CN101649414A - 一种低合金易焊接耐磨钢、钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低合金易焊接耐磨钢、钢板及其制造方法，以质量百分比计，所述钢和钢板的化学成分包含：C：0.07～0.25％、Si：0.4～1.4％、Mn：1.0～2.8％、P：＜0.012％、S：＜0.003％、B：0.0010～0.0025％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.004～0.030％，Si含量应满足0.693C＋0.142Mn＋0.359Ti＋17.21B≤Si≤2.474C＋0.672Mn＋0.86Ti+21.21B，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供该钢板的制造方法，包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却、淬火和回火工序。所述钢板生产成本低，硬度较高，焊接性能良好。

Description

一种低合金易焊接耐磨钢、钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及耐磨钢，具体地说，本发明涉及一种低合金易焊接耐磨钢。

背景技术

现代化工业的发展对工程机械、矿山机械，尤其对矿石和工业产品的运输车辆和设施如采矿、石油和电力行业运输机械和挖掘机械的易磨损部件的综合机械性能提出更高的要求。过去一般选用奥氏体高锰钢制造耐磨部件，因为奥氏体高锰钢在大的冲击载荷作用下，可发生应变诱导马氏体相变，能够提高其耐磨性。然而，奥氏体高锰钢HB只有180～220，使用寿命短，不符合建立节约型社会的发展要求。因此，目前通常采用中碳或高碳合金钢，通过调质处理改善其机械性能，以满足实际工况对耐磨件的要求。

材料的耐磨性主要取决于其硬度，较高的硬度可以提供良好的抗磨损性能。要改善合金钢材料的抗摩擦磨损性能，常用的方法有两种：1、通过表面渗入微量元素强化，如渗碳形成渗碳层，提高合金钢材料表面硬度和耐磨损性能；2、调整合金钢中的合金元素成分，增加碳含量并加入适量的微量元素如Ni、Mo、V和Co等，充分利用析出强化、细晶强化和相变强化、位错强化等不同强化方式提高钢的硬度。

表面渗入微量元素强化虽然对材料表层局部性能有较大改善，工艺成熟且经济有效，但表层脆性较高，存在高密度的缺陷，内应力较高，涂层和基体结合强度低，限制了这种工艺在某些场合的应用。例如：该方法不能解决切削刀刃、矿山机械的挖掘头的耐磨性等问题。

通过调整优化钢的成分和工艺可以获得有良好耐磨性能的合金钢。碳含量对钢的性能影响很大，随着碳含量的增加，淬火形成的马氏体HCP晶格的晶格常数增大，淬火后的组织硬度增加；但碳含量增加会导致钢的韧性下降，且过多的碳会严重恶化钢的焊接性能，限制硬质高碳合金钢的使用范围。铬可显著改善钢的抗氧化作用，提高淬透性，增加抗腐蚀能力，提高耐磨性。镍可细化晶粒，通过细晶强化同时提高低合金钢的韧性和塑性。钼是铁素体形成元素，可促进钢中马氏体的形成，增加钢的淬透性并提高碳化物的稳定性。稀土元素可改善合金钢的铸态组织、细化晶粒和净化钢液。然而，钢中添加较多的合金元素会增加钢的制造成本，降低其作为工业产品的实际应用性能。

钢焊接性好是指焊接时不易产生焊接裂纹，而焊接性差的钢容易产生裂纹。为了避免裂纹的产生，必须在焊接前对钢进行预热。焊接性越好，所需的预热温度越低，反之则需要较高的预热温度。焊接冷裂纹是最常出现的焊接工艺缺陷，尤其是当焊接高强度钢时，冷裂纹出现的倾向很大。为防止冷裂纹产生，通常采用焊前预热、焊后热处理的工艺，这增加了焊接工艺的复杂性和特殊情况下的不可操作性，危害到焊接结构的安全可靠性。对于强度很高的耐磨钢板，焊接问题尤为明显。在冬季室外温度较低，钢板焊接部位可能产生冷裂纹，导致整个工件报废。

碳和合金元素对钢的焊接的影响可用碳当量(Ceq)来表示。国际焊接协会确认的碳当量的公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。碳当量是钢焊接性能的判定指标，Ceq越低，焊接性越好，反之则焊接性越差。

