力，未经回火可能限制韧性。

中国发明专利申请(公开号CN107513661A)公开了一种具有耐腐蚀性能耐磨钢板及其生产方法，钢板化学成分组成及质量百分含量为：0.18％≤C≤0.23％，0.60％≤Si≤0.80％，1.20％≤Mn≤1.60％，P≤0.010％，S≤0.002％，0.85％≤Cr≤1.15％，0.25％≤Mo≤0.35％，0.60％≤Al≤0.80％，0.20％≤Ni≤0.30％，0.04％≤V≤0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板生产方法包括冶炼+连铸、电渣重熔、加热、轧制、扩氢、淬火、回火工序。本发明通过对钢板化学成分调整，结合合适的冶炼、加热、轧制、热处理等工艺技术，生产的钢板力学性能优良，耐腐蚀性能也显著提高，但该钢不仅采用淬火+回火的工艺路线，还需电渣重熔，生产成本较高。

中国发明专利申请(公开号CN1109919A)提供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。

可见，现有技术中低合金马氏体耐磨钢存在生产成本较高、工艺流程长的现实难题，因此有必要进行新的合金化设计，优化生产工艺，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种能提高淬透性、降低能源消耗的低成本HB450级中厚板耐磨钢板及制造方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：低成本高淬透性HB450级中厚板耐磨钢板，其特征在于：其化学元素成分及其重量百分比为：C：0.24～0.29％、Si：1.4～1.6％、Mn：3.7～4％、Ni：0.38～0.42％、Mo：0.20～0.35％、V：0.15～0.25％、P≤0.010％、S≤0.005％，满足0.4％≤V+Mo≤0.56％，其余为Fe及不可避免的夹杂，且钢板的厚度为20～70mm。

各元素含量控制的机理及作用如下：

1)C是提高材料耐磨性能最廉价的元素，也是钢中合金元素形成碳化物必不可少的元素，随着含碳量的增加，硬度、强度和耐磨性提高，但塑韧性和焊接性能降低。综合考虑，C重量百分含量为0.24～0.29％即可，优选0.26～0.28％。

2)Si可缩小奥氏体相区，在碳含量较低的情况下，Si可显著降低钢的临界冷却速度，使最终产物形成细化的马氏体组织。在常见的固溶元素中，Si仅次于P，固溶于铁素体和奥氏体中，可提高它们的硬度和强度，Si可降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，提高回火稳定性。Si可减少摩擦发热时的氧化作用，提高钢的冷变形硬化率和耐磨性，硅锰钢的耐磨性随Si含量的增加而提高。综合考虑，Si重量百分含量为1.4～1.6％为宜，优选1.55～1.56％。

3)Mn是最经济的提高淬透性的元素，可显著降低钢的Ar1温度、奥氏体的分解速度和马氏体转变温度，锰还可显著降低钢的临界淬火速度，与Fe无限固溶能提高硬度和强度。但Mn含量若太高，会增加钢的回火脆性，综合考虑，Mn重量百分含量为3.7～4％为宜，优选3.91～3.96％。

4)Ni可提高淬透性，与Mo结合时，淬透性更优，Ni既可以提高钢的强度，又可使韧性保持极高的水平，综合考虑，Ni重量百分含量为0.38～0.42％为宜，优选0.41～0.42％。

5)Mo显著抑制贝氏体和铁素体转变，在调质态低合金耐磨钢中，Mo能细化晶粒，同时增加抗腐蚀能力，Mo固溶于铁素体和奥氏体时，可使C曲线右移，提高淬透性，另外，Mo还能避免钢在400～500℃左右回火时出现的脆化现象(第二类回火脆性)，提高回火稳定性，使得钢在较高的温度下回火时，更有效地消除或降低残余应力，综合考虑，Mo重量百分含量为0.20～0.35％，优选0.25～0.34％。

6)V在钢中主要是碳化物形式存在，主要作用是细化钢的组织和晶粒，提高钢的综合性能，V增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。在调质钢中主要是提高钢的强度和屈强比，细化晶粒，降低过热敏感性。综合考虑，V重量百分含量为0.15～0.25％，优选0.20～0.21％。

