TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法
【专利摘要】一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法，属于合金钢【技术领域】。该钢板的化学组成按重量百分含量为C：0.20-0.40；Mn：1.00-2.50；Si：0.80-1.50；Ni：0.20-0.60；Mo：0.15-0.50；Ti：0.40-0.80；B:0.0005-0.003；S≤0.005；P≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素。再加入Cu：0.00～0.50wt％、Cr：0.00～0.80wt％中一种或两种合金元素。制造方法是：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸或模铸、加热、轧制、冷却、热处理。轧后得到粒状贝氏体、板条马氏体与TiC粒子的复相组织，其中粒状贝氏体组织包含贝氏体铁素体和马氏体/奥氏体岛，残余奥氏体的体积分数约为6-12％，TiC析出相的体积分数约为0.5-1.5％，平均粒径约为1μm；钢板硬度HB370-420，耐磨性优于或相当于Hardox450，且加工性能及焊接性能优良，满足相关设备制造要求。
【专利说明】TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板及制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金钢【技术领域】，特别是提供了一种TiC粒子增强型复相组织高塑性 耐磨钢板及制造方法，是一种具有优异耐磨性和加工性能的TiC粒子增强型复相组织耐磨 钢。
【背景技术】
[0002] 耐磨钢广泛应用于工作条件特别恶劣，要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建 筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上，如刮板运输机、转载机、挖掘机、自 卸车及各种矿山机械等。传统低合金耐磨钢的组织通常选择单相马氏体，提高其耐磨性的 主要方法是提高钢中碳含量和淬火马氏体的硬度，据此开发出布氏硬度HB360?600不同 级别耐磨钢。然而，随着硬度的增加，钢的加工性和焊接性将严重恶化，难以满足装备制造 相关要求。如何在不提高硬度的前提下大幅改善钢的耐磨性，成为当前冶金和耐磨行业亟 待解决的关键技术难题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢及其制造方 法，解决现有高硬度耐磨钢焊接性能及加工性能差、难以满足设备制造要求的难题。本 发明与传统马氏体耐磨钢相比，引入了一定体积分数的贝氏体（40-70% )和残余奥氏体 (6-12% )，布氏硬度比传统马氏体耐磨钢的低30-100HB，但塑性提高了 15-40%，并且采用 超硬的TiC粒子提高耐磨性，其耐磨性相当于传统马氏体耐磨钢。TiC粒子的HV硬度大于 3000,90%以上粒子的尺寸在0. 3到3微米之间分布，体积分数为0. 5-1. 5%。这些超硬TiC 粒子提高耐磨性原理是：阻止磨粒磨损犁沟的通过，或者破碎磨粒、钝化磨粒尖角，显著减 轻基体的磨损失重。
[0004] 本发明的耐磨钢板的化学组成按重量百分含量（Wt. % )为C :0. 20-0. 40 ; Mn ：1, 00-2. 50 ；Si ：0. 80-1. 50 ；Ni ：0. 2〇-〇. 60 ；Mo ：0. 15-0. 50 ；Ti ：0. 4〇-〇. 80 ； B:0. 0005-0. 003 ;S < 0. 005 ;P < 0. 015 ;余量为Fe和不可避免的杂质元素。在上述成分 基础上再加入以下一种或多种合金元素：Cu :0· 00?(λ 50wt %、Cr :0· 00?(λ 80wt %。
[0005] 本发明各元素的作用及配比依据如下：
[0006] 碳：提高钢的淬透性，具有强烈的固溶强化作用，显著提高马氏体钢的强度和硬 度；适当含量的碳与钛结合形成微米级TiC粒子，可显著改善耐磨性。本发明钢控制碳含量 为0. 20-0. 40 %，碳含量低于0. 20wt. %，难以形成足够体积分数的TiC粒子，且钢的淬透性 和硬度都较低，碳含量高于〇. 40wt. %，则钢的韧塑性、加工性和焊接性恶化。
[0007] 硅：抑制贝氏体相变过程中渗碳体的形成，促进碳在未转变奥氏体中富集，提高 残余奥氏体及马氏体比例。当硅含量低于〇.80wt. %，上述作用效果不明显，当硅含量高 于I. 50wt. %时，明显降低钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为 0. 80-1. 50wt. %。
[0008] 锰：明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。但锰含量较高时，其在 铸坯中的偏析倾向增加，钢的回火脆性敏感性增大，另外对焊接性能不利。本发明钢锰含量 范围为 1. 00-2. 50wt. %。
[0009] 钛：作为强碳化物形成元素，与碳结合形成硬度HV大于3000的超硬粒子TiC，显 著改善钢的耐磨性。本发明控制钛含量0. 40-0. 80wt. %，所形成的TiC粒子体积分数约为 0. 5-1. 5%，平均粒度约为1 μ m。过多的TiC粒子恶化材料的塑性及韧性，过少的粒子不能 有效提高材料的耐磨性。
