專利名稱：一種低合金高韌性耐磨鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨鋼，特別是涉及一種低合金高韌性耐磨鋼板及其制造方法；其典型力學(xué)性能:其抗拉強(qiáng)度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于60J。
背景技術(shù)：
耐磨鋼板廣泛應(yīng)用于工作條件特別惡劣，要求高強(qiáng)度，高耐磨性能的工程、采礦、農(nóng)業(yè)、水泥生產(chǎn)、港口、電力以及冶金等機(jī)械產(chǎn)品上。如推土機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸車及抓斗、堆取料機(jī)、輸料彎曲結(jié)構(gòu)等。傳統(tǒng)上一般選用奧氏體高錳鋼生產(chǎn)耐磨部件。奧氏體高錳鋼在大的沖擊載荷作用下，可發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變，提高其耐磨性。奧氏體高錳鋼受限于合金元素含量高、機(jī)械加工、焊接性能差、初始硬度低，并不適合廣泛應(yīng)用。近幾十年來(lái)，耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展很快，一般添加適量的碳及合金元素，通過鑄造、軋制及離線熱處理等方式進(jìn)行生產(chǎn)。通過鑄造方式生產(chǎn)耐磨鋼，生產(chǎn)流程短、工藝簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)，但存在合金元素含量偏高、力學(xué)、焊接和機(jī)械加工性能差等缺點(diǎn)；通過軋制方式生產(chǎn)的耐磨鋼可以進(jìn)一步減少合金元素的含量、提高產(chǎn)品性能，但仍不適合廣泛應(yīng)用 ’離線淬火+回火熱處理是目前耐磨鋼板最主要的生產(chǎn)方式，其合金元素較少，產(chǎn)品性能較高，可以穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)，但隨著低碳、節(jié)能、環(huán)保等要求越來(lái)越高，低成本、短流程、低合金高韌性產(chǎn)品是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。中國(guó)專利CN1140205A公開了一種中高碳中合金耐磨鋼，采用鑄造工藝生產(chǎn)，其碳及合金元素(Cr、Mo等)含量較高，這必然導(dǎo)致焊接性能與機(jī)械加工性能較差。中國(guó)專利CN1865 481A公開了一種貝氏體耐磨鋼，其碳及合金元素(S1、Mn、Cr、Mo等)含量均較高，焊接性能較差；其采用軋后空冷或堆冷工藝得到貝氏體耐磨鋼，力學(xué)性能較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低合金高韌性耐磨鋼板及其制造方法，該低合金高韌性耐磨鋼板抗拉強(qiáng)度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于60J，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高硬度和高韌性的匹配，并具有良好的機(jī)械加工性能和焊接性能，十分有益于工程上的廣泛應(yīng)用。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種低合金高韌性耐磨鋼板，其化學(xué)成分的重量百分比為C:0.08-0.20%，Si:0.10-0.60%, Mn:1.00-2.00%, B:0.0005-0.0040%, Cr ( 1.50%, Mo ( 0.80%, Ni ( 1.50%,Nb ( 0.080%, V ( 0.080%, Ti ( 0.060%, Al:0.010-0.080%, Ca:0.0010-0.0080%,N 彡 0.0080%, 0 彡 0.0080%, H 彡 0.0004%, P 彡 0.015%, S 彡 0.010%,且滿足 0.20% (
(Cr/5+Mn/6+50B)^ 0.55%,0.02% ( (Mo/3+Ni/5+2Nb)彡 0.45%,0.01% ( (Al+Ti)彡 0.13%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；其顯微組織為細(xì)的馬氏體及殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)< 5% ;其典型力學(xué)性能:其抗拉強(qiáng)度大于1200MPa,延伸率大于12%,布氏硬度大于400HB, _40°C夏比V型縱向沖擊功大于60J。本發(fā)明所涉及的低合金高韌性耐磨鋼板的化學(xué)成分作用如下:碳:碳是耐磨鋼中最基本、最重要的元素，可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而提高鋼的耐磨性，但其對(duì)鋼的韌性和焊接性能不利，因此，應(yīng)合理控制鋼中的碳含量為0.08-0.20wt.