專利名稱：一種低合金高硬度耐磨鋼板及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及耐磨鋼，特別是涉及一種低合金高硬度耐磨鋼板及其制造方法；其典型力學性能:硬度大于550HB，-40°c夏比V型縱向沖擊功大于40J。
背景技術：
耐磨鋼板廣泛應用于工作條件特別惡劣，要求高強度，高耐磨性能的工程、采礦、農業(yè)、水泥生產、港口、電力以及冶金等機械產品上。如推土機、裝載機、挖掘機、自卸車及抓斗、堆取料機、輸料彎曲結構等。傳統(tǒng)上一般選用奧氏體高錳鋼生產耐磨部件。奧氏體高錳鋼在大的沖擊載荷作用下，可發(fā)生應變誘導馬氏體相變，提高其耐磨性。奧氏體高錳鋼受限于合金元素含量高、機械加工、焊接性能差、初始硬度低，并不適合廣泛應用。近幾十年來，耐磨鋼的開發(fā)與應用發(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行生產。通過鑄造方式生產耐磨鋼，生產流程短、工藝簡單、易于生產，但存在合金元素含量偏高、力學、焊接和機械加工性能差等缺點；通過軋制方式生產耐磨鋼可以進一步減少合金元素含量、提高產品性能，但仍不適合廣泛應用；離線淬火+回火熱處理是目前耐磨鋼板最主要的生產方式，其合金元素較少，產品性能較高，可以穩(wěn)定工業(yè)生產，但隨著低碳、節(jié)能、環(huán)保等要求越來越高，低成本、短流程、高性能產品是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。中國專利CN1140205A公開了一種中高碳中合金耐磨鋼，其碳及合金元素(Cr、Mo等)含量較高，采用鑄造工藝 生產，這必然導致力學性能與焊接性能較差。中國專利CN1865481A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，力學性能較低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種低合金高硬度耐磨鋼板及其制造方法，在添加少量合金元素的基礎上實現(xiàn)高硬度和高韌性的匹配，并具有良好的機械加工性能，其典型力學性能:硬度大于550HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于40J，有益于工程上的廣泛應用。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案:一種低合金高硬度耐磨鋼板，其化學成分的重量百分含量為:C:0.33-0.45%，Si:0.10-0.50%, Mn:0.50-1.50%, B:0.0005-0.0040%, Cr ( 1.50%, Mo ( 0.80%, Ni ( 2.00%,Nb ( 0.080%, V^0.080%, Ti ( 0.060%, RE ( 0.10%, W^l.00%, Al:0.010%-0.080%, Ca:0.0010-0.0080%, N 彡 0.0080%, 0^ 0.0080%, H 彡 0.0004%, P 彡 0.015%, S 彡 0.010%,且滿足 0.20% ((Cr/5+Mn/6+50B) ( 0.50%,0.02% ((Mo/3+Ni/5+2Nb) ( 0.50%,0.01% ((Al+Ti) ( 0.13%，其余為Fe和不可避免的雜質；其顯微組織為細的馬氏體及殘余奧氏體；其典型力學性能:硬度大于550HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于40J。
進一步的，RE為La、Ce、Nd中的一種或幾種。本發(fā)明的低合金高硬度耐磨鋼板的制造方法，包括如下步驟:按上述化學成分配比冶煉，經鑄造、加熱、軋制、軋后直接冷卻獲得所述低合金高硬度耐磨鋼板；其中，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1200°C，保溫1-3小時；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，其中水冷冷卻速度彡200C /S。進一步的，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 ;為提高生產效率并防奧氏體晶粒過分長大及鋼坯表面嚴重氧化，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，水冷冷卻速度彡230C /s ;更優(yōu)選的，停冷溫度為350°C以下，水冷冷卻速度彡270C /s ;最優(yōu)選的，停冷溫度為330°C以下，水冷冷卻速度彡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。本發(fā)明所涉及的低合金高強度耐磨鋼板的化學成分作用如下:碳:碳是耐磨鋼中最基本、最重要的元素，可以提高鋼的強度和硬度，進而提高鋼的耐磨性，但其對鋼的韌性和焊接性能不利，因此，應合理控制耐磨鋼中的碳含量為0.33-0.45wt.