一種超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼板及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于合金鋼技術領域，特別是提供了一種超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼板 及其制造方法，是一種具有優異耐磨性和加工性能的超硬粒子增強型耐磨鋼。
【背景技術】
[0002] 耐磨鋼廣泛應用于工作條件特別惡劣，要求高強度、高耐磨性能的工程、采礦、建 筑、農業、水泥生產、港口、電力以及冶金等機械產品上，如刮板運輸機、轉載機、挖掘機、自 卸車及各種礦山機械等。耐磨奧氏體錳鋼最早于1882年由英國冶金學家發明，其基本成分 為：11-14 %Mn，1.0-1.4% C，這種高錳鋼在水淬后具有高韌性、高冷作硬化能力，在高沖擊 載荷下使用，耐磨性好。高錳鋼的加工硬化機理有位錯堆積和或位錯、形變馬氏體、形變孿 晶、彌散析出的微合金碳氮化物的綜合作用所致。但它同時也存在一些缺點，主要是屈服強 度較低和在較小載荷下使用加工硬化能力不足等。為解決這些不足，目前主要通過降低錳 含量和控制碳含量來降低奧氏體的穩定性，使材料在磨粒作用下誘發馬氏體相變，提高加 工硬化效應，提高耐磨性，典型的材料如錳含量在8-10 %的中錳鋼(如專利ZL102242314A所 述）。由于中錳鋼和高錳鋼一樣，室溫下組織為單一奧氏體，表面硬度只有HRC20左右，其在 較小載荷下的耐磨性盡管比高錳鋼有所提高，但仍難以滿足某些苛刻工況要求。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼板及其制造方法，進一 步提高現有中高猛耐磨鋼抗磨粒磨損性能，其耐磨性可達傳統馬氏體耐磨鋼(Hardox450) 的3-5倍。設計的中錳鋼Ms點-20~-50°C，Md點高于室溫。超硬粒子選擇硬度HV 2 3000的TiC 析出相，析出相平均尺寸約為1-5μηι，體積分數為0.5-1.5 %。超硬TiC粒子提高耐磨性原理 是:阻止磨粒磨損犁溝的通過，或者破碎磨粒、鈍化磨粒尖角，顯著減羥基體的磨損失重。
[0004] 本發明的耐磨鋼板化學組成按重量百分含量(wt. % )SC:1.10-1.30;Mn:8.00-10.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.20-2.50；Ni：0.20-2.50；Mo：0.2〇-〇.40；Ti：0.4〇-〇.80；S < 0.010;?<0.015;余量為?6和不可避免的雜質元素。
[0005] 本發明各元素的作用及配比依據如下：
[0006] 碳:提高鋼的奧氏體穩定性，使鋼的Ms點低于室溫，具有強烈的固溶強化作用；適 當含量的碳與鈦結合形成微米級TiC粒子，可顯著改善耐磨性。本發明鋼控制碳含量為 1.10-1.30wt. %〇
[0007] 硅:鋼中脫氧元素之一，同時具有一定的固溶強化作用，但過量的硅對鋼的韌性及 焊接性能不利。綜合上述考慮，本發明鋼硅含量范圍為〇. 30-0.60wt. %。
[0008] 錳:提高奧氏體的穩定性，與碳元素配合，室溫下可以獲得介穩奧氏體，同時具有 一定的固溶強化作用。錳含量過低，室溫下得不到奧氏體，無法獲得通過加工硬化大幅提高 耐磨性的效果;錳含量過高，奧氏體穩定性較強，在低載荷作用下難以誘發相變，磨粒磨損 條件下耐磨性提高不明顯。本發明鋼中錳含量范圍為8.00-10.0 Owt. %。
[0009] 鈦:作為強碳化物形成元素，與碳結合形成硬度HV大于3000的超硬粒子TiC，顯著 改善鋼的耐磨性。本發明控制鈦含量〇. 40-0.80wt. %，所形成的TiC粒子體積分數約為0.5-1.5%，平均粒度約為1-5μπι。過多的TiC粒子惡化材料的塑性及韌性，過少的粒子不能有效 提尚材料的耐磨性。
[0010] 采用強碳化物形成元素 Ti，含量在0.40-0.80%范圍能有效提高材料的耐磨性，同 時材料加工性和焊接性優良，能夠滿足相關設備制造要求。
