CN101613831A - 非调质高硬度热轧钢及其制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非调质高硬度热轧钢及其制造方法和应用。本发明的热轧钢由以下化学成分组成(重量百分比)：C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.5～2.0％、P：＜0.015％、S：＜0.010％、Al：＜0.05％、Cr：0.6～1.2％、Mo：0.20～0.50％、V：0.08～0.20％，其余为铁和不可避免的夹杂。本发明通过合金成分设计和控制轧制，钢板无需经过热处理，在轧制状态即可获得较高强度和硬度，抗拉强度超过1000MPa，硬度超过30HRC，可满足锯片基体钢的使用要求。

Description

非调质高硬度热轧钢及其制造方法和应用

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，涉及高强度、高硬度热轧钢，更具体地涉及一种非调质高硬度热轧钢及其制造方法和应用。

背景技术

传统轧态钢板的硬度通常比较低，为达到较高的硬度水平，需要采用淬火和回火等热处理工序来调整硬度(调质处理)，以提高热轧钢的最终硬度。若要满足锯片基体钢的要求，则硬度至少应达到30HRC以上，通常需要进行淬火和回火等热处理工序。通过热处理还可以调整热轧钢的微观组织，改善其性能。热处理型的热轧钢一般是中高碳钢，并加一定量的Mn、Cr、V等合金，以保证其淬透性和最终的硬度。

当前国内外关于高硬度热轧钢的制造方法已形成多项专利，但是非调质钢的产品大多集中在棒材或锻件，在锯片行业应用较为少见。

经检索，发明人发现以下相关的专利文献。

中国专利文献CN99107945.0(金刚石锯片基体钢及其制造方法)公开了一种热处理型锯片钢，该金刚石锯片基体钢需要先退火，再淬火加回火处理，退火温度为600～800℃，淬火温度为820～920℃，回火温度为350～500℃。钢的化学成分(wt％)为：C：0.2～0.3％，Cr：1.0～1.5％，Mo：0.2～0.5％，Mn：0.65～1.3％，Si：0.15～0.30％。

中国专利文献CN02116753.2(金刚石锯片基体钢)公开了一种中碳热处理锯片钢，由热轧板冲压成锯片基体毛坯，再经淬火、回火热处理后成为金刚石锯片基体。钢的化学成份(wt％)为：C：0.35～0.65％，Si：0.10～0.35％，Mn：1.2～2.0％，V：0.06～0.20％，Al：0.02～0.06％，余量为Fe。

中国专利文献CN02147865.1(一种高强度合金工具钢)公开了一种用于切削刀具的高合金工具钢，其化学成分为：C：0.4～0.6％，Cr：3.5～6％，Mo：0.5～2.5％，Si：0.4～2.5％，V：0.4～2.0％，Mn：0.1～1.0％，余量为Fe。合金钢经1100～1200℃高温淬火及500～580℃的三次回火处理，其最高硬度可达HRC58-62，具有高的热硬性和高温耐磨性，还具有足够的韧性和机械强度，可用于切削刀具、破岩刀具以及模具制造。

中国专利文献CN02808427.6(具有提高韧性的工具钢、采用该钢制造的部件的制备方法以及所获得的部件)公开了一种高碳合金钢，其中碳含量高达0.8～1.5％，铬含量超过5％，并添加Ni、Mo、V、W等合金元素，合金加入量高。

美国专利文献US4140524(Low alloy band saw steel and method of making thesame低合金带锯钢及其制造方法)公开了一种高碳抗回火锯片钢，其化学成分为：C：0.9～1.4％，Si：0.8～2.0％，V：0.5～1.5％，W：1～3％，另外可以加入W含量二倍的合金Mo。锯片需要奥氏体化后等温淬火至少形成部分贝氏体，回火产生点状碳化物，硬度60HRC以上，并在600°F保持硬度不下降。

美国专利文献US5863358(Steel alloy saw blade backing strip合金锯片带钢)公开了一种冷轧带钢，其主要合金元素为：C：0.5～1.0％，Si：1～2％，Mn：≤0.2％，S：≤0.001％，Cr：0.1～0.5％。冷轧带钢经过淬火和回火处理可用于带锯、圆锯基体，在780～1000℃淬火和200～550℃回火，锯片基体为回火马氏体及少量未溶碳化物。

