CN103255341B - 一种高强度高韧性热轧耐磨钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度高韧性热轧耐磨钢及其制造方法，其化学成分的重量百分比为：C：0.20-0.50％，Si：0.8-2.0％，Mn：1.5-3.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.02-0.08％，N≤0.006％，O≤30ppm，Ti：0.005％-0.015％，Ni：0.5％-2.0％，且满足Mn和Ni之和为3.2～3.6％，余Fe和不可避免杂质；其显微组织为板条马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积百分含量为5.0-15.0％；采用热连轧、快速淬火冷却工艺获得的高强度高韧性耐磨钢，其抗拉强度为＞1500MPa，屈服强度1150-1400MPa，厚度为3-12mm，同时具有良好的延伸率(＞10％)和低温冲击韧性(-20℃冲击功为38-48J)，表现出优异的强塑性匹配。
Description
技术领域
本发明属于耐磨钢领域，涉及一种高强度高韧性热轧耐磨钢及其制造方法，其显微组织为板条马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积百分含量别为5.0-15.0％；其-20℃冲击功为38-48J，屈服强度为1150-1400MPa，抗拉强度为＞1500MPa，延伸率为12-12.5％。
背景技术
淬火-配分钢即Q&P钢是近年来先进高强钢领域的研究热点。Q&P钢的主要工艺为：将钢加热到完全奥氏体区，保温一段时间后，迅速淬火到Ms和Mf(Ms和Mf分别表示马氏体转变开始温度和结束温度)之间的某一温度，以获得具有一定量残余奥氏体的马氏体+残余奥氏体组织，随后在淬火停冷温度或略高于停冷温度下保温一定时间使碳原子从过饱和的马氏体中向残余奥氏体中扩散富集，从而稳定残余奥氏体，然后再次淬火至室温。
马氏体和残余奥氏体的相对含量通常决定了钢的最终性能，且可以通过控制淬火停冷温度加以调整。通过这种工艺处理之后的钢通常具有很高的强度和较好的塑性，即具有很高的强塑积。其抗拉强度可达2000MPa以上，而延伸率≥10％。Q&P钢在室温时的典型组织为板条马氏体和薄膜状残余奥氏体。Q&P钢力学性能主要是由板条马氏体和薄膜状残余奥氏体的板条宽度以及残余奥氏体的体积百分数决定。
Q&P钢的概念一经提出，世界上许多研究小组都对这一类新钢种从理论和试验方面进行了深入研究。然而，通过对已有研究成果进行总结后不难发现，试验过程中的工艺路线基本都是采用热处理的方法或两步法，即钢经过奥氏体化之后，先进行淬火然后再将钢重新加热至略高于淬火停冷温度下保温一段时间后，最后再淬火至室温。
这一工艺路线对冷轧或热镀锌产品的生产来说比较合适。对于热连轧过程而言，由于在层流冷却和卷取之间没有快速再加热过程或者卷取之后对整卷进行再加热的能力，因此，在热连轧产线上按照两步法生产Q&P钢是无法实现的，只能采用层流冷却淬火至一定温度然后进行卷取的一步法工艺路线。
现有热轧Q&P钢如中国专利CN102226248A公开了一种碳硅锰热轧Q&P钢，但合金成分设计上没有采用微Ti控制奥氏体晶粒尺寸，而且钢板的抗拉强度的最高强度也不超过1400MPa，其化学合金成分如表1所示，不含有Al、N、Ti、Ni等合金成分。
中国专利CN101775470A介绍了一种复相Q&P钢的生产工艺，实际上是一种两步法生产Q&P钢的工艺；中国专利CN101487096A介绍了一种用两步热处理法生产C-Mn-Al系Q&P钢，其主要特点是延伸率很高，主要用于汽车领域，其化学合金成分如表1所示，不含有N、Ti、Ni等合金成分。
前已提及，Q&P钢的典型组织为板条马氏体+残余奥氏体。在拉伸或变形过程中板条马氏体和残余奥氏体发生的TRIP效应贡献了高的抗拉强度，同时残余奥氏体在拉伸或变形过程中发生相变诱导塑性(TRIP)效应贡献了较高的延伸率，因此，Q&P的强塑积大，可高达30000MPa·％以上。
