本發(fā)明屬于高錳鋼，具體涉及一種nb-v-ti微合金化高錳鋼及其生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

1、高錳鋼是碳含量和錳含量較高的耐磨鋼，它在大的沖擊磨料磨損條件下使用時具有很強的加工硬化能力，同時兼有良好的韌性和塑性以及生產(chǎn)工藝易于掌握等優(yōu)點，因此它是耐磨鋼中用量最大的一種。高錳鋼最大的特點有兩個，一是外來沖擊載荷越大，其自身表層耐磨性越高；二是隨著表面硬化層的磨耗，在外載荷作用下產(chǎn)生的新的加工硬化層連續(xù)不斷的形成。高錳鋼特殊的性能使其廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機械裝備中。

2、為了進(jìn)一步提升高錳鋼的性能，近年來國內(nèi)外進(jìn)行了多方面的研究，合金化處理被嘗試用于提高力學(xué)性能，但實際生產(chǎn)中，提高高錳鋼力學(xué)性能的效果不佳，有些合金元素加入后甚至促進(jìn)網(wǎng)狀碳化物析出，反而惡化力學(xué)性能，特別是抗沖擊韌性會顯著下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種nb-v-ti微合金化高錳鋼及其生產(chǎn)方法，通過創(chuàng)新的成分、工藝設(shè)計，有效細(xì)化晶粒尺寸，減小網(wǎng)狀碳化物的析出量和尺寸，顯著提高鋼的強度、硬度和韌性，綜合性能良好，滿足下游用戶的應(yīng)用要求。

2、為解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種nb-v-ti微合金化高錳鋼，其化學(xué)成分按重量百分比含量計包括：c：0.90～1.2％，si：0.1～0.4％，mn：11～14％，p≤0.020％，s≤0.010％，als：0.03～0.06％，nb：0.01～0.04％，v：0.005～0.03％，ti：0.002～0.008％，且nb:v:ti為(10～20):(5～15):1，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

3、優(yōu)選地，所述高錳鋼的化學(xué)成分及重量百分比含量為：c：0.95～1.1％，si：0.15～0.35％，mn：12～13％，p≤0.015％，s≤0.008％，als：0.045～0.055％，nb：0.025～0.035％，v：0.015～0.025％，ti：0.003～0.006％，且nb:v:ti為(10～15):(7～10):1，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

4、上述方案中，所述高錳鋼的顯微組織包括奧氏體，奧氏體的面積占比≥98％，晶粒尺寸為10～25μm；還包括在奧氏體晶內(nèi)析出的nb、v、ti的碳氮化物和沿奧氏體晶界析出的碳化物，二者的總面積占比≤2％，其中，碳氮化物的尺寸≤50nm，碳化物的尺寸≤0.5μm。

5、優(yōu)選地，所述高錳鋼的顯微組織中，奧氏體的面積占比≥98.3％，碳氮化物的面積占比≤1.2％，碳化物的面積占比≤0.5％。

6、上述方案中，所述高錳鋼的屈服強度為450～550mpa，抗拉強度為900～1200mpa，伸長率為32～50％，-40℃沖擊功為150～300j，布氏硬度為240～300。

7、本發(fā)明還提供一種nb-v-ti微合金化高錳鋼的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

8、1)冶煉：采用kr法進(jìn)行鐵水脫硫，使鐵水入轉(zhuǎn)爐時s含量≤0.003％，到氬站s含量≤0.005％，lf精煉結(jié)束溫度按1440～1475℃控制；

9、2)連鑄：中間包鋼水過熱度為10～40℃，拉速為0.6～1.3m/min恒拉；

10、3)加熱：連鑄坯入爐溫度大于550℃，高溫段加熱溫度為1150～1230℃，高溫段加熱時間大于70min，總加熱時間為200～280min；

11、4)粗軋：鋼坯出加熱爐經(jīng)高壓水除鱗后，依次經(jīng)過r1粗軋、r2粗軋，粗軋終軋溫度≥1020℃，得到厚度35～50mm的中間坯；

12、5)精軋：進(jìn)入精軋機組時帶鋼頭部的溫度(簡稱ft0頭部溫度)為1020～1080℃，精軋終軋溫度ft7為900～1000℃；

13、6)冷卻和卷取：出精軋后立即冷卻，以冷速10～100℃/s冷卻至中間溫度550～650℃后，空冷0.1～2s，然后繼續(xù)以冷速50～150℃/s冷卻至卷取溫度，實現(xiàn)在線固溶。

