发明内容

本发明的目的在于提供一种1700MPa耐热农机用钢及其制造方法，本发明生产的农机用钢热轧板组织为片间距0.5μm以上的粗片状珠光体，珠光体团直径小于10μm，屈强比60％以下，表面无晶界氧化层，热处理后高温工作条件下基体硬度55HRC以上，抗拉强度1700MPa以上。生产的农机配件，表面硬度65HRC以上，耐磨性、耐热性和耐腐蚀性优异。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

1700MPa耐热农机用钢，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.70％～1.1％、Si≤0.05％、Mn 0.4％～1.5％、Al≤0.06％、Ca 0.0005％～0.05％、Re 0.05％～0.5％、Sn0.1％～1.0％、Mg0.0008％～0.05％、Ca/S≥0.2、Ca/Mg≥1、Ca/Re≥0.05、P≤0.020％、S≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质。

以下详细阐述本发明的结构用钢各合金成分作用机理：

C是钢中主要的固溶强化元素，且本发明中需足量的C与Sn、Re等结合提升强硬性，C含量若低于0.70％，则很难保证钢板强硬性，另一方面C含量若高于1.1％，则热轧板强度过高，恶化钢的韧塑性，影响屈强比，成型性不好。因此，C含量要控制在0.70％～1.1％。

Mn价格相对便宜，是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素。锰和铁能无限固溶形成固溶体，提高硬度和强度，对塑性的影响相对较小。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹影响工具钢的热成形性。同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。钢中Mn含量低，不能满足高强硬性的要求，Mn含量过高偏析严重，影响焊接性能和成型性，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，Mn含量应该控制在0.4％～1.5％。

Si是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，固溶形态的Si能提高屈服强度和韧脆转变温度，一般农机钢中Si0.17～0.37％。本发明不加Si，控制钢中残余Si尽量少。本发明Si会促使刃具钢表面脱碳氧化，形成疏松的氧化层，氧化层中存在晶界氧化等微裂纹缺陷，严重影响表面硬度及疲劳性能。本发明Si≤0.05％，成本低，且避免钢表面氧化，改善表面质量，有助于喷焊的合金层致密，保证耐磨性和耐腐蚀性。

Al用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别能降低钢的脆性转变温度；Al还能提高钢的抗氧化性能，提高对硫化氢的抗腐蚀性。Al含量超过0.06％，易与钢中氧形成大颗粒氧化物夹杂，影响疲劳性能。

Ca作为微合金化元素，能细化晶粒，部分脱硫，改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能，提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。工具钢碳较高，钢水流动性差，夹杂物不易上浮，本发明加钙，改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，加快钢水流动，促使夹杂物上浮充分，提高钢质纯净度，成品钢中各类非金属夹杂不超过1.5级，而且改善钢表面光洁度,消除组织的各向异性，改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能，延长工具的使用寿命。Ca的夹杂物变性作用与硫含量有很大关系，本发明Ca/S≥0.2，才能保证Ca夹杂物变性处理充分。本发明中添加钙能将稀土的收得率提高到60％以上,Mg的收得率提高到40％以上,有效提高稀土和镁的利用率,充分发挥他们在钢中提高高温强度和硬度，抗氧化性、抗腐蚀性和耐热性作用。

Re稀土元素可以提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性，使钢组织致密、提高高温强度，RE抗氧化性的效果超过铝、钛等元素。本发明Re能改善钢的流动性，提升钢板表面光洁度，提升表面喷焊性能。Re也能使Al₂O₃、MnS等氧化物和硫化物夹杂物变成细小分散的球状夹杂物，从而消除夹杂的危害性，提升疲劳性能。本发明Ca/Re≥0.05才能有足够的Ca提升稀土的收得率到60％以上，充分发挥稀土在钢中抗氧化性、抗腐蚀性和提高耐热性作用。本发明稀土在高温下使钢组织致密、提高高温强度，提升热处理后性能。钢中的Re和Mg与C生成系列碳镁稀土化物，进一步促进热轧形成片间距0.5μm以上的珠光体组织，热处理碳扩散快，无需高温，节能减耗。

