低成本NM400热轧耐磨钢板及其生产方法与流程

低成本nm400热轧耐磨钢板及其生产方法
技术领域
1.本发明涉及耐磨钢及其生产方法，尤其涉及一种低成本nm400热轧耐磨钢及其生产方法。


背景技术：

2.断裂、腐蚀和磨损是材料失效的三种形式。尽管磨损不会像其他两种形式那样容易引起金属工件灾难性的危害，造成安全事故，威胁人身安全，但磨损造成了巨大的能源和材料消耗，磨损不仅引起设备零件失效，导致工件更换和维修频繁、设备工作效率降低，而且消耗了大量的能源和材料。全世界约1/3至1/2的一次性能源由摩擦过程消耗，工业发达国家因摩擦磨损造成的损失可达gdp的5%~7%，给国民经济造成了巨大的损失。为了减少磨损带来的损失，许多机械零部件都开始采用耐磨材料生产，而在所有耐磨材料中，耐磨钢的使用量占主导地位。
3.目前应用最广泛的耐磨钢主要是奥氏体高锰钢，高锰钢最重要的特点是在强烈的冲击、挤压条件下，表层迅速发生加工硬化现象，使其心部保持奥氏体良好的韧性和塑性，表面得到硬化，但高锰钢的使用受到工况条件的限制，在中低应力工况下使用其耐磨性较差。针对高锰钢使用的局限性，国内外学者很早就开始了对合金钢的研究，特别是低合金耐磨钢。低合金耐磨钢不仅具备高硬度、高强度的特性，而且还有良好的韧性、焊接性能和耐磨性能，并且可以在中、低应力工况下较好的发挥其耐磨性能。低合金耐磨钢的合金含量较低，一般其合金含量为3%~5 %，并且所加合金元素为国内资源丰富元素，如cr，si，mn，b等，而少含或不含贵重稀缺元素（ni，mo），易于推广应用，经济合算。
4.目前我国已经能够稳定生产nm450及以下级别的耐磨钢，但布氏硬度hbw≥400的耐磨钢普遍存在造价高的问题，主要体现在化学成分和生产工艺上。首先化学成分均添加了大量的贵重金属；生产工艺方面，普遍采用调质处理，能耗和工序成本高。因此研究一种采用低成本生产工艺的高强度耐磨钢有重要意义，其创新性主要体现在低合金化学成分体系以及无后续热处理工艺方面。生产的钢板即具备高强度、高硬度，又大幅度降低了制造成本。
5.经检索，公开号为cn1109919a的专利文献，公开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%，该产品具有较高强度和耐磨性，但添加了较多增加淬透性的合金元素，具有较高成本；c和si的含量较高，不利于提高焊接性和表面质量；添加稀土元素与目前所倡导的资源节约相违背。公开号cn103233171a的专利文献，公开了一种nm400级抗裂纹高强度耐磨钢及其生产方法，其组分及重量百分比含量为：c：0.04~0.08%、si：0.20~0.50%、mn：1.20~1.50%、p：≤0.015%、s≤0.005%、cr：0.25~0.60%、mo：0.20~0.50%、ti：0.005~0.025%、b：0.001~0.005%、als：0.015~0.05%，其余为fe和微量杂质元素，生产工艺为轧制后水冷 低温回火，性能优良，碳当量较低，具有较好的焊接性。不足之处在于回火工艺使得生产周期较长，添加了贵重合金mo，合金成本较高。公开号cn102605234a的专利文
献，公开了一种400hb级耐磨钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：c：0.08~0.24%，si：0.1~0.3%，mn：0.7~1.7%，cr：1.0%，mo：0.6%，b：0.0005~0.004%，ti：0.005~0.04%，其余为fe和微量元素，采用铸造-控轧-调质热处理生产工艺，性能优良，适用于制造工程机械中易磨损设备，不足之处在于调质热处理工艺成本较高且生产周期较长，合金成本可进一步降低。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低成本nm400热轧耐磨钢板，在满足强度和硬度要求的同时兼具优良的焊接和折弯性能，本发明还提供一种低成本nm400热轧耐磨钢的生产方法，生产成本降低16%，能耗降低30%。
