CN100348739C - 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：0.1%≤C≤0.23%；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%；0.05%≤Mo+W/2≤1%；0%≤B≤0.02%；0%≤Ti≤0.67%；0%≤Zr≤1.34%；0.05%≤Ti+Zr/2≤0.67%；0%≤S≤0.15%；N≤0.030%；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%；任选的含量小于等于0.1%的Se、Te、Ca、Bi或Pb；余量的铁和杂质。另外，所述组成满足：0.095%≤C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8，Ti+Zr/2-7×N/2≤0.05%，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＝1；如果B＜0.0005%，则K＝0。在奥氏体化之后，所述方法包括以大于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且高于0.1℃/s的冷却速率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400Brinell量级的硬度，其中含有约0.15％的碳以及不到百分之几的锰、镍、铬和钼，以便获得足够的可淬火性。将这些钢材淬火以便它们能具备完全的马氏体结构。由此制得的钢材的优点在于它们在焊接、切割或弯曲处理中的使用较为简便。然而，它们的缺点在于耐磨性有限。当然，已知可以通过增加碳含量来提高钢材的硬度，从而提高其耐磨性。然而，这种处理方法会损害所得钢材的适用性。
发明内容
本发明的目的是要通过提供一种耐磨钢板来克服现有技术的上述缺陷，与硬度为400Brinell的已知钢材相比，在保持其它特性不变的情况下，本发明钢板具有更好的耐磨性和与已知钢材相当的适用性。
为此，本发明涉及一种制备耐磨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：
0.1％≤C≤0.23％；
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％；
0.05％≤Mo+W/2≤1％；
0％≤Cu≤1.5％；
0％≤B≤0.02％；
0％≤Ti≤0.67％；
0％≤Zr≤1.34％；
0.05％≤Ti+Zr/2≤0.67％；
0％≤S≤0.15％；
N＜0.03％；
-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
Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％，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＝1；如果B＜0.0005％，则K＝0。
所述钢材由马氏体结构或包含马氏体和自发回火贝氏体结构的混合结构构成，所述结构中还包含碳化物和5％至20％的奥氏体。
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；
-然后将所述工件或板材冷却至室温，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，所述板材的表面平整度以偏差(deflection)表示为小于或等于12mm/m，优选小于5mm/m，所述钢材包含5％至20％的残留奥氏体，余量为马氏体结构或马氏体/贝氏体结构以及碳化物。所述板材的厚度可以在2mm至150mm之间。
钢材硬度优选在280HB至450HB之间。
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：
-高于0.1％的碳，以便具有足够的硬度并允许碳化物的形成，但碳含量应低于0.23％，优选低于0.22％，以获得良好的焊接和切割适应性。
-0％至0.67％的Ti，0％至1.34％的Zr，Ti和Zr的含量需要满足Ti+Zr/2大于0.05％，优选大于0.1％，更优选大于0.2％，以使钢材中包含粗的钛或锆碳化物，这些碳化物能够增加耐磨性。然而，Ti+Zr/2要低于0.67％，因为高出该水平将导致钢材中自由碳含量太低，从而无法保证足够的硬度。如果需要优先考虑材料的韧性，则优选Ti+Zr/2的总量低于0.50％，更优选低于0.4％或0.3％。
-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％，更优选大于0.8％。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，这些碳化物有利于提高耐磨性。
-0％(或痕量)至1％的Mo和0％(或痕量)至2％的钨，Mo+W/2的总量在0.05％至1％之间，优选低于0.8％，更优选低于0.5％。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％，通常保持在低于0.025％。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*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，优选C*≥0.12％，以便具有较高的硬度和更好的耐磨性。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％，以获得具有足够硬度的马氏体结构或马氏体/贝氏体结构。
考虑到钛和锆的氮化物的形成，为了保证钛或锆的碳化物的足够含量，Ti、Zr和N的含量需要满足：Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％。
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≥0.0005％，则K＝1；如果B＜0.0005％，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。根据下文所述的制备方法，还要对所述结构进行回火处理，这会使得其中包含钼或钨的碳化物和任选的铬碳化物。
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被转化成新的马氏体。由于亚稳定的奥氏体向新的马氏体的转化往往伴随着膨胀，发生在磨损亚层(abraded sub-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)减少了由相变引起的残余应力。通过减慢贝氏体/马氏体转化区间的降温速率，还可以产生自发回火效果，从而形成钼、钨或铬的碳化物，提高了这些粗碳化物所在的基质的耐磨性。
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。
在各种情况下，为了进行所述热处理操作：
-将所述钢材加热至高于AC3点，以便将其转化成彻底的奥氏体结构，但其中含有钛或锆的碳化物；
-然后，将其以高于贝氏体的临界转化速率的平均芯核冷却速率，冷却至大约处于T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之间的温度，以防止铁素体-珠光体(ferritic-perliticconstituents)成分的形成；为此，通常只需将冷却速率保持在0.5℃/s以上；
-随后，以小于1150×ep-1.7且高于0.1℃/s的平均芯核冷却速率Vr冷却所述板材，将温度从上述温度(即约T至T-50℃之间)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。
