一种高强高韧性耐磨钢的生产方法与流程

本发明属于冶金，涉及一种高强度、高硬度、低温高韧性nm450耐磨钢板及其生产方法。

背景技术：

1、耐磨钢广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路等各个领域，在矿用自卸车、煤矿刮板运输机、推土机、挖掘机、搅拌机、装载机等装备的重点受磨损部位发挥着重要作用。耐磨材料服役环境较为恶劣，因而要求具备极高的强度、硬度、耐磨性和低温冲击韧性，以延长设备使用寿命，缩短部件的更换周期，大大提升作业时间。随着机械设备轻量化、复杂化设计需求的诞生，对同钢级耐磨钢板在原有基础上提出了更高要求。

2、国标nm450耐磨钢的性能通常要求为表面硬度420~480hbw、抗拉强度≥1250mpa。强度、硬度的提高必然制约低温冲击韧性的发挥；而韧性对耐磨材料的使用性能也有着非常重要的影响。在中国，冬季气温一般为0~ -30℃的北方大部分地区，较低的环境温度使钢板脆性增加，进而降低设备的使用寿命，更换周期短造成较大的经济损失。因而如何实现高强度、硬度的同时又能保证低温高韧性成为新型耐磨材料亟待攻克的技术难题。

3、中国专利cn101775539a公开了一种高韧性耐磨钢板及其制造方法，该发明生产的高韧性耐磨钢板硬度大于350hb、抗拉强度大于950mpa、屈服强度大于850mpa、延伸率大于20%、-40℃纵向冲击功大于100j、板厚最大达80mm。其强度、硬度评估等级属于nm360级别，强度、硬度级别越高，低温冲击韧性难保证，不能满足目前耐磨市场应用较多、力学性能要求较为苛刻的即为nm450级别的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强度高硬度低温高韧性耐磨钢及其生产方法，所生产的耐磨钢板为nm450级别，厚度规格为20～50mm，能同时满足高强度、高硬度、高耐磨性和低温冲击韧性的要求，表面硬度450～500hbw，屈服强度≥1200mpa，抗拉强度≥1400mpa，伸长率≥12%，满足6a直径90°冷弯，-40℃冲击akv≥40j。

2、本发明的技术方案：

3、一种高强高韧性耐磨钢及其生产方法，钢的化学成分重量百分比为c=0.20%～0.21%，si=0.20%～0.50%，mn=1.10%～1.20%，p≤0.008%，s≤0.003%，cr=0.29%～0.33%，mo=0.40%～0.43%，nb=0.020%～0.025%，ti=0.015%～0.025%，ni=0.40%～0.43%，al=0.070%～0.090%，b=0.0014%～0.0020%，h≤0.0002%，n≤0.0060%，o≤0.0015%，其余为fe和不可避免的杂质，cev≤0.59%；关键工艺步骤包括：

4、（1）转炉冶炼：顶底复吹转炉，控制出钢温度1580~1602℃，转炉出钢p≤0.010%，出钢过程中加入脱氧剂、合金进行脱氧合金化，其中合金采用低p合金，避免钢水涨p；

5、（2）精炼：大包钢水在lf炉送电升温后进行化学成分精确调整，后进入vd或rh炉进行抽真空处理，出站测量钢水气体含量h≤0.0002%，n≤0.0060%，o≤0.0015%；

6、（3）连铸：中包过热度9～20℃，连铸采用动态轻压下或重压下技术提高连铸坯内部质量，连铸坯厚度尺寸260～350mm、宽度尺寸2070～2100mm，铸坯堆冷72小时以上进行扩氢处理；

7、（4）加热：预热段温度650～800℃，加热段温度1100～1240℃，均热段温度1150～1230℃，在炉时间251～523min；

8、（5）轧制：采用两阶段控制轧制，粗轧轧制温度1150～980℃，粗轧累计压缩比≥2.2，中间坯厚度70～130mm，精轧开轧温度850～920℃，精轧累计压缩比≥2.6，精轧终轧温度780～830℃，轧后采用水冷细化晶粒。

9、（6）热处理：采用淬火+回火工艺，淬火加热温度870～890℃，加热速度1.6～2.2min/mm，保温时间25～45min，淬火冷却速率20～40℃/s；回火加热温度200～220℃，加热速度3.5～4.0.min/mm，保温时间30～50min。

10、用上述方法得到耐磨钢板物理性能如下：得到耐磨钢表面硬度450～500hbw，屈服强度≥1200mpa，抗拉强度≥1400mpa，伸长率≥12%，满足6a直径90°冷弯，-40℃冲击akv≥40j。

