Ti微合金化高强韧性马氏体耐磨钢开发及其应用性能研究
发布时间：2021-06-20 16:01
随着科学技术的不断发展、对未知领域的深入探索,耐磨钢服役工况也越来越复杂和严酷,对综合性能（如耐磨、焊接、疲劳、腐蚀、加工成型）提出了更高要求。本文针对煤炭采运等复杂工况下对耐磨钢综合性能的需求,通过理论分析、成分设计、组织选择和工艺控制,研制了Ti微合金化马氏体耐磨钢。采用热模拟、实验室工艺实验、工业化试制、力学性能检测（拉伸、冲击、冷弯、疲劳、残余应力）、微观组织表征（高温共聚焦显微镜、光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射分析、透射电镜）、物相分析、应用性能研究（浸泡腐蚀实验、电化学测试、搅拌磨损实验、焊接实验、HIC实验）等方法,研究了Ti第二相析出及马氏体组织结构的控制方法,分析了Ti微合金化马氏体耐磨钢工业化生产中出现的典型问题并提出关键控制要点,最终开发出“精细马氏体+纳米析出相”的高强韧性HB500耐磨钢,实现了工业化稳定生产,并深入研究了该钢的综合应用性能。主要研究内容和结果如下:首先,研究了Ti微合金化耐磨钢加热过程中奥氏体晶粒长大趋势、控制轧制阶段的热变形行为、控制冷却和热处理阶段的相变行为,通过全流程工艺控制奥氏体晶粒尺寸、Ti的析出、微观组织和性能,为工业化生产...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高锰钢水韧组织和加工硬化组织[8]
武汉科技大学博士学位论文4（a）下贝氏体（b）粒状贝氏体图1.2贝氏体组织耐磨钢[11]钼系和钼-硼系空冷贝氏体钢是最早的贝氏体钢。钼和硼都是提高钢淬透性的元素，钼和硼配合可以使钢在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体组织。但由于钼合金价格昂贵，钼-硼钢的强韧性还比较差，限制了钼-硼系空冷贝氏体钢的发展。七十年代，清华大学方鸿生等用锰代替钼，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的“海湾区”，使钢的上、下曲线分离，以获得贝氏体组织。八十年代，康沬狂等人研宄了低碳马氏体和残余奥氏体组成的非典型或无碳化物贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体耐磨钢。李凤照等通过合理控制成分和优化冷却制度，运用细晶强化、弥散强化等主要强韧化机制及其迭加效应，并采用微合金变质处理，使显微组织明显细化、碳化物弥散分布，开发了多元微合金化、细针状贝氏体高品质贝氏体耐磨钢[12,13]。（3）马氏耐磨钢马氏体耐磨钢主要利用高硬度马氏体提高抗磨损能力，其组织形貌见图1.3。马氏体钢主要有高、中、低碳马氏体耐磨钢和多种不同合金化的马氏体耐磨钢。马氏体耐磨钢主要具有以下特点：合金含量较低，易于推广应用；采用多元复合合金化可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配关系，一般硬度大于400HB，-20℃冲击功可达20J/cm2；通过合金化提高淬透性，可使不同尺寸工件淬透，简化了热处理工艺；马氏体耐磨钢加工工艺更加灵活，可铸、可锻、也可轧制生产。因而马氏体耐磨钢有广阔的应用前景和重要的推广价值。（a）（b）
武汉科技大学博士学位论文5（a）马氏体组织金相照片，（b）马氏体板条透射电镜照片图1.3板条马氏体微观组织[14]马氏体耐磨钢主要研究方向集中于通过合金化和工艺手段提高马氏体基体硬度和韧性上[15]。合金化方面，比如利用硅在钢中稳定铁素体抑制渗碳体的作用，增加残余奥氏体在马氏体板条间的数量，使钢的韧性提高，可以减少淬火的变形、开裂；利用钼提高钢的高温韧性并改善回火脆性；利用Nb、V、T细化晶粒提高韧性，获得好的强韧性配合，而且高硬度Nb、V、T第二相粒子利于提高马氏体耐磨钢的耐磨性。工艺方面，可以通过轧制和热处理工艺细化马氏体组织、提高韧性；通过轧制和热处理工艺使碳化物在基体中呈细小颗粒状分布，既能使基体均匀强化又能降低对韧性的影响[16,17]。虽然马氏体耐磨钢的硬度、韧性得到了大幅提高，但高硬度马氏体耐磨钢韧性不足依然没有得到很好解决，限制了马氏体耐磨钢耐磨性的提高，也限制了其使用范围。因此，马氏体耐磨钢强韧性匹配研究及应用仍是目前的研究热点。（4）双相组织耐磨钢为了获得更好的综合力学性能以提高耐磨性，在单一奥氏体、贝氏体、马氏体组织基础上，开发出了多种双相组织耐磨钢，主要包括马氏体-铁素体、马氏体-贝氏体和奥氏体-贝氏体双相耐磨钢三种。综合利用各组织的性能特性，使其兼具有良好的强韧性匹配使耐磨性和综合应用性能得到提高，并扩大了应用范围[18]，但双相钢由于组织不均匀性对耐腐蚀性能有一定损害。当马氏体-铁素体双相钢作为耐磨钢使用时，主要是以高马氏体含量为主，其马氏体的体积分数通常会超过50%。马氏体-铁素体双相钢的耐磨性能高于同等成分下的其它组织类型的钢。Jha[19]等通过对同一成分条件下不同组织类型如（a）（b）
【参考文献】：
期刊论文
[1]夹杂物属性对NM500耐磨钢腐蚀性能的影响[J]. 李德发,吴开明,官计生,董航宇. 金属热处理. 2019(11)
