CN103146997B

CN103146997B - 一种低合金高韧性耐磨钢板及其制造方法

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Publication number: CN103146997B
Application number: CN201310106558.3A
Authority: CN
Inventors: 李红斌; 姚连登; 苗雨川; 吴扣根
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: AU2014243611A1; EP2980255A4; US20160002759A1; JP2016509630A; NZ708752A; US10494706B2; KR102040680B1; KR20150086552A; EP2980255A1; JP6251291B2; ZA201504328B; KR20170073716A; AU2014243611B2; WO2014154104A1; CN103146997A

Abstract

一种低合金高韧性耐磨钢板及其制造方法，其化学成分（wt%）为：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≤0.0080%，O≤0.0080%，H≤0.0004%，P≤0.015%，S≤0.010%，且满足0.20%≤（Cr/5+Mn/6+50B）≤0.55%，0.02%≤（Mo/3+Ni/5+2Nb）≤0.45%，0.01%≤（Al+Ti）≤0.13%，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明减少碳及合金元素含量，充分利用Nb、Ti等微合金元素的细化、强化等特点及通过TMCP工艺，耐磨钢板强硬度高，韧性佳，易焊接，耐磨性优异，适用于各种机械设备中易磨损部件。

Description

一种低合金高韧性耐磨钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及耐磨钢，特别是涉及一种低合金高韧性耐磨钢板及其制造方法；其典型力学性能：其抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功大于60J。

背景技术

耐磨钢板广泛应用于工作条件特别恶劣，要求高强度，高耐磨性能的工程、采矿、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上。如推土机、装载机、挖掘机、自卸车及抓斗、堆取料机、输料弯曲结构等。

传统上一般选用奥氏体高锰钢生产耐磨部件。奥氏体高锰钢在大的冲击载荷作用下，可发生应变诱导马氏体相变，提高其耐磨性。奥氏体高锰钢受限于合金元素含量高、机械加工、焊接性能差、初始硬度低，并不适合广泛应用。

近几十年来，耐磨钢的开发与应用发展很快，一般添加适量的碳及合金元素，通过铸造、轧制及离线热处理等方式进行生产。通过铸造方式生产耐磨钢，生产流程短、工艺简单、易于生产，但存在合金元素含量偏高、力学、焊接和机械加工性能差等缺点；通过轧制方式生产的耐磨钢可以进一步减少合金元素的含量、提高产品性能，但仍不适合广泛应用；离线淬火+回火热处理是目前耐磨钢板最主要的生产方式，其合金元素较少，产品性能较高，可以稳定工业生产，但随着低碳、节能、环保等要求越来越高，低成本、短流程、低合金高韧性产品是钢铁行业发展的必然趋势。

中国专利CN1140205A公开了一种中高碳中合金耐磨钢，采用铸造工艺生产，其碳及合金元素（Cr、Mo等）含量较高，这必然导致焊接性能与机械加工性能较差。

中国专利CN1865481A公开了一种贝氏体耐磨钢，其碳及合金元素（Si、Mn、Cr、Mo等）含量均较高，焊接性能较差；其采用轧后空冷或堆冷工艺得到贝氏体耐磨钢，力学性能较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种低合金高韧性耐磨钢板及其制造方法，该低合金高韧性耐磨钢板抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功大于60J，实现了高强度、高硬度和高韧性的匹配，并具有良好的机械加工性能和焊接性能，十分有益于工程上的广泛应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种低合金高韧性耐磨钢板，其化学成分的重量百分比为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≤0.0080%，O≤0.0080%，H≤0.0004%，P≤0.015%，S≤0.010%，且满足0.20%≤（Cr/5+Mn/6+50B）≤0.55%，0.02%≤（Mo/3+Ni/5+2Nb）≤0.45%，0.01%≤（Al+Ti）≤0.13%，其余为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为细的马氏体及残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积分数≤5%；其典型力学性能：其抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功大于60J。

本发明所涉及的低合金高韧性耐磨钢板的化学成分作用如下：

碳：碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素，可以提高钢的强度和硬度，进而提高钢的耐磨性，但其对钢的韧性和焊接性能不利，因此，应合理控制钢中的碳含量为0.08-0.20wt.%，优选为0.10-0.20wt.%。

