一种布氏硬度500级的耐磨钢及其制造方法与流程

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一种布氏硬度500级的耐磨钢及其制造方法与流程

本发明属于钢铁制造领域,具体涉及一种布氏硬度500级耐磨钢及其制造方法。



背景技术:

耐磨钢是广泛应用于各种磨损工况下的一类钢铁材料,其目的在于减缓机械部件的磨损消耗,提高产品寿命,延长机械产品因磨损而发生失效行为的时间,要求具有较高的硬度值以保证恶劣工况下的耐摩擦磨损性能。

残余应力是影响耐磨钢使用的关键参数,与钢板的开裂以及表面的耐磨性有直接关系。而通常的耐磨钢硬度值高,其内残余应力大,均匀性不好,很容易在使用过程中发生钢板开裂和变形,以及焊接性能差的问题;另外,表面的残余应力还与耐磨性有一定关系,钢板表面如果是压应力,则对提高钢板的耐磨性能和疲劳性能有提升作用。现有布氏硬度500级耐磨钢存在内残余应力大,均匀性不好的问题。



技术实现要素:

本发明的目的在于针对现有布氏硬度500级耐磨钢中存在残余应力为拉应力或应力值较小,均匀性不好,在使用过程中易发生钢板开裂和变形,焊接性能差的缺点,提供了一种布氏硬度500级耐磨钢及其制造方法,该耐磨钢及制造方法通过对残余应力有较大影响的重要化学成分c、si、mn、cr、b等元素的控制,并采用合理的淬火、回火热处理工艺,使耐磨钢在拥有优良耐磨性和较高韧性的同时,在其表面具有均匀压应力,进一步增强其耐磨性能和抗疲劳性能。

本发明所采用的技术方案是:

一种布氏硬度500级耐磨钢,钢的化学成分按质量百分比为:c0.25~0.28%,si0.22~0.28%,mn1.15~1.24%,p≤0.01%,s≤0.005%,cr0.2~0.25%,cu0.01~0.015%,al0.03~0.05%,ni0.04~0.045%,mo0.01~0.02%,ti0.03~0.04%,v0.007~0.018%,b≤0.004%,其余为铁和不可避免的杂质。

按上述方案,所述耐磨钢的屈服强度为1400mpa~1520mpa,抗拉强度为1730~1800mpa,耐磨钢的布氏硬度值达到510左右。

本发明的碳(c)含量为0.25~0.28%。碳是影响耐磨钢强度、硬度、韧性及淬透性的重要元素,也是影响钢显微组织最为重要的元素。随着碳含量增加,钢的硬度增加,冲击韧性显著下降,耐磨性逐渐提高。碳含量过高,钢中的碳化物量过多,热处理后形成的是高碳片状马氏体,钢的硬度高而韧性低,且热处理过程中容易开裂,这一点尤其要注意;碳含量过低,钢的淬硬性不足,硬度过低,耐磨性不足。

本发明的硅(si)含量为0.22~0.28%,在炼钢过程中,其用作还原剂和脱氧剂。si是非碳化物形成元素,是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体。因此可以强化铁素体,提高钢的强度和硬度,同时可以降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性。si还可提高钢的回火稳定性和抗氧化性。它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强,仅次于磷,但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。另外,硅使钢呈带状组织,使钢材的横向性能低于纵向性能。但硅含量过高会出现块状铁素体,使钢的韧性降低并易产生淬火裂纹;并且残余奥氏体显著增加,使钢的硬度降低。当si的含量较高时,可能使fe3c分解,使c游离而呈石墨状态存在,即有所谓的石墨化作用。在退火时,表面也容易脱碳。

本发明的锰(mn)的含量为1.15~1.24%。mn是良好的脱氧剂和脱硫剂,能消除或减弱因硫所引起的热脆性,从而改善钢的热加工性能。mn和铁形成固溶体,提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度,强化基体;同时又是碳化物形成元素,进入渗碳体中取代一部分铁原子,生成mn3c,它与fe3c能相互溶解,在钢中形成在(femn)3c型化合物,从而提高钢的强度、硬度和耐磨性。mn可降低临界冷却速度,促进马氏体形成,提高钢的淬透性。锰在钢中由于降低临界转变温度,起到细化珠光体的作用,也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰扩大铁碳平衡相图中的γ相区,它使钢形成和稳定奥氏体组织的能力仅次于镍。淬火后易得到马氏体组织。但锰是过热敏感性元素,淬火时加热温度过高会引起晶粒粗大;锰在凝固时偏析系数较大,很容易在晶界偏聚,对钢的性能产生不利影响,并会导致钢的淬火组织中残余奥氏体量增加,所以锰含量控制在1.15~1.24%之间。

本发明的磷(p)的含量≤0.01%,硫(s)的含量≤0.005%。硫存在于钢铁中会使钢变的热脆,而磷在结晶过程中易产生偏析,从而在钢中的局部区域产生冷脆。硫、磷对于耐磨钢残余应力控制而言是有害杂质元素,应尽力消除。