[2]Effective Microstructure Unit in Control of Impact Toughness in CGHAZ for High Strength Bridge Steel[J]. 杨秀芝,张李超,史玉升,YU Shengfu,DONG Chunfa,HUA Wenlin,LI Xuan. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2018(01)
[3]卷取温度对Ti-V-Mo复合微合金化超高强度钢组织及力学性能的影响[J]. 张可,雍岐龙,孙新军,李昭东,赵培林. 金属学报. 2016(05)
[4]纳米级碳化物及小角界面密度对Fe-C-Mo-M（M=Nb、V或Ti）系钢耐火性的影响[J]. 张正延,孙新军,李昭东,王小江,雍岐龙,王国栋. 材料研究学报. 2015(04)
[5]热处理对FGH96合金异常晶粒长大的影响[J]. 杨杰,邹金文,王晓峰,吉传波,周晓明. 材料工程. 2014(08)
[6]Austenite Grain Refinement and Isothermal Growth Behavior in a Low Carbon Vanadium Microalloyed Steel[J]. Geng-wei YANG,Xin-jun SUN,Qi-long YONG,Zhao-dong LI,Xiao-xian LI. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2014(08)
[7]含Mo低合金钢复合碳氮化物的析出热力学计算模型及分析[J]. 陈泓业,李胜利,刘爽,李激光,刘正东,雍岐龙,唐广波. 材料热处理学报. 2014(06)
[8]V-Ti微合金钢的组织性能及相间析出行为[J]. 陈俊,吕梦阳,唐帅,刘振宇,王国栋. 金属学报. 2014(05)
[9]Metallurgical Interpretation on Grain Refinement and Synergistic Effect of Mn and Ti in Ti-microalloyed Strip Produced by TSCR[J]. Xin-ping MAO,Qi-lin CHEN,Xin-jun SUN. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2014(01)
[10]Impact Toughness of an NM400 Wear-Resistant Steel[J]. SONG Hong-yu,LI Can-ming,LAN Liang-yun,ZHAO De-wen,WANG Guo-dong. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2013(08)
博士论文
[1]低碳Mn系空冷贝氏体钢的强韧性优化研究[D]. 王勇围.清华大学 2009
[2]成分与组织对钢的冲击腐蚀磨损特性与机制的影响及其机理研究[D]. 杜晓东.合肥工业大学 2006
本文编号：3239505
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高锰钢水韧组织和加工硬化组织[8]
武汉科技大学博士学位论文4（a）下贝氏体（b）粒状贝氏体图1.2贝氏体组织耐磨钢[11]钼系和钼-硼系空冷贝氏体钢是最早的贝氏体钢。钼和硼都是提高钢淬透性的元素，钼和硼配合可以使钢在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体组织。但由于钼合金价格昂贵，钼-硼钢的强韧性还比较差，限制了钼-硼系空冷贝氏体钢的发展。七十年代，清华大学方鸿生等用锰代替钼，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的“海湾区”，使钢的上、下曲线分离，以获得贝氏体组织。八十年代，康沬狂等人研宄了低碳马氏体和残余奥氏体组成的非典型或无碳化物贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体耐磨钢。李凤照等通过合理控制成分和优化冷却制度，运用细晶强化、弥散强化等主要强韧化机制及其迭加效应，并采用微合金变质处理，使显微组织明显细化、碳化物弥散分布，开发了多元微合金化、细针状贝氏体高品质贝氏体耐磨钢[12,13]。（3）马氏耐磨钢马氏体耐磨钢主要利用高硬度马氏体提高抗磨损能力，其组织形貌见图1.3。马氏体钢主要有高、中、低碳马氏体耐磨钢和多种不同合金化的马氏体耐磨钢。马氏体耐磨钢主要具有以下特点：合金含量较低，易于推广应用；采用多元复合合金化可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配关系，一般硬度大于400HB，-20℃冲击功可达20J/cm2；通过合金化提高淬透性，可使不同尺寸工件淬透，简化了热处理工艺；马氏体耐磨钢加工工艺更加灵活，可铸、可锻、也可轧制生产。因而马氏体耐磨钢有广阔的应用前景和重要的推广价值。（a）（b）
