專利名稱：一種超高強度高韌性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超高強度高韌性耐磨鋼板及其制造方法。
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。近幾十年來，耐磨鋼的開發(fā)與應用發(fā)展很快，一般增加碳含量并加入適量的微量
元素，如鉻、鑰、鎳、釩、鎢、鈷、硼和鈦等，充分利用析出強化、細晶強化、相變強化和位錯強化等不同強化方式提高耐磨鋼的力學性能。大多數耐磨鋼為中碳、中高碳和高碳合金鋼，碳含量增加會導致鋼的韌性下降，且過高的碳嚴重惡化了鋼的焊接性能，另外，增加合金含量會導致成本提高和焊接性能下降，這些缺點制約了耐磨鋼的進一步發(fā)展。材料的耐磨性主要取決于其硬度，而韌性對材料的耐磨性也有著非常重要的影響。單單提高材料的硬度并不能保證材料在復雜工況下具有較佳的耐磨性和較長的使用壽命。通過調整成分與熱處理工藝，控制低合金耐磨鋼硬度和韌性的合理匹配，得到優(yōu)良的綜合機械性能，使其滿足不同磨損工況的需要。焊接可以解決各種鋼材的連接，是十分重要的加工工藝，在工程應用中具有十分重要的作用。焊接冷裂紋是最常出現的焊接工藝缺陷，尤其是當焊接高強度鋼時，冷裂紋出現的傾向很大。為防止冷裂紋產生，通常是焊前預熱、焊后熱處理，造成了焊接工藝的復雜性，特殊情況下的不可操作性，危及焊接結構的安全可靠性。對于高強度、高硬度的耐磨鋼板，焊接問題尤為明顯。CN1140205A公開了一種中碳中合金耐磨鋼，其碳及合金元素(Cr、Mo等)含量均遠高于本發(fā)明，這必然導致焊接性能與機械加工性能較差。CN1865481A公開了一種貝氏體耐磨鋼，與本發(fā)明相比，其合金元素(Si、Mn、Cr、Mo等)含量較高，焊接性能、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超高強高韌耐磨鋼板，在添加微量合金元素基礎上實現高強度、高硬度和高韌性的匹配，具有良好的機械加工性能，十分有益于工程上的廣泛應用。為實現上述目的，本發(fā)明的低合金超高強高韌耐磨鋼板的化學成分重量百分比含量為C 0. 22-0. 35 %、Si :0. 10-0. 40 %、Mn :0. 60-1. 35 P ^ O. 015
S ^ O. 010 Nb 0. 010-0. 040 %、Al :0. 010-0. 080 %、B :0. 0006-0· 0014 %、Ti:O. 005-0. 050 %、Ca :0. 0010-0. 0080wt. %, V ^ O. 080 %, Cr ^ O. 60 %, W ^ I. OOwt. %、N 彡 O. 0080%,O. 0060%,O. 0004%，且滿足0. 025%^Nb+Ti ( O. 080%, O. 030%^ Al+Ti ^ 0. 12%，余量為Fe和不可避免的雜質。本發(fā)明鋼耐磨鋼顯微組織主要為馬氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體體積分數
(5%。本發(fā)明的另一個目的在于提供該低合金超高強高韌耐磨鋼板的制造方法，該方法依次包括冶煉、鑄造、加熱、軋制和軋后直接冷卻等步驟。其中加熱步驟中，加熱到溫度為1000-1200°c ;軋制步驟中，開軋溫度950-1150°C，終軋溫度800-950°C ;軋后直接冷卻步驟中，采用水冷，停冷溫度室溫至300°C。由于本發(fā)明中科學設計了碳及合金元素含量，通過微合金元素的細化強化作用及控制軋制控制冷卻過程的細化強化效果，使得鋼板具有優(yōu)異的力學性能(強、硬度、延伸率、沖擊性能等)、焊接性能和耐磨性能。本發(fā)明與現有技術的不同之處主要體現在以下幾方面從化學成分上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼的化學成分除C、Si、Mn等元素外，添加了少量Nb等元素,具有成分簡單、成本低廉等特點；從生產工藝上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼板采用TMCP工藝生產，無需離線淬火和回火等熱處理工序，具有生產流程短，生產效率高，節(jié)約能源，降低生產成本等特點；從產品性能上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼板具有高強度、高硬度尤其具有較佳的低溫韌性。從顯微組織上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼，顯微組織主要為細的馬氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體體積分數< 5%，有益于耐磨鋼板強硬度及韌性的良好匹配。本發(fā)明涉及的耐磨鋼板具有較明顯的優(yōu)勢?？刂铺己秃辖鹪睾浚邪l(fā)低成本、力學性能佳、工藝簡單的耐磨鋼是社會經濟和鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。


圖I是焊接試驗中，斜Y坡口焊接裂紋試件的形狀和尺寸。圖2為實施例3鋼板顯微組織，為細的馬氏體和少量殘余奧氏體，這保證了鋼板具有較佳的力學性能。
