CN109835013B - 一种高强耐磨复合钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强耐磨复合钢板，其包括基板层和单面或双面复合于基板层上的复合层；所述基板层为碳钢层，所述复合层为中锰钢层，所述复合层中Mn元素的含量为5.00～10.00wt.％。此外，本发明还公开了一种上述的高强耐磨复合钢板的制造方法，包括步骤：(1)制得碳钢层板坯和中锰钢层板坯；(2)组坯；(3)加热：加热温度为1150‑1250℃，保温1‑3小时；(4)复合轧制：开轧温度为1120～1220℃，终轧温度为1050～1200℃，控制压下率≥50％；(5)轧后冷却。本发明所述的高强耐磨复合钢板强硬度高、韧性佳，高耐磨性，综合性能优异。

Description

一种高强耐磨复合钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种高强耐磨复合钢板及其制造方法。

背景技术

高锰钢在低、中冲击磨损应力条件下加工硬化能力发挥不足使其耐磨性较低。与高锰钢相比，中锰钢在冲击载荷作用小时，其加工硬化速度快，可迅速形成高硬度的稳定硬化层，抗冲击磨料磨损的能力大幅度提高，但由于其自身强硬度较低不能应用在需要承重的关键结构耐磨件上，在实际应用过程中容易变形而导致部件失效。通常，中锰钢采用铸造方式生产，然而，存在铸锭内部质量差、缺陷多，使用过程中易出现开裂的缺点，并且大幅降低产品的使用寿命，增加使用成本，不利于产品市场推广。

基于此，期望获得一种钢板，该钢板将高锰钢与低合金高强钢复合，既可以提高材料的强硬度，又可以避免中锰钢受力过程中发生严重变形的缺陷，使得该钢板能够大幅提高材料的综合性能，增加材料使用寿命。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高强耐磨复合钢板，该高强耐磨复合钢板强硬度高、韧性佳，耐磨性能优异，综合性能优异，具有广泛的应用范围。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高强耐磨复合钢板，其包括基板层和单面或双面复合于基板层上的复合层；所述基板层为碳钢层，所述复合层为中锰钢层，所述复合层中Mn元素的含量为5.00～10.00wt.％。。

在本发明所述的技术方案中，采用轧制复合方式获得的高强耐磨复合钢板，使其既具有基板层的优异的力学性能(如强硬度高)，避免了复合层加工硬化前强硬度较低、容易变形的缺点，又发挥了复合层的高耐磨特点，使得复合钢板具有优异的综合性能，有益于工程上的广泛应用。

此外，采用轧制复合有利于降低复合层(中锰钢)钢板厚度，减少材料用量，降低材料成本。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述碳钢层的化学元素质量百分比为：

C：0.10～0.25wt.％；Si：0.10～1.00wt.％；Mn：0.40～2.00wt.％；Cr：0.01～2.00wt.％；Mo：0.01～1.00wt.％；Ni：0.01～2.00wt.％；Nb：0.001～0.080wt.％；B：0.0005～0.0040wt.％；Al：0.010～0.080wt.％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本案中所述的高强耐磨复合钢板中的碳钢层的各化学元素的设计原理如下所述：

C：碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素，通过固溶强化和析出强化提高钢的强度和硬度，但碳的质量百分比过多则会降低韧性和塑性。因此，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中将碳钢层的C的质量百分比控制在0.10～0.25％。

Si：适当质量百分比的硅是钢中有益脱氧剂，能与钢中钙、铝一起形成易于上浮的钙铝硅酸盐夹杂物，提高钢质纯净度。硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而当硅的质量百分比过高时，会导致钢的韧性急剧下降，因此，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中控制碳钢层的Si的质量百分比在0.10～1.00％。

Mn：在本发明所述的技术方案中，添加Mn有利于提高钢的淬透性，因而，将Mn的质量百分比控制在0.40～2.00％。

Cr：铬可以提高钢的淬透性，并提高钢的强度和硬度。此外，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。因而，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中控制碳钢层的Cr的质量百分比在0.01～2.00％。

Mo：钼可以细化晶粒，提高钢强度和韧性。同时，钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。因而，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中将碳钢层的Mo的质量百分比控制在0.01～1.00％。

Ni：镍具有明显降低冷脆转变温度的作用，但镍的质量百分比过高易导致钢板表面氧化皮难以脱落，并且添加过多的镍使得生产成本显著增加。因而，控制本发明所述的高强耐磨复合钢板的碳钢层的Ni质量百分比在0.01～2.00％。

Nb：铌通过晶粒细化提高钢的强度和韧性，因而，在本发明所述的技术方案中，控制碳钢层的Nb的质量百分比在0.001～0.080％。

B：硼增加钢的淬透性，但硼的质量百分比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，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中控制碳钢层的B的质量百分比在0.0005～0.0040％。