硅：硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而硅含量过高会导致钢的韧性急剧下降。同时考虑到硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量，因此含量不易过多，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制硅为0.10-0.60wt.%，优选为0.10-0.50wt.%。

锰：锰强烈增加钢的淬透性，降低耐磨钢转变温度和钢的临界冷却速度。但锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，而且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制锰含量为1.00-2.00wt.%，优选为1.00-1.80wt.%。

硼：硼增加钢的淬透性但含量过高将导致热脆现象，影响钢的焊接性能及热加工性能，因此需要严格控制B含量，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制硼含量为0.0005-0.0040wt.%，优选为0.0005-0.0020wt.%。

铬：铬可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。铬在钢中可以形成(Fe，Cr)₃C、(Fe，Cr)₇C₃和(Fe，Cr)₂₃C₇等多种碳化物，提高强度和硬度。铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制铬含量为≤1.50wt.%，优选为0.10-1.20wt.%。

钼：钼可以细化晶粒，提高强度和韧性。钼在钢中存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含钼钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制钼含量为≤0.80wt.%，优选为≤0.60wt.%。

镍：镍具有明显降低冷脆转变温度的作用，但含量过高易导致钢板表面氧化皮难以脱落，且成本显著增加，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制镍含量≤1.50wt.%，优选为≤1.20wt.%。

铌：Nb的细化晶粒和析出强化作用，对提高材料强韧性贡献是极为显著的，是强烈的C、N化物的形成元素，强烈地抑制奥氏体晶粒长大。Nb通过晶粒细化同时提高钢的强度和韧性，Nb主要通过析出强化和相变强化来改善和提高钢的性能，Nb已经被作为HSLA钢中最有效的强化剂之一，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制铌含量为≤0.080wt.%，优选为0.005-0.080wt.%。

钒：钒的加入主要是为了细化晶粒，使钢坯在加热阶段奥氏体晶粒不至于生长的过于粗大，这样，在随后的多道次轧制过程中，可以使钢的晶粒得到进一步细化，提高钢的强度和韧性，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制钒含量为≤0.080wt.%，优选为≤0.060wt.%。

钛：钛是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒。TiC颗粒细小，分布在晶界，达到细化晶粒的效果，较硬的TiC颗粒提高钢的耐磨性，本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制钛含量为≤0.060wt.%，优选为0.005-0.060wt.%。

铝：铝和钢中氮能形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢的晶粒。铝可细化钢的晶粒，固定钢中的氮和氧，减轻钢对缺口的敏感性，减小或消除钢的时效现象，并提高钢的韧性，本发明的低合金高韧性耐磨钢中铝含量控制在0.010-0.080wt.%，优选为0.020-0.080wt.%。

铝和钛：钛均能形成细小颗粒进而细化晶粒，铝可以保证细小钛颗粒的形成，充分发挥钛的细化晶粒作用，故铝和钛的含量范围如下：0.010%≤Al+Ti≤0.13%，优选为0.010%≤Al+Ti≤0.12%。

钙：钙对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，铸钢中加入适量钙可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或（Ca，Mn）S夹杂，钙所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，易于上浮排除。钙还显著降低硫在晶界的偏聚，这些都有益于提高铸钢的质量，进而提高钢的性能。本发明的低合金高性能耐磨钢中控制钙含量为0.0010-0.0080wt.%，优选为0.0010-0.0050wt.%。

磷与硫：在耐磨钢中，硫与磷均为有害元素，它们的含量要严格控制，本发明所涉及钢种中控制磷含量≤0.015wt.%，优选为≤0.012wt.%；控制硫含量≤0.010wt.%，优选为≤0.005wt.%。

氮、氧、氢：钢中过多的氧、氮和氢对钢的性能尤其对焊接性、冲击韧性和抗裂性是十分不利的，降低钢板的质量及使用寿命，但控制过严会大幅增加生产成本，因此，本发明所涉及钢种中控制氮含量≤0.0080wt.%，优选为≤0.0050wt.%；控制氧含量≤0.0080wt.%，优选为≤0.0050wt.%；控制氢含量≤0.0004wt.%，优选为≤0.0003wt.%。