然而，Q&P钢的一个最重要的缺点是冲击韧性低，这主要是由于在冲击过程中，残余奥氏体迅速发生TRIP效应导致钢的强度急剧增加，同时Q&P钢的加工硬化率高，再加上组织中通常含量少量的块状残余奥氏体，这些都导致Q&P的冲击韧性很低。在实际使用过程中，用户不仅需要高的耐磨性，同时也要求具有良好的低温冲击韧性，因此，开发具有良好低温冲击韧性的热轧高强度高韧性Q&P钢是目前急需解决的问题。
表1 单位：重量百分比
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有良好低温冲击韧性的高强度高韧性热轧耐磨钢及其制造方法，该热轧耐磨钢的显微组织为板条马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积百分含量别为5.0-15.0％；其-20℃冲击功为38-48J，屈服强度为1150-1400MPa，抗拉强度为＞1500MPa，延伸率为12-12.5％。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明通过合理的成分设计，在传统的C-Mn钢的成分基础上，通过提高Si含量抑制渗碳体析出，同时加入微量的Ti控制加热时的奥氏体晶粒尺寸以获得淬火时细小的板条马氏体，加入一定量的Ni元素提高钢板残余奥氏体的稳定并推迟分配阶段残余奥氏体向贝氏体的转变，结合热连轧工艺，生产出抗拉强度＞1500MPa级的高强度高韧性耐磨钢。
本发明的高强度高韧性热轧耐磨钢，其化学成分的重量百分比为：C：0.20-0.50％，Si：0.8-2.0％，Mn：1.5-3.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.02-0.08％，N≤0.006％，O≤30ppm，Ti：0.005％-0.015％，Ni：0.5％-2.0％，且满足Mn和Ni之和为3.2～3.6％，其余为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为板条马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积百分含量为5.0-15.0％；其-20℃冲击功为38-48J，屈服强度为1150-1400MPa，抗拉强度为＞1500MPa，延伸率为12-12.5％。
本发明的高强度高韧性热轧耐磨钢的化学成分设计如下：
碳：碳是钢中最基本的元素，同时也是本发明钢中最重要的元素之一。碳作为钢中的间隙原子，对提高钢的强度起到非常重要的作用，对钢的屈服强度和抗拉强度影响最大。钢中碳的含量若低于0.20％，在不添加其他合金元素的情况下，热轧Q&P钢的强度难以达到很高的强度如1500MPa以上；而且，在卷取等温的过程中，碳从马氏体向奥氏体中扩散富集的程度不足以保证残余奥氏体在室温时的稳定性。若钢中的碳含量大于0.50％，虽然可以保证在卷取等温过程中有足够的碳原子向奥氏体中富集，但由于碳含量高导致Ms和Mf点降低，在相同的工艺条件下，残余奥氏体的含量增加，相应的残余奥氏体中的碳浓度也会减少，稳定性降低。另外，碳含量太高对钢板的冲击韧性以及焊接性等都有不利影响。因此，钢中碳含量控制在0.20-0.50％的范围内可保证钢板具有良好的高强度和较好的塑性匹配。
硅：硅是钢中最基本的元素，同时也是本发明钢中最重要的元素之一。与传统的热轧高强钢相比，目前的高强度Q&P钢基本都是采用高硅的成分设计原则。Q&P钢中加入高硅的主要目的是在卷取缓冷阶段抑制渗碳体的析出，促进碳在残余奥氏体中富集，稳定奥氏体。若硅在钢中的加入量低于0.8％，则钢在淬火到Ms-Mf之间卷取缓冷过程中将析出碳化物如渗碳体，降低了残余奥氏体中的碳含量，使得残余奥氏体变得不稳定。在继续缓慢冷却到室温的过程中，残余奥氏体有可能发生分解，对钢的性能造成不利影响；另一方面，硅在钢中的含量也不能太高，若硅含量超过2.0％，钢中容易形成硅的氧化物，使钢发生脆性断裂。因此，本发明钢中硅的含量控制在0.8-2.0％，优选范围在1.2-1.8％之间。
