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专利名称：一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310160407.X

专利申请（专利权）人：宝武集团鄂城钢铁有限公司
权利人地址：湖北省鄂州市鄂城区武昌大道215号

专利发明（设计）人：童明伟,鲍海燕,卜勇,刘丰恺

专利摘要：本发明涉及一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法，包括：（1）炉外精炼净化钢质，（2）连铸全流程保护浇铸，（3）铸坯加热，（4）两阶段轧制确保产品不同部位性能均匀，（5）冷却、热处理，进一步确保产品不同部位性能的均匀性；所述铸坯化学成分按重量百分比为C：0.27～0.32%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.85～1.20%，P≤0.002%，S≤0.0005%，Cr：0.52～0.76%，Mo：0.24～0.43%，Nb：0.026～0.048%，Ti：0.012～0.023%，B：0.0015～0.0027%，Ca：0.0012～0.0030%，O≤20×10?4%，N≤22×10?4%，H≤0.5×10?4%，As≤0.0003%，Sn≤0.0003%，余量为Fe及不可避免夹杂，且上述化学成分还必须满足公式：Ca/S=5.0～6.0，0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤0.67；本发明生产的成品钢板厚度50～80mm，表层硬度HBW10/3000为530～550，心部硬度为表层硬度的95%以上，?40℃KV2≥100J。

主权利要求：
1.一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)炉外精炼：LF处理时间42～45min，出站S≤0.001；RH极限真空度＜67Pa，极限真空处理时间16～20min，喂钙丝后持续吹氩8～10min；
(2)连铸：全流程保护浇注，铸坯厚度为300～320mm，过热度5～10℃，铸坯缓冷坑缓冷时间＞72h；
(3)加热：加热温度1280～1310℃，均热温度1250～1260℃，均热时间≥72min；
(4)轧制：采用两阶段轧制，Ⅰ阶段粗轧：铸坯出炉后首先进行高压水除磷，使铸坯表面和心部有100～300℃的温度差，然后立即粗轧3～5次，单次压下量35～45mm，直至轧件厚度为成品厚度的2.5倍；Ⅱ阶段精轧：将轧件表面水冷至950～980℃，随后精轧4～5次，单次压下量25～35mm，终轧温度890～910℃；
(5)冷却：钢板水冷开始温度≥860℃，冷却速度＞50℃/s，返红温度≤120℃；
(6)热处理：淬火温度900～920℃，在炉时间[1.8×H+(20?25)]min；待淬火钢板冷却至室温后24h内回火，回火温度150～260℃，在炉时间(4.8×H)min；其中H是以mm为单位的成品钢板厚度；
所述铸坯含有下述重量百分比含量的化学成分：C：0.27～0.32％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.85～1.20％，P≤0.002％，S≤0.0005％，Cr：0.52～0.76％，Mo：0.24～0.43％，Nb：
0.026～0.048％，Ti：0.012～0.023％，B：0.0015～0.0027％，Ca：0.0012～0.0030％，O≤20?4 ?4 ?4×10 ％，N≤22×10 ％，H≤0.5×10 ％，As≤0.0003％，Sn≤0.0003％，余量为Fe及不可避免夹杂，且上述化学成分还必须满足公式：Ca/S＝5.0～6.0，0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤
0.67。