Mg是十分活泼的金属元素，它与氧、氮、硫都有很强的亲和力。但由于Mg太过活泼，冶炼时不易控制，收得率低。本发明采用自创的精炼加Re-Mg冶炼技术，严格精准控制钢中Mg含量，利用Ca与Mg共同作用生成CaO·MgO·Al₂O₃及CaO·MgO·MnS等复合夹杂，此类夹杂熔点低，在钢液中易凝固上浮排除，避免了连铸过程中的水口结瘤问题，减少钢液中夹杂含量，控制钢中夹杂物水平不超过1.0级。Ca/Mg≥1才能有足够的Ca提高Mg的收得率40％以上，有效提高镁的利用率,形成CaO·MgO·Al₂O₃及CaO·MgO·MnS复合夹杂,提升热处理后高温强度和硬度。Mg的另一主要作用是与Re、C生成系列碳镁稀土化物，以致热轧板中形成片间距0.5μm以上的珠光体组织，热处理碳扩散快，无需高温，节能减耗。

Sn：本发明锡能改善钢的耐磨性和钢水流动性，钢水流动性好，夹杂物上浮充分，钢的纯净度好。本发明固溶Sn提高处理强硬性。本发明碳含量高，碳易在铸坯枝晶凝固末端偏析聚集，当碳在钢板表面晶界偏析聚集时，引起表面氧化严重，出现表面晶界氧化和微裂纹，这是影响表面喷焊不合格的主要原因。另一方面，本发明碳含量高，热轧板易出液析相，退火等热处理进一步析出石墨，影响折弯成型、疲劳等使用性能。本发明在钢中加入一定量的锡，可有效阻碍工具钢碳偏析聚集、渗碳体和石墨化析出，抑制钢板表面产生微裂纹，得到无表面晶界氧化钢板，提升表面喷焊性能、强度、耐磨性等综合性能。

固溶的Re、Mg在特定的生产工艺下与Sn、C生成直径20nm以下球形碳锡化物，如ReMgSnC_M、ReSnC_M、MgSnC_M等，均匀分散地分布在钢中，成为珠光体片层的形核质点，以致粗化热轧钢板珠光体中渗碳体片间距0.5μm以上，渗碳体中碳扩散容易且快，无需高温奥氏体化，热处理时加热温度670～750℃即可，节省能耗。这些直径20nm以下球形Re、Mg的碳锡化物比普通渗碳体耐热，900℃仍不扩撒分解，热处理后它们仍均匀分散地分布在钢中，提升热处理后强硬性，进一步提升耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，拉抻强度1700MPa以上，硬度55HRC以上。

P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.020％，最高S含量限制在0.015％。硫在钢中以FeS、MnS形式存在，该发明中Mn高，MnS的形成倾向就高，虽然其熔点较高能避免热脆的产生，但MnS在加工变形时能沿着加工方向延伸成带状，钢的塑性，韧性，及疲劳强度显著降低，因此钢中加入Ca和Mg进行夹杂物变形处理。

所述农机用钢热轧钢板为粗片状珠光体组织，珠光体片间距0.5μm以上，珠光体团直径不大于10μm；热处理后组织为弥散分布直径20nm以下球形碳锡化物的板条状马氏体组织。

所述农机用钢钢板屈强比60％以下；热处理后，200℃以上高温工作条件下，基体硬度55HRC以上，抗拉强度1700MPa以上。

所述农机用钢钢板中非金属夹杂物不超过1.0级；钢板晶界氧化层为0mm；偏析不超过1.5级。

1700MPa耐热农机用钢的制造方法，本发明的钢板由转炉冶炼、电炉精炼、浇注的连铸坯轧制而成，方法包括：

1)冶炼工艺：

a)采用Al脱氧剂脱氧，精炼氧含量≤0.0020％以后，加Ca处理至少5分钟，然后再加Mn、Re、Mg，最后加Sn合金；

b)中包吹氩时间5～8分钟，确保夹杂物上浮充分，浇注过热度≤25℃；

c)连铸采用结晶器电磁搅拌，铸坯厚度170mm～250mm；压下量2mm～10mm；连铸结晶器电磁搅拌电流强度500A～1000A，电磁搅拌1分钟～3分钟；

d)连铸拉速1.0m/min～1.4m/min；

2)铸坯处理工艺：

a)铸坯下线入缓冷坑缓冷72小时以上，铸坯轧制前采用步进式加热炉加热；

b)加热炉采用还原性气氛，预热段温度500℃以上，加热段温度1200℃～1350℃，加热段时间30分钟～50分钟，总在炉时间2小时～4小时；

3)轧制工艺包括粗轧、精轧、第三次轧制三个过程：

粗轧、精轧和第三次轧制之前均采用多道次高压水除鳞，高压水压力不小于30MPa，保证钢板表面质量；

a)粗轧采用首道次≥50％大压下率轧制，充分破碎铸坯粗大晶粒；

b)精轧不少于6道次连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，高温快轧，轧制速度≥20m/s,开轧温度1100℃～1150℃，结速温度900℃～980℃；

c)精轧后以冷速≥20℃/s冷却到600℃～750℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率2％～8％，侧压压下率5％～25％；