14、上述方案中，所述連鑄過程，在鑄坯凝固末端實施輕壓下，壓下區(qū)間固相率為0.5～0.9，總壓下量為2～6mm。

15、優(yōu)選地，所述連鑄坯入爐溫度為557～686℃，所述高溫段加熱時間為70～85min。

16、上述方案中，所述r1粗軋采用1道次軋制，壓下率為6.5～10％。

17、上述方案中，所述r2粗軋采用6～9道次軋制，前3道次累計壓下率為45～60％。

18、上述方案中，粗軋機架間高壓水除鱗策略為r1開啟1道次，r2開啟前3道次。

19、優(yōu)選地，所述粗軋終軋溫度為1020℃～1100℃。

20、上述方案中，所述卷取溫度為100～200℃。

21、本發(fā)明在化學(xué)成分上的設(shè)計要點如下：

22、1)c：含碳量過低時，不足以產(chǎn)生有效的加工硬化效果，當(dāng)碳含量過高時，又會在鑄態(tài)中出現(xiàn)大量的碳化物，特別是粗大的網(wǎng)狀碳化物，增加脆性，不利于冷加工，綜合考慮，c含量為0.90～1.20％，優(yōu)選為0.95～1.1％。

23、2)si：硅能降低碳在奧氏體中的溶解速度，促進(jìn)碳化物析出，降低耐磨性和韌性，增加開裂和分層風(fēng)險，同時也是鋼的有效脫氧劑，能顯著提高鋼液的純凈度，減少鋼中的非金屬夾雜物，從而改善鋼的質(zhì)量，綜合考慮，si含量為0.1～0.4％，優(yōu)選為0.15～0.35％。

24、3)mn：錳顯著降低ar1溫度、奧氏體分解速度，是奧氏體形成元素，具有強烈的穩(wěn)定奧氏體組織的作用，含錳量過低時，不能形成單一的奧氏體組織，而過高的mn含量提高合金成本，也增大變形抗力，提高生產(chǎn)難度，綜合考慮，mn含量為11～14％，優(yōu)選為12～13％。

25、4)als：鋁在鋼中可脫氧，降低夾雜物含量，也能起到細(xì)化晶粒的作用，當(dāng)鋁含量過高時，會導(dǎo)致板坯出現(xiàn)表面缺陷，如裂紋和疏松等問題。此外，鋁元素具有熔點低、比重小、不易加入等特點，導(dǎo)致冶煉收得率極不穩(wěn)定，成分不合格率較高。綜合考慮，als含量為0.03～0.06％，優(yōu)選為0.045～0.055％；針對als細(xì)化晶粒作用不夠的問題，采用nb、v、ti協(xié)同加入共同提高細(xì)化晶粒效果。

26、5)nb、v、ti：nb能提升奧氏體再結(jié)晶溫度，強力抑制再結(jié)晶形核、細(xì)化奧氏體晶粒，含量過高強韌化效果減弱甚至無強化效果；v能抑制再結(jié)晶、阻止晶粒長大，提升鋼強韌性，常用量為0.04～0.12％；ti與氮、氧、碳親和力強，形成的碳化鈦微?？杉?xì)化晶粒、改善焊接性能。復(fù)合添加時，nb為v、ti創(chuàng)造作用條件，v沉淀析出細(xì)化晶粒，ti穩(wěn)定并細(xì)化組織；nb含量過高增加成本且無強化效果，v含量過高影響沉淀相，降低韌性，ti含量過高易生成粗大碳化物，降低綜合性能。因此，綜合考慮，設(shè)定nb含量0.01～0.04％，可細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶，避免負(fù)面影響；v含量0.005～0.03％，保證強化與細(xì)化效果，兼顧韌性；ti含量0.002～0.008％，防止生成粗大碳化物；設(shè)定nb:v:ti為(10～20):(5～15):1，能最大化協(xié)同作用，發(fā)揮沉淀強化，控制異常析出，減少晶界碳化物，優(yōu)化韌性，實現(xiàn)晶粒細(xì)化與綜合性能提升，降低成本。

