CN100348738C - 制备耐磨钢板的方法以及由此制得的钢板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备耐磨钢板的方法，所述钢板的化学组成包括：0.24%≤C≤0.35%；0%≤Si≤2%；0%≤Al≤2%；0.5%≤Si+Al≤2%；0%≤Mn≤2.5%；0%≤Ni≤5%；0%≤Cr≤5%；0%≤Mo≤1%；0%≤W≤2%；0.1%≤Mo+W/2≤1%；0%≤B≤0.02%；0%≤Ti≤1.1%；0%≤Zr≤2.2%；0.35%≤Ti+Zr/2≤1.1%；0%≤S≤0.15%；N＜0.03%；任选的0%至1.5%的铜；任选的Nb、Ta和V，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5%；任选的不多于0.1%的Se、Te、Ca、Bi或Pb；余量的铁和杂质。另外，所述化学组成还满足：0.095%≤C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8，且1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005%，则K＝0.5；如果B＜0.0005%，则K＝0。所述方法包括在辊轧热量中或者在奥氏体化之后在炉中对所述板材进行硬化处理；以大于0.5℃/s的冷却速率，将温度从AC3降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之间；随后以小于1150×ep-1.7的型芯冷却速率Vr，将温度从T降至100℃，(ep＝以mm计的板厚)；然后冷却至室温，并任选进行精轧。本发明还涉及由此制得的板材。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨钢材及其制备方法。
背景技术
已知的耐磨钢材具有约600 Brinell的硬度。这些钢中含有0.4％至0.6％的碳和0.5％至3％的至少一种合金元素，例如锰、镍、铬和钼，所述钢材经过淬火以便获得完全的马氏体结构。然而，这些钢材的焊接和切割是非常困难的。为了克服上述缺陷，已经建议，特别是在EP0739993中，使用硬度较低的钢材来实现上述目的，所述钢材的碳含量约为0.27％，且在其淬火后的结构中包含大量的残留奥氏体。然而，所述钢材仍然难于焊接或切割。
发明内容
本发明的目的是要通过提供一种耐磨的钢板来克服现有技术的上述缺陷，所述钢板的耐磨性与已知钢板相当，但其更适用于焊接和热切割。
为此，本发明涉及一种制备耐磨的钢制工件特别是板材的方法，所述工件的化学组成以重量计包含：
0.24％≤C≤0.35％；
0％≤Si≤2％；
0％≤Al≤2％；
0.5％≤Si+Al≤2％；
0％≤Mn≤2.5％；
0％≤Ni≤5％；
0％≤Cr≤5％；
0％≤Mo≤1％；
0％≤W≤2％；
0.1％≤Mo+W/2≤1％；
0％≤B≤0.02％；
0％≤Ti≤1.1％；
0％≤Zr≤2.2％；
0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；
0％≤S≤0.15％；
N＜0.03％；
-任选的0％至1.5％的铜；
-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；
-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其含量少于或等于0.1％；
-余量的铁和制备过程中产生的杂质；
所述化学组成还满足如下关系：
C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，和
1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，更优选大于2，其中，如果B＞0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0。
根据所述方法，在例如辊轧热的热成形热量中对所述工件或板材进行热淬火处理，或者在奥氏体化之后通过在炉中再加热来实施淬火处理，所述淬火处理包括：
-以大于0.5℃/s的平均冷却速率冷却所述板材，将温度从高于AC3的温度降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之间，其中温度以℃表示，C*、Mn、Cr、Mo和W的含量以重量％表示；
-随后以小于1150×ep-1.7(以℃/s计)且高于0.1℃/s的平均型芯冷却速率Vr冷却所述板材，将温度从T降至100℃，其中ep为以mm计的板厚；
-然后将所述板材冷却至室温，并任选进行精轧。
在淬火之后任选在低于350℃的温度下进行回火处理，并优选在低于250℃的温度下进行回火处理。
本发明还涉及一种由上述方法制得的板材，所述钢材具马氏体结构或马氏体/贝氏体结构，其中包含5％至20％的残留奥氏体以及碳化物。所述板材的厚度可以在2mm至150mm之间，其表面平整度以偏差(deflection)表示为小于12mm/m，优选小于5mm/m。
下面通过实施例详细描述本发明，但这些并非对本发明的限制。
为了制备本发明的板材，制备以重量％计具有如下化学组成的钢：
-0.24％至0.35％的碳，以形成大量的碳化物，从而获得足够的硬度，并保证足够的焊接适应性；碳含量优选低于0.325％，更优选低于0.3％。