%，優(yōu)選為 0.10-0.20wt.%。硅:硅固溶在鐵素體和奧氏體中提高它們的硬度和強(qiáng)度，然而硅含量過高會(huì)導(dǎo)致鋼的韌性急劇下降。同時(shí)考慮到硅與氧的親和力比鐵強(qiáng)，焊接時(shí)容易產(chǎn)生低熔點(diǎn)的硅酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動(dòng)性，影響焊縫質(zhì)量，因此含量不易過多，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制硅為0.10-0.60wt.%，優(yōu)選為0.10-0.50wt.%。錳:錳強(qiáng)烈增加鋼的淬透性，降低耐磨鋼轉(zhuǎn)變溫度和鋼的臨界冷卻速度。但錳含量較高時(shí)，有使晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆敏感性，而且容易導(dǎo)致鑄坯中出現(xiàn)偏析和裂紋，降低鋼板的性能，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制錳含量為1.00-2.0Owt.%，優(yōu)選為 1.00-1.80wt.%。硼:硼增加鋼的淬透性但含量 過高將導(dǎo)致熱脆現(xiàn)象，影響鋼的焊接性能及熱加工性能，因此需要嚴(yán)格控制B含量，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制硼含量為0.0005-0.0040wt.%，優(yōu)選為 0.0005-0.0020wt.%。鉻:鉻可以降低臨界冷卻速度、提高鋼的淬透性。鉻在鋼中可以形成(Fe，Cr)3C、(FejCr)7C3和(Fe，Cr)23C7等多種碳化物，提高強(qiáng)度和硬度。鉻在回火時(shí)能阻止或減緩碳化物的析出與聚集，可以提高鋼的回火穩(wěn)定性，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制鉻含量為彡 1.50wt.%，優(yōu)選為 0.10-1.20wt.%。鑰:鑰可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。鑰在鋼中存在于固溶體相和碳化物相中，因此，含鑰鋼同時(shí)具有固溶強(qiáng)化和碳化物彌散強(qiáng)化的作用。鑰是減小回火脆性的元素，可以提高回火穩(wěn)定。本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制鑰含量為< 0.80wt.%，優(yōu)選為^ 0.60wt.%。鎳:鎳具有明顯降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度的作用，但含量過高易導(dǎo)致鋼板表面氧化皮難以脫落，且成本顯著增加，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制鎳含量< 1.50wt.%，優(yōu)選為^ 1.20wt.%。鈮:Nb的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用，對(duì)提高材料強(qiáng)韌性貢獻(xiàn)是極為顯著的，是強(qiáng)烈的C、N化物的形成元素，強(qiáng)烈地抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。Nb通過晶粒細(xì)化同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性，Nb主要通過析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化來(lái)改善和提高鋼的性能，Nb已經(jīng)被作為HSLA鋼中最有效的強(qiáng)化劑之一，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制鈮含量為< 0.0SOwt.%，優(yōu)選為 0.005-0.080wt.%。釩:釩的加入主要是為了細(xì)化晶粒，使鋼坯在加熱階段奧氏體晶粒不至于生長(zhǎng)的過于粗大，這樣，在隨后的多道次軋制過程中，可以使鋼的晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制釩含量為<0.0SOwt.%，優(yōu)選為^ 0.060wt.%。鈦:鈦是強(qiáng)碳化物形成元素之一，與碳形成細(xì)微的TiC顆粒。TiC顆粒細(xì)小，分布在晶界，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，較硬的TiC顆粒提高鋼的耐磨性，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中控制鈦含量為≤0.060wt.%，優(yōu)選為0.005-0.060wt.%。鋁:鋁和鋼中氮能形成細(xì)小難溶的AlN顆粒，細(xì)化鋼的晶粒。