7.解决上述技术问题的技术方案为：一种低成本nm400热轧耐磨钢板，其组分及重量百分比含量为：c：0.15~0.18%、si：0.3~0.5%、mn：1.1~1.6%、p≤0.012%、s≤0.004%、cr：0.3~0.6%、ti：0.015~0.02%、nb：0.02~0.03%、b：0.001~0.003%、als：0.025~0.045%，其余为fe和微量杂质元素，cev=c mn/6 （cr mo v）/5 （ni cu）/15≤0.57。
8.上述的一种低成本nm400热轧耐磨钢板，钢板厚度为4-8mm，屈服强度≥1050mpa，抗拉强度≥1450mpa，断后延伸率≥10%，布氏硬度hbw≥400，-40℃冲击功≥70j。
9.上述的一种低成本nm400热轧耐磨钢板，其显微组织为：铁素体 马氏体 残余奥氏体复相组织，马氏体板条和铁素体间有细小碳化物析出，晶粒组织分布均匀。
10.上述的一种低成本nm400热轧耐磨钢的生产方法，包括连铸、加热、轧制、冷却和卷取工序，所述连铸工序生产的连铸坯化学成分及重量百分含量为：c：0.15~0.18%、si：0.3~0.5%、mn：1.1~1.6%、p≤0.012%、s≤0.004%、cr：0.3~0.6%、ti：0.015~0.02%、nb：0.02~0.03%、b：0.001~0.003%、als：0.025~0.045%，其余为fe和微量杂质元素，cev=c mn/6 （cr mo v）/5 （ni cu）/15≤0.57。
11.上述的一种低成本nm400热轧耐磨钢的生产方法，所述冷却工序，采用二段式冷却：控制开冷温度不低于910℃，水冷速度不低于30℃/s，先水冷至650℃~700℃，空冷6~9s后，二次水冷，控制终冷温度不高于150℃。
12.上述的一种低成本nm400热轧耐磨钢的生产方法，所述铸坯加热工序，将铸坯加热至1180℃~1220℃；所述轧制工序，开轧温度在1080℃~1120℃，终轧温度≥910℃，经6道次粗轧和5道次精轧，每道次压下率在15%~40%，控制最终厚度为4-8mm。
13.在设计钢的合金成分时，主要考虑了以下两点强化机制：即c、mn、cr等元素的固溶强化以及ti、nb等微量合金元素的析出强化，同时考虑各类合金元素的成分最优化。在满足钢种强度和耐磨性要求的同时，使生产成本降低，同时提高焊接性能和折弯性能。
14.根据研究，除co以外，所有合金元素只要溶进奥氏体，都会增大过冷奥氏体的稳定性，使c曲线右移，有利于过冷奥氏体转变为马氏体。c、si能够提高钢的强度、硬度，但同时也会降低钢的焊接性；mn属于开启γ相区的奥氏体形成元素，能够与γ-fe无限固溶，使δ和α相区缩小；cr可以增大钢的淬透性，使其在淬火后获得更多的马氏体组织；ti、nb属于强碳化物形成元素，其碳化物具有极高的硬度，能够提高耐磨钢整体的耐磨性，同时还能够抑制奥氏体晶粒长大；少量的b可以阻碍铁素体的形成，使铁素体和珠光体的c曲线发生右移，从
而提高钢的淬透性。
15.在现有技术中，nm400耐磨钢中通常含有重量百分比为0.3%~0.5%的中强碳化物形成元素mo和0.01%~0.03%的ti元素，但mo属于贵重合金元素，大量的添加会造成产品成本的增加。研究者一直在寻找一种合金元素能够代替mo在耐磨钢中的作用。通过研究发现，往钢中添加微量的强碳化物形成元素nb和ti，能够形成尺寸约为5-10nm的铌钛碳氮化物，其硬度与钼钛碳氮化物接近，属于硬质第二相，能够提高耐磨钢整体硬度。固溶态的nb可以与位错交互形成气团、nb的碳氮化物可以钉扎位错，二者均可以通过阻碍位错运动抑制再结晶。并且弥散析出的碳氮化物可以钉扎奥氏体晶界，抑制晶粒长大，从而起到细化晶粒的作用。在本发明中，钢中添加了重量百分比为0.02%~0.03%的nb元素和0.015%~0.02%的ti元素，通过控制轧制工艺能够使铌钛碳氮化物于原奥氏体中弥散析出，不仅弥补了mo元素的强化作用，还使成本大幅下降。