2.根据权利要求1所述的一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法，其特征在于：所述成品钢板厚度50～80mm，表层硬度HBW10/3000为530～550，心部硬度为表层硬度的95％以上，?40℃KV2≥100J。
3.根据权利要求1所述的一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法，其特征在于：所述铸坯含有下述重量百分比含量的化学成分：C：0.27～0.32％，Si：0.25～
0.45％，Mn：0.88～1.12％，P≤0.002％，S≤0.0005％，Cr：0.55～0.72％，Mo：0.27～
0.41％，Nb：0.029～0.045％，Ti：0.014～0.021％，B：0.0017～0.0025％，Ca：0.0014～?4 ?4 ?4
0.0026％，O≤20×10 ％，N≤22×10 ％，H≤0.5×10 ％，As≤0.0003％，Sn≤0.0003％，余量为Fe及不可避免夹杂，且上述化学成分还必须满足公式：Ca/S＝5.0～6.0；0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤0.67。 说明书 : 一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法技术领域[0001] 本发明涉及工程机械用高强度耐磨钢制造技术领域，特别是一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法。背景技术[0002] 随着我国工业技术的高速发展，应用于农业、工程、采矿、港口、冶金、电力等恶劣环境下的大型机械设备越来越大型化和复杂化，对制造这些机械设备所用的高强度耐磨钢的技术要求也越来越高。目前，高强度耐磨钢一般是调质工艺制造，除碳含量较高外，还含有大量铬钼等合金，导致低温韧性、焊接性能以及机加工性能差等缺点，同时厚钢板中心部位硬度仅有表层硬度的60～75%左右，严重影响机械设备的使用寿命，甚至完全依赖国外进口来满足国内需求。[0003] 本发明前，申请号201910984149.0的中国发明专利申请公开了一种60～80mm特厚耐磨钢板及其生产方法，该专利通过合理的成分改进+特殊的轧制工艺+调质热处理，有效改善了耐磨钢板心部质量，使得钢板心部硬度达到了表层硬度的85%以上，不足之处在于粗轧过程中需多次重复强制冷却+粗轧过程，严重影响轧制效率，设备要求高，实施难度大，且钢板的表层硬度HBW10/3000仅有390～430。[0004] 申请号201910236142.0的中国发明专利申请公开了一种易焊接高强度高韧耐磨钢及其制造方法，该专利成品通过控制碳和合金元素含量以及各工艺参数得到低成本，工艺简单，强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，易焊接的耐磨钢板，不足之处在于钢板的微观组织过于复杂，残余奥氏体和下贝氏体的相比例范围窄，实施难度大，且钢板硬度仅为420?480HB，厚度方向布氏硬度的均匀性无法保证。[0005] 申请号201210270193.3的中国发明专利申请公开了一种高硬度高韧性耐磨钢板及其制造方法，按照该专利成分及工艺得到的耐磨钢板硬度高耐磨性能优异，适用于工程机械中极易磨损设备，但该专利产品实施例中厚度规格仅为12?28mm，?40℃冲击功低于100J，且厚度方向布氏硬度的均匀性无法保证。申请号201210269896.4的中国发明专利申请产品极易焊接，强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，但该专利布氏硬度仅为390?470HBW，厚度方向布氏硬度的均匀性也无法保证。[0006] 申请号201510323226.X的中国发明专利申请公开了一种高韧性、布氏硬度稳定特厚耐磨钢及其制备方法，该专利通过合理的成分设计和工艺改进，钢板综合力学性能优良，冲击韧性好，布氏硬度稳定，但该专利表面布氏硬度低于500HBW，钢板厚度1/2处布氏硬度低于表面的95%，且?40℃冲击功也低于100J。