Al：铝和钢中氮能形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢的晶粒。此外，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，因此，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中控制碳钢层的Al的质量百分比在0.010～0.080％。

需要说明的是，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中的杂质不利于钢板的性能提升，同时也会降低钢板的质量以及其使用寿命，然而，对杂质的控制过严将大幅增加生产成本。综合上述考虑，在本发明所述的高强高硬复合钢板中对碳钢层的不可避免的杂质例如P、S、N、H以及O控制在：P<0.030％；S<0.010％；N≤0.0080％；O≤0.0080％；H≤0.0004％。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述碳钢层的化学元素还具有0＜V≤0.080wt.％和0＜Ti≤0.060wt.％的至少其中之一。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述碳钢层中的各化学元素还满足下列各式的至少其中之一：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.10％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.42％和0.02％≤(Al+Ti)≤0.12％。

上述各式中，各元素代表相对应元素的质量百分含量。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述碳钢层的微观组织为马氏体+残余奥氏体。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述碳钢层的抗拉强度≥1200MPa，延伸率≥14％，布氏硬度≥400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功≥60J。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述中锰钢层的化学元素质量百分比为：

C：0.80～1.50wt.％；Si：0.20～1.50wt.％；Mn：5.00～10.00wt.％；Cr：0.01～3.00wt.％；Mo：0.01～1.00wt.％；Ti≤0.060％；Al：0.010～0.080wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。

本案中所述的高强耐磨复合钢板中的中锰钢层的各化学元素的设计原理如下所述：

C：碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素，通过固溶强化和析出强化提高钢的强度和硬度，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中控制中锰钢层中的碳的质量百分比在0.80～1.50％。

Si：适当硅是钢中有益脱氧剂，能与钢中钙铝一起形成易于上浮的钙铝硅酸盐夹杂物，提高钢质纯净度。硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而硅的质量百分比过高会导致钢的韧性急剧下降。因而，在本发明所述的高强耐磨复合钢板的中锰钢层中控制Si的质量百分比在0.20～1.50％。

Mn：锰提高钢的淬透性，在本发明所述的高强高硬复合钢板的中锰钢层中控制Mn的质量百分比在5.00～10.00％。

Cr：铬可以提高钢的淬透性，并提高钢的强度和硬度。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。因而，在本发明所述的高强耐磨复合钢板的中锰钢层中控制Cr的质量百分比在0.01～3.00％。

Mo：钼可以细化晶粒，提高钢强度和韧性。同时，钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。因而，在本发明所述的高强耐磨复合钢板的中锰钢层中对于Mo的质量百分比控制在0.01～1.00％。

Ti：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。因而，在本发明所述的高强耐磨复合钢板的中锰钢层中控制Ti的质量百分比在Ti≤0.060％。

Al：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。因而，在本发明所述的技术方案中，控制中锰钢层中的Al的质量百分比在0.010～0.08％。

此外，需要说明的是，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中对中锰钢层的不可避免的杂质例如P、S控制在：P<0.030％；S<0.010％。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述中锰钢层的微观组织为奥氏体。

进一步地，在本发明所述的高强耐磨复合钢板中，所述中锰钢层的抗拉强度≥500MPa，延伸率≥15％，布氏硬度为≥180HB，-40℃夏比U型纵向冲击功≥50J。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述的高强耐磨复合钢板的制造方法，采用该制造方法所获得的耐磨复合钢板在既增强了钢板的强硬度，又具有高耐磨和高韧性，钢板综合性能优异。

为了实现上述目的，本发明提出了一种上述的高强耐磨复合钢板的制造方法，包括步骤：

(1)制得碳钢层板坯和中锰钢层板坯；

(2)组坯；

(3)加热：加热温度为1150-1250℃，保温1-3小时；

(4)复合轧制：开轧温度为1120～1220℃，终轧温度为1050～1200℃，控制压下率≥50％；

(5)轧后冷却。

在本发明所述的制造方法的步骤(1)中，碳钢层板坯和中锰钢层板坯的制备既可以采用连铸，也可以采用模铸。在一些优选的实施方式中，连铸时，控制连铸拉坯速度，保证连铸拉坯速度≤1.0m/min，达到铸坯内部成分均匀和表面质量良好的效果。在另一些实施方式中，模铸时，模铸钢锭需轧制成初轧板坯，随后采用缓慢的冷却速度，避免马氏体转变引起开裂。

此外，在组坯前，可以对碳钢层板坯和中锰钢层板坯进行预处理，例如，采用采用机械法对各板坯进行单面表面氧化铁皮清理，再对单面清理的四条边进行坡口加工，将表面清理过的板坯，清理面对清理面放置。

