贝氏体基耐磨钢及其生产方法
阅读说明：本技术 贝氏体基耐磨钢及其生产方法 (Bainite-based wear-resistant steel and production method thereof ) 是由 叶晓瑜 宋裕 左军 周伟 刘勇 田维兵 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于热连轧板带技术领域,具体涉及贝氏体基耐磨钢及其生产方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种贝氏体基耐磨钢,化学成分按质量百分比计,C：0.12～0.22％,Ti：0.25～0.35％,Nb：0～0.05％,Cr：0～0.5％,Mo：0.1～0.3％,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过微米-纳米双尺度Ti(C,N)的析出作为硬质相,提高耐磨寿命,通过控制基体组织为粒状贝氏体+少量针状铁素体,保证材料具有优良性能。(The invention belongs to the technical field of hot continuous rolling strip plates, and particularly relates to bainite-based wear-resistant steel and a production method thereof. The invention aims to solve the technical problem of providing bainite-based wear-resistant steel which comprises the following chemical components in percentage by mass: 0.12-0.22%, Ti: 0.25 to 0.35%, Nb: 0-0.05%, Cr: 0-0.5%, Mo: 0.1 to 0.3%, and the balance of Fe and inevitable impurities. According to the invention, the precipitation of micron-nanometer dual-scale Ti (C, N) is used as a hard phase, so that the wear-resisting service life is prolonged, and the excellent performance of the material is ensured by controlling the matrix structure to be granular bainite and a small amount of acicular ferrite.)
技术领域
本发明属于热连轧板带技术领域，具体涉及贝氏体基耐磨钢及其生产方法。其组织为粒状贝氏体+少量针状铁素体。
背景技术
根据国外有关实验资料了解到，车辆自身质量减轻10％，即可降低油耗5～8％。对载货汽车来说，减轻自身质量还可提高有效载重质量，即增加了质量利用系数，从而提高了运输效率，降低了运输成本，与此同时也是降低了燃油费用。目前国内外载货汽车上应用较多的轻量化材料有高强度钢、铝合金和镁合金等。但是对于运输矿石、煤炭、沙土的车辆来说，单独提高车厢强度以减轻自身质量远不能满足使用要求，在运输过程中会遇到大尺寸矿石的冲击，煤炭沙土等小尺寸硬质物体的磨粒磨损，因此需要钢材在具有优良的成型性能、焊接性能的同时，具有优良的耐磨性能。
工业中应用最为广泛的耐磨钢铁材料主要有三大类：高锰钢、耐磨铸铁(钢)和低合金耐磨钢。
高锰钢是传统的耐磨材料，具有较高韧性，但是其耐磨性在很大程度上取决于工况条件。在冲击严重、应力较大的条件下，高锰钢不失为优越的耐磨材料；但在冲击载荷不大，应力较小的条件下，高锰钢的优势得不到充分发挥，其耐磨性能并不高。
高铬铸铁(钢)即第二代耐磨材料，它是在马氏体(奥氏体)基体上镶嵌着维氏硬度高达1300～1800HV的M7C3碳化物，这类材料在许多工况条件下表现出很小的磨损失重和很长的使用寿命，但是由于它含有大量铬、镍等稀缺元素，且生产工艺要求严格复杂以及材料固有的脆性特点，限制了其使用范围。
低合金高强度耐磨钢具有良好的耐磨性能，使用寿命是传统结构钢板的数倍，生产工艺简单，一般采用轧后淬火+回火工艺。日本、德国及瑞典等国的一些钢铁公司都生产低合金高强度耐磨钢，德国蒂森克虏伯XAR系列耐磨钢，硬度范围覆盖HB300-600，主要以Cr、Mo合金化。德国迪林根DILLIDUR400、DILLIDUR500等系列耐磨钢板，布氏硬度分别为HB400、HB500，厚度范围可覆盖6-150mm，轧后采用淬火+低温回火工艺。我国低合金耐磨钢通过合金控制和热处理获得如下类型的组织状态：板条马氏体+板条间残余奥氏体的组织，可由淬火+低温回火获得(例如：NM450(930℃+保温20min淬火、200℃+保温25min回火处理)、NM500(880℃+保温15min淬火、180℃+保温30min回火处理))贝氏体或贝氏体+马氏体的复合组织，可通过等温处理或连续冷却获得。