本发明的铬(cr)的含量为0.2~0.25%。铬有利于钢的固溶强化并适宜碳化物的形成,进而提高钢的高温强度、硬度和耐磨性能。铬增加钢的淬透性,尤其与锰、硅合理搭配能大大提高淬透性,但同时也增加钢的回火脆性倾向。铬能固溶于铁素体中而产生固溶强化效应,提高焊缝金属的抗拉强度和屈服点。但其含量超过0.8%,会使焊缝金属韧性明显下降。

本发明的铜(cu)的含量0.01~0.015%。铜在钢中能改善普通低合金钢抗大气腐蚀性能,改善焊接性、成型性与机加工性等。但是当铜含量超过0.015时容易产生“铜脆现象”。英国斯文西大学材料工程系的morrison指出,cu与ni以0.5%的总量同时加入钢坯时,钢中的冲击性能不受损害。

本发明的镍(ni)的含量为0.04~0.045%。镍和碳不形成碳化物,是形成和稳定奥氏体的主要合金元素,加入一定的镍可提高淬透性,使钢的组织在常温下保留少量残余奥氏体,以提高其韧性。镍元素能够提高钢材本身的冲击韧性,尤其是对钢材的低温冲击改善较大。

本发明的钼(mo)的含量为0.01~0.02%。mo在钢中以固溶体相和碳化物相的形式存在。可降低临界冷却速度,促进马氏体形成,提高钢的淬透性。与c形成moc,提高钢的硬度。并通过固溶强化来强化基体,提高硬化相的密度,同时也提高碳化物的稳定性,对钢的强度产生有利的作用。对回火脆性的影响颇为复杂,作为单一的合金元素存在,提高钢的回火脆性,但和其他导致回火脆性的元素并存时,钼又降低或抑制其他元素所导致的回火脆性。

本发明的铝(al)的含量为0.03~0.05%。铝是钢中常用脱氧剂。钢中加入少量的铝,可以细化晶粒,提高冲击韧性。

本发明的钛(ti)的含量为0.03~0.04%。钛通过细化晶粒和沉淀强化提高钢的强度,钛在连铸冷却条件下生成弥散的tin颗粒,由于它的熔点很高,在焊接热影响区能显著抑制晶粒长大,加微量钛能显著改善热影响区的韧性。

本发明的钒(v)的含量0.007~0.018%。钒通过细化晶粒提高钢的强度,适量的v含量能够提高基体的耐磨性,但是v含量的增加对冲击韧性亦有影响。

本发明的硼(b)的含量≤0.004%。微量硼可吸附在奥氏体晶界上,降低晶界的能量,提高钢的淬透性。

本发明还提供上述布氏硬度500级耐磨钢的制造方法,其包括冶炼工艺和轧制工艺两个步骤;

所述冶炼工艺的步骤为:高炉铁水→铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→吹氩→lhf炉处理(三分厂)→rh(sica)处理→连铸→铸坯检查→铸坯下送;

所述轧制工艺的步骤为:铸坯验收→铸坯二次切割→铸坯清理→铸坯加热→轧制→冷却→淬火→低温回火→精整→检验入库;

其特征在于:

在板坯加热步骤中,为了保证微合金元素充分溶解以及一定的奥氏体晶粒度,减小残余应力分布不均可能性,均热温度采用1180℃~1240℃,加热速率为8~12min/cm;

在轧制步骤中,轧制步骤的开轧温度≥1035℃,终轧温度≥990℃,单道次压下率大于20%,低度打压可以细化钢板心部晶粒,使得板材厚度上组织及残余应力分布趋于均匀;

在淬火步骤中,淬火温度为860℃-880℃,保温时间9-12min;

在低温回火步骤中,回火温度190℃-225℃,保温时间6.0~7.5min/mm*板厚,低温回火保留了板材表面的压向应力,充分的回火时间对于板材内残余应力分布的均匀化起到重要作用,回火后得到回火马氏体组织。

本发明的有益效果在于:

本发明在优化残余应力的同时,保证了耐磨钢表面硬度值在510左右,屈服强度为1400mpa~1520mpa,抗拉强度约1730~1800mpa,因此具有较高的表面硬度保证了其耐磨性能,同时具有较高的抗拉强度以及较好的韧性;

本发明成分中碳(c)含量为0.25~0.28%,碳含量过高,则钢的硬度高而韧性低,热处理过程中容易开裂,碳含量过低,钢的淬硬性不足,硬度过低,耐磨性不足;成分中含有的mn、cr、ni、b元素可以提高钢的淬透性,从而减小产品在厚度方向的残余应力梯度,抑制开裂;成分中的ti、al、v起到细化晶粒作用,使钢中残余应力分布更均匀;

本发明采用860℃-880℃淬火,保温时间9-12min,以及采用190℃-225℃低温回火,保温时间6.0~7.5min/mm*板厚,从而保留了钢板表面的压向应力,对提高钢板的耐磨性能和疲劳性能有明显提升作用,充分的回火时间使得板材内残余应力更加均匀,有利于减少钢板的开裂倾向。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:

图1是使用本方法后得到的钢板的残余应力测点布置图;

图2是实施例1使用本方法后得到的钢板的金相表层组织;

图3是实施例1使用本方法后得到的钢板的金相芯部组织;

图4是实施例2使用本方法后得到的钢板的金相表层组织;

图5是实施例2使用本方法后得到的钢板的金相芯部组织。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1

一种厚度为15mm的布氏硬度500级耐磨钢,其化学成分按质量百分比为:c0.26%,si0.22%,mn1.23%,p≤0.005,s≤0.003%,cr0.22%,cu0.015%,al0.05%,ni0.043%,mo0.015%,ti0.03%,v0.016%,b0.003,其余为铁和不可避免的杂质。

按配比化学成分进行布氏硬度500级耐磨钢的制造,其制造方法包括冶炼工艺和轧制工艺两个步骤;

冶炼工艺的步骤为:高炉铁水→铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→吹氩→lhf炉处理→rh处理→连铸→铸坯检查→铸坯下送;

轧制工艺的步骤为:铸坯验收→铸坯二次切割→铸坯清理→铸坯加热→轧制→冷却→淬火→低温回火→精整→检验入库;

在铸坯加热阶段,采用1210℃高温对铸坯进行加热,加热150min,加热速率为11min/cm;采用1040℃的开轧温度进行轧制,终轧温度为1200℃,采用单道次压下率大于20%对铸坯进行轧制;将轧制后的铸坯进行冷却;将冷却后的铸坯进行880℃高温淬火,保温10min;将淬火后的铸坯进行198℃低温回火,保温100min。

表1和表2分别为采用上述方法制得的厚度为15mm的布氏硬度500级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。

表1力学性能

表2表面残余应力

实施例2

一种厚度为6mm的布氏硬度500级耐磨钢,其化学成分按质量百分比为:c0.25%,si0.24%,mn1.16%,p≤0.004,s≤0.005%,cr0.21%,cu0.011%,al0.032%,ni0.041%,mo0.013%,ti0.032%,v0.008%,其余为铁和不可避免的杂质。

按配比化学成分进行布氏硬度500级耐磨钢的制造,其制造方法包括冶炼工艺和轧制工艺两个步骤;

冶炼工艺的步骤为:高炉铁水→铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→吹氩→lhf炉处理→rh处理→连铸→铸坯检查→铸坯下送;

轧制工艺的步骤为:铸坯验收→铸坯二次切割→铸坯清理→铸坯加热→轧制→冷却→淬火→低温回火→精整→检验入库;

在铸坯加热阶段,采用1200℃高温对铸坯进行加热,加热50min,加热速率为9min/cm;采用1070℃的开轧温度进行轧制,终轧温度为995℃,采用单道次压下率大于20%对铸坯进行轧制;将轧制后的铸坯进行冷却;将冷却后的铸坯进行875℃高温淬火,保温12min;将淬火后的铸坯进行195℃低温回火,保温40min。

表3和表4分别为采用上述方法制得的厚度为15mm的布氏硬度500级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。

表3力学性能

表4表面残余应力

实施例3

一种厚度为8mm的布氏硬度500级耐磨钢,其化学成分按质量百分比为:c0.27%,si0.25%,mn1.19%,p≤0.002,s≤0.001%,cr0.24%,cu0.013%,al0.04%,ni0.042%,mo0.019%,ti0.038%,v0.011%,其余为铁和不可避免的杂质。

按配比化学成分进行布氏硬度500级耐磨钢的制造,其制造方法包括冶炼工艺和轧制工艺两个步骤;

冶炼工艺的步骤为:高炉铁水→铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→吹氩→lhf炉处理→rh处理→连铸→铸坯检查→铸坯下送;

轧制工艺的步骤为:铸坯验收→铸坯二次切割→铸坯清理→铸坯加热→轧制→冷却→淬火→低温回火→精整→检验入库;

在铸坯加热阶段,采用1230℃高温对铸坯进行加热,加热30min,加热速率为8min/cm;采用1080℃的开轧温度进行轧制,终轧温度为1155℃,采用单道次压下率大于20%对铸坯进行轧制;将轧制后的铸坯进行冷却;将冷却后的铸坯进行868℃高温淬火,保温11min;将淬火后的铸坯进行220℃低温回火,保温50min。

表5和表6分别为采用上述方法制得的厚度为8mm的布氏硬度500级耐磨钢的力学性能表和表面残余应力分析表。

表5力学性能

表6表面残余应力

从表1至表6可以看出,采用本方法在优化残余应力的同时,保证了耐磨钢表面硬度值在510左右,耐磨钢的屈服强度为1400mpa~1520mpa,抗拉强度为1730~1800mpa,-20℃冲击功超过25j,因此具有较高的表面硬度保证了其耐磨性能,同时具有较高的抗拉强度以及较好的韧性。

从图1至图5看出,其微观组织为回火马氏体,且分布较为均匀。

应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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