本发明的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，将各冶炼原料按照上述化学成分的配比依次经过冶炼、铸造、加热、轧制、轧后直接冷却步骤，获得所述低合金高韧性耐磨钢板；其中，在加热步骤中，板坯加热温度为1000-1200℃，保温1-3小时；在轧制步骤中，粗轧温度为900-1150℃，精轧温度为780-880℃；在冷却步骤中，采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温，其中水冷冷却速度≥20℃/s。

进一步的，所述轧后直接冷却后还包括回火步骤，在回火步骤中，加热温度为100-400℃，保温30-120min。

优选的，在所述加热过程中，加热温度为1000-1150℃；更优选的加热温度为1000-1130℃；为提高生产效率并防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化，最优选的加热温度为1000-1110℃。

优选的，在轧制步骤中，粗轧温度为900-1100℃，粗轧阶段轧制压下率大于20%，精轧温度为780-860℃，精轧阶段轧制压下率大于40%；更优选的，粗轧温度为900-1080℃，粗轧阶段轧制压下率大于25%，精轧温度为780-855℃，精轧阶段轧制压下率大于45%；最优选的，粗轧温度为910-1080℃，粗轧阶段轧制压下率大于28%，精轧温度为785-855℃，精轧阶段轧制压下率大于50%；。

优选的，在冷却步骤中，停冷温度为380℃以下，水冷冷却速度≥23℃/s；更优选的，停冷温度为350℃以下，水冷冷却速度≥27℃/s；最优选的，停冷温度为330℃以下，水冷冷却速度≥30℃/s。

优选的，在回火步骤中，加热温度为100-380℃，保温30-100min；更优选的，加热温度为120-380℃，保温30-100min；最优选的，加热温度为150-380℃，保温30-100min。

由于本发明的低合金高韧性耐磨钢板中科学设计了碳及合金元素的含量，通过合金元素的细化强化作用及控制轧制和冷却工艺的细化、强化效果，使获得的耐磨钢板具有优异的力学性能（如强度、硬度、延伸率、冲击性能等）、焊接性能和耐磨性能。

本发明的低合金高韧性耐磨钢板与现有技术相比具有如下特点：

1、从化学成分上看，本发明的低合金高韧性耐磨钢板的合金成分以低碳低合金为主，充分利用Nb、Ti等微合金元素的细化、强化等特点，在减少碳及合金元素Cr、Mo和Ni等的含量的同时，保证耐磨钢板具有良好的力学性能和优异的焊接性能等。

2、从生产工艺上看，本发明的低合金高韧性耐磨钢板采用TMCP工艺生产，通过TMCP工艺中的开、终轧温度、轧制变形量及冷却速度等工艺参数的控制提高组织细化、强化效果，进而减少碳和合金元素含量，得到力学性能和焊接性能等均十分优异的钢板。此外，该工艺还具有生产流程短，效率高，节约能源，成本低等特点。

3、从产品性能上看，本发明的低合金高韧性耐磨钢板具有高强度、高硬度、高低温韧性（典型力学性能：抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12%，布氏硬度大于400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功大于60J）等优点，并具有良好的焊接性能。

4、从显微组织上看，本发明的低合金高韧性耐磨钢板，充分利用合金元素添加及控轧控冷工艺得到细的马氏体组织及残余奥氏体（其中残余奥氏体体积分数≤5%），有益于耐磨钢板强、硬度及韧性的良好匹配。

总之，本发明涉及的耐磨钢板具有较明显的优势，控制碳和合金元素含量以及各热处理工艺得到的耐磨钢板成本低、工艺简单、强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，易焊接，适用于各种机械设备中易磨损部件该宗类型的耐磨钢板是社会经济和钢铁工业发展的必然趋势。

附图说明

图1为本发明实施例5钢板显微组织照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，应明确，这些实施例仅用于对本发明的具体实施方式的描述，并不用于对本发明的保护范围构成任何限制。