锰：锰是扩大奥氏体相区的元素，也是本发明钢中的重要元素之一。锰可以降低钢的临界冷却速度，稳定奥氏体，推迟奥氏体向珠光体的转变。本发明为保证钢板的强度和提高奥氏体的稳定性，锰的含量应控制在1.5％以上；另一方面，锰含量也不能太高，如超过3.0％时，连铸坯容易产生热裂纹和锰偏析，且钢板难以焊接。因此，本发明钢中锰的含量应控制在1.5-3.0％之间。
镍：镍是本发明钢成分中的重要元素。镍是扩大奥氏体相区的元素，提高奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度。镍加入钢中一方面稳定残余奥氏体，推迟钢在淬火-分配过程中残余奥氏体向贝氏体的转变，提高钢板的低温冲击韧性。高强钢由于强度很高，冲击韧性通常较差，加入一定量的镍可细化碳化物并提高冲击韧性。若镍的含量低于0.5％，对推迟残余奥氏体向贝氏体转变作用不明显，且对低温韧性的提高作用有限；若镍的含量高于2.0％，虽然有利于提高低温冲击韧性，但由于残余奥氏体含量过多，势必降低残余奥氏体的力学稳定性，从而降低了钢的延伸率；而且镍属于贵重合金元素，加入较多的镍提高了合金成本，故钢中镍的含量控制在0.5-2.0％之间为宜；
锰和镍：本发明钢中锰的加入量与镍的加入量有关，由于锰和镍均为稳定奥氏体的元素，但钢中的残余奥氏体含量并非越多越好，而是应控制在一定范围内(通常在5-15％比较合适)。这是因为残余奥氏体的稳定性包括热稳定性和力学稳定性，锰含量越高，相应的镍含量要降低，锰和镍二者之间应保持一定的定量关系。在保证钢板强度基本稳定的前提下，锰和镍的加入量之和即[Mn％]+[Ni％]应控制在3.2～3.6之间较为合适。
磷：磷是钢中的杂质元素。钢中磷的含量较高(≥0.1％)时，形成Fe2P在晶粒周围析出，降低钢的塑性和韧性，故其含量越低越好，一般控制在0.015％以内较好且不提高炼钢成本。
硫：硫在钢中含量较高时以FeS-Fe共晶体的形式存在于钢的晶粒周围，降低钢的力学性能，其含量与磷类似，也是越低越好，实际生产时通常控制在0.005％以内。
铝：铝在钢中的作用主要是在炼钢过程中进行脱氧。除此之外，铝还可与钢中的氮结合形成AlN，若钢中氮的含量较高，加入的钛不足以固定氮原子时，铝也可以起到固氮的作用。因此，本发明钢中铝的含量要控制在合适的范围内，通常控制在0.02-0.08％即可，优选范围为0.03-0.06％。
钛：钛的加入量与钢中氮的加入量相对应。钢中Ti/N控制在TiN的化学计量比3.42以下为宜。若Ti/N大于3.42，则钢中容易形成比较粗大的TiN粒子，对钢板的冲击韧性造成不利影响，粗大的TiN粒子可成为断裂的裂纹源。另一方面，Ti的含量也不能太低，否则形成的TiN数量太少，起不到细化奥氏体晶粒的作用。因此，钢中钛的含量要控制在合适的范围，通常钛的加入量控制在0.005-0.015％之间，优选范围控制在0.008-0.012％；
氮：氮在本发明中属于杂质元素，其含量越低越好。氮也是钢中不可避免的元素，通常情况下，钢中氮的残余含量在0.002-0.004％之间，这些氮元素可以通过与酸溶铝和Ti结合而固定。为了不提高炼钢成本，氮的含量控制在0.006％以内即可，优选范围为小于0.004％。
氧：氧是炼钢过程中不可避免的元素，对本发明而言，钢中氧的含量通过铝脱氧之后一般都可以达到30ppm以下，对钢板的性能不会造成明显不利影响。因此，将钢中的氧含量控制在30ppm以内即可。
本发明的高强度高韧性热轧耐磨钢的制造方法，包括如下步骤：
按照上述化学成分的配比经转炉或电炉冶炼、真空炉二次精炼、铸造获得铸坯或铸锭、铸坯或铸锭再加热、热轧、快速淬火、卷取后空冷至室温获得所述高强度高韧性热轧耐磨钢；其中，
在铸坯或铸锭再加热步骤中，加热温度为1100-1200℃，保温时间为1-2小时；
在热轧步骤中，开轧温度为1000-1100℃，在950℃以上多道次大压下且累计变形量≥50％，中间坯待温度降至900-950℃进行最后3-5个道次的轧制，且累计变形量为75-95％，终轧温度为850-900℃；
在快速淬火步骤中，开始冷却温度为850-900℃，以＞50℃/s的冷却速度快速冷却至100-300℃之间的任一温度；