[0007] 申请号为201210270605.3的中国发明专利申请，按照其成分及工艺得到的耐磨钢板强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，但该专利?40℃冲击功仅为50?80J，且厚度方向硬度的均匀性无法保证；申请号为200980162490.2的中国发明专利申请，该专利产品具有在寒冷地也能使用的韧性、加工性良好且制造条件不易影响特性的高韧性耐磨钢，但该专利实施例布氏硬度低于500HBW，?40℃冲击功为29?72J，且厚度方向硬度的均匀性无法保证。[0008] 因此，研发一种硬度级别高且截面硬度均匀的高韧性耐磨钢板，以满足目前大型机械用钢的需求，成为本行业内亟待解决的问题。发明内容[0009] 本发明的目的就是针对目前现有的耐磨钢板存在表面硬度和心部硬度相差较大，或者硬度级别太低，或者低温韧性不足，或厚度太薄不能满足大型机械使用要求等问题，提供一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法。本发明钢板的成品厚度50～80mm，表层硬度HBW530～550，心部硬度为表层的95%以上，?40℃KV2≥100J，钢板厚度方向硬度均匀且具有优良的低温韧性。[0010] 本发明的一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法，包括如下步骤：[0011] （1）炉外精炼：LF处理时间42～45min，出站S≤0.001；RH极限真空度＜67Pa，极限真空处理时间16～20min，喂钙丝后持续吹氩8～10min；[0012] （2）连铸：全流程保护浇注，过热度5～10℃，铸坯缓冷坑缓冷时间＞72h；[0013] （3）加热：加热温度1280～1310℃，均热温度1250～1260℃，均热时间≥72min；[0014] （4）轧制：采用两阶段轧制，Ⅰ阶段粗轧：铸坯出炉后首先进行高压水除磷，使铸坯表面和心部有100～300℃的温度差，然后立即粗轧3～5次，单次压下量35～45mm，直至轧件厚度为成品厚度的2.5倍；Ⅱ阶段精轧：将轧件表面水冷至950～980℃，随后精轧4～5次，单次压下量25～35mm，终轧温度890～910℃；[0015] （5）冷却：钢板水冷开始温度≥860℃，冷却速度＞50℃/s，返红温度≤120℃；[0016] （6）热处理：淬火温度900～920℃，在炉时间[1.8×H+(20?25)]min；待淬火钢板冷却至室温后24h内回火，回火温度150～260℃，在炉时间(4.8×H)min；其中H是以mm为单位的成品钢板厚度。[0017] 优选地，所述铸坯厚度为300～320mm。[0018] 采用本发明方法生产的成品钢板厚度50～80mm，表层硬度HBW10/3000为530～550，心部硬度为表层硬度的95%以上，?40℃KV2≥100J。[0019] 本发明中所述铸坯含有下述重量百分比含量的化学成分：C：0.27～0.32%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.85～1.20%，P≤0.002%，S≤0.0005%，Cr：0.52～0.76%，Mo：0.24～0.43%，Nb：0.026～0.048%，Ti：0.012～0.023%，B：0.0015～0.0027%，Ca：0.0012～0.0030%，?4 ?4 ?4O≤20×10 %，N≤22×10 %，H≤0.5×10 %，As≤0.0003%，Sn≤0.0003%，余量为Fe及不可避免夹杂，且上述化学成分还必须满足公式：Ca/S=5.0～6.0，0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤0.67。