4)冷却工艺：

a)钢板进入层流冷却，急冷，冷速≥20℃/s；

b)为保证整卷组织性能均匀性及全卷无表面氧化晶界氧化，采用卷头、卷中、卷尾分段冷却方式，卷头0米～30米500℃～550℃卷取，卷尾0米～30米550℃～600℃卷取，卷中其他部分520℃～580℃卷取，整卷得到粗片状珠光体组织，珠光体片间距0.5μm以上，珠光体团直径不大于10μm；

5)用步骤4)得到的热轧钢板加工制造入土农机配件所需形状，加热到670℃～750℃，保温10～30分钟，油淬到200℃以下，入回火炉300～500℃保温24～36小时，空冷。

利用1700MPa耐热农机用钢加工的农机配件的喷焊方法，方法包括

1)农机配件抛砂10分钟～30分钟及滚光10分钟～30分钟表面处理后，表面加热到800℃～900℃，热喷焊含铬70％～80％的铬铜合金粉末层，空冷到室温；

2)农机配件表面喷焊的铬铜合金粉末为直径80μm～150μm的球形粒状粉末。

所述农机配件表面喷焊的铬铜合金粒状粉末层厚0.2mm～0.5mm，与钢表面下基体中的碳形成致密的CrCuC过渡层0.1mm～0.2mm，200℃以上高温工作条件下，表面硬度65HRC以上，磨销转速300r/min、载荷120N条件下磨损率小于20mg/km，土壤环境下腐蚀速率低于15g/m²·h。

本发明农机用钢碳高，氧含量难控制，钢水流动性差，为提高钢水流动性，脱氧充分，先用Al脱氧剂脱氧，氧含量≤0.0020％以后,加Ca处理至少5分钟后再加Re和Mg合金。本发明成分中Ca、Mg、Re、Sn均为活跃元素，冶炼时很难控制，加入顺序至关重要。加Al脱氧后钢中会产生Al₂O₃夹杂，如果炉衬耐火材料不良，还会生成MgO·Al₂O₃夹杂，这些Al的氧化物夹杂熔点较高，在钢中不易凝固上浮，一方面会降低钢水流动性，堵塞浇注水口，另一方面也会使钢中夹杂物增多，影响钢的折弯、疲劳性能。加Al脱氧后再加Ca处理，Ca会打断原有长条状的Al₂O₃和MgO·Al₂O₃及MnS夹杂，包裹在这些断续夹杂物外部，生成弥散分布的球状CaO·MgO·Al₂O₃或CaO·Al₂O₃及CaO·MnS复合氧化物，细化球化了夹杂，而且这些小颗粒钙铝酸盐复合夹杂物熔点低，在钢液中易凝固上浮排除，避免了连铸过程中的水口结瘤问题，减少钢液中夹杂含量，保证钢中夹杂物水平不超过1.0级。Ca处理5分钟后，变性的夹杂物充分上浮，钢水纯净后，再加Re、Mg合金，此时钢水中存在的多余的游离Ca提高了R、Mg的收得率，Ca使Re收得率提高到60％以上，Mg的收得率高达40％以上。充分发挥他们在钢中提高高温强度和硬度，抗氧化性、抗腐蚀性和耐热性作用。

本发明Ca、Re、Sn使氧化物和硫化物夹杂变性，增加钢水流动性，提升夹杂上浮速度，中包吹氩时间5～8分钟，即可促使夹杂物变性处理后充分上浮，保证钢中各类非金属夹杂不超过1.0级的纯净度，而且较普通工具钢节省近一半时间，节能减耗，且提高生产率。

本发明碳含量高，连铸易产生成分偏析，影响组织均匀性，因此连铸采用压下技术和控制过热度改善铸坯宏观偏析。过热度≤25℃，连铸压下量为2mm～10mm,减轻偏析，且保证铸坯不出裂纹。压下量小于2mm偏析严重，超过1.5级,压下量大于10mm铸坯易出裂纹。