经检索，发明人发现部分相关的耐磨钢专利文献，其公开的钢的组分和碳当量见表1，其中碳当量数值根据组分中间值计算获得。

从钢种成本角度分析，专利文献CN1109919、CN1614069、CN1132264、CN1385549、CN1140205、CN1865481和CN1132263所公开的钢中都添加了贵重合金元素Mo，其余相关专利所涉及的钢中也添加了较多的合金元素，增加了钢的生产成本。

从焊接性能分析，仅专利文献CN1189542、CN1865481、US3761320所公开的钢的Ceq小于1.00，其中最小值为0.80，其余相关专利所涉及的钢的Ceq均大于或等于1.00，而专利文献CN1099810所公开的钢的Ceq高达2.85。这些钢的Ceq偏高，焊接性能较差。

由以上分析可知，增加钢中合金元素的含量可以得到优良的机械性能，但会影响钢的焊接性能并增加钢的生产成本。因此，研发低成本且工艺简单的合金耐磨钢成为经济型社会的需要和钢铁工业发展的趋势。

本发明的目的在于提供一种低合金易焊接耐磨钢。

本发明的目的还在于提供一种低合金易焊接耐磨钢板及其制造方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种低合金易焊接耐磨钢，以质量百分比计，其化学成分包含：C：0.07～0.25％、Si：0.4～1.4％、Mn：1.0～2.8％、P：＜0.012％、S：＜0.003％、B：0.0010～0.0025％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.004～0.030％，Si含量应满足：0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余为Fe和不可避免的杂质。

下面，对本发明所涉及的化学成分作用作详细叙述。

C：C在钢中的作用是固溶强化，增加耐磨钢的硬度，提高耐磨性。但是C对焊接性能不利，C含量越高，焊接性能越差。适当控制钢中的C含量，可以在获得较高硬度的同时保证钢板的焊接性能。因此，C含量范围优选0.07～0.25％。

Si：Si可缩小奥氏体相圈，提高钢的淬火温度。亚共析钢中，钢的临界冷却速度随Si含量的增加而降低；另外在碳含量较低的情况下，Si可显著降低钢的临界冷却速度，使最终产物形成细化的马氏体组织。Si固溶于铁素体和奥氏体中，可提高它们的硬度和强度，在常见的固溶元素中，仅次于P，而较Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等强。Si可降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加钢的回火稳定性，Si含量较高的钢可明显降低回火脆性，可在较低温度回火，既能降低钢中的内应力，亦使钢板具有较高的硬度。Si可减少摩擦发热时的氧化作用，提高钢的冷变形硬化率和耐磨性，硅锰钢的耐磨性随Si含量的增加而提高。另外，Si与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，会增加熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量。因此，综合考虑Si对钢的淬透性、强度、回火稳定性、耐磨性和焊接的影响，Si含量范围优选0.4～1.4％。

Mn：Mn可扩大铁碳平衡相圈的奥氏体相区，其稳定奥氏体组织的能力仅次于Ni。Mn能够显著增加钢的淬透性，降低马氏体转变温度和钢的临界冷却速度。Mn和Fe可形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的硬度和强度。因此，加入Mn可增加钢的硬度和耐磨性，但若Mn含量太高，并会增加钢的回火脆性。对于调质处理的耐磨钢板来说，一方面需增加Mn含量以提高钢板的硬度，另一方面需控制Mn含量以降低钢板的回火脆性。因此，Mn含量范围优选1.0～2.8％。

Al：Al和钢中的N能形成细小难溶的AlN颗粒，固定钢中的N和O，减轻钢对缺口的敏感性，减小或消除钢的时效现象，并提高钢的韧性。但是，钢中固溶的Al超过一定值时，其奥氏体晶粒反而容易粗化。另外，Al可降低奥氏体的稳定性，减小奥氏体转变时的过冷度，降低钢的淬透性，提高临界淬火冷却速度。综合考虑以上因素，Al含量范围优选0.02～0.04％。

Ti：Ti是强碳化物形成元素之一，可与C形成细微的TiC颗粒，细微的TiC颗粒分布在晶界，可达到细化晶粒的效果，同时较硬的TiC颗粒可提高钢的耐磨性。Ti也是铁素体强化元素，可固溶在铁素体中提高铁素体的强度，其强化作用略弱于Cu和Si，强于Al、Mn、Ni和Mo。另外，Ti可降低钢在250℃～400℃的回火脆性，若Ti和B共同加入钢中，将明显降低其低温回火脆性。TiC溶解的份数随淬火温度提高而增加，在淬火后的回火过程中，TiC可重新弥散析出，增加钢的回火稳定性。综合Ti对钢相变和性能的影响，Ti含量范围优选0.004～0.030％。