-0％至1.1％的Ti，0％至2.2％的Zr。Ti和Zr的含量需要满足Ti+Zr/2大于0.35％，优选大于0.4％，更优选大于0.5％，以形成大量的粗的碳化物。然而，Ti+Zr/2的总量要低于1.1％，以便在形成碳化物之后，在基质中保留足够量的碳。如果需要优先考虑材料的韧性，则所述总量优选低于1％，更优选低于0.9％，再优选低于0.7％。从而钛含量必须优选保持在低于1％，更优选低于0.9％或者低于0.7％，而锆含量必须优选保持在低于2％，更优选低于0.8％或低于1.4％。
-0％(或痕量)至2％的Si和0％(或痕量)至2％的Al，Si+Al的总量在0.5％至2％之间，优选大于0.7％。这些元素不仅是脱氧剂，还具有促进亚稳定的奥氏体的形成的作用，所述奥氏体含有大量的碳，其在转化成马氏体结构时伴随较大的膨胀，这能够促进钛或锆碳化物的固着。
-0％(或痕量)至2％或2.5％的Mn，0％(或痕量)至4％或5％的Ni，和0％(或痕量)至4％或5％的Cr，以便获得足够的可淬火性(quenchability)并调整各种力学特性或使用性能。镍对于提高韧性特别有利，但是镍较为昂贵。铬也能够在马氏体或贝氏体结构中形成细的碳化物。
-0％(或痕量)至1％的Mo和0％(或痕量)至2％的钨，Mo+W/2的总量在0.1％至1％之间，优选低于0.8％，更优选低于0.6％。这些元素能够提高可淬火性并在马氏体或贝氏体结构中形成细的硬化碳化物，特别是借助在冷却过程中由于自发回火而引起的沉积。Mo的含量无需超过1％即可达到理想的效果，特别是对于硬化碳化物的沉积。可以使用两倍用量的钨来部分或全部代替钼。然而，实际上这种替换是不理想的，因为与钼相比钨没有带来更多的好处而且价格更贵。
-任选的0％至1.5％的铜。铜元素可以在不影响可焊接性的情况下带来附加的硬化效果。铜含量高于1.5％时，效果没有明显的提高，反而导致热轧困难和不必要的成本增加。
-0％至0.02％的B。任选加入硼元素来提高可淬火性。为了达到所需的效果，硼元素的含量优选高于0.0005％，更优选高于0.001％，但基本上无需超过0.01％。
-不超过0.15％的硫。作为残余物，硫元素的含量通常限制在0.005％或更低，但是为了改善可加工性，也可以主动提高硫的含量。应当指出的是，在存在硫的情况下，为了避免在热变形中出现困难，锰的含量必须高于硫含量的7倍。
-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％，以便形成较粗的碳化物，从而改善耐磨性。但是由这些元素形成的碳化物的效果不如由钛或锆形成的碳化物的效果好，因此，任选添加这些元素，并限制它们的用量。
-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其中每种含量均少于0.1％。这些元素用于改善可加工性。应当指出的是，当钢中含有Se和/或Te时，考虑到硫的含量，锰的含量要保证能够形成锰的硒化物或碲化物。
-余量的铁和制备过程中产生的杂质。所述杂质尤其包括氮，氮含量取决于制备方法，但是不超过0.03％。氮元素能够与钛或锆反应形成氮化物，所形成的氮化物一定不能太粗，以免损害韧性。为了防止形成粗的氮化物，可以向钢水中非常缓慢地加入钛和锆，例如可以将氧化相(例如含有钛或锆的氧化物的矿渣)与氧化钢水接触，然后将钢水脱氧，以使钛或锆从氧化相缓慢扩散到钢水中。
另外，为了获得满意的特性，碳、钛、锆和氮元素的含量必须满足： C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，
其中C-Ti/4-Zr/8+7×N/8＝C*，C*表示在沉积钛和锆的碳化物之后的自由碳含量，考虑到钛和锆的氮化物的形成。所述自由碳含量必须高于0.095％，优选C*≥0.12％，以获得硬度最低的马氏体结构。自由碳含量越低，材料的焊接或热切割适应性越好。
考虑到所要生产的板材的厚度，必须对上述化学组成进行进一步的选择，以确保钢材具有足够的可淬火性。为此，所述化学组成还必须满足如下关系：
淬火指数(Tremp)＝1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，优选大于2，其中如果B≥0.001％，则K＝0.5；如果B＜0.001％，则K＝0。
另外，为了获得良好的耐磨性，所述钢材的微观结构主要由马氏体或贝氏体结构或两种结构的混合结构构成，并包含5％至20％的奥氏体结构。所述结构还包含在高温下形成的粗的钛或锆碳化物或者铌、钽或钒碳化物。本发明人发现所述粗的碳化物的过早析出会损害粗碳化物改进耐磨性的效果，而亚稳定的奥氏体的存在则可以防止碳化物的过早析出，由于磨损现象的影响这些奥氏体发生转化。由于亚稳定的奥氏体的转化往往伴随着膨胀，发生在磨损亚层(abradedsub-layer)中的所述转化有利于阻止碳化物的析出，从而改善磨损耐性。
另外，由于所述钢的硬度较高并且其中还存在脆化的钛碳化物，需要尽可能地减少精轧操作。鉴于此，本发明人发现通过充分减慢贝氏体/马氏体转化区间的降温速率，可以减少产物的残余变形，从而可以减少精轧操作。本发明人发现通过以小于1150×ep-1.7(其中ep为以mm计的板厚，冷却速率以℃/s表示)的冷却速率Vr将温度降至低于T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)，(以℃表示)，一方面促进了显著比例的残余奥氏体的生成，另一方面还减少了由相变引起的残余应力。通过降低所述应力，一方面可以减少精轧处理或方便精轧处理的进行，另一方面降低了在随后的焊接和弯曲处理中发生断裂的可能性。
