一种耐磨齿条钢板及其制造方法与流程

本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及一种用于大厚度高使用频率高耐磨性的海工平台用齿条钢板的成分设计及其制造方法。
背景技术：
：21世纪是海洋的世纪，随着科技的发展、人民生活水平的提高，世界各国都将目光聚焦在海洋中蕴藏的巨大资源上。近年来海工装备产业持续快速发展，也促进了海工平台用钢的大量需求和产品的升级换代，市场迫切需要综合性能良好的超高强度特厚海工钢板。海洋工程平台服役环境恶劣，除常规受力外，还要考虑大风、浪涌、潮汐、冰块撞击、地震等多种因素影响，这就决定了海洋平台用钢的特殊性，在平台建造的选材方面必须能适应各种海况条件。同时，钢板长期处于潮湿、高盐度的海洋环境中，受到潮湿空气、海水、海洋生物附着而造成漆膜脱落、钢板表面腐蚀、腐蚀疲劳等问题，降低钢板的力学性能，缩短使用寿命，严重影响海洋工程平台的正常使用。另外，海洋平台远离海岸，不能像船舶那样定期进坞维修、保养。为了能够让海洋工程平台能够在复杂环境下安全使用，急需开发出一种综合性能优良的高品质海洋工程用超高强钢，这种海洋工程用超高强钢板必须具有高强度、高低温韧性、低屈强比、高延展性、抗疲劳、抗氢致裂纹、耐海洋环境腐蚀、耐海洋生物附着、焊接性能优良等优点。目前，海洋工程用钢已能满足海工领域市场的大部分需求，但高强度级别综合性能优良的特殊钢材仍是世界各国的发展的目标，其中大厚度高使用频率高耐磨性的海工平台用齿条钢板其科研问题难度高，生产工艺严格，对设备要求高，开发难度大。公告号为cn104711488b的专利《大厚度f690级海洋工程用高强钢板及其生产方法》提出了一种最大厚度180mm的f690海洋工程用钢及其制造方法，该发明采用常规的合金成分设计配合常规的控轧调质工艺，力学性能满足船规中对fo690的要求，但是针对有些齿条使用频率较高的海工平台，需要有针对性的提高钢板的硬度和耐磨性，该发明无法满足此类要求。公开号为cn109881092a的专利《一种大厚度齿条钢板及其生产方法》提出了一种最大厚度180mm的齿条钢板，其c含量为0.30％～0.33％，所生产的钢板的冲击韧性只能保证在钢板厚度1/4处-30℃时≥35j，无法满足齿条钢力学性能的要求。公告号为cn104264064b的专利《一种特厚规格q690高强度结构钢板及其制造方法》提出了一种厚度160～180mm的特厚q690钢板，由于钢板的化学成分较低，生产工艺只采用了常规的轧制调质处理，所生产的钢板的冲击韧性只能保证0℃的冲击功≥51j，同样无法满足齿条钢的使用需求。公告号为cn109234643b的专利《一种海洋平台用超高强度齿条钢轧制方法》提出了一种海洋平台用齿条钢的轧制方法，其生产的钢板屈服强度低于690mpa，且没有给出后续热处理工艺，对成品钢板的硬度和耐磨性能没有提出任何提高的方案。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术不足，制备一种适用于海洋工程领域的大厚度、高使用频率耐磨齿条钢板，其硬度、耐磨性能、高服役安全性能满足海工平台齿条钢服役条件。形成一套特定的大厚度、高使用频率耐磨齿条钢板成分及相应的生产工艺。本发明利用高c与cr、mo、v、ni元素相配合的成分设计，结合大厚度高使用频率耐磨齿条钢板关键生产技术，为实现本发明目的，本发明者通过合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、高效轧制热处理工艺优化与参数选择等几个方面进行了大量系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及轧制热处理工艺，具体的技术方案为：一种耐磨齿条钢板，按重量百分比计，钢中含有：c0.20％～0.30％，si0.2％～0.4％，mn0.6％～0.9％，p≤0.02％，s≤0.01％，als0.01％～0.03％，ni0.8％～1.2％，cr0.9％～1.5％，mo0.5％～1.0％，v0.05％～0.1％，b0.0015％～0.0025％，w0.05％～0.2％，其余为fe和不可避免的杂质。