[0010] 钥：显著提高钢的淬透性，降低回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。同时， 钥可溶入TiC形成（TiMo)C，提高TiC颗粒的体积分数。本发明控制钥含量范围为 0. 15-0. 50wt. %。
[0011] 铬：提高钢的淬透性和耐腐蚀磨损性能,但过高的铬降低加工性和焊接性,本发明 可选择添加铬，含量范围为〇. 00-0. 80wt. %。
[0012] 镍：提高钢的淬透性，显著改善低温韧性，提高钢的耐蚀性能。本发明控制镍含量 范围为 0· 20-0. 60wt. %。
[0013] 铜：提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，在腐蚀磨损环境下可明显提高耐磨性。本发明 钢可选择添加铜，含量范围为0. 00-0. 50wt. %。
[0014] 硼：强烈偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，加入微量硼即可显著提高淬透性， 但硼含量超过0. 〇〇3wt. %后上述作用饱和，而且还可能形成各种对热加工性能和韧性不利 的含硼析出相，因此硼含量应控制在〇. 0005-0. 003wt. %范围内。
[0015] 磷、硫作为杂质元素严重损害钢的韧塑性，含量分别控制在0.005wt. %， P 彡 0· 015wt. %。
[0016] 该耐磨钢的制造方法，工艺依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸（模 铸）、加热、控制轧制、控制冷却、热处理。工艺中控制的技术参数如下：
[0017] 连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1050-1220°c，时间为1-5小 时。加热温度高于1220°C，铸造过程中形成的TiC粒子会部分溶解于奥氏体中，降低耐磨 性；加热温度低于1050°C，钢板变形抗力过大，乳制困难。
[0018] 采用中厚板轧机轧制或热连轧：
[0019] 中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为 850-950°C，乳后空冷或加速冷却，终冷温度为300-700°C。空冷过程中或加速冷却后对钢板 进行矫直。
[0020] 热连轧工艺为：粗轧轧制3-8道次，将铸坯轧制成20-60mm厚度的中间坯，然后 经6或7机架热连轧，终轧温度为850-950°C，乳后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为 300-70(TC ;将钢卷开平后剪切成钢板，并在矫直机上进行矫直。
[0021] 钢板热处理，包括淬火（不同介质或不同方式的冷却）和回火。
[0022] 淬火加热温度为860?940°C，加热时间为5-60分钟，钢板加热后根据具体的合金 成分可以采用空冷、风冷、水雾冷或20-40号机油油冷及其组合冷却方式至室温。过高的加 热温度使奥氏体晶粒粗化，降低钢的韧塑性；过低的加热温度则明显降低钢的淬透性和厚 规格钢板的心部硬度，不利于耐磨性。
[0023] 回火温度为100_250°C，保温时间10-120分钟，保温后空冷。
[0024] 通过上述工艺，该耐磨钢的基体组织为粒状贝氏体+板条马氏体组织（如图1所 示），其中粒状贝氏体组织包含贝氏体铁素体和马氏体/奥氏体岛，其中残余奥氏体的体积 分数约为6-12% (如图2所示），此外，复相组织还包括包含体积分数约为0. 5-1. 5%的TiC 粒子（如图3所示），析出物颗粒尺寸集中分布在0. 3-3微米之间，平均尺寸约为1 μ m (如图 4所示）。材料的屈服强度达950-1150MPa，抗拉强度达1200-1400MPa，延伸率大于14%，室 温冲击功大于20J，硬度HB370-420,机加工性能及焊接性能优良，能够满足设备制造要求。 材料的耐磨粒磨损性能优于或相当于Hardox450。
[0025] 本发明的优点在于：突破传统马氏体耐磨钢单纯通过提高硬度来改善耐磨性的技 术思路，在降低硬度提高塑性的条件下，通过引入一定体积分数微米级超硬TiC粒子提高 耐磨性，有效解决了传统马氏体耐磨钢耐磨性与加工性和焊接性的突出矛盾，具有广阔的 应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢微观组织的光学显微镜照 片，图中亮白色粒子为Tie。
[0027] 图2为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢的XRD谱。
[0028] 图3为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢中TiC粒子的光学显微镜照 片，图中亮白色粒子为Tie。
[0029] 图4为本发明TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢中TiC的粒度分布。
【具体实施方式】