鋁可細(xì)化鋼的晶粒，固定鋼中的氮和氧，減輕鋼對(duì)缺口的敏感性，減小或消除鋼的時(shí)效現(xiàn)象，并提高鋼的韌性，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼中鋁含量控制在0.010 -0.0 8 Owt.%，優(yōu)選為0.020—0.080wt.%。鋁和鈦:鈦均能形成細(xì)小顆粒進(jìn)而細(xì)化晶粒，鋁可以保證細(xì)小鈦顆粒的形成，充分發(fā)揮鈦的細(xì)化晶粒作用，故鋁和鈦的含量范圍如下:0.010% ≤Al+Ti ≤ 0.13%，優(yōu)選為0.010% ≤ Al+Ti ≤ 0.12%。鈣:鈣對(duì)鑄鋼中夾雜物的變質(zhì)具有顯著作用，鑄鋼中加入適量鈣可將鑄鋼中的長(zhǎng)條狀硫化物夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹腃aS或(Ca，Mn)S夾雜，鈣所形成的氧化物及硫化物夾雜密度小，易于上浮排除。鈣還顯著降低硫在晶界的偏聚，這些都有益于提高鑄鋼的質(zhì)量，進(jìn)而提高鋼的性能。本發(fā)明的低合金高性能耐磨鋼中控制鈣含量為0.0010-0.0080wt.%，優(yōu)選為
0.0010-0.0050wt.%。磷與硫:在耐磨鋼中，硫與磷均為有害元素，它們的含量要嚴(yán)格控制，本發(fā)明所涉及鋼種中控制磷含量≤0.015wt.%，優(yōu)選為≤0.012wt.% ;控制硫含量≤0.0lOwt.%，優(yōu)選為≤0.005wt.%。氮、氧、氫:鋼中過多的氧、氮和氫對(duì)鋼的性能尤其對(duì)焊接性、沖擊韌性和抗裂性是十分不利的，降低鋼板的質(zhì)量及使用壽命，但控制過嚴(yán)會(huì)大幅增加生產(chǎn)成本，因此，本發(fā)明所涉及鋼種中控制氮含量≤ 0.0080wt.%,優(yōu)選為≤0.0050wt.%;控制氧含量≤0.0080wt.%，優(yōu)選為≤ 0.0050wt.% ;控制氫含量≤ 0.0004wt.%，優(yōu)選為≤ 0.0003wt.%。本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，將各冶煉原料按照上述化學(xué)成分的配比依次經(jīng)過冶煉、鑄造、加熱、軋制、軋后直接冷卻步驟，獲得所述低合金高韌性耐磨鋼板；其中，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1200°C，保溫1-3小時(shí)；在軋制步驟中，粗軋溫度為900-1150°C，精軋溫度為780-880°C ;在冷卻步驟中，采用水冷冷卻至400°C以下再空冷至室溫，其中水冷冷卻速度≥20℃ /S。進(jìn)一步的，所述軋后直接冷卻后還包括回火步驟，在回火步驟中，加熱溫度為100-400 0C，保溫 30-120min。優(yōu)選的，在所述加熱過程中，加熱溫度為1000_1150°C ;更優(yōu)選的加熱溫度為1000-1130°C ;為提高生產(chǎn)效率并防奧氏體晶粒過分長(zhǎng)大及鋼坯表面嚴(yán)重氧化，最優(yōu)選的加熱溫度為1000-1110°C。優(yōu)選的，在軋制步驟中，粗軋溫度為900-1100°C，粗軋階段軋制壓下率大于20%，精軋溫度為780-860°C，精軋階段軋制壓下率大于40% ;更優(yōu)選的，粗軋溫度為900-1080°C，粗軋階段軋制壓下率大于25%，精軋溫度為780-855°C，精軋階段軋制壓下率大于45% ;最優(yōu)選的，粗軋溫度為910-1080°C，粗軋階段軋制壓下率大于28%，精軋溫度為785-855°C，精軋階段軋制壓下率大于50% ；。優(yōu)選的，在冷卻步驟中，停冷溫度為380°C以下，水冷冷卻速度≥23℃ /s ;更優(yōu)選的，停冷溫度為350°C以下，水冷冷卻速度≥270C /s ;最優(yōu)選的，停冷溫度為330°C以下，水冷冷卻速度≥300C /S。
優(yōu)選的，在回火步驟中，加熱溫度為100-380°C，保溫30-100min ;更優(yōu)選的，加熱溫度為120-380°C，保溫30-100min ;最優(yōu)選的，加熱溫度為150_380°C，保溫30_100min。由于本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板中科學(xué)設(shè)計(jì)了碳及合金元素的含量，通過合金元素的細(xì)化強(qiáng)化作用及控制軋制和冷卻工藝的細(xì)化、強(qiáng)化效果，使獲得的耐磨鋼板具有優(yōu)異的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、硬度、延伸率、沖擊性能等)、焊接性能和耐磨性能。本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn):1、從化學(xué)成分上看，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板的合金成分以低碳低合金為主，充分利用Nb、Ti等微合金元素的細(xì)化、強(qiáng)化等特點(diǎn)，在減少碳及合金元素Cr、Mo和Ni等的含量的同時(shí)，保證耐磨鋼板具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的焊接性能等。