钢种化学成分的设计理由如下：(1)c作为钢中基本的提高钢板强度和硬度的元素，在本发明方案中是保证强度、硬度的主要元素，根据经验在超高强度调质海工钢领域，每提高0.1％c元素将使钢板屈服强度提高30～50mpa，而且随着c含量的增加钢板的淬透性和淬硬性也会显著增加；但是当c含量过高将使焊接性能变差，所以本发明精确控制c元素在钢中含量，将c的含量控制在0.20％～0.30％。(2)si在钢中以固溶强化的方式提高强度，同时si作为脱氧剂可减少o含量，si含量大于0.4％时会导致组织粗化，因此，本发明中si含量为0.2％～0.4％。(3)mn原子与fe原子半径相似，可大量固溶于fe基体中，提高钢板强度。mn含量低于0.6％时对钢板强度贡献较小，同时由于钢中c含量过高，为了控制钢板碳当量保证焊接性能，不能加入过多的mn元素，所以本发明中的mn含量为0.6％～0.9％。(4)p、s元素对钢板的力学性能和焊接性能没有益处，综合考虑成本因素，本发明将p、s含量控制为p≤0.02％，s≤0.01％。(5)al是钢中主要的脱氧元素，当al含量过低时脱氧效果不佳，ti等微合金元素因被氧化无法起到细化晶粒和提高焊接性能的目的；相反al元素过高则形成大型夹杂物，因此，本发明中的als含量为0.01％～0.03％。(6)ni的作用是改善热加工性能，提高韧性。尤其是当钢中添加了大量c元素时，必须有足够的ni元素提高钢板的低温韧性，获得较低的韧脆转变温度，因此，本发明中的ni含量为0.8％～1.2％。(7)cr元素在结构钢中可以提高钢板的强度、硬度和耐磨性能，尤其是与高c、元素相配合，耐磨性提高效果更加明显；但是cr含量过高会降低塑性和韧性，需要用ni元素改善钢板韧塑性，因此，本发明中的cr含量为0.9％～1.5％。(8)mo元素能使钢的晶粒细化，提高钢板淬透性，提高钢板硬度；但是mo含量过高会导致钢板焊接性能下降，因此，本发明中的mo含量为0.5％～1.0％。(9)v元素可以在基体中形成v(c,n)粒子，可以起到细化、强化晶粒的作用。同时v的c、n化物在高温下不易溶解，可以提高钢板热稳定性和马氏体稳定性，一部分的v元素固溶于基体中也可以增加钢板的硬度，与ti、n元素共同作用，可显著提高钢板强韧性。因此，本发明中的v含量为0.05％～0.1％。(10)b元素可以提高钢板淬透性，微量的b元素即可有明显的提高淬透性效果，b元素过量时钢板脆性增加，焊接裂纹倾向增加，本发明将b元素控制在0.0015％～0.0025％。(11)w元素在钢中形成碳化物，可以显著提高钢的耐磨性和硬度，提高回火稳定性；但是钢中w元素过多会降低钢板热变形能力，钢板韧塑性降低，所以本发明中的w含量为0.05％～0.2％。本发明还包括一种耐磨齿条钢板的制造方法，采用高洁净度及合金化冶炼+模铸钢锭+加热(高温烧钢)+轧制+热处理(包括缓慢淬火+回火)，获得钢板的屈服强度≥690mpa，抗拉强度770～940mpa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥80j。钢板各位置洛氏硬度hrc≥45。所述大厚度低成本超高强度海工钢成品厚度范围为128～260mm。具体包括如下步骤：(1)高洁净度及合金化冶炼将钢水通过转炉、lf炉、rh或vd炉进行精炼，进一步降低p、s和非金属夹杂物含量。得到重量百分比组成为：c0.20％～0.30％，si0.2％～0.4％，mn0.6％～0.9％，p≤0.02％，s≤0.01％，als0.01％～0.03％，ni0.8％～1.2％，cr0.9％～1.5％，mo0.5％～1.0％，v0.05％～0.1％，b0.0015％～0.0025％，w0.05％～0.2％，其余为fe和不可避免的杂质。保护浇铸成模铸钢锭。(2)加热及轧制工艺将铸锭在炉温400～700℃装入加热炉，目的是使钢坯在低温阶段保持内外温度一致，为高温段组织均匀做好准备。铸坯在后续升温过程中升温速率控制在5～7℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内部受热不均。均热温度1200～1300℃，保温240～480min，高温长时间均热保温的目的是在保证钢锭内部烧透，内外温差控制到最低。开坯后钢坯厚度为2～3t，其中t为成品厚度，轧制采用两火轧制，开坯终轧温度为900～1000℃，回炉温度为1200～1300℃，保温100～200min。