具體實施例方式以下結合實施例詳述本發(fā)明所涉及的低合金超高強高韌耐磨鋼板的特點。本發(fā)明所涉及的鋼種通過元素種類及含量的科學設計，在添加微量合金元素基礎上實現了高強度、高硬度和高韌性的匹配。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，應合理控制鋼中的碳含量為O. 22-0. 35%，優(yōu)選為 O. 23-0. 33%。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)明中控制硅為O. 10-0. 40 %，優(yōu)選地為 O. 10-0. 35 %。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偏析和裂紋，降低鋼板的性能，本發(fā)明中控制錳含量為O. 60-1. 35%，優(yōu)選地O. 65-1. 30%。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)明中控制鈮為O. 010-0. 040%，優(yōu)選地為O. 010-0. 035%。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象，并提高鋼的韌性，本發(fā)明中Al含量控制在O. 010-0. 080%，優(yōu)選地為O. 010-0. 060%。硼硼增加鋼的淬透性但含量過高將導致熱脆現象，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)明中控制硼含量為O. 0006-0. 0014 %，優(yōu)選地為
O. 0008-0. 0014%。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)明中控制鈦為O. 005-0. 050%，優(yōu)選地為 O. 010-0. 045%。鈮和鈦的復合加入，可以獲得更好的晶粒細化效果，減小原奧氏體晶粒尺寸，有利于細化淬火后的馬氏體條，提高強度和耐磨性，TiN等在高溫下的未溶解性，可阻止熱影響區(qū)晶粒的粗化，提高熱影響區(qū)的韌性，從而改善鋼的焊接性，故鈮和鈦的含量范圍如下O. 025 % ( Nb+Ti ( O. 080 %，優(yōu)選地為 O. 035 % ( Nb+Ti ( O. 070 %。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. 030%彡Al+Ti彡O. 12%，優(yōu)選地為O. 040%(Al+Ti ( O. 11%。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。鈣在夾雜物較多時添加效果明顯，有利于保證鋼的力學性能，尤其韌性。本發(fā)明中控制鈣為O. 0010-0. 0080%，優(yōu)選地為O. 0010-0. 0060% ο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)明中控制釩為< O. 080 %，優(yōu)選地為O. 035-0. 080 %，還優(yōu)選地為(O. 060%。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)明中控制鉻含量為< O. 60%，優(yōu)選地為O. 20-0. 60%，還優(yōu)選為^ O. 40% ο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)明中控制鎢含量為< 1.00%，優(yōu)選地為O. 30-1. 00%，還優(yōu)選為彡 O. 80%。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彡O. 015%，優(yōu)選彡0.010% ;硫含量彡O. 010%，優(yōu)選彡O. 005%。氮、氧與氫鋼中過多的氧和氮對鋼的性能尤其是焊接性和韌性能是十分不利的，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< O. 0080%，優(yōu)選(O. 0050% ;氧含量< O. 0060%，優(yōu)選< O. 0040% ;氫含量< O. 0004%，優(yōu)選< O. 0003%。本發(fā)明的上述低合金超高強高韌耐磨鋼板的制造方法，依次包括冶煉、鑄造、力口熱、軋制和軋后直接冷卻等步驟。其中加熱步驟中，加熱到溫度為1000-1200°C ;軋制步驟中，開軋溫度950-1150°C，終軋溫度800-950°C ;冷卻步驟中，采用水冷，停冷溫度室溫至 300。。。優(yōu)選地，在所述加熱過程中，加熱溫度為1000-1150 °C，更優(yōu)選加熱溫度為1000-1130°C，為保證碳及合金元素充分擴散，防奧氏體晶粒過分長大及鋼坯表面嚴重氧化，最優(yōu)選加熱溫度為1050-1130°C。優(yōu)選地，開軋溫度950-1100 V，終軋溫度800-900 °C，更優(yōu)選地，開軋溫度950-1080 °C，終軋溫度810-900 °C，最優(yōu)選地，開軋溫度980-1080°C，終軋溫度810-890 O。優(yōu)選地，停冷溫度為室溫至280°C，更優(yōu)選停冷溫度為室溫至250°C，最優(yōu)選停冷溫度為室溫至200°C。本發(fā)明通過合理設計化學成分(C、Si、Mn、Nb等元素的含量及配比)，嚴格控制了碳和微合金含量。這樣的成分設計得到的耐磨鋼板具有易焊性，適合需要焊接的機械領域使用。另外，由于不含有Mo和Ni等元素，可大幅降低耐磨鋼生產成本。本發(fā)明的耐磨鋼板具有高強度、高硬度及較佳的沖擊韌性等，易進行切割、彎曲等機械加工，具有很強的適用性。本發(fā)明生產的低合金超高強高韌耐磨鋼板抗拉強度1400-1700MPa，延伸率13-14% ;布氏硬度470-570HBW ;優(yōu)選地，其_40°C夏比V型縱向沖擊功50_80J，具有良好的焊接性能和優(yōu)異的力學性能，增強了耐磨鋼的適用性。實施例本發(fā)明的實施例1-7和對比例I (專利CN1865481A)的鋼板化學元素質量百分配比如表I所示。將冶煉原料按照步驟冶煉一鑄造一加熱一軋制一軋后直接冷卻進行制造。實施例1-7中的具體工藝參數參見表2。
權利要求
1.一種耐磨鋼板，其重量百分比組成為C :0. 22-0. 35 Si :0. 10-0.40 %、Mn O.60-1. 35 P ^ O. 015 S ^ O. 010 %、Nb 0. 010-0. 040 Al 0. 010-0. 080B 0. 0006-0. 0014 Ti 0. 005-0. 050 %、Ca 0. 0010-0. 0080 V ^ O. 080Cr ( O. 60%, W ^ I. 00%, N ^ O. 0080%, O ( O. 0060%, H ^ O. 0004%，且滿足0· 025%(Nb+Ti ( O. 080%,O. 030%^ Al+Ti ( O. 12%，余量為 Fe 和不可避免的雜質。