[0030] 实施例1 :本发明的化学组成按重量百分含量为C :0. 32 ;Si :1. 20 ;Mn :1. 95 ;Ni : 0· 25 ;Mo :0· 18 ;Ti :0· 52 ;Cu :0· 36 ;B :0· 0021 ;S :0· 005 ;P :0· 010 ;余量为 Fe 及不可避免 的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，RH精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加 热温度1200°C，精轧终轧温度875°C，乳制厚度40mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温 度900°C，保温时间0. 5小时，空冷至室温，然后200°C回火1小时空冷至室温。
[0031] 实施例2 :本发明的化学组成按重量百分含量为C :0. 35 ;Si :1. 12 ;Mn :1. 52 ;Cr : 0· 48 ;Ni :0· 48 ;Mo :0· 20, Ti，0. 62, B :0· 0018 ;S :0· 005 ;P :0· 008 ;余量为 Fe 及不可避免 的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度 1220°C，精轧终轧温度900°C，乳制厚度60mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度900°C， 保温时间0. 5小时，水雾冷至400°C以下，然后风冷至室温，然后200°C回火1小时空冷至室 温。
[0032] 实施例3 :本发明的化学组成按重量百分含量为C :0. 30 ;Si :0. 45 ;Mn :1. 05 ;Cr : 0· 68 ;Ni :0· 38 ;Mo :0· 45 ;Ti :0· 58 ;B :0· 0018 ;S :0· 005 ;P :0· 015 ;余量为 Fe 及不可避免 的杂质。制造工艺：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，采用中厚板轧机轧制，加热炉加热温度 1200°C，精轧终轧温度885°C，乳制厚度30mm，轧后空冷。热处理工艺：奥氏体化温度880°C， 保温时间0. 5小时，20号机油油淬到底，然后200°C回火1小时空冷至室温。
[0033] 本发明实施例与Hard〇x450力学性能和耐磨性检测结果如表1所示。
[0034] 表1本发明实施例与Hard〇x450力学性能和耐磨性检测结果
【权利要求】
1. 一种TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板，其特征在于，采用转炉或电炉冶炼， 化学组成按重量百分含量为 C :0? 20-0. 40 ;Mn :1. 00-2. 50 ;Si :0? 80-1. 50 ;Ni :0? 20-0. 60 ; Mo :0? 15-0. 50 ;Ti :0? 40-0. 80 ;B:0. 0005-0. 003 ;S 彡 0? 005 ;P 彡 0? 015 ;余量为 Fe 和不可 避免的杂质元素。
2. 根据权利要求1所述的TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板，其特征是：在上 述成分基础上再加入Cu :0. 00?0. 50wt%、Cr :0. 00?0. 80wt%中的一种或两种。
3. -种权利要求1所述的TiC粒子增强型复相组织高塑性耐磨钢板的制造方法，工艺 依次包括：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸（模铸）、加热、控制轧制、控制冷却、热处 理；其特征在于：工艺中控制的技术参数如下： (1) 连铸坯或铸锭开坯后在加热炉中加热，加热温度为1050-1220°C，时间为1-5小 时； (2) 采用中厚板轧机轧制或热连轧： 中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-8道次，精轧轧制5-14道次，终轧温度为 850-950°C，乳后空冷或加速冷却，终冷温度为300-700°C ; 热连轧工艺为：粗轧轧制3-8道次，将铸坯轧制成20-60mm厚度的中间坯，然后经 6或7机架热连轧，终轧温度为850-950°C，乳后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为 300-700 °C ； 将钢卷开平后剪切成钢板，并在矫直机上进行矫直； (3) 钢板热处理： 淬火加热温度为860?940°C，加热时间为5-60分钟，钢板加热后根据具体的合金成分 采用空冷、风冷、水雾冷或20-40号机油油冷及其组合冷却方式至室温； 回火温度为l〇〇_250°C，保温时间10-120分钟，保温后空冷。
4. 根据权利要求3所述的方法，乳后得到粒状贝氏体、板条马氏体与TiC粒子的复相组 织，其中粒状贝氏体组织包含贝氏体铁素体和马氏体/奥氏体岛，残余奥氏体的体积分数 为6-12%，TiC析出相的体积分数为0. 5-1. 5%，平均粒径为1 y m ;钢板硬度HB370-420,耐 磨性优于或相当于Hardox450 ;同时具有更高的塑性。
【文档编号】C22C38/16GK104388821SQ201410742877
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】李昭东, 孙新军, 梁小凯, 雍岐龙 申请人:钢铁研究总院, 中联先进钢铁材料技术有限责任公司