本发明的铸坯或铸锭的开轧温度为1000-1100℃，在950℃以上多道次大压下且累计变形量≥50％，主要目的是细化奥氏体晶粒；随后中间坯待温度降至900-950℃，进行最后3-5个道次的轧制；在铁素体析出开始温度之上即850-900℃之间以＞50℃/s的冷速冷却至100-300℃之间(即Ms-Mf之间)某一温度以获得马氏体和5-15％体积百分含量的残余奥氏体组织。
在卷取步骤中，卷取温度为100-300℃。
本发明的钢坯(铸坯或铸锭)加热温度若低于1100℃以及保温时间过短，则不利于合金元素的均匀化；而当温度高于1200℃时，不仅提高了制造成本，而且使得钢坯的加热质量有所下降。因此，钢坯的加热温度一般控制在1100～1200℃比较合适。
同样，加热保温时间也需要控制在一定范围内。保温时间过短，溶质原子如Si、Mn等的扩散不够充分，钢坯的加热质量得不到保证；而保温时间过长则使得奥氏体晶粒粗大以及提高了制造成本，故保温时间应控制在1～2小时之间最好。另外，可适当调整加热温度和保温时间的配合，加热温度越高，相应的保温时间可适当缩短。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1)本发明通过提高Si含量抑制渗碳体析出，同时加入微量的Ti控制加热时的奥氏体晶粒尺寸以获得淬火时细小的板条马氏体，加入一定量的Ni元素提高钢板残余奥氏体的稳定并推迟分配阶段残余奥氏体向贝氏体的转变，从而制造出高强度高韧性热轧耐磨钢。采用热连轧、快速冷却工艺获得的高强度高韧性耐磨钢板，其抗拉强度＞1500MPa，且厚度为3-12mm，该耐磨钢同时具有良好的延伸率(＞10％)和低温冲击韧性(-20℃冲击功为38-48J)，表现出优异的强塑性匹配。
2)本发明的高强度热轧Q&P钢板的组织组织为马氏体+较多残余奥氏体。正是由于较多残余奥氏体的存在，使得钢板在拉伸变形过程中发生相变诱导塑性(TRIP)效应，提高了钢板的抗拉强度和塑性，使钢板具有良好的耐磨性。
3)本发明耐磨钢板的力学性能大幅提高，用户使用成本降低，钢板的抗拉强度和延伸率与传统的低合金高强钢相比有明显提高，且低温冲击韧性提高。因此，在一些使用厚板耐磨钢的领域可以采用更薄规格的超高强度高韧性耐磨钢，以减轻重量，降低成本；
4)采用本发明工艺制造出的耐磨钢板具有超高强度、高硬度和高韧性，特别适合于在较低温度下需要提高耐磨性的领域，尤其是钢中保留的残余奥氏体，在磨粒磨损等条件下可以转变为马氏体，进一步提高钢板的耐磨性。
附图说明
图1为本发明耐磨钢的生产工艺流程图；
图2为本发明耐磨钢的加热、冷却和卷取工艺控制示意图；
图3为本发明实施例1钢板的金相显微组织照片；
图4为本发明实施例2钢板的金相显微组织照片；
图5为本发明实施例3钢板的金相显微组织照片；
图6为本发明实施例4钢板的金相显微组织照片；
图7为本发明实施例5钢板的金相显微组织照片；
图8为本发明实施例6钢板的金相显微组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述。
参见图1，本发明的一种高强度高韧性热轧耐磨钢的制造方法，其生产工艺流程为：转炉或电炉冶炼→真空炉二次精炼→铸造成铸坯或铸锭→钢坯或铸锭再加热→热轧+快速淬火工艺→卷取后空冷至室温获得钢卷。
本发明实施例1～6的化学成分参见表2。实施例热连轧和快速淬火工艺如图2所示，制造工艺参数如表3所示。
经检测，实施例1～6获得的高强度高韧性热轧耐磨钢的性能如表4所示。实施例1-6的高强度高韧性热轧耐磨钢的金相显微组织照片分别如图4～图8所示。
表2 单位：重量百分比
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Al | N | Ti | Ni | O |
| 1 | 0.21 | 1.65 | 2.97 | 0.008 | 0.0027 | 0.036 | 0.0044 | 0.013 | 0.58 | 0.0025 |
| 2 | 0.26 | 1.54 | 2.26 | 0.007 | 0.0034 | 0.077 | 0.0058 | 0.015 | 1.03 | 0.0028 |