日本专利文献JP04371524A(PRODUCTION OF HIGH-STRENGTH STEEL PLATE FOR BASEMETAL OF SAW BLADE锯片基体金属用高强度钢板生产)公开了一种用于锯片基体的高强度钢板，该钢板制造锯片具有优良的尺寸精度并能避免淬火裂纹产生，其化学成分C：0.15～0.40％，Si：0.10～0.70％，Mn：1.00～2.70％，Cr：0.50～2.50％，Al：0.01～0.05％，根据需要允许加入少量Mo、Ni、V、Nb、Ti、B等合金元素。钢板需要经过热处理，具体工艺是850～1050℃保温0.5～30min后淬火，在50～350℃回火1～30min。

日本专利文献JP2003286541A(STEEL AS MATERIAL FOR BAND SAW BLADE BODYSHOWING EXCELLENT PRODUCIBILITY AND FATIGUE CHARACTERISTICS AND STEEL PLATE有优越制造性和疲劳特性的带锯齿体钢板)公开了一种带锯齿体用钢板，使金属刀锯齿体具有优良的制造性和弯曲疲劳特性。该钢的化学成分为C：0.25～0.45％，Si：0.05～2.0％，Mn：0.1～1.0％，Cr：1.0～2.5％，Mo：1.0～2.5％，并添加微量V、Nb、Ti，可选择加入少量Ni和微量B。

日本专利文献JP080 13030A(PRODUCTION OF STEEL PLATE FOR METAL SAW BASEPLATE金属锯片基体钢板的生产)公开了一种高强高韧特殊钢，该钢用作锯片基体，在基体上焊接高速钢锯齿成为锯片。其材质为酸洗热轧带钢，生产工艺是板坯在1200～1350℃加热，在800～900℃终轧，在400～600℃卷取，粗轧、精轧累计总压下量达98％，带钢最终是贝氏体单相组织。其化学成分为C：0.30～0.60％，Si：≤0.40％，Mn：≤0.60％，Cr：1.0～3.0％，Mo：0.4～1.0％，V：0.2～0.4％，并控制钢中P、S含量在较低水平。

日本专利文献JP08225886A(STEEL SHEET FOR METAL SLITTING SAW SUBSTRATEEXCELLENT IN WELDABILITY AND ITS PRODUCTION焊接性能优异的金属锯片钢板及其制造方法)公开了一种高强高韧的金属锯片钢板，具有良好的焊接性能。其化学成分是C：0.20～0.29％，Si：0.05～0.40％，Mn：0.10～0.50％，Cr：1.0～3.0％，Mo：0.4～1.0％，V：0.2～0.4％，并控制钢中P、S含量在较低水平，此外，可单独或同时加入0.01～0.20％Nb和0.01～0.10％Ti。

欧洲专利文献EP0530175(Steel for wood saw blades木工锯片钢)公开了一种木工锯片用钢，是在高碳钢的成分基础上加入碳化物形成元素，如Cr、Mo、V等，使其热处理后锯齿具有良好的韧性。其主要元素含量为1％左右的C、5％左右的Cr、1％左右的Mo和0.15％V。

中国专利文献CN91108787.7(低碳高强度高韧性非调质钢)提供一种低碳高强度高韧性非调质钢，属于硅锰合金钢领域，该钢以经济的元素Si、Mn为主要合金元素，添加少量V，靠C、Si、Mn的恰当配比，加少量细化晶粒的V提高韧性，经锻、轧空冷并回火，获得铁素体+贝氏体双相组织。使用时不需调质处理，冶炼容易，避免了使用时因热处理而产生的缺陷。其化学成分为：C：0.14～0.26％，Si：0.55～0.95％，Mn：1.80～2.45％，V：0.05～0.15％。

中国专利文献CN97191882.1(切削性优良的高强度高韧性非调质钢)公开了一种在加工后不进行特别的处理，能原样不动地供加工使用的高强度、高韧性、而且切削性优良的非调质钢。其成分组成是C：≤0.05％，Si：0.005～2.0％，Mn：0.5～5.0％，Ni：0.1～10.0％，Cu：1.0～4.0％，Al：0.0002～1.0％，且控制钢中的S和N元素，得到高强度、高韧性且切削性能优良的非调质钢。