B：B原子会向晶界处富集，降低晶界的缺陷能，抑制铁素体在晶界处形核，延长先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期，增加钢的淬透性。B对钢淬火成马氏体后的抗回火软化作用没有影响，含B钢需采取较低的回火温度和较短的回火时间。B增加回火脆性的倾向较Mn低。低温回火后，含B钢的强度较不含B钢强度高。含B钢在500℃以上回火，其冲击韧性低于不含B钢，300℃左右回火，冲击韧性高于不含B钢。钢中的B含量超过0.007％时，将导致热脆现象，影响钢的热加工性能。因此，B含量范围优选0.0010～0.0025％，以发挥其在耐磨钢中的最佳效用。

本发明的第二个方面提供一种低合金易焊接耐磨钢板，以质量百分比计，其化学成分包含：C：0.07～0.25％、Si：0.4～1.4％、Mn：1.0～2.8％、P：＜0.012％、S：＜0.003％、B：0.0010～0.0025％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.004～0.030％，Si含量应满足：0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的第三个方面提供所述低合金易焊接耐磨钢板的制造方法，该方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却、淬火和回火工序。

在一个优选实施方式中：浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的4倍。

在另一个优选实施方式中：所述加热工序中加热温度为1080～1180℃，保温时间为120～180分钟。

在另一个优选实施方式中：所述轧制工序中开轧温度为1050～1150℃，道次变形率为10～25％，终轧温度为950～1020℃。

在另一个优选实施方式中：所述冷却工序中冷却方式为空冷。

在另一个优选实施方式中：所述淬火工序中淬火温度为Ac₃+30～50℃。

在另一个优选实施方式中：所述回火工序中回火温度为220～320℃。

下面，对本发明的制造方法和工艺控制原理作详细叙述。

1、加热和轧制工艺

浇铸后连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的4倍，可保证钢板有足够的变形率，细化最终组织。

连铸坯或钢锭可加热至1080～1180℃奥氏体化，钢中的TiC在加热过程中会溶于奥氏体，在轧制和冷却过程中析出，从而通过细化晶粒和析出强化，提高产品强度。保温120～180min可减少合金元素偏析，有利于钢板最终性能的稳定。

钢坯出炉后直接轧制，开轧温度优选1050～1150℃，道次变形率优选10～25％，终轧温度优选950～1020℃，轧后空冷。其工艺简单，在大生产中具有良好的现实性和可行性。

2、淬火和回火工艺

钢板轧制冷却后可加热到Ac₃+30～50℃保温后淬火，出炉后水冷。淬火时奥氏体发生马氏体相变，马氏体以切变方式相变，相变前沿是一列滑动位错，碳原子无法扩散，形成过饱和的铁素体。晶格从fcc向bcc转变时，铁原子晶体点阵之间存在碳原子，造成点阵畸变，形成正方hcp结构，导致钢板内部存在内应力。内应力会使钢板加工时发生变形和崩裂，需进行回火处理才能适合加工和使用要求。

淬火后的钢板可在220～320℃下进行回火处理，出炉后空冷，可采用堆垛或冷床冷却。本发明在所选定的成分体系条件下，采用较低温度回火，保证钢板的各项机械性能优良，同时易于焊接。

本发明生产的低合金易焊接耐磨钢板布氏硬度大于360HB，屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1100MPa，板厚可达50mm。

本发明的有益效果：

1、通过合理设计钢的化学成分，降低了耐磨钢的合金含量，只添加了相对较为廉价的Si、Mn以及微量的B、Al和Ti，不添加Ni等贵重元素，原料成本较低，具有很好的经济效益。