[0020] 优选地，所述铸坯含有下述重量百分比含量的化学成分：C：0.27～0.32%，Si：0.25～0.45%，Mn：0.88～1.12%，P≤0.002%，S≤0.0005%，Cr：0.55～0.72%，Mo：0.27～0.41%，Nb：0.029～0.045%，Ti：0.014～0.021%，B：0.0017～0.0025%，Ca：0.0014～0.0026%，O≤20×?4 ?4 ?410 %，N≤22×10 %，H≤0.5×10 %，As≤0.0003%，Sn≤0.0003%，余量为Fe及不可避免夹杂，且上述化学成分还必须满足公式：Ca/S=5.0～6.0；0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤0.67。[0021] 本发明生产的成品钢板具有优良的低温韧性和良好的厚度方向硬度均匀性，生产工艺简单易行，在各冶金企业均可实施，本发明的创新点在于各工艺参数的精确控制，具体工艺参数选取理由如下：[0022] （1）炉外精炼的目的主要是脱气脱硫，充分均匀钢水温度和成分，变质球化夹杂物形态，使夹杂物充分上。岣呒性游锶コ壤，以净化钢水提高铸坯内部冶金质量，便于获得本发明要求的力学性能，因此本发明对炉外精炼的工艺参数进行了严格限定；[0023] （2）连铸采用全流程保护浇注，限制过热度和缓冷坑缓冷时间，目的是防止钢水二次氧化，改善中心偏析，促使H充分逸散以防止出现白点、氢脆、微孔等缺陷，以便获得高质量铸坯、高的低温韧性以及厚度方向硬度的均匀性；[0024] （3）限制铸坯加热温度、均热温度和均热时间，促使铸坯完全奥氏体化，减轻中心偏析，以便获得高的低温韧性以及厚度方向硬度的均匀性；[0025] （4）轧制采用两阶段轧制：铸坯出炉后首先进行高压水除磷，使铸坯表面和心部有100～300℃的温度差，然后立即粗轧3～5次，并确保单次压下量35～45mm，目的是除尽铸坯表面氧化铁皮，改善表面质量，在大压下量下促使铸坯变形渗透到心部，确保心部晶粒充分破碎细化，使成品钢板心部组织与表面晶粒一致，确保产品不同部位性能的均匀性；为了减少中间坯待温时间，防止晶粒在高温下过分长大，将粗轧件表面层流水冷至950～980℃，立即精轧4～5次，单次压下量25～35mm，促使变形渗透到心部，确保产品不同部位性能的均匀性；限制水冷开始温度、冷却速度和返红温度是为了确保水冷前钢板完全处于奥氏体状态，通过快速水冷后，使钢板各部位显微组织中的马氏体相比例大于98%，确保钢板各部位组织和性能的均匀性；[0026] （5）热处理进行离线淬火和回火处理，可以获得更加细小组织，进一步确保了产品不同部位性能的均匀性，改善低温韧性和机加工性能。[0027] 以下详述本发明中化学成分限定量的理由：[0028] 本发明的C含量选择在0.27～0.32%，碳主要通过间隙固溶强化作用提高钢板强硬度，还与碳化物形成元素形成细小的碳化物质点细化组织，阻碍晶界滑移和位错移动，提高强硬度和低温韧性。另外碳还可以提高淬透性，提高钢板厚度方向强硬度均匀性。当碳含量低于0.27%时，钢板强硬度无法保证，当碳含量高于0.32%时，不利于低温韧性、塑性、机加工性能和焊接性能。故碳含量限定为0.27～0.32%。[0029] 本发明的Si含量选择在0.20～0.50%，硅通常作为炼钢过程中的脱氧剂起到净化钢质作用，并以固溶强化方式提高强硬度，但不利于低温韧性、机加工性能和焊接性能。故硅含量限定为0.20～0.50%。[0030] 本发明的Mn含量选择在0.85～1.20%，适量锰具有细化晶粒作用，提高强硬度和低温韧性，同时锰与硫结合起到脱硫剂净化钢质作用，有利于低温韧性。但过量的锰易造成偏析，并形成含硫化锰的大型夹杂物，不利于低温韧性。故锰含量限定为0.85～1.20%。[0031] 本发明的P≤0.002%、S≤0.0005%，磷、硫极易偏聚晶界，并形成含硫化锰的大型夹杂物，导致低温韧性急剧下降，故应尽量降低其含量。[0032] 本发明的Cr含量选择在0.52～0.76%，铬起到固溶强化作用，在钢中形成多种形式的碳化物，因此铬显著提高钢的强硬度；铬还是淬透性元素，改善厚度方向强硬度均匀性；铬还可以提高钢的回火稳定性，但过量的铬恶化低温韧性和焊接性能。当铬含量低于0.52%时，无法满足上述技术要求，当铬含量高于0.76%时，反而不利于本发明产品的性能要求。