中国专利文献CN03150092.7(中低碳锰系空冷贝氏体钢)公开了一种贝氏体钢，以碳、锰、硅作为主要合金元素，空冷得到非典型贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织，其成分重量百分比为：C：0.15～0.34％；Mn：1.80～3.00％；Si：0.20～2.50％；Cr：0～2.00％；余为Fe。该钢具有高的贝氏体空冷淬透性，热加工后空冷可获得典型或非典型贝氏体/马氏体复相组织，具有优良的强韧性配合，可免除淬火处理，简化了工艺，适于制造高强度标准件和各种非调质钢零件及各种耐磨铸钢件。

日本专利文献JP10317105A(HIGH STRENGTH STEEL，STEAM TURBINE LONG BLADEAND STEAM TURBINE汽轮叶片高强钢)公开了一种高铬马氏体钢，用于制造叶片，其化学成分为：C：0.10～0.24％，Si：≤0.25％，Mn：≤0.90％，Cr：8.0～13.0％，Ni：2.0～4.0％，Mo：1.5～3.0％，为改善强韧性可加入一种或数种V、Nb、Ta等元素。热处理工艺为1000～1100℃淬火，在550～570℃第一次回火，再经560～590℃第二次回火。热处理后强度超过1200MPa，冲击韧性大于69J/cm²。

美国专利文献US5772957(High strength steel composition having enhancedlow temperature toughness具有改善低温韧性的高强度工具钢)公开了一种能提高低温韧性而又不损害其他力学性能的钢种，可用来制作锯链等。其化学成分为C：0.5～1.0％，Si：0.10～0.35％，Mn：0.3～0.5％，Mo：0.08～0.20％，Ni：0.2～0.4％，Cr：0.2～0.4％。钢种需要热处理使用，工艺为1500～1750°F奥氏体化保温至少5min，再浸入475～650°F的盐浴中等温淬火保温至少10min。

以下从冶金生产的合金设计和工艺控制两方面对上述专利进行详细比较，见表1、表2。

由以上对比可以看出，现有技术中存在以下问题：

1、现有用作锯片的高硬度钢化学成分多为中高碳设计，通常碳含量在0.30％以上，部分产品的碳含量高达1.0％以上，如专利文献CN02808427.6、US4140524、JP08013030A。

2、在生产工艺方面，传统的高硬度锯片用钢一般需要经过淬火、回火等热处理工序，如专利文献CN02147865.1，需要在1100～1200℃淬火，在500～580℃回火3次；专利文献US5863358在780～1000℃淬火并在200～550℃回火处理可用作锯片基体。通过淬火、回火的热处理方式生产高硬度锯片用钢的特点是制造工艺复杂、工序长、成本高，且淬火采用盐浴加热，淬火油冷却，对环境不利。

3、现有非调质钢中的合金含量比较高，如专利文献CN91108787.7、CN03150092.7，Mn含量超过1.80％，还加入V、Cr等合金元素，使钢种具有优良的淬透性，达到空冷获得贝氏体或马氏体组织；专利文献CN97191882.1、JP10317105A则属于高合金钢，含大量Cr、Ni等合金，虽然免除了热处理工序，但合金成本上升。且非调质钢用于制造锯片的专利尚不多见。

因此，本发明的目的在于通过合金成分优化设计和钢板生产工艺调整，提供一种非调质高硬度热轧钢及其制造方法和应用。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种非调质高硬度热轧钢，以重量百分比计，其化学成分包含：C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.5～2.0％、P：＜0.015％、S：＜0.010％、Al：＜0.05％、Cr：0.6～1.2％、Mo：0.20～0.50％、V：0.08～0.20％，其余为铁和不可避免的夹杂。

所述热轧钢还可含有Nb：＜0.030％、Ti：＜0.030％。

下面，对本发明钢中的化学成分及其作用作详细叙述。

碳：碳是钢中的主要强化元素，起到延迟变形奥氏体转变的作用，是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等强化相所必不可少的元素。若碳含量过低，则钢中没有足够的碳化物和固溶碳，在奥氏体转变过程中容易析出铁素体组织，钢板的强度和硬度不足，达不到硬度设计要求；若碳含量过高，则钢的塑性和韧性剧烈降低，加工成形困难。因此，基于钢的强韧性匹配考虑，碳的控制范围优选0.20％～0.35％。