本发明碳含量高，易在铸坯柱状晶凝固末端形成液态微偏析，热轧板易出液析相，热处理进一步析出石墨，影响拉伸强度和疲劳等使用性能。本发明在钢中加入一定量的锡，同时采用结晶器电磁搅拌，电流强度500A～1000A，时间1分钟～3分钟，连铸拉速1.0m/min～1.4m/min，控制柱状晶末端合金液态微偏析，有效阻碍碳偏析聚集和石墨化析出。电磁搅拌电流强度低于500A，搅拌时间少于1分钟，阻碍碳偏析聚集和石墨析出不明显，电磁搅拌电流强度高于1000A，浪费能源，搅拌时间多于3分钟，钢水温度降低，浇注堵水口。锡不仅能有效阻碍碳偏析聚集、渗碳体和石墨化析出，还能抑制钢板表面晶界氧化，提升表面喷焊性能、强度、耐磨性等综合性能。

铸坯下线入缓冷坑缓冷72小时以上，避免合金含量相对较高的高碳钢铸坯在应力作用下极易开裂，同时减轻铸坯偏析。

铸坯轧制前采用步进式加热炉加热，铸坯入加热炉预热段温度500℃以上，防止加热段铸坯内外温差太大，产生内应力和热应力开裂；加热炉采用还原性气氛，阻抗铸坯表面氧化脱碳。加热段加热温度1200℃～1350℃，加热段时间30分钟～50分钟，在炉总时间2小时～4小时，保证铸坯加热均匀，均匀成分，减小偏析。抑制钢板表面晶界氧化和脱碳，提升表面喷焊性能、强度、耐磨性等综合性能。

粗轧之前2次除鳞，精轧之前2次除鳞，第三次轧制之前1次除鳞，除鳞压力均30MPa以上，钢板表面氧化铁皮清除干净，钢板表面无明显氧化和脱碳，有助于表面喷焊和提升高温工作环境下强度和硬度。粗轧采用≥50％大压下率3道次轧制，充分破碎铸坯粗大柱状晶粒，且钢中的Re和Mg与C生成系列碳镁稀土化物，进一步促进热轧形成片间距0.5μm以上的珠光体组织。

精轧采用6道次高温快轧，开轧温度≥1100℃，结束温度900℃～980℃，固溶在奥氏体中的Sn等与碳反应形成一系列直径10nm以下球形细小SnC_M碳锡化物。总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，细化奥氏体，为形成碳锡化物提供足够的相变能；这些SnC_M碳锡化物为形成耐高温的Re、Mg的碳锡化复合物做准备。为了降低热处理加热温度，采用高温快轧，轧制速度≥20m/s的工艺粗化珠光体中渗碳体片间距到0.5μm以上。轧制速度≥20m/s，这些碳锡化物来不及长大，均匀分散地分布在钢中，为生成Re、Mg的碳锡化复合物做准备。另一方面这些细小碳锡化物也成为珠光体渗碳体片层的形核质点，由于这些碳锡化物更容易聚集碳，渗碳体片基本都是以这些碳锡化物为质点，又因为它们都是分散分布的，所以形成的珠光体中渗碳体片层间距大于0.5μm，热处理无需高温。但采用上述精轧工艺后，渗碳体片生长快，导致珠光体团直径大，钢板韧塑性差，折弯成型性差，且热处理后板条马氏体粗大，影响热处理后性能。

钢板出精轧机后精轧后以≥20℃/s冷速急冷到600℃～750℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率2％～8％，侧压压下率5％～25％。第三次低温轧制主要为SnC_M碳锡化物与Re、Mg反应生成ReMgSnC_M、ReSnC_M、MgSnC_M2等碳锡复合物提供反应所需的相变能和过冷度。这些均匀细小碳锡复合物在热轧板中降低屈强比到60％以下，提升成型性。这些碳锡复合物比普通渗碳体耐热，900℃仍不扩散分解，热处理后它们仍均匀分散地分布在马氏低板条中，提升热处理后强硬性，进一步提升耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，拉抻强度1700MPa以上，基体硬度55HRC以上。另一方面，第三次低温轧制能破碎上述精轧为了粗化珠光体片形成的大珠光体团，使珠光体团直径不超过10μm，提升韧塑性，屈强比60％以下，成型性优异，为后续热处理后形成细小马氏体板条提供组织保证。20℃/s是生成碳锡复合物反应所需临界过冷度，因此出精轧机后冷速≥20℃/s，同时抑制珠光体团过大。轧制温度600℃～750℃，上下压下率2％～8％，侧压压下率5％～25％，保证提供足够的生成ReMgSnC_M、ReSnC_M、MgSnC_M2等碳锡复合物反应的变形能，保证珠光体团直径破碎到10μm以下，钢板屈强比60％以下，折弯成型性优异。采用四水平辊轧机连续两道次轧制，增加相变能。轧制温度高于750℃、压下率低于2％、侧压压下率低于5％大珠光体团不易破碎，生成碳锡复合物相变能不足，量少。轧制温度低于600℃、压下率大于8％、侧压压下率大于25％轧制力大，轧机负荷过大，钢中储存能过大，碳锡复合物长大到20nm以上，不能起到耐高温作用，且易在上述粗片状渗碳体珠光体的铁素体基体内生成细小片状碳化物，珠光体片层变细，热处理时碳不易扩散，奥氏体化困难。