[0033] 本发明的Mo含量选择在0.24～0.43%，钼具有很强的固溶强化作用，在钢中形成MoC等多种类型碳化物，显著提高强硬度；钼具有很强的淬透性，可提高厚度方向强硬度均匀性；钼还可以提高回火稳定性，改善回火脆性，但过量的钼恶化低温韧性和焊接性能。当钼含量低于0.24%时，无法满足上述技术要求，当钼含量高于0.43%时，反而不利于本发明产品的性能要求。[0034] 本发明的Nb含量选择在0.026～0.048%，钢中铌形成碳氮化物质点细化晶粒，提高强硬度和低温韧性；铌与钼联合加入时，钼促使NbC颗粒均匀析出并阻止其聚集长大，进一步提高强硬度和低温韧性；铌还可以提高再结晶温度，可使产品在高温和大压下量下轧制，确保强韧性和性能均匀性。当铌含量低于0.026%时，无法满足上述技术要求，当铌含量高于0.048%时，反而不利于本发明产品的性能要求。[0035] 本发明的Ti选择在0.012～0.023%，钢中钛形成的碳氮化物可有效抑制高温奥氏体晶粒长大，提高强硬度和低温韧性；钛与铌联合加入可显著提高再结晶温度，有利于在高温和大压下量下轧制。当钛含量小于0.012%时，上述作用不明显，当钛含量大于0.023%时，易形成不利于低温韧性的TiN夹杂。[0036] 本发明的B含量选择在0.0015～0.0027%，硼显著提高淬透性，确保钢的强硬度和厚度方向强硬度均匀性，但硼极易偏聚晶界，诱发晶界裂纹，恶化低温韧性，导致热脆现象，故硼含量限定为0.0015～0.0027%。[0037] 本发明的Ca含量选择在0.0012～0.0030%，钢中钙变质球化MnS夹杂，改善低温韧性；还可以与氧形成氧化钙起到脱氧作用，从而净化钢质提高铸坯冶金质量；但钙含量过多时，不但易偏聚晶界，且易形成钙的氧硫化物大型复合夹杂，不利于低温韧性。故钙限定为0.0015～0.0030%。[0038] 本发明的O含量选择在≤20×10?4%，氧一般属于有害气体，氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物形式存在，过多的氧还可引起铸坯气孔，严重影响低温韧性，故氧须严?4格限定为≤20×10 %。[0039] 本发明的N含量选择在≤22×10?4%，钢中氮可与钛形成大尺寸TiN夹杂，易造成冷加工裂纹，且钢中固溶氮易引起应变时效，不利于低温韧性，故氮须严格限定为≤22×10?4%。[0040] 本发明的H含量选择在≤0.5×10?4%，氢在钢中属于有害元素，易引起氢脆、白点、?4微孔等缺陷，严重恶化低温韧性，故氢须严格限定为≤0.5×10 %。[0041] 本发明的As≤0.0003%，Sn≤0.0003%，砷和锡均易偏聚晶界，增加晶界冷脆性，恶化晶界强度和低温韧性，故砷、锡均须严格限定为≤0.0003%。[0042] 同时上述化学成分还必须满足公式：Ca/S=5.0～6.0，0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤0.67。本发明钙变质球化MnS夹杂，改善低温韧性，还可以与氧形成氧化钙起到脱氧作用，从而净化钢质提高铸坯冶金质量，当Ca/S＜5.0时，钙起不到上述应有的作用，当Ca/S＞6.0时，易形成含钙的大型氧化物硫化物复合夹杂，不利于低温韧性；当C+Mn/6+(Cr+Mo)/5＜0.64时，无法保证钢的强硬度，也不利于厚度方向强硬度均匀性，当C+Mn/6+(Cr+Mo)/5＞0.67时，急剧恶化低温韧性。[0043] 本发明钢除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免夹杂。[0044] 采用本发明方法和铸坯成分制得的成品钢板厚度50～80mm，表层硬度HBW10/3000为530～550，心部硬度为表层硬度的95%以上，?40℃KV2≥100J。[0045] 与现有技术相比，本发明无需添加Ni贵重金属，合金成本低，生产工艺简洁易行，在各冶金企业均可规模化实施，利用本发明方法生产的成品钢板具有高低温韧性和良好的厚度方向硬度均匀性。具体实施方式[0046] 为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。