2.如權利要求I所述的耐磨鋼板，其特征在于，C:0. 23-0. 33%。
3.如權利要求I或2所述的耐磨鋼板，其特征在于，Si:0. 10-0. 35%。
4.如權利要求1-3任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Mn:0. 65-1. 30%。
5.如權利要求1-4任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，P< O. 010%。
6.如權利要求1-5任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，S< O. 005%。
7.如權利要求1-6任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Nb:0. 010-0. 035%。
8.如權利要求1-7任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Al:0. 020-0. 060%。
9.如權利要求1-8任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，B:0. 0008-0. 0014%。
10.如權利要求1-9任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Ti:0. 010-0. 045%。
11.如權利要求1-10任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Ca:0. 0010-0. 0060%。
12.如權利要求1-11任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，V< O. 060%。
13.如權利要求1-12任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，CrSO. 40%。
14.如權利要求1-13任一所述的耐磨鋼板,其特征在于，WO. 80wt. %。
15.如權利要求1-14任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，N^O.0050%。
16.如權利要求1-15任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，0^0. 0040%。
17.如權利要求1-16任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，H^O.0003%。
18.如權利要求1-17任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，O.035%^ Nb+Ti ( O. 070%,O.040%^ Al+Ti ( O. 11%。
19.如權利要求1-18任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，抗拉強度為1400-1700MPa，延伸率為13-14% ;布氏硬度為470-570HBW ;其_40°C夏比V型縱向沖擊功為50-80J。
20.權利要求1-19任一所述的耐磨鋼板的制造方法，依次包括冶煉、鑄造、加熱、軋制和軋后直接冷卻等步驟； 在加熱步驟中，加熱溫度為1000-1200°C，保溫時間為1-2小時； 在軋制步驟中，開軋溫度為950-1150°C，終軋溫度為800-950°C ； 在軋后直接冷卻步驟中，采用水冷，停冷溫度為室溫至300°C。
21.如權利要求20所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，保溫時間為2小時。
22.如權利要求20或21所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，板坯加熱溫度為1000-1150。。。
23.如權利要求20-22任一所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，開軋溫度為950-1100°C，終軋溫度為 800-900°C。
24.如權利要求20-23任一所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，停冷溫度為室溫至 280 0C ο
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐磨鋼板，其化學成分(重量％)為C0.22-0.35％、Si0.10-0.40％、Mn0.60-1.35％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb0.010-0.040％、Al0.010-0.080％、B0.0006-0.0014％、Ti0.005-0.050％、Ca0.0010-0.0080wt.％、V≤0.080％、Cr≤0.60％、W≤1.00wt.％、N≤0.0080％、O≤0.0060％、H≤0.0004％，且滿足0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，余量為Fe和不可避免的雜質。該耐磨鋼板的制造方法，包括冶煉、鑄造、軋制及軋后直接冷卻等步驟。通過以上成分及工藝得到的耐磨鋼板強硬度高，低溫韌性佳，機械加工性能優(yōu)異，適用于工程、礦山機械中易磨損設備，如抓斗、刮板運輸機等。
文檔編號C22C38/14GK102876969SQ20121027060
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者李紅斌, 姚連登, 苗雨川 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司