2、從生產(chǎn)工藝上看，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板采用TMCP工藝生產(chǎn)，通過TMCP工藝中的開、終軋溫度、軋制變形量及冷卻速度等工藝參數(shù)的控制提高組織細(xì)化、強(qiáng)化效果，進(jìn)而減少碳和合金元素含量，得到力學(xué)性能和焊接性能等均十分優(yōu)異的鋼板。此外，該工藝還具有生產(chǎn)流程短，效率高，節(jié)約能源，成本低等特點(diǎn)。3、從產(chǎn)品性能上看，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板具有高強(qiáng)度、高硬度、高低溫韌性(典型力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，-40°C夏比V型縱向沖擊功大于60J)等優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的焊接性能。4、從顯微組織上看，本發(fā)明的低合金高韌性耐磨鋼板，充分利用合金元素添加及控軋控冷工藝得到細(xì)的馬氏體組織及殘余奧氏體(其中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)< 5%)，有益于耐磨鋼板強(qiáng)、硬度及韌性的良好匹配。總之，本發(fā)明涉及的耐磨鋼板具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，控制碳和合金元素含量以及各熱處理工藝得到的耐磨鋼板成本低、工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)硬度高，低溫韌性佳，機(jī)械加工性能優(yōu)異，易焊接，適用于各種機(jī)械設(shè)備中易磨損部件該宗類型的耐磨鋼板是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例5鋼板顯微組織照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述，應(yīng)明確，這些實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的描述，并不用于對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成任何限制。以下實(shí)施例1-10的耐磨鋼板和對(duì)比例I的鋼板，其化學(xué)成分的重量百分比如表I所示；實(shí)施例1-10的耐磨鋼板和對(duì)比例I (對(duì)比例I為專利CN1865481A中實(shí)施例)的鋼板的制造方法為:將相應(yīng)的冶煉原料依次按照如下步驟進(jìn)行:冶煉一鑄造一加熱一軋制一軋后直接冷卻一回火(可不回火)，控制各實(shí)施例及對(duì)比例I中的鋼板化學(xué)元素質(zhì)量百分配t匕，其中，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1200°C，保溫1-3小時(shí)；在軋制步驟中，粗軋溫度為900-1150°C，精軋溫度為780-880°C ;在冷卻步驟中，采用水冷冷卻至400°C以下再空冷至室溫，其中水冷冷卻速度> 200C /s ;在回火步驟中，加熱溫度為100-400°C，保溫30-120min。實(shí)施例1_10的具體工藝參數(shù)如表2所示。表I實(shí)施例1-10的成分(單位為wt%)
權(quán)利要求
1.一種低合金高韌性耐磨鋼板，其化學(xué)成分的重量百分比為:c:0.08-0.20%, S1:0.10-0.60%, Mn:1.00-2.00%, B:0.0005-0.0040%, Cr ≤ 1.50%, Mo ≤ 0.80%, Ni ≤1.50%,Nb ≤ 0.080%, V ≤ 0.080%, Ti≤ 0.060%, Al:0.010-0.080%, Ca:0.0010-0.0080%,N ≤ 0.0080%, O ≤ 0.0080%, H ≤ 0.0004%, P ≤ 0.015%, S ≤ 0.010%,且滿足 0.20% ≤(Cr/5+Mn/6+50B) ( 0.55%,0.02% ≤(Mo/3+Ni/5+2Nb) ( 0.45%,0.010% ≤(Al+Ti)^0.13%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；其顯微組織為細(xì)的馬氏體及殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)< 5% ;其力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度大于1200MPa,延伸率大于12%,布氏硬度大于400HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于60J。
2.如權(quán)利要求1所述的低合金高韌性耐磨鋼板，其特征在于，C:0.10-0.20% ；Si:0.10-0.50%,以重量百分比計(jì)。