2、大幅降低了钢的碳当量，其Ceq值为0.54，使其具有较好的焊接性能，适合需要焊接的结构钢使用领域。

3、在钢板淬火后进行低温回火，消除了淬火后钢板的内应力，并使钢板具有较高的硬度和耐磨性。

4、工艺制度比较宽松，可在中、厚钢板产线上稳定生产。

附图说明

图1为本发明实施例2钢板的厚度截面硬度实测值。

具体实施方式

以下用实施例结合附图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。

实施例1-6的化学成分和Ceq如表2所示。

实施例1

按表2所示的化学成分冶炼，并浇铸成连铸坯，加热温度1080℃，保温180分钟，开轧温度为1050℃，道次变形率为15～20％，终轧温度为950℃，成品钢板厚度为10mm，轧制后空冷，淬火加热温度为Ac₃+30℃，回火温度为220℃，回火后堆垛冷却。

实施例2

按表2所示的化学成分冶炼，并浇铸成连铸坯，加热温度为1130℃，保温150分钟，开轧温度为1060℃，道次变形率为10～12％，终轧温度为1010℃，成品钢板厚度为30mm，淬火加热温度为Ac₃+30℃，回火温度为250℃，回火后堆垛冷却。

实施例3

按表2所示的化学成分冶炼，并浇铸成连铸坯，加热温度为1180℃，保温150分钟，开轧温度为1150℃，道次变形率为10～25％，终轧温度为1020℃，成品钢板厚度为40mm，淬火加热温度为Ac₃+40℃，回火温度为270℃，回火后堆垛冷却。

实施例4

按表2所示的化学成分冶炼，并浇铸成钢锭，其中加热温度为1120℃，保温180分钟，开轧温度为1070℃，道次变形率为10～15％，终轧温度为1010℃，成品钢板厚度为50mm，淬火加热温度为Ac₃+40℃，回火温度为300℃，回火后冷床冷却。

实施例5

按表2所示的化学成分冶炼，并浇铸成钢锭，其中加热温度为1180℃，保温180分钟，开轧温度为1150℃，道次变形率为10～25％，终轧温度为950℃，成品钢板厚度为15mm，淬火加热温度为Ac₃+50℃，回火温度为320℃，回火后冷床冷却。

实施例6

按表2所示的化学成分冶炼，并浇铸成钢锭，其中加热温度为1120℃，保温120分钟，开轧温度为1080℃，道次变形率为10～25％，终轧温度为970℃，成品钢板厚度为20mm，淬火加热温度为Ac₃+30℃，回火温度为270℃，回火后冷床冷却。

表2实施例1-6的化学成分(％)及Ceq

实施例	C	Si	Mn	P	S	B	Al	Ti	Ceq
										1	0.07	0.4	2.8	＜0.012	＜0.003	0.0025	0.020	0.010	0.537
2	0.13	1.4	1.55	＜0.012	＜0.003	0.0020	0.030	0.004	0.388
										3	0.15	0.97	1.64	＜0.012	＜0.003	0.0018	0.040	0.030	0.423
4	0.16	0.55	1.35	＜0.012	＜0.003	0.0013	0.040	0.020	0.385
										5	0.18	0.45	1.0	＜0.012	＜0.003	0.0010	0.030	0.024	0.347
6	0.25	0.40	1.0	＜0.012	＜0.003	0.0014	0.020	0.020	0.417

试验例1力学性能试验

对实施例1-6所得钢板进行力学性能测试，测试结果见表3。

表3实施例1-6所得钢板的力学性能

实施例	硬度HB 10/3000	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)
					1	430	1225	1424	11.0
2	423	1117	1350	11.0
					3	418	1116	1310	11.0
4	407	1066	1297	11.0
					5	390	1054	1288	12.0
6	424	1118	1385	11.0

从表2和表3可以看出，本发明钢板的Ceq≤0.54％，屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1250MPa，板厚可达50mm，具有良好的硬度和焊接性。