硅：硅在钢中起固溶强化作用，但硅含量过高会影响板坯表面质量，给热轧加热带来麻烦，并影响产品的韧性，使其变脆，给成形带来难度。因此，硅含量优选0.20％～0.50％。

锰：锰是稳定奥氏体的元素，可降低奥氏体的相变温度，促进碳在奥氏体中的溶解，钢中起固溶强化作用，能提高钢板的强度和硬度。由于锰延迟了铁素体、珠光体的形成，从而扩大了冷却形成贝氏体组织的冷却速率的范围，易于获得贝氏体强化组织。但是过高的锰易于偏析，恶化钢的性能。因此，锰含量优选1.5％～2.0％。

硫和磷：硫和磷在钢中属于杂质元素，应尽可能降低含量。硫在钢中会与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，对钢的横向塑性和韧性尤其不利，因此硫含量优选＜0.010％；磷也是钢中的有害元素，会严重损害钢板的塑性和韧性，因此磷含量优选＜0.015％。

铬和钼：铬在钢中主要起到延迟奥氏体转变孕育时间的作用，使铁素体、珠光体的转变后移，得以在较大的冷速范围均发生贝氏体转变。钼是所有其他合金元素中对淬透性影响最大的元素，可显著推迟珠光体的转变。因此，铬含量优选0.6～1.20％，钼含量优选0.20～0.50％，即使以较慢的冷速(0.5℃/s)冷却也能获得贝氏体组织，达到所需要的硬度。

钒：钒被广泛用作高强度低合金钢的强化剂。含钒钢通过沉淀析出和细化晶粒产生强化，钢中钒的碳氮化物析出相能显著提高强度，热机械轧制可增强钒的强化效果。钢中只添加少量钒即有显著的强化效果。因此，钒含量优选0.08～0.20％。

铝：铝是钢中主要的脱氧元素，有利于细化晶粒，一般的钢中均含有一定量的铝。本发明中铝主要用来脱氧和细化晶粒，铝含量优选＜0.050％。

铌和钛：Nb、Ti属于微合金元素，与碳有强烈的亲和力，可形成碳化物，起到细化晶粒和析出强化的作用，视需要可微量添加，其含量优选≤0.020％。

本发明的第二个方面提供所述非调质高硬度热轧钢的制造方法，该方法在热轧过程中，包括以下步骤：

(1)第一阶段将钢坯加热至1180～1250℃，采用多道次轧制，奥氏体累计变形量大于80％；

(2)第二阶段采用多道次连续轧制，奥氏体累计变形量大于80％，终轧温度为800～900℃；

(3)以平均冷速大于0.5℃/s的速度加速冷却，终冷温度为500～600℃；

(4)卷取并冷却。

所述步骤(1)后，所得中间坯可待温，待温采用空冷或喷水冷却的方式冷却。

所述制造方法在热轧后无需热处理。

将钢坯加热到1180～1250℃，可使奥氏体组织均匀化，使钢中铬、钼、钒的碳化物充分溶解，同时控制加热温度下限，是为了考虑轧制时板坯的温降，保证在规定温度内完成轧制。

第一阶段轧制在奥氏体可再结晶的温度范围内，采用多道次轧制钢坯，奥氏体累计变形量大于80％，轧制温度高于1000℃，通过奥氏体反复再结晶细化奥氏体晶粒。第一阶段轧制即奥氏体再结晶轧制完成后，中间坯可待温或直接进行精轧，待温可采用空冷或喷水冷却的方式冷却。第二阶段轧制在奥氏体未再结晶温度范围内，采用多道次连续轧制，奥氏体累计变形量大于80％，温度低于1000℃，形成拉长的奥氏体晶粒，在拉长的奥氏体晶内存在大量的形变带。奥氏体未再结晶轧制控制终轧温度，要求终轧温度高于Ar3转变点，终轧温度为800～900℃。带钢终轧后用水幕加速冷却，平均冷速要求大于0.5℃/s，终冷温度为500～600℃，随后带钢立即卷取，再缓慢冷至室温。变形奥氏体经加速冷却可避开铁素体、珠光体转变区域，终冷至500～600℃卷取，在此温度区间卷取发生贝氏体转变，形成粒状贝氏体组织，依靠相变强化使抗拉强度超过1000MPa，硬度大于30HRC。