20℃/s也是该发明得到全珠光体的临界冷速，大于这个冷速，无铁素体析出，减少表面氧化脱碳。500℃～600℃为该发明生成全珠光体的终冷温度，采用卷头、卷中、卷尾分段冷却方式，卷头0米～30米500℃～550℃卷取，卷尾0米～30米550℃～600℃卷取，卷中其他部分520℃～580℃卷取，有阻于整卷钢板组织性能均匀，使整卷钢板表面细密，提升整卷表面质量，表面光洁、无氧化和脱碳。这个温度范围卷取，可以有效抑制表面晶界氧化和脱碳，同时有助于Re、Mg的碳锡复合物细小分散分布均匀，形成片间距大于0.5μm的粗片层状珠光体，珠光体团直径不超过10μm，提升整卷组织性能均匀性。卷取温度低于500℃，会出贝氏体或马氏体脆硬相，钢板硬度过高，易开裂。卷取温度高于600℃，冷速小于20℃/s均会析出大块先析铁素体，强度低，且表面二次氧化，影响表面喷焊，成型易开裂。

该发明热轧板加工制造的农机配件淬火温度670℃～750℃，保温10～30分钟，回火温度300℃～500℃，保温24～36小时。由于组织为粗片层状珠光体，且珠光体团直径小，该发明淬火温度低于普通高碳钢，淬火和回火保温时间短，节省能耗，符合节能减排环保要求。淬火温度750℃以下，片间距0.5μm以上粗珠光体片中的渗碳体即可完全扩散分解，形成马氏体。低温淬火，Re、Mg的碳锡化物不扩散分解，仍均匀分散分布在钢中，提升热处理后强硬性，进一步提升耐热性能和耐磨性能,200℃以上高温工作条件下，拉抻强度1700MPa以上，基体硬度55HRC以上。另一方面低温热处理有助于抑制钢表面氧化和脱碳。

抛砂10～30分钟、滚光10～30分钟表面处理后，表面加热到800℃-900℃，热喷焊含铬70％～80％的铬铜合金粉末层，层厚0.2mm～0.5mm，粉末由直径80μm-150μm的球形粒子组成，这些球形粒子粉末附着在钢表面，有效提升了表面耐热性能和耐磨性能，200℃以上高温工作条件下，表面硬度65HRC以上，磨损率小于20mg/km(磨销转速300r/min，载荷120N)。组成粉末的球形粒子直径小于80μm或大于150μm耐磨性都不好。另一方面表面喷焊的粉末一部分在高温下渗入钢表面下基体中，与碳形成厚0.1mm～0.2mm致密的CrCuC层，提升钢的耐腐蚀性能，土壤环境下，腐蚀速率低于15g/m²·h。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)利用Sn、Re和Mg与碳形成耐高温直径20nm以下的球形碳锡化物提升高温强硬性，热处理后组织为直径20nm以下细小碳锡化合物均匀分布的板条状马氏体组织，200℃以上高温工作条件下，基体硬度55HRC以上，拉抻强度1700MPa以上，耐热性能和耐磨性能明显提升；

2)利用Sn、Re和Mg与碳生成的分散分布碳锡化物粗化珠光体片层间距达0.5μm以上，降低热处理温度，节省热处理能源；

3)采用三次轧制技术，破碎大珠光体团，热轧板珠光体团尺寸不超过10μm，屈强比60％以下，成型性优异；

4)本发明用Ca和Mg联合脱氧对钢中夹杂物进行变性处理，各类非金属夹杂物不超过1.0级；

5)加Sn并采用电磁搅拌有效阻碍碳偏析聚集和石墨化析出；

6)采用压下技术，偏析不超过1.5级；

7)采用低Si加Sn的成分设计，抑制表面氧化，无晶界氧化微裂纹；

8)表面喷焊直径80μm-150μm的球形铬铜粉末粒子，铬铜层厚0.2-0.5mm，与基本中的碳形成致密的CrCuC层0.1～0.2mm，有效提升了表面硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性能，200℃以上高温工作条件下，表面硬度65HRC以上，磨销转速300r/min、载荷120N条件下磨损率小于20mg/km，土壤环境下腐蚀速率低于15g/m²·h。