试验例2板厚截面硬度试验

按标准GB/T 4340-1999对实施例2所得钢板的截面硬度进行测量，测量值如图1所示。

从图1可以看出，本发明所涉及钢板的截面硬度均匀。

试验例3焊接性试验

对实施例1所得钢板进行焊接性能试验(小铁研试验)，结果见表4。

表4实施例1所得钢板的焊接性能试验结果

由表4可看出，在0℃、室温和50℃的条件下，钢板均未出现裂纹，说明本发明钢板的焊接性能良好，焊接时一般不需要预热。

试验例4耐磨性试验

耐磨性试验在ML-100磨粒磨损试验机上进行。截取试样时，令试样的轴线垂直于钢板表面，试样的磨损面即钢板的轧制面。将试样按要求加工成台阶状圆柱体，测试部分尺寸为φ4mm，卡具夹持部分尺寸为φ5mm。试验前用酒精清洗试样，然后用吹风机吹干，在万分之一精度的天平上称重，测得试样重量作为原始重量，而后安装在弹性夹具上。分别用粒度为80目、120目的砂纸，在42N、84N两种载荷作用下进行试验。试验后由于试样与砂纸间的磨损，试样在砂纸上画出一条螺旋线，根据螺旋线的起始和终止半径来计算螺旋线的长度，计算公式为

$S=\frac{\mathrm{\π}(r_1^2-r_2^2)}{a}$

r₁为螺旋线的起始半径，r₂为螺旋线的终止半径，a为螺旋线的进给量。每次实验称重两次取平均值，然后计算失重，用每米失重来表示试样的磨损率(mg/M)。

在恒定的实验条件下(载荷、砂纸粒度)从钢板的表层到心部逐层磨损，每磨完一张砂纸后称重、计算失重，然后更换砂纸继续试验。规定从表层到心部的4个磨损层依次为表层、次表层、亚表层和内层。试验条件不同时，各层的深度也不相同。本发明实施例4所得钢板与SSAB公司生产的HARDOX400耐磨钢磨损试验结果见表5和表6。

表5本发明钢板与SSAB生产的HARDOX400耐磨试验比较

表6 120目砂纸、84N载荷条件下试样各层次磨损率

钢种	表层磨损率(mg/M)	次表层磨损率(mg/M)	亚表层磨损率(mg/M)	内层磨损率(mg/M)	总磨损深度(mm)	平均磨损率(mg/M)
							本发明钢板	13.961	13.778	12.978	13.098	4.943	13.454
HARDOX400	14.028	14.506	13.506	14.000	5.148	14.010

从表5和表6可看出，本发明钢板的磨损性能优于SSAB公司生产的HARDOX400级别的耐磨钢板。

本发明所涉及钢板的布氏硬度大于360HB，屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1100MPa，板厚可达50mm，微观组织为马氏体或马氏体和残余奥氏体。这种钢生产成本低，热处理工艺简单易掌握，强韧性匹配较好，硬度较高，焊接性能良好，适用于工程机械、矿山机械上，尤其适用于与矿石、煤炭、煤浆、泥沙以及水泥浆等物料相接触的车辆或设施上，如矿用电动轮自卸车、煤矿刮板运输机、水泥搅拌机、推土机、挖掘机、装载机、抓斗等。

Claims (9)

1、一种低合金易焊接耐磨钢，其特征在于，以重量百分比计，所述低合金易焊接耐磨钢的化学成分包含：C：0.07～0.25％、Si：0.4～1.4％、Mn：1.0～2.8％、P：＜0.012％、S：＜0.003％、B：0.0010～0.0025％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.004～0.030％，Si含量应满足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余为Fe和不可避免的杂质。

2、一种低合金易焊接耐磨钢板，其特征在于，以重量百分比计，所述低合金易焊接耐磨钢板的化学成分包含：C：0.07～0.25％、Si：0.4～1.4％、Mn：1.0～2.8％、P：＜0.012％、S：＜0.003％、B：0.0010～0.0025％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.004～0.030％，Si含量应满足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余为Fe和不可避免的杂质。

3、权利要求2所述低合金易焊接耐磨钢板的制造方法，包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却、淬火和回火工序，其特征在于，以重量百分比计，所述低合金易焊接耐磨钢板的化学成分包含：C：0.07～0.25％、Si：0.4～1.4％、Mn：1.0～2.8％、P：＜0.012％、S：＜0.003％、B：0.0010～0.0025％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.004～0.030％，Si含量应满足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余为Fe和不可避免的杂质。

4、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的4倍。

5、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述加热工序中，加热温度为1080～1180℃，保温时间为120～180分钟。

6、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述轧制工序中，开轧温度为1050～1150℃，道次变形率为10～25％，终轧温度为950～1020℃。

7、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述冷却工序中，冷却方式为空冷。

8、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述淬火工序中，淬火温度为Ac₃+30～50℃。

9、如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述回火工序中，回火温度为220～320℃。

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