11、发明原理：本发明的耐磨钢具有高强度、高硬度、低温高韧性等特性，同时具有良好的折弯加工性能。以下说明本发明钢的化学成分中主要合金元素的作用及机理。

12、通过控制c范围保证钢板的表面硬度范围命中目标要求；通过mn、b及少量si、cr、mo元素的添加提高钢板的淬透性保证钢板组织均匀一致；通过组织强化与合金强化相结合的方式提高钢板的强度性能；通过nb、ti、al的析出物结合合理的轧制热处理工艺规程以细化晶粒达到提高强韧性能及硬度的目的；同时对钢水的p、s、h、n、o进行严格控制，本发明通过科学的合金元素配比及合理的轧制热处理工艺有效结合，保证钢板具有优良的力学性能、焊接性能和加工性能。各主要添加元素设计理由具体如下：

13、碳（c）：碳元素可有效提高钢材的强度，增加淬透性，并可显著提高耐磨钢板的表面硬度；但过高的碳对钢材的韧性、冷成型及焊接性能均存在不利影响。基于以上综合考虑，本发明碳含量控制在0.20%～0.21%。

14、锰（mn）：锰是提高淬透性最有效的合金元素，溶入铁素体中有固溶强化作用，同时能够改善钢的热处理性能，细化珠光体晶粒，提高钢的强度和硬度。钢中添加一定量的锰是有益的，但含量不宜太高；这是由于mn是一种易偏析的元素，钢水凝固过程中，mn元素会使钢水在凝固末端聚集形成中心偏析，导致钢板芯部出现粗大的渗碳体，对芯部性能不利，同时mn能降低材料中的马氏体转变温度，当mn在偏析区累积达到一定比例时，在焊后冷却过程中，会产生马氏体和贝氏体等高硬度的显微组织，韧性明显下降。

15、硅（si）：炼钢过程中良好的还原剂和脱氧剂，容易在铁素体中形成固溶，使钢的强度尤其屈服强度得到提高，但含量过高时，低温韧性下降的同时也会造成钢板表面氧化铁皮难以去除。本发明钢的si控制在0.25~0.50%范围，对综合性能有利。

16、磷（p）：磷元素具有很强的固溶强化作用，使钢材的强度和硬度显著上升，但磷是易偏析元素，增加回火脆性，对钢的低温韧性非常不利。因此应该严格控制钢中磷的含量，本发明钢中的p控制在0.008%以下。

17、硫（s）：硫元素作为钢中的有害元素，具有热裂倾向，硫化物夹杂显著降低钢的韧性，因而s含量应尽量低。本发明钢中的s控制在0.003%以内。

18、铌（nb）：在钢中与氮、碳有极强的亲合力，可与之形成极稳定的nb（c，n）化合物。沿奥氏体晶界弥散分布的nb（c，n）粒子，可大大提高原始奥氏体晶粒粗化温度，从而细化铁素体晶粒，提高冲击韧性和强度。本发明nb控制在0.020%~0.035%。

19、钛（ti）：钛时强碳化物形成元素，与碳、氮都有极强的结合力，钢的凝固过程中，ti与n生产稳定的tin，可强烈阻碍奥氏体晶界迁移，从而细化奥氏体晶粒；ti与c结合生成tic，可起到沉淀强化作用。本发明ti控制在0.015%~0.025%。

20、铬（cr）：铬是耐磨钢基本元素之一，具有提高淬透性、固溶强化基体、细化晶粒，提高钢的强度、硬度和耐磨性能；并可显著改善钢的抗氧化性，提升钢材抗腐蚀能力。本发明cr控制在0.29%~0.33%。

21、钼（mo）：钼的适量添加可有限提高钢的淬透性，在钢中主要以碳化物形式存在，弥散地分布在基体中使其强化。提高钢中mo含量，可有效提高钢板全截面厚度均匀性以及回火稳定性。本发明mo控制在0.40%~0.43%。

22、镍（ni）：镍是形成可稳定奥氏体的主要合金元素，钢中添加一定的ni能提高钢的强度又保持良好的塑性和韧性，且能提高钢的耐腐蚀性能和热稳定性，本发明ni控制在0.40%~0.43%。

23、铝（al）：铝作为钢中脱氧剂，可以起到细化晶粒的作用。本发明al控制在0.070%~0.090%。

24、硼（b）：硼时提高钢板淬透性的关键元素，钢中只要加入少量的b(0.0008-0.0030%)，就会使淬透性明显提高。因而调质钢中加入少量的b可有效取代一些价格昂贵的淬透性合金元素。但耐磨钢中的b含量不应超过0.0040%，否则易产生非固溶的硼化物引起硼脆现象的发生。本发明b控制在0.0014%～0.0020%。

25、本发明的有益效果：用本发明方法生产的nm450耐磨钢具有优良的强韧性、耐磨性以及折弯易加工性。其力学性能如下：表面硬度450～500hbw，屈服强度≥1200mpa，抗拉强度≥1400mpa，伸长率≥12%，满足6a直径90°冷弯，-40℃、板厚1/4位置纵向冲击功akv≥40j。本发明方法生产的钢板可以用于挖掘机、推土机、装载机、自卸车、刮板运输机等耐磨件和结构件，具有优良的力学性能及优异的折弯易成型性能，是极具前景的绿色钢铁产品。