450HBW級調(diào)質(zhì)態(tài)耐磨鋼生產(chǎn)工藝研究

供稿|王鵬建

內(nèi)容導(dǎo)讀

耐磨鋼板被廣泛應(yīng)用在挖掘機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板、破碎機(jī)顎板、破碎壁、軋臼壁、拖拉機(jī)履帶板和鐵路道岔等部件。為擺脫450HBW以上耐磨鋼板依賴進(jìn)口的局面，寶鋼厚板生產(chǎn)線緊跟市場需求，開發(fā)出具備高硬度、高強(qiáng)度、良好低溫韌性的450HBW級調(diào)質(zhì)態(tài)耐磨鋼。本文介紹了通過合理的控制元素及含量，匹配煉鋼工藝、軋制工藝以及離線淬火、回火等熱處理工藝，成功開發(fā)出全厚度截面硬度達(dá)450HBW以上，抗拉強(qiáng)度≥1400 MPa，-40 ℃橫向沖擊功≥46 J，具有良好的強(qiáng)度、塑性和低溫韌性的耐磨鋼。

耐磨鋼板是指專供大面積磨損工況條件下使用的特種板材產(chǎn)品，因其具有良好的耐磨性能和沖擊性能，可進(jìn)行不同方式的切割、不同方向的彎曲，被廣泛應(yīng)用在挖掘機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板、破碎機(jī)顎板、破碎壁、軋臼壁、拖拉機(jī)履帶板和鐵路道岔等部件[1-4]。德國迪林根和蒂森克虜伯公司能穩(wěn)定生產(chǎn)硬度為 500HBW 以下的耐磨鋼板，瑞鋼奧克隆德悍達(dá)系列耐磨鋼板的硬度甚至能達(dá)到 700HBW，而目前國內(nèi)生產(chǎn)的鋼板硬度在 400HBW 以下，超過450HBW 的產(chǎn)品還需依賴進(jìn)口[5-6]。為此，寶山鋼鐵股份有限公司(簡稱寶鋼)厚板產(chǎn)線緊跟市場需求，開發(fā)出具備高硬度高強(qiáng)度良好低溫韌性的耐磨鋼。

化學(xué)成分設(shè)計

C含量是影響耐磨性能的重要元素，C含量增加，材料抗磨損的能力也相應(yīng)增加，但C含量過高，板坯裂紋敏感性增加，因此考慮到耐磨鋼使用環(huán)境和性能要求，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.0%為宜。Mn元素有較好的淬透性，對硬度有積極貢獻(xiàn)，但Mn過高時會導(dǎo)致偏析，淬火時晶粒粗大導(dǎo)致殘余奧氏體增加，所以Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在≤1.2%。Cr是提高淬透性最經(jīng)濟(jì)的元素，通過Cr的固溶強(qiáng)化，提高耐磨性能。在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時，加入一定量的Ni、Mo以改善低溫韌性。微量B可吸附在奧氏體晶界上，降低晶界的能量，提高鋼的淬透性，但B同時有提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的傾向，因此B在鋼中的加入量應(yīng)控制在≤0.002%。微合金元素Ti、V通過細(xì)化晶粒和固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，但過高的V會增大鋼的冷脆性，導(dǎo)致焊接冷裂紋敏感性增大。Ti可降低HAZ中固溶[N]含量，加微量Ti(＜0.02%)能顯著改善熱影響區(qū)的韌性。綜合考慮元素之間的相互作用，在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上，加入適量的Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、B等合金元素，同時嚴(yán)格控制鋼中P、S等有害元素，成分設(shè)計見表1。

表1 成分設(shè)計表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

生產(chǎn)工藝設(shè)計

450HBW級調(diào)質(zhì)態(tài)耐磨鋼工藝流程：鐵水預(yù)處理—LD轉(zhuǎn)爐冶煉—爐外精煉(LF＋RH＋喂Ca絲) —連鑄—板坯加熱—粗軋—精軋—淬火—回火—取樣與性能檢驗(yàn)—表面質(zhì)量和外觀尺寸檢驗(yàn)、標(biāo)識—入庫—出廠。

煉鋼工藝

采取低P、低S、低夾雜、細(xì)化晶粒等控制措施，煉鋼過程采用爐外精煉(LF+RH)及喂Ca處理，保證鋼水純凈度，降低鋼中夾雜物數(shù)量，改善夾雜物形態(tài)。

軋制工藝

采用寶鋼5 m雙機(jī)架粗軋+精軋機(jī)軋制，粗軋階段采用“高溫大壓下”使奧氏體晶粒得到充分破碎，細(xì)化奧氏體晶粒大小總壓下率≥70%，精軋前待溫至900 ℃，奧氏體未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行精軋，少道次除鱗，大壓下軋制，終軋溫度控制在840 ℃以下。