16.目前nm400耐磨钢生产工艺普遍采用淬火 回火热处理，使材料具备较好的强度与塑、韧性结合。但回火热处理不仅使生产周期变长，还额外增加了能耗，提高了碳排放，与国家的“双碳”战略相悖。在本专利nm400耐磨钢的生产方法中，取消了后续回火热处理工艺，通过添加nb元素及优化轧制工艺从而最大程度的细化晶粒以提高材料韧性；通过分段冷却工艺，使钢板在铁素体转变区间空冷一定时间以增加组织内铁素体含量，以调控材料的塑、韧性。由于nb元素对再结晶的抑制作用，部分变形组织被保留下来成为铁素体的形核质点，增大了铁素体的形核率，从而获得细小、均匀的多边形铁素体，有利于材料塑、韧性进一步提升。
17.本发明的有益效果为：本发明与现有技术相比，合金成本低，合金添加量较少，焊接性能和折弯性能优良，并避免了轧制后热处理工艺带来的能源损耗，大幅缩短了生产周期。不同于现有nm400耐磨钢的马氏体单相组织，本专利nm400耐磨钢的显微组织为板条马氏体 铁素体 残余奥氏体复相组织，且马氏体板条和铁素体间有细小碳化物析出。板条马氏体的亚结构为高密度位错，除了高强、高硬的特点外，还具有一定的韧性。铁素体为软相，在拉伸过程中能够协调各晶粒间的变形行为，提高材料的均匀延伸率。残余奥氏体在冲击工况下能够产生trip效应，提高材料的冲击耐磨性。由于制造工艺简单且流程短，可使成本降低16%、能耗降低30%，工艺可操作性强，因此具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，经济效益和社会效益明显。
附图说明
18.图1为本发明实施例1制备的一种低成本nm400热轧耐磨钢sem结果图；图2为本发明实施例2制备的一种低成本nm400热轧耐磨钢sem结果图；图3为本发明实施例3制备的一种低成本nm400热轧耐磨钢sem结果图；图4为本发明实施例4制备的一种低成本nm400热轧耐磨钢sem结果图；图5为本发明实施例5制备的一种低成本nm400热轧耐磨钢sem结果图；图6为本发明实施例6制备的一种低成本nm400热轧耐磨钢sem结果图。
具体实施方式
19.下面通过具体实施例对本发明予以详细描述：实施例1一种低成本nm400热轧耐磨钢板，其组分及重量百分比含量：c：0.18%；si：0.4%；mn：1.1%；p：0.011%；s：0.003%；cr：0.47%；ti：0.015%；nb：0.03%；b：0.0018%、als：0.032%，其余为fe和微量杂质元素，并满足cev≤0.57。
20.生产步骤：1）冶炼并连铸成坯；2）对铸坯加热至1193℃；3）进行轧制：开轧温度在1093℃，终轧温度931℃，经6道次粗轧和5道次精轧，压下率为16.7%~34.2%，最终厚度为8mm；4）进行二段式冷却：控制开冷温度931℃，水冷速度30℃/s。先水冷至700℃，空冷6s后，二次水冷，控制终冷温度为143℃；5）进行卷取。
21.实施例2一种低成本nm400热轧耐磨钢板，其组分及重量百分比含量：c：0.15%；si：0.37%；mn：1.28%；p：0.012%；s：0.004%；cr：0.60%；ti：0.020%；nb：0.027%；b：0.003%、 als：0.025%，其余为fe和微量杂质元素，并满足cev≤0.57。
22.生产步骤：1）冶炼并连铸成坯；2）对铸坯加热至1180℃；3）进行轧制：开轧温度在1108℃，终轧温度910℃，经6道次粗轧和5道次精轧，压下率为15%~35.3%，最终厚度为7mm；4）进行二段式冷却：控制开冷温度910℃，水冷速度35℃/s。先水冷至671℃，空冷7.5s后，二次水冷，控制终冷温度为138℃；5）进行卷取。
23.实施例3一种低成本nm400热轧耐磨钢板，其组分及重量百分比含量：c：0.16%；si：0.30%；mn：1.60%；p：0.01%；s：0.003%；cr：0.30%；ti：0.018%；nb：0.024%；b：0.0025%、 als：0.045%，其余为fe和微量杂质元素，并满足cev≤0.57。
24.生产步骤：1）冶炼并连铸成坯；2）对铸坯加热至1220℃；3）进行轧制：开轧温度在1120℃，终轧温度917℃，经6道次粗轧和5道次精轧，压下率为18.1%~40%，最终厚度为4mm；4）进行二段式冷却：控制开冷温度917℃，水冷速度44℃/s。先水冷至650℃，空冷7s后，二次水冷，控制终冷温度为150℃；5）进行卷取。