[0011] 鉬:顯著提高鋼的淬透性，降低回火脆性，提高鋼的耐延遲斷裂性能。同時，鉬可溶 入TiC形成(TiMo)C，提高TiC顆粒的體積分數。本發明控制鉬含量范圍為0.30-0.40wt. %。
[0012] 鉻:提高鋼的淬透性和耐腐蝕磨損性能，但過高的鉻降低加工性和焊接性，本發明 控制鉻含量范圍為0.20-2.50wt. %。
[0013] 鎳:提高鋼的淬透性，顯著改善低溫韌性，提高鋼的耐蝕性能。本發明控制鎳含量 范圍為0.20-2.50wt. %。
[0014] 磷、硫作為雜質元素嚴重損害鋼的韌塑性，含量分別控制在S < O.OlOwt. %，P < 0 · 015wt · % 〇
[0015] 本發明耐磨鋼板的制造方法，工藝依次包括:轉爐或電爐冶煉、爐外精煉、板坯連 鑄(模鑄）、加熱、控制乳制、控制冷卻、熱處理;在工藝中控制的技術參數如下：
[0016] (1)將連鑄坯或鑄錠開坯后裝入加熱爐中加熱，加熱溫度為1050~1220°C，時間為 3~8小時，加熱后進行乳制；
[0017] 加熱溫度高于1220°C，鑄造過程中形成的Tie粒子會部分溶解于奧氏體中，降低耐 磨性;加熱溫度低于1050°C，鋼板變形抗力過大，乳制困難。
[0018] (2)采用中厚板乳機乳制或熱連乳
[0019] (2)采用中厚板乳機乳制或熱連乳：
[0020] 中厚板乳機乳制工藝為:粗乳乳制3-8道次，精乳乳制5-14道次，終乳溫度為850-950°C，乳后空冷或加速冷卻，終冷溫度為300-700°C。空冷過程中或加速冷卻后對鋼板進行 矯直。
[0021 ]熱連乳工藝為:粗乳乳制3-8道次，將鑄坯乳制成20-60mm厚度的中間坯(薄板坯直 接進入連乳階段），然后經5到7機架熱連乳，終乳溫度為850-950°C，乳后經層流冷卻后卷取 成鋼卷，卷取溫度為300-700°C。
[0022]中厚板乳機乳制工藝為:粗乳乳制3-8道次，精乳乳制5-14道次，終乳溫度為850-950°C，乳后空冷或加速冷卻，終冷溫度為300-700°C;空冷過程中或加速冷卻后對鋼板進行 矯直；
[0023] (3)鋼板熱處理:水韌淬火
[0024] 水韌加熱溫度為1000~1100°C，加熱時間為60-90分鐘，鋼板加熱后水冷至室溫。 確保合適的溫度使盡可能多的碳化物固溶到奧氏體中，水冷過程中碳化物析出被抑制，可 得到奧氏體組織。
[0025]通過上述工藝，該耐磨鋼的基體組織為奧氏體，同時基體中包含體積分數約為 0.5-1.5%的TiC析出相，析出物顆粒尺寸平均約為1-5μπι(如圖1和圖2所示）。材料的屈服強 度約為400MPa，抗拉強度約為800MPa，延伸率大于15 %，室溫沖擊功大于50J，材料的耐磨粒 磨損性能可達Hardox450的3倍以上。
[0026] 本發明介穩奧氏體中錳鋼通過降低含C、Mn量來降低奧氏體的穩定性，在磨粒作用 下誘發馬氏體相變，提高加工硬化效應，提高耐磨性。同時，通過引入一定體積分數微米級 超硬TiC粒子進一步提高材料耐磨性。由于材料基體是奧氏體，因此塑性及韌性較常規馬氏 體耐磨鋼顯著提高，可應用于對綜合性能要求較高的工況條件，具有廣闊的市場前景。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼的光學微觀組織圖，圖中白色粒子為 TiC。
[0028] 圖2為本發明超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼的TiC粒子粒度分布。
【具體實施方式】：
[0029] 實施例1:本發明的化學組成按重量百分含量為C: 1.15 ; Si : 0.43 ;Μη: 8.50 ; Cr: 0.82;Ni :0.55;Mo:0.31 ;Ti :0.61 ;S:0.005;P:0.005;余量為Fe及不可避免的雜質。制造工 藝:轉爐冶煉，LF精煉，RH精煉，板坯連鑄，采用中厚板乳機乳制，加熱爐加熱溫度1200°C，精 乳終乳溫度860°C，乳制厚度30mm，乳后空冷。熱處理工藝：水韌溫度1050°C，保溫時間60分 鐘，水冷至室溫。