27、6)p、s：鋼中有害的雜質(zhì)元素，鋼中p易在鋼中形成偏析，降低鋼的韌性和焊接性能，s易形成塑性硫化物，使鋼板產(chǎn)生分層，惡化鋼板性能，故p、s含量越低越好，綜合考慮，p含量≤0.020％、s含量≤0.010％，優(yōu)選p≤0.015％、s≤0.008％。

28、本發(fā)明在生產(chǎn)方法上的設(shè)計要點如下：

29、1)連鑄坯加熱時的入爐溫度低于550℃時，易于析出碳化物，增加連鑄坯脆性，易發(fā)生開裂，因此設(shè)定入爐溫度大于550℃。

30、2)連鑄時通過鑄坯輕壓下的方式實現(xiàn)中心組織的優(yōu)化，降低中心疏松和偏析程度，對未完全凝固的鑄坯進(jìn)行輕壓下，凝固進(jìn)程達(dá)到固相率為0.5～0.9的未完全凝固階段時，于凝固末端區(qū)域?qū)嵤┹p壓下操作，累計壓下量2～6mm；固相率為0.5～0.9區(qū)間鑄坯內(nèi)鋼液有流動性且已形成部分固態(tài)骨架，輕壓下能促使鋼液流動，補償凝固收縮，減少中心疏松；固相率低于0.5，鋼液過多，輕壓下易致鑄坯變形過大甚至漏鋼；高于0.9，鑄坯基本凝固，輕壓下難以改善中心組織；累計壓下量設(shè)為2～6mm；壓下量過小，無法充分補償鋼液流動與凝固收縮，難降疏松和偏析；過大則使鑄坯承受壓力過大，易產(chǎn)生表面裂紋。

31、3)粗軋時r1壓下率和r2前3道次累計壓下率的設(shè)定與軋制開口和邊部質(zhì)量的關(guān)系較大，若壓下率太低，則會加大r2后幾道次和精軋道次的壓下率，使得低溫時的壓下率增大，容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，壓下率若太高，則容易產(chǎn)生中心開口等缺陷，軋制風(fēng)險大。因此，r1壓下率為6.5％～10％，r2前3道次累計壓下率45％～60％為宜。

32、4)冷卻時的中間溫度太高不利于nb、v、ti類的析出相產(chǎn)生，中間冷卻溫度太低，則容易產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物，惡化韌性，因此設(shè)定為550～650℃。

33、5)卷取溫度太高可能降低強度、硬度，溫度太低無法保證鋼卷自回火工藝的溫度，可能在用戶使用過程中出現(xiàn)開裂等應(yīng)用問題，因此設(shè)定為100～200℃。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

35、本發(fā)明通過創(chuàng)新的成分、工藝設(shè)計，有效細(xì)化晶粒尺寸，減小網(wǎng)狀碳化物的析出量和尺寸，使鋼的顯微組織中，奧氏體的面積占比≥98％，且細(xì)小均勻，晶粒尺寸為10～25μm，碳氮化物和碳化物的總面積占比≤2％，碳氮化物的尺寸≤50nm，碳化物的尺寸≤0.5μm，從而鋼的強度、硬度和韌性都得到顯著提升，屈服強度為450～550mpa，抗拉強度為900～1200mpa，伸長率為32～50％，-40℃沖擊功為150～300j，布氏硬度為240～300，遠(yuǎn)優(yōu)于mn13鑄件性能，解決了因顯微組織中含有大量碳化物，脆性大，導(dǎo)致低溫韌性差、低溫環(huán)境下容易發(fā)生開裂的問題，滿足下游用戶的應(yīng)用要求。