在采用本发明所述的制造方法步骤(2)时，通过板坯贴合后焊接连接封闭，在边部留取真空通道，对焊接密封后的复合组坯进行抽取真空处理。

步骤(3)中采用的加热温度控制在1150℃～1250℃之间是因为，一方面能使等第二相质点例如V(C,N)发生溶解，Ti(C,N)发生部分溶解，在保证奥氏体晶粒不长大的情况下获得均匀的奥氏体化组织。

此外，除了控制步骤(3)中板的板坯加热温度和保持时间以保证板坯顺利轧制以外，步骤(4)中轧制过程的各温度和变形量是保证钢板板形和性能的重要参数，其中控制开轧温度为1120～1220℃，终轧温度为1050～1200℃，轧后钢板直接水冷或空冷后获得均匀组织。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述步骤(5)采用水冷冷却至室温-300℃，冷却速度≥10℃/s。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述步骤(5)采用空冷冷却至室温，然后进行步骤(6)：离线淬火。

进一步地，在本发明所述的制造方法，在所述步骤(6)中，淬火温度为1050～1100℃，保温时间为(1.5×t)min，其中t表示板厚，其单位参量为mm。

本发明的高强耐磨复合钢板与现有技术相比具有如下特点：

1、从化学成分上看，本发明所述的高强耐磨复合钢板的合金成分以中低碳中低合金为主，充分利用微合金元素例如Mn、Cr、Mo、Nb、Ti的细化、强化特点，保证钢板具有良好的力学性能等。

2、从生产工艺上看，本发明所述的技术方案通过碳钢层与中锰钢层进行复合组坯，通过对工艺参数的控制尤其是对开、终轧温度、压下率及冷却速度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，从而得到力学性能和焊接性能等均十分优异的钢板。此外，本发明所述的制造方法还具有生产流程短，效率高，节约能源，成本低的特点。

3、从产品性能上看，本发明所述的高强耐磨复合钢板，碳钢层具有高强度、高硬度、高韧性，碳钢层力学性能：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥1000MPa，延伸率≥14％，布氏硬度≥400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功≥60J；中锰钢层力学性能：硬度≥180HB，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥13％，-40℃夏比U型纵向冲击功≥40J。

4、从微观组织上看，本发明所述的高强耐磨复合钢板，充分利用合金元素添加以及工艺条件控制碳钢层得到马氏体+残余奥氏体，或马氏体+贝氏体+残余奥氏体，中锰钢层为奥氏体组织。由于碳钢层与中锰钢层之间成分的较大差异，在板坯加热、轧制及热处理过程中复合界面处有新的C、Mn、Cr和Mo之间化合物生产，有益于提高钢板强、硬度和耐磨性能以及提高碳钢层和中锰钢层的结合强度。

5、本发明所述的高强耐磨复合钢板，在合适的成分体系和加热、轧制和热处理工艺下，充分发挥了碳钢层和中锰钢层的优势：由于碳钢层具有超高强韧性，当中锰钢层受到冲击加工硬化时，阻止了整体钢板的变形，可以充分发挥中锰钢层的高耐磨性能，十分有益于实际应用。

总之，本发明涉及的高强耐磨复合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钢板成本低、工艺简单、强硬度高，韧性佳，高耐磨性，适用于各种机械设备易磨损部件。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的高强耐磨复合钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-10

表1-1和表1-2列出了实施例1-10的高强耐磨复合钢板中的碳钢层中的各化学元素的质量百分配比。

表1-1.(wt％，余量为Fe和除了S、P、N、H和O之外的其他杂质元素)

表1-2.(wt％，余量为Fe和除了S、P、N、H和O之外的其他杂质元素)

表2列出了实施例1-10的高强耐磨复合钢板中的中锰钢层中的各化学元素的质量百分配比。

表2.(wt％，余量为Fe和除了S、P之外的其他杂质元素)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ti	Al	微观组织
											实施例1	0.8	0.45	10	0.013	0.003	1.25	0.55	0.011	0.033	奥氏体
实施例2	0.85	0.35	9.5	0.01	0.008	0.65	0.41	0.008	0.031	奥氏体
											实施例3	1.1	0.45	9	0.008	0.005	1.52	0.33	0.019	0.017	奥氏体
实施例4	0.9	0.31	8.5	0.011	0.005	0.85	0.01	0.001	0.025	奥氏体
											实施例5	0.95	0.45	7.9	0.01	0.004	1.56	0.36	0.033	0.033	奥氏体
实施例6	1	0.50	7.2	0.008	0.005	0.67	0.01	0.001	0.048	奥氏体
											实施例7	1.05	0.33	6.3	0.009	0.003	1.61	0.01	0.028	0.056	奥氏体
实施例8	1.1	0.45	6	0.01	0.003	0.56	0.01	0.001	0.041	奥氏体
											实施例9	1.35	0.28	5.5	0.009	0.003	0.01	0.25	0.011	0.033	奥氏体
实施例10	1.5	0.44	5	0.01	0.003	0.39	0.33	0.001	0.035	奥氏体