以下实施例1-10的耐磨钢板和对比例1的钢板，其化学成分的重量百分比如表1所示；实施例1-10的耐磨钢板和对比例1（对比例1为专利CN1865481A中实施例）的钢板的制造方法为：将相应的冶炼原料依次按照如下步骤进行：冶炼→铸造→加热→轧制→轧后直接冷却→回火（可不回火），控制各实施例及对比例1中的钢板化学元素质量百分配比，其中，在加热步骤中，板坯加热温度为1000-1200℃，保温1-3小时；在轧制步骤中，粗轧温度为900-1150℃，精轧温度为780-880℃；在冷却步骤中，采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温，其中水冷冷却速度≥20℃/s；在回火步骤中，加热温度为100-400℃，保温30-120min。实施例1-10的具体工艺参数如表2所示。

表1实施例1-10的成分（单位为wt%）

表2实施例1-10中的具体工艺参数

1、力学性能试验

对实施例1-10的低合金高韧性耐磨钢板进行力学性能测试，其结果如表3所示。

表3实施例1-10及对比例1的力学性能

从表3中可以看出，实施例1-10的钢板，抗拉强度：1200-1400MPa，延伸率：14%-16%，布氏硬度：400-460HB，-40℃夏比V型纵向冲击功：60-130J，以上说明本发明所涉及的耐磨钢板不但具有高强、高硬、高延伸率等特点，而且具有优异的低温冲击韧性，其钢板的强度、硬度、延伸率明显优于对比例1的钢板。

2、耐磨性能试验：

耐磨性试验在ML-100磨粒磨损试验机上进行。截取试样时，令试样的轴线垂直于钢板表面，试样的磨损面即钢板的轧制面。将试样按要求加工成台阶状圆柱体，测试部分尺寸为Φ4mm，卡具夹持部分尺寸为Φ5mm。试验前用酒精清洗试样，然后用吹风机吹干，在万分之一精度的天平上称重，测得试样重量作为原始重量，而后安装在弹性夹具上。用粒度为80目的砂纸，在84N载荷作用下进行试验。试验后由于试样与砂纸间的磨损，试样在砂纸上画出一条螺旋线，根据螺旋线的起始和终止半径来计算螺旋线的长度，计算公式如下：

S = \frac{π (r_{1}^{2} - r_{2}^{2})}{a}

上式中，r1为螺旋线的起始半径，r2为螺旋线的终止半径，a为螺旋线的进给量。每次实验称重三次取平均值，然后计算失重，用每米失重来表示试样的磨损率（mg/M）。

对本发明的实施例1-10的高性能耐磨钢板进行耐磨性试验。本发明的实施例钢种与对比例2钢（对比例2为一种硬度为360HB钢板）的磨损试验结果见表4。

表4实施例1-10与对比例2的磨损试验结果

钢种	试验温度	磨损试验条件	磨损率(mg/M)
				实施例1	室温	80目砂纸/84N载荷	14.656
实施例2	室温	80目砂纸/84N载荷	14.602
				实施例3	室温	80目砂纸/84N载荷	14.565
实施例4	室温	80目砂纸/84N载荷	14.503
				实施例5	室温	80目砂纸/84N载荷	14.211
实施例6	室温	80目砂纸/84N载荷	13.933
				实施例7	室温	80目砂纸/84N载荷	13.802
实施例8	室温	80目砂纸/84N载荷	13.690
				实施例9	室温	80目砂纸/84N载荷	13.632
实施例10	室温	80目砂纸/84N载荷	13.567
				对比例2	室温	80目砂纸/84N载荷	15.588

从表4可知，在室温、80目砂纸/84N载荷的磨损条件下，本发明的高性能耐磨钢板的耐磨性能优于对比例2钢板耐磨性。

3、焊接性试验

按照《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》（GB4675.1-84）对本发明耐磨钢板进行斜Y坡口焊接裂纹试验，分五组进行试验。