%，優(yōu)選為 0.33-0.43wt.%。硅:硅固溶在鐵素體和奧氏體中提高它們的硬度和強度，然而硅含量過高會導致鋼的韌性急劇下降。同時考慮到硅與氧的親和力比鐵強，焊接時容易產生低熔點的硅酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動性，影響焊縫質量，因此含量不易過多，本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制硅為0.10-0.50wt.%，優(yōu)選地為0.10-0.40wt.%。錳:錳強烈增加鋼的淬透性，降低耐磨鋼轉變溫度和鋼的臨界冷卻速度。但錳含量較高時，有使晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆敏感性，而且容易導致鑄坯中出現(xiàn)偏析和裂紋，降低鋼板的性能，本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制錳含量為0.50-1.50wt.%，優(yōu)選為 0.50_1.20wt.%。硼:硼增加鋼的淬透性但含量過高將導致熱脆現(xiàn)象，影響鋼的焊接性能及熱加工性能，因此需要嚴格控制B含量，本發(fā)明低合金高強度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、(Fe, Cr) 7C3和(Fe，Cr)23C7等多種碳化物，提高強度和硬度。鉻在回火時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) 明低合金高強度耐磨鋼中控制鉻含量為(1.50wt.%，優(yōu)選為 0.10-1.30wt.%。鑰:鑰可以細化晶粒，提高強度和韌性。鑰在鋼中存在于固溶體相和碳化物相中，因此，含鑰鋼同時具有固溶強化和碳化物彌散強化的作用。鑰是減小回火脆性的元素，可以提高回火穩(wěn)定。本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制鑰含量為< 0.80wt.%，優(yōu)選為^ 0.60wt.%。鎳:鎳可以降低臨界冷卻速度、提高鋼的淬透性。鎳能與鐵以任何比例互溶，通過細化鐵素體晶粒改善鋼的低溫韌性，并具有明顯降低冷脆轉變溫度的作用。對于高級別且高低溫韌性的耐磨鋼，鎳是十分有益的添加元素。但含量過高易導致鋼板表面氧化皮難以脫落，且成本顯著增加，因此需控制其含量。本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制鎳含量為(2.0Owt.%，優(yōu)選為彡 1.50wt.%。鈮:Nb的細化晶粒和析出強化作用，對提高材料強韌性貢獻是極為顯著的，是強烈的C、N化物的形成元素，強烈地抑制奧氏體晶粒長大。Nb通過晶粒細化同時提高鋼的強度和韌性，Nb主要通過析出強化和相變強化來改善和提高鋼的性能，Nb已經被作為HSLA鋼中最有效的強化劑之一，本發(fā)明低合金高強度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化晶粒，使鋼坯在加熱階段奧氏體晶粒不至于生長的過于粗大，這樣，在隨后的多道次軋制過程中，可以使鋼的晶粒得到進一步細化，提高鋼的強度和韌性，本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制釩為< 0.080wt.%，優(yōu)選為< 0.060wt.%。鋁:鋁和鋼中氮能形成細小難溶的AlN顆粒，細化鋼的晶粒。鋁可細化鋼的晶粒，固定鋼中的氮和氧，減輕鋼對缺口的敏感性，減小或消除鋼的時效現(xiàn)象，并提高鋼的韌性，本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中Al含量控制在0.010-0.080wt.%，優(yōu)選為0.020-0.080wt.%。鈦:鈦是強碳化物形成元素之一，與碳形成細微的TiC顆粒。TiC顆粒細小，分布在晶界，達到細化晶粒的效果，較硬的TiC顆粒提高鋼的耐磨性，本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制鈦含量為彡0.060wt.%，優(yōu)選為0.005-0.060wt.%。鋁和鈦:鈦均能形成細小顆粒進而細化晶粒，鋁可以保證細小鈦顆粒的形成，充分發(fā)揮鈦的細化晶粒作用，故鋁和鈦的含量范圍如下:0.01% ( Al+Ti ( 0.13%，優(yōu)選為0.01% ( Al+Ti ( 0.12%。稀土:在鋼中添加稀土可以減少硫、磷等元素的偏析，改善非金屬夾雜物的形狀、大小和分布，同時可以細化晶粒，提高硬度。稀土能提高屈強比和有利于改善低合金高強度鋼的強韌性。稀土的含量不易過多，否則會產生嚴重偏析，降低鑄坯質量和力學性能。本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制稀土含量為彡0.1Owt.