实施例1-10的高强高硬复合钢板采用下述步骤制得：

(1)根据表1-1、表1-2和表2进行冶炼，制得碳钢层板坯和中锰钢层板坯；

(2)组坯；

(3)加热：加热温度为1150-1250℃，保温1-3小时；

(4)复合轧制：开轧温度为1120～1220℃，终轧温度为1050～1200℃，控制压下率≥50％；

(5)轧后冷却；

需要说明的是，当步骤(5)采用水冷冷却时，冷却至室温-300℃，冷却速度≥10℃/s；当步骤(5)采用空冷冷却至室温，需要接着进行步骤(6)：离线淬火，其中，淬火温度为1050～1100℃，保温时间为(1.5×t)min，其中t表示钢板板厚，其单位参量为mm。

表3列出了实施例1-10的高强耐磨复合钢板在各步骤中的具体工艺参数。

表3.

对实施例1-10的高强耐磨复合钢板抽样进行力学性能测试，测试结果列于表4、表5。

表4列出了实施例1-10的高强耐磨复合钢板的碳钢层力学性能参数。

表4.

表5列出了实施例1-10的高强耐磨复合钢板的中锰钢层力学性能参数。

表5.

结合表4和表5可以看出，各实施例的高强耐磨复合钢板，碳钢层具有高强度、高硬度、高韧性，碳钢层力学性能：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥1000MPa，延伸率≥14％，布氏硬度≥400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功≥60J；中锰钢层力学性能：硬度≥180HB，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥13％，-40℃夏比U型纵向冲击功≥40J。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高强耐磨复合钢板，其包括基板层和单面或双面复合于基板层上的复合层；其特征在于，所述基板层为碳钢层，所述复合层为中锰钢层；

其中所述碳钢层的化学元素质量百分比为：C：0.10～0.25wt.％；Si：0.10～1.00wt.％；Mn：0.40～2.00wt.％；Cr：0.01～2.00wt.％；Mo：0.01～1.00wt.％；Ni：0.01～2.00wt.％；Nb：0.001～0.080wt.％；B：0.0005～0.0040wt.％；Al：0.010～0.080wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述碳钢层的抗拉强度≥1200MPa，延伸率≥14％，布氏硬度≥400HB，-40℃夏比V型纵向冲击功≥60J；

所述中锰钢层的化学元素质量百分比为：C：0.80～1.50wt.％；Si：0.20～1.50wt.％；Mn：5.00～10.00wt.％；Cr：0.01～3.00wt.％；Mo：0.01～1.00wt.％；Ti≤0.060％；Al：0.010～0.080wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质；所述中锰钢层的抗拉强度≥500MPa，延伸率≥13％，布氏硬度为≥180HB，-40℃夏比U型纵向冲击功≥50J。

2.如权利要求1所述的高强耐磨复合钢板，其特征在于，所述碳钢层的化学元素还具有0＜V≤0.080wt.％和0＜Ti≤0.060wt.％的至少其中之一。

3.如权利要求2所述的高强耐磨复合钢板，其特征在于，所述碳钢层中的各化学元素还满足下列各式的至少其中之一：

0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％；

0.10％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.42％；

0.02％≤(Al+Ti)≤0.12％。

4.如权利要求1所述的高强耐磨复合钢板，其特征在于，所述碳钢层的微观组织为马氏体+残余奥氏体。

5.如权利要求1所述的高强耐磨复合钢板，其特征在于，所述中锰钢层的微观组织为奥氏体。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的高强耐磨复合钢板的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)制得碳钢层板坯和中锰钢层板坯；

(2)组坯；

(3)加热：加热温度为1150-1250℃，保温1-3小时；

(4)复合轧制：开轧温度为1120～1220℃，终轧温度为1050～1200℃，控制压下率≥50％；

(5)轧后冷却。

7.如权利要求6所述的高强耐磨复合钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤(5)采用水冷冷却至室温-300℃，冷却速度≥10℃/s。

8.如权利要求6所述的高强耐磨复合钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤(5)采用空冷冷却至室温，然后进行步骤(6)：离线淬火。

9.如权利要求8所述的高强耐磨复合钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，淬火温度为1050～1100℃，保温时间为(1.5×t)min，其中t表示板厚，其单位参量为mm。