为了制备具有良好的耐磨性的非常平的板材，制备所述钢材并将其浇铸成板材或棒材。将所述板材或棒材热轧以制备板材，然后对该板材进行热处理，以便不经过进一步的精轧或通过有限的精轧来获得希望的结构和良好的表面平整度。所述热处理可以直接在辊轧热中进行也可以随后进行，任选在冷精轧或中温精轧之后。
为了进行所述热处理操作：
-在将所述钢材加热至高于AC3点后或者直接在热轧之后，以高于0.5℃/s的平均冷却速率，即高于贝氏体的临界转化速率，将所述板材冷却至等于或略低于温度T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)，(以℃表示)，以防止铁素体或珠光体(ferritic orperlitic constituents)成分的形成；此处略低于温度T的温度指的是T至T-50℃之间的温度，优选T至T-25℃之间的温度，更优选T至T-10℃之间的温度；
-随后，以小于1150×ep-1.7且高于0.1℃/s(以获得足够的硬度)的平均型芯冷却速率Vr冷却所述板材，将温度从上述温度降至约100℃，以获得所需的结构；
-然后将所述板材冷却至室温，优选低的冷却速率但并非必须。
另外，可以在低于或等于350℃的温度下，优选在低于或等于250℃的温度下，进行应力释放处理。
以这种方式可以制得一种板材，其厚度可以在2mm至150mm之间，并且在不经精轧或仅经过适度精轧的情况下其具有优异的表面平整度，所述表面平整度以偏差表示为小于12mm/m。所述板材的硬度在280HB至450HB之间。该硬度基本上取决于自由碳的含量C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8。
举例来说，制备根据本发明的钢板A和C以及现有技术钢板D和E。钢板的化学组成(以10-3重量％表示)、硬度和耐磨性指数Rus列于表1中。
在装有分级石英粒料的容器中旋转棱柱状试样持续5小时，根据该试样的重量损失来确定钢材的耐磨性。
钢材的耐磨性指数Rus等于所测钢材的耐磨性与参照钢材(钢材D)耐磨性的比值的100倍。如果测得钢材的耐磨性指数Rus等于110，则该钢材的耐磨性比参照钢材的耐磨性高10％。
所有钢板的厚度均为27mm，并在900℃下进行奥氏体化后对它们进行淬火。
在奥氏体化之后：
-对于钢板A和C，根据本发明方法，以7℃/s的平均冷却速率将温度降至上述温度T之上，然后以1.6℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下；
-对于钢板B，根据本发明方法，以0.8℃/s的平均冷却速率将温度降至上述温度T之上，然后以0.15℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下；
-对于作为对照的钢板D和E，以24℃/s的平均冷却速率将温度降至上述温度T之上，然后以12℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下。
表1
| C | Si | Al | Mn | Ni | Cr | Mo | W | Ti | B | N | C* | HB | Rus | |
| A | 245 | 820 | 40 | 1620 | 220 | 150 | 280 | - | 405 | 3 | 6 | 149 | 380 | 121 |
| B | 275 | 650 | 50 | 1210 | 210 | 1100 | 250 | - | 600 | 2 | 5 | 129 | 305 | 111 |
| C | 245 | 480 | 30 | 1340 | 300 | 710 | 100 | 200 | 360 | 2 | 5 | 159 | 385 | 114 |
| D | 290 | 810 | 60 | 1290 | 495 | 726 | 330 | - | - | 2 | 6 | 290 | 520 | 100 |
| E | 295 | 260 | 300 | 1330 | 300 | 710 | 340 | - | 100 | 2 | 5 | 274 | 525 | 103 |
本发明板材具有自发回火的马氏体/贝氏体结构，其中含有约5％至20％的残留奥氏体以及粗的钛碳化物，而对照板材则具有完全的马氏体结构。
对耐磨性和硬度的比较表明，尽管与对照板材相比，本发明板材的硬度低了很多，但是本发明板材具有稍好的耐磨性。对自由碳含量的比较表明，本发明板材含有少得多的自由碳，但其耐磨性却很好，与现有技术板材相比，本发明板材由于含有较少的自由碳，因此在焊接和热切割适用性方面得到了显著改善。而且，未经精轧的本发明钢板A至C的冷却后变形约为5mm/m，而对于对照钢板D和E所述冷却后变形为16mm/m。这些结果表明本发明制得的产品具有较低的变形。
根据对产品表面平整度的不同要求，由本发明带来的好处分别是：
-可以直接提供产品而无需经过精轧，从而降低了成本，减少了残余应力；
-或者为了满足更严格的表面平整度要求(例如5mm/m)而进行精轧，但所述精轧较为容易并需要使用较小的压力，因为本发明产品本身的变形是较小的。