%，優(yōu)選為彡0.08wt.%。鎢:鎢可以增加鋼的回火穩(wěn)定性和熱強性，并可以起到一定的細化晶粒作用。另夕卜，鎢可以形成硬質碳化物而增加鋼的耐磨性。本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制鎢含量為彡1.0Owt.%范圍內，優(yōu)選為彡0.80wt.%。鈣:鈣對鑄鋼中夾雜物的變質具有顯著作用，鑄鋼中加入適量鈣可將鑄鋼中的長條狀硫化物夾雜轉變?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量，進而提高鋼的性能。 本發(fā)明低合金高強度耐磨鋼中控制鈣含量為0.0010-0.0080wt.%，優(yōu)選為
0.0010-0.0060wt.%。
磷與硫:在耐磨鋼中，硫與磷均為有害元素，它們的含量要嚴格控制，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、氮和氫對鋼的性能尤其對焊接性、沖擊韌性和抗裂性是十分不利的，降低鋼板的質量及使用壽命，但控制過嚴會大幅增加生產成本，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.%。由于本發(fā)明低合金高硬度耐磨鋼板中科學設計了碳及合金元素的含量，通過合金元素的細化強化作用及控制軋制和冷卻工藝的細化、強化效果，使獲得的鋼板具有優(yōu)異的力學性能(硬度、沖擊性能等)和耐磨性能，實現(xiàn)了超高硬度和高韌性的匹配。本發(fā)明的低合金高硬度耐磨鋼板與現(xiàn)有技術相比具有如下特點:1、從成分上看，本發(fā)明低合金高硬度耐磨鋼板的合金成分以中低碳低合金為主，充分利用Nb、Ti等微合金元素的細化、強化等特點，在減少碳及合金元素Cr、Mo和Ni等含量的同時，保證耐磨鋼板具有良好的力學性能等。2、從生產工藝上看，本發(fā)明的低合金高硬度耐磨鋼板采用TMCP工藝生產，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)的控制提高組織細化、強化效果，進而減少碳和合金元素含量，得到力學性能等均十分優(yōu)異的鋼板。此外，該工藝還具有生產流程短,效率高,節(jié)約能源,成本低等特點。3、從產品性能上看，本發(fā)明的低合金高硬度耐磨鋼板具有高硬度、高低溫韌性(典型力學性能:布氏硬度為大于550HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于50J)等優(yōu)點，并具有優(yōu)異的耐磨性能。 4、從顯微組織上看，本發(fā)明的低合金高硬度耐磨鋼板，充分利用合金元素及控軋控冷工藝相結合得到細的馬氏體組織及殘余奧氏體(其中殘余奧氏體體積分數(shù)< 5%)，有益于耐磨鋼板強、硬度及韌性的良好匹配?？傊?，本發(fā)明的耐磨鋼板具有較明顯的優(yōu)勢?？刂铺己秃辖鹪睾恳约翱剀埧乩涔に嚨玫降哪湍ヤ摪宄杀镜?、硬度高，低溫韌性佳，適用于各種機械設備中極易磨損部件，該種類型的耐磨鋼板是社會經濟和鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。


圖1為本發(fā)明實施例7鋼板顯微組織圖片。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步闡述，應明確，這些實施例僅用于對本發(fā)明的具體實施方式
的描述，并不用于對本發(fā)明的保護范圍構成任何限制。以下實施例1-10的耐磨鋼板和對比例I的鋼板，其化學成分的重量百分含量如表I所示；實施例1-10的耐磨鋼板和對比例I (對比例I為專利CN1140205A中實施例)的鋼板的制造方法為:將相應的冶煉原料依次按照如下步驟進行:冶煉一鑄造一加熱一軋制—軋后直接冷卻一回火(可不回火)，控制各實施例及對比例I中的鋼板化學元素質量百分配比，其中，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1200°C，保溫1-3小時；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。實施例1_10的具體工藝參數(shù)如表2所示。表I實施例1-10及對比例I的化學成分(wt.%)
權利要求
1.一種低合金高硬度耐磨鋼板，其化學成分的重量百分含量為:C:0.33-0.45%，Si:0.10-0.50%, Mn:0.50-1.50%, B:0.0005-0.0040%, Cr ( 1.50%, Mo ( 0.80%, Ni ( 2.00%,Nb ( 0.080%, V^0.080%, Ti ( 0.060%, RE ( 0.10%, W^l.00%, Al:0.010%-0.080%, Ca:0.0010-0.0080%, N 彡 0.0080%, 0^ 0.0080%, H 彡 0.0004%, P 彡 0.015%, S 彡 0.010%,且滿足 0.20% ((Cr/5+Mn/6+50B) ( 0.50%,0.02% ((Mo/3+Ni/5+2Nb) ( 0.50%,0.01% ((Al+Ti) ( 0.13%，其余為Fe和不可避免的雜質；其顯微組織為細的馬氏體及殘余奧氏體；其力學性能:硬度大于550HB，_40°C夏比V型縱向沖擊功大于40J。