平均冷却速率指的是将初始温度与最终冷却温度的差值除以所用的冷却时间。
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3mm/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。自由碳含量C*越高，硬度约高。随着自由碳含量的降低，适用性提高。对于相同的自由碳含量，耐磨性随着钛含量的增加而增加。
举例来说，考察30mm厚的根据本发明的钢板A至D、现有技术钢板E和F以及作为对照的钢板G和H。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。
表1
| C | Si | Al | Mn | Ni | Cr | Mo | W | Ti | B | N | HB | Rus | |
| A | 180 | 550 | 30 | 1750 | 200 | 1700 | 150 | - | 150 | 2 | 6 | 360 | 1.51 |
| B | 140 | 210 | 610 | 1450 | 650 | 1720 | 230 | 120 | 160 | 3 | 7 | 345 | 1.42 |
| C | 220 | 830 | 25 | 1250 | 220 | 1350 | 275 | 350 | 2 | 5 | 360 | 2.03 | |
| D | 158 | 780 | 35 | 1250 | 250 | 1340 | 260 | 110 | 3 | 5 | 363 | 1.3 | |
| E | 175 | 360 | 25 | 1720 | 200 | 1200 | 250 | - | 20 | 3 | 5 | 420 | 1.08 |
| F | 150 | 320 | 30 | 1730 | 250 | 1260 | 310 | - | - | 2 | 6 | 380 | 1 |
| G | 210 | 340 | 25 | 1230 | 260 | 1350 | 280 | 350 | 2 | 5 | 360 | 1.11 | |
| H | 150 | 320 | 25 | 1255 | 250 | 1360 | 260 | 105 | 3 | 6 | 366 | 0.81 |
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。
以各钢材的耐磨性与钢材F的耐磨性的比值作为耐磨性指数Rus。
在900℃下对板材A至H进行奥氏体化。
在奥氏体化之后：
-根据本发明方法，将由钢A制成的板材的温度以0.7℃/s的平均冷却速率降至上述温度T之上(大约460℃)，然后以0.13℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下；
-根据本发明方法，将由钢B、C和D制成的板材的温度以6℃/s的平均冷却速率降至上述温度T之上(大约470℃)，然后以1.4℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下；
-将作为对照的由钢E、F、G和H制成的板材的温度以20℃/s的平均冷却速率降至上述温度T之上，然后以12℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下。
板材A至D具有自发回火的马氏体/贝氏体结构，其中含有约10％的残留奥氏体以及钛碳化物，而板材E至G则具有完全的马氏体结构，其中板材G和H也含有粗的钛碳化物。
由此可见，尽管板材A至D的硬度低于板材E至F的硬度，但它们具有明显较高的耐磨性。低硬度往往相应于低的自由碳含量，这使所得钢材具有更好的适用性。
对实施例C、D、F、G和H的比较表明，耐磨性的增加不仅归功于钛的添加，而且归功于添加钛和包含残留奥氏体的结构的结合。已经发现结构中不含残留奥氏体的钢材F、G和H具有相当的耐磨性，而含有残留奥氏体的钢材C和D则具有大大改善的耐磨性。
另外，通过分别比较钢G和H以及钢C和D可见，残留奥氏体的存在大大提高了钛的效力。在实施例C和D中，当钛含量从0.110％增至0.350％时，耐磨性增加了56％，而对于钢材G和H，耐磨性的增加仅为37％。
上述现象可以归因于当基质中含有残留奥氏体时周围基质对钛碳化物的挤紧作用(squeezing effect)，这些残留奥氏体可以转化成硬的马氏体结构，所述转化过程伴随着膨胀。
另外，未经精轧的钢板A或B的冷却后变形为6mm/m，而对于钢板E和F所述冷却后变形为17mm/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、一种制备耐磨钢制工件的方法，所述工件的化学组成以重量计包含：
0.1％≤C≤0.23％；
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％；
0.05％≤Mo+W/2≤1％；
0％≤B≤0.02％；
0％≤Ti≤0.67％；
0％≤Zr≤1.34％；
0.05％≤Ti+Zr/2≤0.67％；
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
Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％，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＝1；如果B＜0.0005％，则K＝0；
其中，在热成形热量中对所述钢制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的平均芯核冷却速率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：C≤0.22％，并且C*≥0.12％。
4、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
Ti+Zr/2≥0.10％。
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，其特征在于所述的钢制工件是板材。
9、根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述的热成形热量是辊轧热。
10、一种耐磨钢制工件，所述工件的化学组成以重量计包含：
0.1％≤C≤0.23％；
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％；
0.05％≤Mo+W/2≤1％；
0％≤B≤0.02％；
0％≤Ti≤0.67％；
0％≤Zr≤1.34％；
0.05％≤Ti+Zr/2≤0.67％；
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
Ti+Zr/2-7×N/2＞0.05％，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＝1；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，所述结构中还包含碳化物和5％至20％的残留奥氏体。
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：C≤0.22％，并且C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.12％。
13、根据权利要求10或11的工件，其特征在于：
Ti+Zr/2≥0.10％。
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，其特征在于所述的工件是板材。
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