武汉科技大学博士学位论文5（a）马氏体组织金相照片，（b）马氏体板条透射电镜照片图1.3板条马氏体微观组织[14]马氏体耐磨钢主要研究方向集中于通过合金化和工艺手段提高马氏体基体硬度和韧性上[15]。合金化方面，比如利用硅在钢中稳定铁素体抑制渗碳体的作用，增加残余奥氏体在马氏体板条间的数量，使钢的韧性提高，可以减少淬火的变形、开裂；利用钼提高钢的高温韧性并改善回火脆性；利用Nb、V、T细化晶粒提高韧性，获得好的强韧性配合，而且高硬度Nb、V、T第二相粒子利于提高马氏体耐磨钢的耐磨性。工艺方面，可以通过轧制和热处理工艺细化马氏体组织、提高韧性；通过轧制和热处理工艺使碳化物在基体中呈细小颗粒状分布，既能使基体均匀强化又能降低对韧性的影响[16,17]。虽然马氏体耐磨钢的硬度、韧性得到了大幅提高，但高硬度马氏体耐磨钢韧性不足依然没有得到很好解决，限制了马氏体耐磨钢耐磨性的提高，也限制了其使用范围。因此，马氏体耐磨钢强韧性匹配研究及应用仍是目前的研究热点。（4）双相组织耐磨钢为了获得更好的综合力学性能以提高耐磨性，在单一奥氏体、贝氏体、马氏体组织基础上，开发出了多种双相组织耐磨钢，主要包括马氏体-铁素体、马氏体-贝氏体和奥氏体-贝氏体双相耐磨钢三种。综合利用各组织的性能特性，使其兼具有良好的强韧性匹配使耐磨性和综合应用性能得到提高，并扩大了应用范围[18]，但双相钢由于组织不均匀性对耐腐蚀性能有一定损害。当马氏体-铁素体双相钢作为耐磨钢使用时，主要是以高马氏体含量为主，其马氏体的体积分数通常会超过50%。马氏体-铁素体双相钢的耐磨性能高于同等成分下的其它组织类型的钢。Jha[19]等通过对同一成分条件下不同组织类型如（a）（b）
【参考文献】：
期刊论文
[1]夹杂物属性对NM500耐磨钢腐蚀性能的影响[J]. 李德发,吴开明,官计生,董航宇. 金属热处理. 2019(11)
[2]Effective Microstructure Unit in Control of Impact Toughness in CGHAZ for High Strength Bridge Steel[J]. 杨秀芝,张李超,史玉升,YU Shengfu,DONG Chunfa,HUA Wenlin,LI Xuan. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2018(01)
[3]卷取温度对Ti-V-Mo复合微合金化超高强度钢组织及力学性能的影响[J]. 张可,雍岐龙,孙新军,李昭东,赵培林. 金属学报. 2016(05)
[4]纳米级碳化物及小角界面密度对Fe-C-Mo-M（M=Nb、V或Ti）系钢耐火性的影响[J]. 张正延,孙新军,李昭东,王小江,雍岐龙,王国栋. 材料研究学报. 2015(04)
[5]热处理对FGH96合金异常晶粒长大的影响[J]. 杨杰,邹金文,王晓峰,吉传波,周晓明. 材料工程. 2014(08)
[6]Austenite Grain Refinement and Isothermal Growth Behavior in a Low Carbon Vanadium Microalloyed Steel[J]. Geng-wei YANG,Xin-jun SUN,Qi-long YONG,Zhao-dong LI,Xiao-xian LI. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2014(08)
[7]含Mo低合金钢复合碳氮化物的析出热力学计算模型及分析[J]. 陈泓业,李胜利,刘爽,李激光,刘正东,雍岐龙,唐广波. 材料热处理学报. 2014(06)
[8]V-Ti微合金钢的组织性能及相间析出行为[J]. 陈俊,吕梦阳,唐帅,刘振宇,王国栋. 金属学报. 2014(05)
[9]Metallurgical Interpretation on Grain Refinement and Synergistic Effect of Mn and Ti in Ti-microalloyed Strip Produced by TSCR[J]. Xin-ping MAO,Qi-lin CHEN,Xin-jun SUN. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2014(01)
[10]Impact Toughness of an NM400 Wear-Resistant Steel[J]. SONG Hong-yu,LI Can-ming,LAN Liang-yun,ZHAO De-wen,WANG Guo-dong. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2013(08)
博士论文
[1]低碳Mn系空冷贝氏体钢的强韧性优化研究[D]. 王勇围.清华大学 2009
[2]成分与组织对钢的冲击腐蚀磨损特性与机制的影响及其机理研究[D]. 杜晓东.合肥工业大学 2006
本文编号：3239505
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