25.实施例4
一种低成本nm400热轧耐磨钢，其组分及重量百分比含量：c：0.17%；si：0.50%；mn：1.48%；p：0.011%；s：0.003%； cr：0.38%；ti：0.018%；nb：0.02%；b：0.001%、 als：0.04%，其余为fe和微量杂质元素，并满足cev≤0.57。
26.生产步骤：1）冶炼并连铸成坯；2）对铸坯加热至1211℃；3）进行轧制：开轧温度在1080℃，终轧温度923℃，经6道次粗轧和5道次精轧，压下率为17.4%~36.5%，最终厚度为5mm；4）进行二段式冷却：控制开冷温度923℃，水冷速度38℃/s。先水冷至683℃，空冷9s后，二次水冷，控制终冷温度为140℃；5）进行卷取。
27.实施例5一种低成本nm400热轧耐磨钢，其组分及重量百分比含量：c：0.16%；si：0.40%；mn：1.50%；p：0.011%；s：0.004%； cr：0.50%；ti：0.02%；nb：0.03%；b：0.001%、 als：0.03%，其余为fe和微量杂质元素，并满足cev≤0.57。
28.生产步骤：1）冶炼并连铸成坯；2）对铸坯加热至1198℃；3）进行轧制：开轧温度在1078℃，终轧温度915℃，经6道次粗轧和5道次精轧，压下率为17.4%~36.5%，最终厚度为5mm；4）进行二段式冷却：控制开冷温度925℃，水冷速度39℃/s。先水冷至655℃，空冷9s后，二次水冷，控制终冷温度为148℃；5）进行卷取。
29.实施例6一种低成本nm400热轧耐磨钢板，其组分及重量百分比含量：c：0.17%；si：0.38%；mn：1.42%；p：0.013%；s：0.004%； cr：0.43%；ti：0.018%；nb：0.03%；b：0.001%、 als：0.03%，其余为fe和微量杂质元素，并满足cev≤0.57。
30.生产步骤：1）冶炼并连铸成坯；2）对铸坯加热至1201℃；3）进行轧制：开轧温度在1068℃，终轧温度931℃，经6道次粗轧和5道次精轧，压下率为17.4%~34.6%，最终厚度为7mm；4）进行二段式冷却：控制开冷温度903℃，水冷速度40℃/s。先水冷至673℃，空冷7s后，二次水冷，控制终冷温度为150℃；5）进行卷取。
31.图1-图6显示，实施例1-6生产的nm400热轧耐磨钢板显微组织为马氏体 铁素体 残余奥氏体复相组织，马氏体板条和铁素体间有细小碳化物析出，晶粒组织分布均匀，无混晶和偏析出现。马氏体提供高的强度与硬度，增强材料的耐磨性，铁素体能够协调各晶粒间变形，提高材料的均匀延伸率，残余奥氏体能够提高材料在冲击工况下的耐磨性，细小碳化
物可以细化晶粒，并阻碍微裂纹扩张。
32.表1为上述各实施例经检测后的各项性能情况表。
33.表1 各实施例经检测后的各项性能从表1看出，本发明钢板厚度为4-8mm，屈服强度≥1050mpa，抗拉强度≥1450mpa，断后延伸率≥10%，布氏硬度hbw≥400，-40℃冲击功≥70j，从实例可以看出，采用热轧后二段式冷却，无须后续热处理，钢板性能稳定。
34.其中实施例1的综合性能较为突出，其布氏硬度为418.8hbw，抗拉强度为1515mpa。除了高强、高硬的特征外，其断后伸长率为10.3%，折弯性能在d=3a时140
°
出现裂纹，同时具备较高的塑性和冷弯性。对图1的显微组织进行分析，可以看到显微组织由板条马氏体 多边形铁素体 少量残余奥氏体构成，板条马氏体晶粒直径为10~15μm，多边形铁素体沿原奥氏体晶界均匀析出，晶粒直径为3~5μm。板条间和铁素体间有纳米尺度的铌钛碳化物析出。板条马氏体为硬相，能够提升材料的整体硬度与强度，其亚结构为高密度位错，具有较好的韧性；铁素体为软相，具有较好的变形能力，能够协调各晶粒的变形，提升材料的塑性及冷弯性能；铌钛碳化物具有很高的硬度，在提升基体硬度的同时能够细化晶粒，增强材料的韧性。