针对高锰钢应用场合的局限性和耐磨铸铁(钢)成本高的缺点，近年来采用轧制和热处理相结合的方式，得到了高硬度耐磨钢的生产方法，如马氏体耐磨钢、贝氏体耐磨钢、奥氏体耐磨钢等。这种耐磨钢生产成本相对较低，耐磨性能较好。但是这类钢由于是通过轧制控制获得较高的耐磨性，其塑性较差，对于要求成型的零部件，推广使用较困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有低成本、强度高、成型性能、低温冲击韧性和耐磨性能优良的贝氏体基耐磨钢及其生产方法。成品力学性能达到ReL≥650MPa，Rm：700～850MPa，A≥18.0％，磨粒磨损性能与NM360相当。
本发明贝氏体基耐磨钢，化学成分按质量百分比计，C：0.12～0.22％，Ti：0.25～0.35％，Nb：0～0.05％，Cr：0～0.5％，Mo：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，上述贝氏体基耐磨钢中，所述Nb的质量百分比为0.01～0.05％。
进一步的，上述贝氏体基耐磨钢中，所述Cr的质量百分比为0.2～0.5％。
进一步的，上述贝氏体基耐磨钢，耐磨指标为0.90～1.35。经本发明文中方法测试，本发明贝氏体基耐磨钢的耐磨指标为0.90～1.35，耐磨性能与NM360马氏体耐磨钢相当。
本发明还提供上述贝氏体基耐磨钢的生产方法，包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉Ca处理，按上述成分控制钢水成分；连铸得到板坯，板坯在1210～1270℃均热；粗轧，控制粗轧总变形量≥75％；精轧，控制精轧入口温度为950～1080℃，终轧温度为810～890℃；精轧结束后，冷却至400～550℃卷取获得成品。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，所述连铸成厚度200～230mm板坯。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，所述均热时间为180～320min。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，所述粗轧采用3～7道次。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，粗轧第一道次变形量≥20％。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，所述粗轧得到的中间坯厚度为30～60mm。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，所述精轧采用4～7机架。
其中，上述贝氏体基耐磨钢的生产方法中，所述冷却速率为20～80℃/s。
本发明控制成分和工艺，获得了微米-纳米双尺度Ti(C,N)的析出作为硬质相，提高了耐磨寿命，基体组织为粒状贝氏体+少量针状铁素体，韧性好，易于成型、扩孔和翻边，成品ReL≥650MPa，Rm：700～850MPa，A≥18.0％，-20℃冲击值达到80J以上，其磨粒磨损的寿命与NM360相当，能够用作车厢钢。本发明具有成本低、易操作的优点，能够在普通热连轧生产线上生产。
附图说明
图1本发明测试磨粒磨损的设备示意图
图2本发明贝氏体基耐磨钢的组织图
图2中黑色圈内为双尺度析出相
具体实施方式
本发明贝氏体基耐磨钢，化学成分按质量百分比计，C：0.12～0.22％，Ti：0.25～0.35％，Nb：0～0.05％，Cr：0～0.5％，Mo：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
现有技术一般采用组织调控，例如形成板条马氏体+板条间残余奥氏体、贝氏体或贝氏体+马氏体的微观组织，以提高钢的耐磨性能，而本发明通过加入Ti，以微米-纳米双尺度Ti(C，N)的析出相作为硬质相，通过控制基体组织为粒状贝氏体+少量针状铁素体，保证材料具有优良的成型、耐磨等性能。同时控制Ti含量为0.25～0.35％，从而保证足够多的微米-纳米双尺度Ti(C,N)的析出作为硬质相，在磨损过程中，这些硬质起到保护钢板基体的作用，使钢板磨粒磨损的寿命与NM360相当。
为进一步保证本发明钢的性能，Nb和Cr的含量不同时为0，本发明优选控制Nb质量百分比为0.01～0.05％和/或Cr的质量百分比为0.2～0.5％。
本发明还提供了上述贝氏体基耐磨车厢钢的生产方法，包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉Ca处理，得到上述成分的钢水；钢水连铸得到板坯，板坯在1210～1270℃均热180～320min；粗轧，控制粗轧第一道次变形量≥20％，总变形量≥75％；精轧，控制精轧入口温度在950～1080℃，终轧温度在810～890℃；精轧结束后，冷却至400～550℃卷取获得成品。
本发明方法中，控制所得连铸坯的厚度为200mm～230mm，粗轧所得中间坯的厚度为30～60mm。
本发明通过加入Ti，以微米-纳米双尺度Ti(C，N)的析出相作为硬质相，其中一部分析出相来自于连铸过程中大尺寸微米的析出相，其在热连轧过程中破碎和均匀化，为微米级，另一部分是热连轧过程中的形变诱导析出相和铁素体中过饱和析出相，为纳米级，所得钢耐磨性好。
本发明通过上述工艺，使得连铸过程中的大尺寸微米的析出相变小变均匀，从而控制基体组织为粒状贝氏体+少量针状铁素体，使最终基体组织具有较好的韧塑性。