[0030] 實施例2 :本發明的化學組成按重量百分含量為C: 1.3 ; Si : 0.48 ;Μη: 8.92 ; Cr : 0·91 ;Ni :1.51 ;Mo:0.32，Ti :0.75;S:0.005;Ρ:0·015;余量為Fe及不可避免的雜質。制造工 藝:轉爐冶煉，LF精煉，板坯連鑄，采用中厚板乳機乳制，加熱爐加熱溫度1180°C，精乳終乳 溫度900°C，乳制厚度45mm，乳后空冷。熱處理工藝:水韌溫度1080°C，保溫時間90分鐘，水冷 至室溫。
[0031 ]本發明實施例與Hardox450力學性能和耐磨性檢測結果如表1所示。相對耐磨性采 用ML200磨粒磨損試驗機檢測。
[0032]表1本發明實施例與Hard〇x450力學性能和耐磨性檢測結果 [0033]
【主權項】
1. 一種超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼板，其特征在于，鋼板化學組成按重量百分含量 為C:1·10-1·30;Μη:8·00-10·00;Si:0·30-0·60;Cr:0·20-2·50;Ni:0·20-2·50;Mo:0·20-0.40;Ti:0.40-0.80;S<0.010;P< 0.015;余量為Fe和不可避免的雜質元素。2. -種權利要求1所述奧氏體耐磨鋼板的制造方法，采用轉爐或電爐冶煉；其特征在 于:工藝步驟及控制的技術參數如下： (1) 將連鑄坯或鑄錠開坯后裝入加熱爐中加熱，加熱溫度為1050~1220°C，時間為3~8 小時，加熱后進行乳制； (2) 采用中厚板乳機乳制或熱連乳 中厚板乳機乳制工藝為:粗乳乳制3-8道次，精乳乳制5-14道次，終乳溫度為850-950 °C，乳后空冷或加速冷卻，終冷溫度為300-700°C;空冷過程中或加速冷卻后對鋼板進行矯 直； 熱連乳工藝為:粗乳乳制3-8道次，將鑄坯乳制成20-60mm厚度的中間坯，然后經5到7機 架熱連乳，終乳溫度為850-950°C，乳后經層流冷卻后卷取成鋼卷，卷取溫度為300-700°C。 (3) 鋼板熱處理:水韌淬火 水韌加熱溫度為1000~ll〇〇°C，加熱時間為60-90分鐘，鋼板加熱后水冷至室溫。3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于:乳材得到的鋼板在奧氏體基體上分布著體 積分數約為0.5-1. 5%的TiC析出相，析出物顆粒尺寸平均約為1-5μπι;屈服強度約為 400MPa，抗拉強度約為800MPa，延伸率大于15 %，室溫沖擊功大于50J，耐磨粒磨損性能達 Hardox450的3倍以上。
【專利摘要】一種超硬粒子增強型奧氏體耐磨鋼板及其制造方法，屬于合金鋼技術領域。該鋼板化學組成按重量百分含量為C：1.10-1.30；Mn：8.00-10.00；Si：0.30-0.60；Cr：0.20-2.50；Ni：0.20-2.50；Mo：0.20-0.40；Ti：0.40-0.80；S≤0.010；P≤0.015；余量為Fe和不可避免的雜質元素。該鋼種的制造方法是：轉爐或電爐冶煉、爐外精煉、板坯連鑄或模鑄、加熱、軋制、冷卻、熱處理。根據上述成分和工藝，軋材可得到在奧氏體基體上分布著體積分數約為0.5-1.5％的TiC析出相，析出物顆粒尺寸平均約為1-5um。材料的屈服強度約為400Pa，抗拉強度約為800MPa，延伸率大于15％，室溫沖擊功大于50J，材料的耐磨粒磨損性能可達Hardox450的3倍以上。
【IPC分類】C22C38/04, C22C38/12, C22C38/08, C22C38/14, C22C38/18, C21D8/02, C22C38/02
【公開號】CN105483539
【申請號】CN201510917941
【發明人】孫新軍, 梁小凱, 朱秀光, 李昭東, 雍岐龍, 賈書君, 劉清友, 康韶光
【申請人】鋼鐵研究總院, 中煤張家口煤礦機械有限責任公司
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月10日