开轧温度为1150～1200℃，终轧温度为900～1000℃。高温热轧目的是改善板坯铸态组织，避免大厚度钢锭在低温下变形抗力过大造成轧制翘曲。(3)热处理热处理工艺包括缓慢淬火+回火。淬火温度为850～920℃，采用油冷或水冷保证1/4处淬火冷却速率为3～8℃/s缓慢冷却，钢板在冷却槽或淬火机中保持持续摆动，淬火至150～300℃，堆垛缓冷至室温。回火温度为300～550℃，保温时间3～4.5min/mm。采用油冷或水冷缓慢冷却并不断摆动钢板的目的是防止高碳钢相变过程中内应力过大造成钢板开裂，淬火至150～300℃的目的是使钢板淬透而不冷透，保证钢板不至于因为温差过大而开裂。中低温回火长时间保温的目的是保证钢板韧性提高的同时，保证钢板的硬度和耐磨性能不下降。有益效果：本发明同现有技术相比，有益效果如下：(1)结合高c与cr、mo、v、ni、w元素相配合的成分设计和大厚度高使用频率耐磨齿条钢板关键生产技术，钢板各位置洛氏硬度hrc≥45，适用于高使用频率、高耐磨性齿条。(2)本发明创新的合金成分体系和生产工艺可以保证调质处理后钢板的屈服强度≥690mpa，抗拉强度770～940mpa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥80j。(3)利用高c与cr、mo、v、ni、w元素相配合的大厚度高使用频率耐磨齿条钢板关键生产技术，可以生产厚度128～260mm的超高强度齿条钢板。附图说明图1为实施例1钢板厚度1/4处的调质态金相组织，钢板厚度1/4处的组织为回火马氏体；图2为实施例1钢板厚度1/2处的调质态金相组织，钢板厚度1/2处的组织为回火马氏体；具体实施方式以下实施例用于具体说明本
发明内容，这些实施例仅为本
发明内容的一般描述，并不对本
发明内容进行限制。本发明实施例钢的化学成分见表1，本发明实施例钢铸坯加热及轧制工艺见表2，本发明实施例钢板热处理工艺见表3，本发明实施例钢板力学性能见表4。表1本发明实施例钢化学成分wt％实施例csimnpsalsnicrmovbw10.2370.260.660.020.010.010.880.910.730.0840.00180.0720.2610.220.890.010.0090.021.121.210.860.0930.0020.130.2120.370.810.010.0080.0230.921.401.00.0680.00190.0940.2510.390.720.020.0060.0220.991.320.970.0610.00170.1150.2780.210.790.010.0070.030.961.190.510.0520.00220.1860.200.290.740.010.010.0160.811.470.580.0590.00240.1970.2920.310.770.010.010.0180.860.960.620.050.00210.1480.2040.280.860.020.0090.0290.831.040.640.0740.00250.0890.2450.40.830.010.010.0241.081.110.770.0710.00150.06100.2660.330.610.020.0060.0271.191.380.690.0640.00160.12110.2710.240.630.020.0060.021.010.930.920.0780.00170.1120.280.30.680.020.010.0120.941.260.810.0990.00230.08表2本发明实施例钢铸坯加热及轧制工艺表3本发明实施例钢板热处理工艺表4本发明实施例钢板力学性能由表1～4可见，采用本发明技术方案生产的海洋工程用钢，屈服强度≥690mpa，抗拉强度为770～940mpa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥80j。钢板各位置洛氏硬度hrc≥45。钢板具有优良的耐磨性。当前第1页1 2 3 

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