Claims (16)
1、一种制备耐磨的钢制工件的方法，所述工件或板材的化学组成以重量计包含：
0.24％≤C≤0.35％；
0％≤Si≤2％；
0％≤Al≤2％；
0.5％≤Si+Al≤2％；
0％≤Mn≤2.5％；
0％≤Ni≤5％；
0％≤Cr≤5％；
0％≤Mo≤1％；
0％≤W≤2％；
0.1％≤Mo+W/2≤1％；
0％≤B≤0.02％；
0％≤Ti≤1.1％；
0％≤Zr≤2.2％；
0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；
0％≤S≤0.15％；
N＜0.03％；
-任选的0％至1.5％的铜；
-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；
-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其含量少于或等于0.1％；
-余量的铁和制备过程中产生的杂质；
所述化学组成还满足如下关系：
C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，和
1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0；
其中，在热成形热量中对所述工件进行热淬火处理，或者在奥氏体化之后通过在炉中再加热来实施淬火处理，所述淬火处理包括：
-以大于0.5℃/s的平均冷却速率冷却所述工件，将温度从高于AC3的温度降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之间；
-随后以小于1150×ep-1.7且高于0.1℃/s的平均型芯冷却速率Vr冷却所述工件，将温度从T降至100℃，其中ep为以mm计的板厚；
-然后将所述工件冷却至室温，并任选进行精轧。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：
1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞2。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
Ti+Zr/2≥0.4％。
4、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：C*≥0.12％。
5、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
Si+Al≥0.7％。
6、根据权利要求1或2的方法，其特征在于再在低于或等于350℃的温度下进行回火处理。
7、根据权利要求1或2的方法，其特征在于为了向钢材中加入钛，将钢水与含钛矿渣接触，以使矿渣中的钛缓慢扩散到钢水中。
8、根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述钢制工件是板材。
9、根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述热成形热量是辊轧热。
10、一种耐磨的钢制工件，所述工件的化学组成以重量计包含：
0.24％≤C≤0.35％；
0％≤Si≤2％；
0％≤Al≤2％；
0.5％≤Si+Al≤2％；
0％≤Mn≤2.5％；
0％≤Ni≤5％；
0％≤Cr≤5％；
0％≤Mo≤1％；
0％≤W≤2％；
0.1％≤Mo+W/2≤1％；
0％≤B≤0.02％；
0％≤Ti≤1.1％；
0％≤Zr≤2.2％；
0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；
0％≤S≤0.15％；
N＜0.03％；
-任选的0％至1.5％的铜；
-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；
-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其含量少于或等于0.1％；
-余量的铁和制备过程中产生的杂质；
所述化学组成还满足如下关系：
C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，和
1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0；
所述钢制工件具有马氏体结构或马氏体/贝氏体结构，所述结构中还包含5％至20％的残留奥氏体和碳化物。
11、根据权利要求10的工件，其特征在于：
1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞2。
12、根据权利要求10或11的工件，其特征在于：Ti+Zr/2≥0.4％。
13、根据权利要求10或11的工件，其特征在于：
C*≥0.12％。
14、根据权利要求10或11的工件，其特征在于：
Si+Al≥0.7％。
15、根据权利要求10或11的工件，其特征在于其是厚度为2mm至150mm的板材。
16、根据权利要求10或11的工件，其中所述的工件是板材。
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