7)P、S是钢中有害的杂质元素，钢中P易在钢中形成偏析，降低钢的韧性和焊接性能，S已形成塑性硫化物，使钢板产生分层，恶化钢板性能，故P、S含量越低越好，综合考虑，将钢的P、S含量为P≤0.010％，S≤0.005％。

8)多元少量合金元素对淬透性的影响明显大于单一合金的影响，同时添加V和Mo比单独添加Mo元素对淬透性的提高作用更大，尽管前者总量少于后者。因此，本发明中要求V+Mo≥0.35％，主要是为了充分发挥协同作用，但由于已经添加了3％～3.3％的Mn，V+Mo过高，会造成元素的富余，提高了生产成本，因此综合考虑，0.4％≤V+Mo≤0.56％，优选0.45～0.55％。

还提供一种如权利要求1所述低成本高淬透性HB450级中厚板耐磨钢板制造方法，包括以下步骤：

1)冶炼、铸造

按所述成分及重量百分比混合均匀形成铁水，然后将铁水经深脱S处理，再用RH真空系统精炼钢水，最后铸造成铸坯；

2)加热

将铸坯加热至1200～1250℃、并保温160～190min；

3)轧制

轧制工艺采取TMCP工艺，开轧温度1100～1160℃，精轧开轧温度900～940℃，终轧780～810℃，末三道次累计压下率20～40％，；

4)淬火、冷却

轧制后采用在线淬火，并喷水冷却，开冷温度720～770℃，冷速30～42℃/s，返红温度220～270℃，热处理工艺回火温度550～600℃，回火时间为板厚×3.5～4.5min/mm。

经冶炼、浇注成铸坯后，在中厚板轧机上进行轧制，加热温度采用低温加热，控制在1200℃～1250℃，以保证细小的奥氏体晶粒，保温160min～190min，使奥氏体均匀化。

轧制工艺采取TMCP工艺，开轧温度1100℃～1160℃，精轧开轧温度900℃～940℃，终轧780℃～810℃，末三道次累计压下率20％～40％，主要目的在于促使晶粒细化均匀，轧后采用在线淬火，迅速喷水冷却，开冷温度720℃～770℃，冷速30℃/s～42℃/s，返红温度220℃～270℃，热处理工艺采用高温回火，回火温度550℃～600℃，回火时间为板厚×3.5～4.5min/mm，采用高温回火可获得回火索氏体组织，更加充分的释放内应力，减少裂纹产生的可能性，显著降低使用过程中开裂的几率。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)采用TMCP+回火工艺代替常规离线淬火+回火工艺，降低了能源消耗，缩短生产周期，生产成本显著降低；

2)淬透性好，组织性能均匀，残余应力小，避免耐磨钢重复高温加热可能带来的微裂纹源，应用过程中出现开裂的风险显著降低；

3)抗拉强度达1250MPa以上，布氏硬度420以上。

附图说明

图1为发明低成本高淬透性HB450级中厚板耐磨钢板金相组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

以下实施例中采取冶炼、浇注成铸坯后，在中厚板轧机上进行轧制，随后进行回火处理。

表1各实施例及对比例化学成分及重量百分比

表2各实施例及对比例工艺参数

根据GB/T228和GB/T231国家标准，测试实施例1～4所述低成本HB450级中厚板耐磨钢的性能如表3所示，可见，4种工艺下生产的HB450抗拉强度和硬度与实施例基本处于同一水平，说明实施例在缩短工艺路线和降低生产成本的前提下，并未降低其力学性能，厚度方向心部硬度至少达表面硬度的93％以上，而对比例中仅能达到表面硬度的77～81％，说明实施例的淬透性比对比例更好，显微组织为回火索氏体，表面硬度均匀也可反应显微组织均匀性，组织性能的均匀性好，残余应力小，且可避免耐磨钢重复高温加热可能带来的微裂纹源，应用过程中出现开裂的风险显著降低。

表3各实施例及对比例力学性能

从图1中可以看出，本发明制造的高淬透性HB450级中厚板钢板，为回火索氏体，淬透性好，组织性能均匀，残余应力小。