熱處理工藝設(shè)計

為保證鋼板表面具有良好的質(zhì)量，鋼板需要在拋丸機(jī)上進(jìn)行拋丸處理后進(jìn)爐。根據(jù)目標(biāo)化學(xué)成分，經(jīng)計算，Ac3點(diǎn)溫度為863 ℃，Ms點(diǎn)溫度為406 ℃。亞共析鋼淬火熱處理通常加熱至Ac3點(diǎn)以上30～50 ℃，因此淬火工藝確定為鋼板經(jīng)輥底式加熱爐加熱至920 ℃，同時為防止奧氏體晶粒過于粗大，需控制保溫時間≤20 min，淬火獲得馬氏體組織后，為保證材料具備高強(qiáng)度、高硬度的同時具備良好的低溫韌性，回火工藝采用低溫( 150～200 ℃) ，改善鋼板韌性的同時消除由淬火后相變導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。

結(jié)果和分析

微觀組織

首先用切割機(jī)將試樣加工成0.5～0.8 mm厚薄片，然后在(80#、600#、800#、1000#)砂紙上進(jìn)行打磨減薄至0.1～0.15 mm。將薄片穿孔后繼續(xù)在1200#砂紙上進(jìn)行打磨減薄至0.08～0.1 mm，然后進(jìn)行電解雙噴，進(jìn)行顯微組織觀察。

20 mm鋼板調(diào)質(zhì)后近表面的微觀組織見圖1，鋼板1/4處的微觀組織見圖2，鋼板處1/2的微觀組織見圖3，碳化物形貌及能譜分析見圖4。從圖中可看出，鋼板無論是近表面、1/4處還是1/2處的微觀組織均為高位錯密度的板條馬氏體，原奧氏體晶界較明顯，奧氏體內(nèi)的馬氏體以一定的取向關(guān)系形成，馬氏體板條細(xì)小且界面平直，在板條塊內(nèi)彌散分布著大量的碳化物，能譜分析顯示析出相粒子(Nb、Ti)(C、N)起到了較好的細(xì)化晶粒作用。從圖1～3可以看出，鋼板在厚度方向的組織無差異，且均勻化程度高，保證了鋼板在厚度方向性能的穩(wěn)定性。

圖1 鋼板調(diào)質(zhì)后近表面TEM圖

圖2 鋼板厚度1/4位置TEM圖

圖3 鋼板厚度1/2位置TEM圖

圖4 鋼板碳化物的TEM圖及能譜分析

力學(xué)性能

◆ 全厚度截面硬度

根據(jù)國標(biāo)GB/T231.1在BRIN400D布氏硬度計(HBW10/3000)上檢測布氏硬度。試樣鋸切后，檢測表面經(jīng)銑床和磨床機(jī)械加工后檢測全厚度截面布氏硬度，硬度檢測示意圖如圖5所示。全厚度截面硬度分布由于上、下鋼板表面存在脫碳層以及淬火過程中中心部分冷卻速度較慢，碳化物析出較少，導(dǎo)致硬度偏低外，全厚度方向硬度均勻性控制穩(wěn)定(圖6)。

◆ 拉伸性能及Z向性能

根據(jù)GB/T228在100 kN精密拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，屈服前拉伸速度為5 mm/min，屈服后拉伸速度為20 mm/min。試樣尺寸為M14 mm×118 mm，檢測兩個試樣，取平均值。由表2可知，鋼板具有良好的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率以及面收縮率。

◆ 沖擊性能

根據(jù)國標(biāo)GB/T229—2007進(jìn)行夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每個溫度檢測3個試樣，取平均值。由表3可知鋼板具有良好的沖擊韌性。

圖5 全厚度截面硬度檢測示意圖

圖6 全厚度截面布氏硬度

表2 常規(guī)拉伸及Z向性能

表3 耐磨鋼板低溫沖擊性能

結(jié)束語

(1) 綜合考慮元素之間的相互作用，在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上，加入適量的Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、B等合金元素，同時嚴(yán)格控制鋼中P、S等有害元素。采用雙機(jī)架軋制工藝，開軋溫度≤900 ℃，終軋溫度≤840 ℃，淬火溫度920 ℃，回火溫度150～200 ℃，成功開發(fā)出450HBW級調(diào)質(zhì)態(tài)耐磨鋼。

(2) 調(diào)質(zhì)態(tài)微觀組織為高位錯密度的板條馬氏體，碳化物在馬氏體板條界面析出，厚度方向的組織無差異，且均勻化程度高。

(3) 鋼板的屈服 強(qiáng)度≥1100 MPa，抗拉強(qiáng)度≥1400 MPa，-40 ℃低溫沖擊功≥46 J，布氏硬度達(dá)到450HBW以上，具有良好的機(jī)械性能，產(chǎn)品已成功用于非公路(礦用)自卸車制造。

攝影 高 龑