首先焊接拘束焊缝，拘束焊缝采用富Ar气体保护焊焊接，使用Φ1.2的JM-58焊丝，焊接过程中严格控制了试件的角变形。焊后冷却室温后进行试验焊缝的焊接。试验焊缝在室温下进行焊接，试验焊缝完成48小时后，检测焊缝表面裂纹、断面裂纹和根部裂纹。经过解剖试验，利用着色法对焊缝的表面、断面、根部分别进行检查。焊接规范为170A×25V×160mm/min。

对实施例1-10的高性能耐磨钢板进行焊接性能试验，试验结果如表5所示。

表5实施例1-10的焊接性能试验结果

由表5可知，实施例1-10的耐磨钢板在不预热、预热50-100℃、环境温度10-33℃条件下焊接后均未出现裂纹，说明本发明耐磨钢板具有极佳的焊接性能，尤其对大尺寸焊件极为适用。

4、显微组织

将实施例5的耐磨钢板进行检测获得其显微组织，如图1所示，其显微组织为细的马氏体和少量残余奥氏体，其中残余奥氏体体积分数≤5%，这保证了钢板具有优异的力学性能。

本发明在合理的生产工艺条件下科学设计碳、合金成分及其配比，降低了合金成本，充分利用微合金元素及TMCP工艺进行组织细化、强化，获得的耐磨钢板具有优异的力学性能（如高的硬度、强度、延伸率、冲击韧性等）和焊接性能。

Claims

1.一种低合金高韧性耐磨钢板，其化学成分的重量百分比为：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≤0.0080％，O≤0.0080％，H≤0.0004％，P≤0.015％，S≤0.010％，且满足0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.010％≤(Al+Ti)≤0.13％，Ni、Mo不同时为0，其余为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为细的马氏体及残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积分数≤5％；其力学性能：抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12％，布氏硬度大于400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功大于60J。

2.如权利要求1所述的低合金高韧性耐磨钢板，其特征在于，C：0.10-0.20％；Si：0.10-0.50％，以重量百分比计。

3.如权利要求1所述的低合金高韧性耐磨钢板，其特征在于，Mn：1.00-1.80％；Cr：0.10-1.20％；Mo：≤0.60％；Ni≤1.20％，且满足0.04％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.40％，以重量百分比计。

4.如权利要求1所述的低合金高韧性耐磨钢板，其特征在于，B：0.0005-0.0020％；Nb：0.005-0.080％；V≤0.060％，且满足0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.50％，以重量百分比计。

5.如权利要求1所述的低合金高韧性耐磨钢板，其特征在于，0.0010％≤Ca≤0.0050％；N≤0.0050％；O≤0.0050％；H≤0.0003％；P≤0.012％；S≤0.005％，以重量百分比计。

6.如权利要求1-5任一所述的低合金高韧性耐磨钢板，其特征在于，Ti：0.005-0.060％，Al：0.020-0.080％，且满足0.01％≤Al+Ti≤0.12％，以重量百分比计。

7.如权利要求1-6任一所述的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，包括如下步骤：按上述化学成分配比冶炼，经铸造、加热、轧制、轧后直接冷却步骤获得所述低合金高韧性耐磨钢板；其中，在加热步骤中，板坯加热温度为1000-1200℃，保温1-3小时；在轧制步骤中，粗轧温度为900-1150℃，精轧温度为780-880℃；在冷却步骤中，采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温，其中水冷冷却速度≥20℃/s；所获得的低合金高韧性耐磨钢板的显微组织为细的马氏体及残余奥氏体，其中残余奥氏体的体积分数≤5％；其力学性能：抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12％，布氏硬度大于400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功大于60J。

8.如权利要求7所述的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，其特征在于，所述轧后直接冷却后还包括回火步骤，在回火步骤中，加热温度为100-400℃，保温30-120min。

9.如权利要求7或8所述的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在加热步骤中，板坯加热温度为1000-1150℃。

10.如权利要求7或8所述的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在轧制步骤中，粗轧温度为900-1100℃，粗轧阶段轧制压下率大于20％，精轧温度为780-860℃，精轧阶段轧制压下率大于40％。

11.如权利要求7或8所述的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在冷却步骤中，停冷温度为380℃以下，水冷冷却速度≥23℃/s。

12.如权利要求8所述的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在回火步骤中，回火温度为100-380℃，保温30-100min。