3.如權(quán)利要求1所述的低合金高韌性耐磨鋼板，其特征在于，Mn:1.00-1.80% ；Cr:0.10-1.20% ；Mo 0.60% ；Ni≤ 1.20%,且滿足 0.04%≤ (Mo/3+Ni/5+2Nb)≤ 0.40%,以重量百分比計(jì)。
4.如權(quán)利要求1所述的低合金高韌性耐磨鋼板，其特征在于，B:0.0005-0.0020% ；Nb:0.005-0.080% ；V ≤ 0.060%,且滿足 0.20% ≤ (Cr/5+Mn/6+50B) ≤ 0.50%,以重量百分比計(jì)。
5.如權(quán)利要求1所述的低合金高韌性耐磨鋼板，其特征在于，0.0010% ≤ Ca ≤ 0.0050% ；N≤ 0.0050% ；0 ≤0.0050% ；H ≤ 0.0003% ；P≤0.012% ；S ≤0.005%,以重量百分比計(jì)。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的低合金高韌性耐磨鋼板，其特征在于，T1:0.005-0.060%, Al:0.020-0.080%，且滿足 0.01% ≤ Al+Ti ≤ 0.12%,以重量百分比計(jì)。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，包括如下步驟:按上述化學(xué)成分配比冶煉，經(jīng)鑄造、加熱、軋制、軋后直接冷卻步驟獲得所述低合金高韌性耐磨鋼板；其中，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1200°C，保溫1-3小時(shí)；在軋制步驟中，粗軋溫度為900-1150°C，精軋溫度為780-880°C ;在冷卻步驟中，采用水冷冷卻至400°C以下再空冷至室溫，其中水冷冷卻速度> 200C /s ;所獲得的低合金高韌性耐磨鋼板的顯微組織為細(xì)的馬氏體及殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)< 5% ;其力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，-40°C夏比V型縱向沖擊功大于60J。
8.如權(quán)利要求7所述的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，所述軋后直接冷卻后還包括回火步驟，在回火步驟中，加熱溫度為100-400°C，保溫30-120min。
9.如權(quán)利要求7或8所述的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1150°C。
10.如權(quán)利要求7或8所述的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，在軋制步驟中，粗軋溫度為900-1100°C，粗軋階段軋制壓下率大于20%，精軋溫度為780-860°C，精軋階段軋制壓下率大于40%。
11.如權(quán)利要求7或8所述的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，在冷卻步驟中，停冷溫度為380°C以下，水冷冷卻速度≥230C /S。
12.如權(quán)利要求8所述的低合金高韌性耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，在回火步驟中，回火溫度為100-380°C，保溫30-100min。
全文摘要
一種低合金高韌性耐磨鋼板及其制造方法，其化學(xué)成分(wt%)為C0.08-0.20%，Si0.10-0.60%，Mn1.00-2.00%，B0.0005-0.0040%，Cr≤1.50%，Mo≤0.80%，Ni≤1.50%，Nb≤0.080%，V≤0.080%，Ti≤0.060%，Al0.010-0.080%，Ca0.0010-0.0080%，N≤0.0080%，O≤0.0080%，H≤0.0004%，P≤0.015%，S≤0.010%，且滿足0.20%≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55%，0.02%≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45%，0.01%≤(Al+Ti)≤0.13%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明減少碳及合金元素含量，充分利用Nb、Ti等微合金元素的細(xì)化、強(qiáng)化等特點(diǎn)及通過TMCP工藝，耐磨鋼板強(qiáng)硬度高，韌性佳，易焊接，耐磨性優(yōu)異，適用于各種機(jī)械設(shè)備中易磨損部件。
文檔編號(hào)C22C38/54GK103146997SQ201310106558
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者李紅斌, 姚連登, 苗雨川, 吳扣根 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司