本发明耐磨钢基体组织为粒状贝氏体+少量针状铁素体，具有韧性好，易于成型、扩孔和翻边，其力学性能为：成品ReL≥650MPa，Rm：700～850MPa，A≥18.0％；且其耐磨指标达到0.90～1.35，磨粒磨损的寿命与NM360相当。能够用作车厢钢。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
NM牌号为马氏体耐磨钢的硬度指标，其耐磨性能测量方法是测定其硬度，由于马氏体硬，因此其表征值偏高。然而本发明与马氏体耐磨钢相比，基体组织是贝氏体+少量铁素体，由于马氏体耐磨钢的硬度测量法无法测量析出相，若采用马氏体耐磨钢的耐磨性能测量方法，将导致结果不准确。
本发明耐磨指标采用以下方法进行检测：耐磨指标＝失重量÷载荷÷滑动距离，其中，失重量＝磨损后的重量-磨损前的重量，载荷为170N，滑动距离为滑轮的滑动总长。具体操作为：将尺寸为57*25.5*6.0mm的试样放在样台上固定，然后在容器中加入1.5kg砂和1kg水，施加170N载荷，然后滑轮与试样进行接触旋转，使水砂可以充分在试样上进行摩擦。耐磨指标越小说明其耐磨性能越好。
通过上述方法测试，NM360的马氏体耐磨钢的耐磨指标为1.26。
实施例1
钢水经炼钢步骤后成分为：0.14重量％的C，0.26重量％的Ti，0.28重量％的Cr，0.21重量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，连铸板坯厚度为230mm，然后在1250℃的加热炉内均热，经过粗轧后的中间坯的厚度为43mm，精轧开轧温度为1060℃，精轧终轧温度为870℃。精轧后钢板的厚度为3.0mm，然后经前段层冷以72℃/s的冷速冷却到440℃进行卷取。钢卷屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、延伸率(A)，-20℃冲击值，耐磨指标见表1。
实施例2
钢水经炼钢步骤后成分为：0.13重量％的C，0.34重量％的Ti，0.022重量％的Nb，0.19重量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，连铸板坯厚度为200mm，然后在1230℃的加热炉内均热，经过粗轧后的中间坯的厚度为45mm，精轧开轧温度为950℃，精轧终轧温度为810℃。精轧后钢板的厚度为2.5mm，然后经前段层冷以68℃/s的冷速冷却到520℃进行卷取。钢卷屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、延伸率(A)，-20℃冲击值，耐磨指标见表1。
实施例3
钢水经炼钢步骤后成分为：0.21重量％的C，0.31重量％的Ti，0.016重量％的Nb，0.44重量％的Cr，0.23重量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，连铸板坯厚度为220mm，然后在1240℃的加热炉内均热，经过粗轧后的中间坯的厚度为36mm，精轧开轧温度为1000℃，精轧终轧温度为870℃。精轧后钢板的厚度为5.0mm，然后经前段层冷以57℃/s的冷速冷却到400℃进行卷取。钢卷屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、延伸率(A)，-20℃冲击值，耐磨指标见表1。
对比例1
钢水经炼钢步骤后成分为：0.14重量％的C，0.13重量％的Ti，0.036重量％的Nb，0.27重量％的Cr，0.16重量％的Mo余量为Fe和不可避免的杂质，连铸板坯厚度为230mm，然后在1230℃的加热炉内均热，经过粗轧后的中间坯的厚度为59mm，精轧开轧温度为950℃，精轧终轧温度为840℃。精轧后钢板的厚度为2.5.0mm，然后经前段层冷以41℃/s的冷速冷却到530℃进行卷取。钢卷屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、延伸率(A)，-20℃冲击值，耐磨指标见表1。
对比例1成分不满足本发明成分范围，微米-纳米双尺度Ti(C，N)的析出相较少。
对比例2
钢水经炼钢步骤后成分为：0.13重量％的C，0.34重量％的Ti，0.022重量％的Nb，0.19重量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，连铸板坯厚度为200mm，然后在1290℃的加热炉内均热，经过粗轧后的中间坯的厚度为34mm，精轧开轧温度为1070℃，精轧终轧温度为940℃。精轧后钢板的厚度为3.1mm，然后经前段层冷以15℃/s的冷速冷却到550℃进行卷取。钢卷屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、延伸率(A)，-20℃冲击值，值耐磨指标见表1。
对比例2工艺不满足本发明工艺范围，组织均匀性以及析出相的均匀性受到影响。
表1
ReL(MPa)
Rm(MPa)
A(％)
-20℃Akv/J
耐磨指标
实施例1
688
763
20.5
132
1.32
实施例2
703
791
20.0
97
0.97
实施例3
662
735
21.5
156
1.06
对比例1
712
783
22.5
36
3.11
对比例2
736
817
10.5
4
1.79
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