[0047] 下表1为本发明各实施例及对比例化学成分重量百分比含量取值列表；[0048] 下表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表；[0049] 下表3为本发明各实施例及对比例的力学性能检测结果（三个实测数据的均值）。[0050] 实施例1?8中成品钢板的对应厚度分别为50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、70mm、75mm和80mm，对比例1?3中成品钢板的对应厚度分别为60mm、70mm和80mm。[0051] 本发明的一种厚度方向硬度均匀的高韧性耐磨钢板的生产方法，包括如下步骤：[0052] （1）炉外精炼：LF处理时间42～45min，出站S≤0.001；RH极限真空度＜67Pa，极限真空处理时间16～20min，喂钙丝后持续吹氩8～10min；[0053] （2）连铸：全流程保护浇注，过热度5～10℃，铸坯缓冷坑缓冷时间＞72h；[0054] （3）加热：加热温度1280～1310℃，均热温度1250～1260℃，均热时间≥72min；[0055] （4）轧制：采用两阶段轧制，Ⅰ阶段粗轧：铸坯出炉后首先进行高压水除磷，使铸坯表面和心部有100～300℃的温度差，然后立即粗轧3～5次，单次压下量35～45mm，直至轧件厚度为成品厚度的2.5倍；Ⅱ阶段精轧：将轧件表面水冷至950～980℃，随后精轧4～5次，单次压下量25～35mm，终轧温度890～910℃；[0056] （5）冷却：钢板水冷开始温度≥860℃，冷却速度＞50℃/s，返红温度≤120℃；[0057] （6）热处理：淬火温度900～920℃，在炉时间[1.8×H+(20?25)]min；待淬火钢板冷却至室温后24h内回火，回火温度150～260℃，在炉时间(4.8×H)min；其中H是以mm为单位的成品钢板厚度。[0058] 所述铸坯厚度为300～320mm。[0059] 所述铸坯含有下述重量百分比含量的化学成分：C：0.27～0.32%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.85～1.20%，P≤0.002%，S≤0.0005%，Cr：0.52～0.76%，Mo：0.24～0.43%，Nb：0.026～0.048%，Ti：0.012～0.023%，B：0.0015～0.0027%，Ca：0.0012～0.0030%，O≤20×?4 ?4 ?410 %，N≤22×10 %，H≤0.5×10 %，As≤0.0003%，Sn≤0.0003%，余量为Fe及不可避免夹杂，且上述化学成分还必须满足公式：Ca/S=5.0～6.0，0.64≤C+Mn/6+(Cr+Mo)/5≤0.67。[0060] 表1本发明各实施例及对比例化学成分重量百分比含量取值列表[0061][0062] 表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表[0063][0064] 表3 本发明各实施例及对比例的力学性能检测结果[0065][0066] 由表3试验性能结果可以看出，无论是板宽1/4处还是板宽1/2处，实施例1?8的心部硬度与表层硬度的比值均在95%以上，?40℃冲击功为102?137J，而对比例1?3的心部硬度与表层硬度的比值则低于75%，?40℃冲击功仅为39?51J，因此本发明产品钢板具有更优的低温韧性和厚度方向硬度均匀性。与现有技术相比，本发明无需添加Ni贵重金属，合金成本低，生产工艺简洁易行，在各冶金企业均可规模化实施，利用本发明方法生产的成品钢板具有高低温韧性和良好的厚度方向硬度均匀性，可广泛应用于农业、工程、采矿、港口、冶金、电力等恶劣环境下的大型机械设备。[0067] 上述实施例仅仅是本发明为解释本发明而例举的具体实例，并不以任何形式限制本发明，任何人根据上述内容和形式做出的不偏离本发明权利要求保护范围的非实质性的改变，均应认为落入本发明权利要求的保护范围。

专利地区：湖北

专利申请日期：2023-02-24

专利公开日期：2024-06-14

专利公告号：CN116145017B