本发明的第三个方面提供所述非调质高硬度热轧钢在锯片基体钢上的应用。

本发明的有益效果为：

1、本发明钢为中低碳钢，且合金含量较低，生产成本降低。

2、本发明所述成分设计易于实施，通过合金化处理不仅有效起到强化作用，推迟奥氏体转变孕育时间，便于热轧操作，对轧后冷却速度要求不高，在比较宽松的冷速范围均可实现贝氏体转变，使不同厚度的带钢均容易获得所需强度和硬度。

3、本发明为非调质钢，在轧态具有较高的硬度，可直接用于制作锯片基体，与热处理型锯片钢相比，省去了再加热淬火、回火工序，实现了缩短工序流程，降低生产成本的目的。经过上述成分和生产工艺后，3.0～6.0mm厚度热轧带钢轧态强度超过1000MPa，硬度超过30HRC，满足锯片基体钢的性能要求。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

本发明实施例的化学成分如表3所示。

表3实施例的化学成分，wt％

	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Mo	V	Nb	Ti
												实施例1	0.25	0.28	1.67	0.007	0.004	0.004	0.66	0.25	0.12	0.011	0.010
实施例2	0.20	0.49	1.52	0.010	0.003	0.003	0.63	0.30	0.09	/	0.018
												实施例3	0.24	0.31	1.60	0.009	0.004	0.010	0.60	0.28	0.20	/	/
实施例4	0.29	0.34	1.88	0.013	0.005	0.031	0.83	0.29	0.13	/	0.012
												实施例5	0.31	0.32	1.86	0.010	0.005	0.040	0.99	0.20	0.08	/	/
实施例6	0.30	0.42	1.93	0.012	0.005	0.025	0.92	0.30	0.13	/	/
												实施例7	0.24	0.30	2.00	0.008	0.006	0.050	0.90	0.49	0.15	/	0.014
实施例8	0.35	0.22	1.60	0.008	0.008	0.032	1.20	0.39	0.15	/	0.015

上述实施例的热轧工艺参数及性能如表4所示。实施例带钢轧态抗拉强度均超过1000MPa，硬度大于30HRC，具有较高的强度和硬度。

表4实施例的热轧工艺参数和性能

	成品厚度mm	加热温度℃	终轧温度℃	卷取温度℃	抗拉强度MPa	硬度HRC
							实施例1	3.0	1200	850	580	1070	34
实施例2	3.0	1200	900	500	1083	35
							实施例3	3.0	1200	800	540	1103	32
实施例4	6.0	1250	800	600	1137	38
							实施例5	6.0	1250	880	550	1157	38
实施例6	6.0	1250	900	550	1223	37
							实施例7	4.0	1180	880	520	1255	40
实施例8	4.0	1180	880	580	1240	39

本发明是利用热连轧机组生产非调质锯片基体钢，通过合金成分设计和控制轧制，钢板无需经过热处理，在轧制状态就可获得较高强度和硬度，抗拉强度超过1000MPa，硬度超过30HRC，满足锯片基体钢的使用要求。

Claims (5)

1、一种热轧钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学成分包含：C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.5～2.0％、P：＜0.015％、S：＜0.010％、Al：＜0.05％、Cr：0.6～1.2％、Mo：0.20～0.50％、V：0.08～0.20％，其余为铁和不可避免的夹杂。

2、如权利要求1所述的热轧钢，其特征在于，以重量百分比计，还含有Nb：＜0.030％、Ti：＜0.030％。

3、权利要求1所述热轧钢的制造方法，其特征在于，在热轧过程中，包括以下步骤：

(1)第一阶段将钢坯加热至1180～1250℃，采用多道次轧制，奥氏体累计变形量大于80％；

(2)第二阶段采用多道次连续轧制，奥氏体累计变形量大于80％，终轧温度为800～900℃；

(3)以平均冷速大于0.5℃/s的速度加速冷却，终冷温度为500～600℃；

(4)卷取并冷却。

4、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)后，所得中间坯待温，待温采用空冷或喷水冷却的方式冷却。

5、权利要求1所述热轧钢在锯片基体钢上的应用。