2.如權利要求1所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，RE為La、Ce、Nd中的一種或幾種。
3.如權利要求1所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，C:0.35-0.45% ；Si:0.10-0.40%,以重量百分含量計。
4.如權利要求1所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，Mn:0.50-1.20% ;Cr:0.10-1.30% ；Mo 0.60% ；N1:彡 1.50%,且滿足 0.04% ( (Mo/3+Ni/5+2Nb) ( 0.45%,以重量百分含量計。
5.如權利要求1所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，Nb:0.005-0.080% ；V^0.060% ；RE ^ 0.08% ；ff ( 0.80%,以重量百分含量計。
6.如權利要求1所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，B:0.0005-0.0020% ；Ca:0.0010-0.0060%,且滿足 0.20% ( (Cr/5+Mn/6+50B) ( 0.45%,以重量百分含量計。
7.如權利要求1所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，NS0.0050%;0^ 0.0050% ；H ( 0.0003% ；P ( 0.012% ；S ( 0.005%,以重量百分含量計。
8.如權利要求1-7任一 所述的低合金高硬度耐磨鋼板，其特征在于，Al:0.020-0.080%, T1:0.005-0.060%，且滿足 0.01% ( Al+Ti ( 0.12%,以重量百分含量計。
9.如權利要求1-8任一所述的低合金高硬度耐磨鋼板的制造方法，包括如下步驟:按上述化學成分配比冶煉，經鑄造、加熱、軋制、軋后直接冷卻獲得所述低合金高硬度耐磨鋼板；其中，在加熱步驟中，板坯加熱溫度為1000-1200°C，保溫1-3小時；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主要為細的馬氏體及殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的體積分數(shù)< 5%，其力學性能:硬度大于550HB, -40°C夏比V型縱向沖擊功大于40J。
10.如權利要求9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。
11.如權利要求9或10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。
12.如權利要求9或10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%。
13.如權利要求9或10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，水冷冷卻速度彡230C /S。
14.如權利要求10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
本發(fā)明提供一種低合金高硬度耐磨鋼板，其化學成分(wt%)為C0.33-0.45%，Si0.10-0.50%，Mn0.50-1.50%，B0.0005-0.0040%，Cr≤1.50%，Mo≤0.80%，Ni≤2.00%，Nb≤0.080%，V≤0.080%，Ti≤0.060%，RE≤0.10%，W≤1.00%，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)≤0.50%，0.02%≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.50%，0.01%≤(Al+Ti)≤0.13%，其余為Fe和不可避免的雜質。通過以上成分及各熱處理工藝得到的鋼板硬度高，耐磨性能優(yōu)異，適于各種機械設備中極易磨損部件。
文檔編號C22C38/32GK103205634SQ20131010517
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權日2013年3月28日
發(fā)明者李紅斌, 姚連登, 宋國斌 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司