| 3 | 0.31 | 1.98 | 2.63 | 0.009 | 0.0023 | 0.021 | 0.0033 | 0.008 | 0.82 | 0.0024 |
| 4 | 0.35 | 1.03 | 1.98 | 0.013 | 0.0031 | 0.063 | 0.0041 | 0.012 | 1.27 | 0.0030 |
| 5 | 0.39 | 0.80 | 1.51 | 0.015 | 0.0033 | 0.050 | 0.0046 | 0.010 | 1.95 | 0.0027 |
| 6 | 0.48 | 1.23 | 1.72 | 0.011 | 0.0035 | 0.044 | 0.0040 | 0.005 | 1.71 | 0.0029 |
表3
表4
从表4中可知，本发明实施例1-6获得的高强度高韧性热轧耐磨钢钢板，其-20℃冲击功为38-48J，屈服强度为1150-1400MPa，抗拉强度为＞1500MPa，延伸率为12-12.5％。其抗拉强度＞1500MPa，且厚度为3-12mm，同时具有良好的延伸率(＞10％)和低温冲击韧性(-20℃冲击功为38-48J)，表现出优异的强塑性匹配。
从图3-8的实施例1-6中各钢的典型金相照片上可以看出，获得的高强度高韧性热轧耐磨钢的组织主要为板条马氏体，经X射线衍射检测可知，实施例1-6的钢中残余奥氏体体积百分含量别为5.88％、6.21％、8.58％、8.86％、9.30％和10.25％。因此，该钢板的组织为马氏体+一定量残余奥氏体。正是由于较多残余奥氏体的存在，使得钢板在拉伸变形过程中发生相变诱导塑性(TRIP)效应，提高了钢板的抗拉强度和塑性，使钢板具有良好的耐磨性。
Claims (3)
1.一种高强度高韧性热轧耐磨钢，其化学成分的重量百分比为：C：0.20-0.50％，Si：0.8-2.0％，Mn：1.5-3.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.02-0.08％，N≤0.006％，O≤30ppm，Ti：0.005％-0.015％，Ni：0.5％-2.0％，且满足Mn和Ni之和为3.2～3.6％，其余为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为板条马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积百分含量为5.0-15.0％；其-20℃冲击功为38-48J，屈服强度为1150-1400MPa，抗拉强度为＞1500MPa，延伸率为12-12.5％。
2.如权利要求1所述的高强度高韧性热轧耐磨钢，其特征在于，Si：1.2-1.8％；Al：0.03-0.06％，以重量百分比计。
3.如权利要求1或2所述的高强度高韧性热轧耐磨钢的制造方法，包括如下步骤：
按照上述化学成分的配比经转炉或电炉冶炼、真空炉二次精炼、铸造获得铸坯或铸锭、铸坯或铸锭再加热、热轧、快速淬火、卷取后空冷至室温，获得所述高强度高韧性热轧耐磨钢；其中，
在铸坯或铸锭再加热步骤中，加热温度为1100-1200℃，保温时间为1-2小时；
在热轧步骤中，开轧温度为1000-1100℃，在950℃以上多道次大压下且累计变形量≥50％，中间坯待温度降至900-950℃进行最后3-5个道次的轧制，且累计变形量为75-95％，终轧温度为850-900℃；
在快速淬火步骤中，开始冷却温度为850-900℃，以＞50℃/s的冷却速度快速冷却至100-300℃之间的任一温度；
在卷取步骤中，卷取温度为100-300℃；
所获得的高强度高韧性热轧耐磨钢，其显微组织为板条马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积百分含量别为5.0-15.0％；其-20℃冲击功为38-48J，屈服强度为1150-1400MPa，抗拉强度为＞1500MPa，延伸率为12-12.5％。
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