CN101680071A - 高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板及其制造方法 - Google Patents

高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的耐磨损钢板按质量％计含有0.13％以上且0.18％以下的C、0.5％以上且不足1.0％的Si、0.2％以上且0.8％以下的Mn、0.020％以下的P、0.010％以下的S、0.5％以上且2.0％以下的Cr、0.03％以上且0.30％以下的Mo、超过0.03％且在0.10％以下的Nb、0.01％以上且0.20％以下的Al、0.0005％以上且0.0030％以下的B以及0.010％以下的N，余量为Fe和不可避免的杂质，成分组成满足HI为0.7以上且Ceq超过0.50的条件，布氏硬度HB在25℃下为360以上且440以下。

Description

高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及在建设机械和工业机械中使用的高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板及其制造方法。
本申请主张2008年1月7日提出的日本专利申请第2008-000301号和2008年10月17日提出的日本专利申请第2008-268253号的优先权，在此引用其内容。
背景技术
在矿山中的挖掘和土木作业用的建设机械中，因磨损而需要频繁更换的部件很多。其中，对于钢材而言在高温环境下使用是苛刻的条件。由于耐磨钢的硬度随温度上升而下降，因此在某一温度以上磨损速度急剧变大。磨损特别明显的是因强烈冲击而产生摩擦热的推土机的铲斗、高温物体发生冲撞的烧结焦炭的料斗等，在这样的部件中，构成部件的钢板表面的温度会暂时达到300℃到400℃左右。由于频繁的更换部件会导致设备工作率低下，因而需要有即使在这样的环境中耐磨损性也很高的钢材(耐磨钢)。
另一方面，为了适用于各种形状的部位或为了尽量减少焊接位点，对于耐磨钢，多数情况下很重视钢板的弯曲加工性。
提高硬度对于提高耐磨损性而言很有效。但是，关于硬度高的钢板，特别是进行了弯曲半径小的弯曲时，容易引起断裂、产生裂纹。如果进一步考虑相对于弯曲的变形阻力的大小和弹性回复，钢板硬度高不利于弯曲加工。即，耐磨损性和弯曲加工性一般来说是相反的特性。例如，HB500级(常温下的布式硬度为450～550左右)的耐磨钢虽然在耐磨损性上优异，但弯曲加工性不是很好。硬度比其低的HB400级(常温下的布式硬度为360～440左右)的耐磨钢由于比较容易进行弯曲加工，因此适用于需要弯曲加工的多数部件，但耐磨损性、特别是高温环境下的耐磨损性并不充分。
因此，为了兼顾弯曲加工性和高温耐磨损性，使常温硬度为HB400级的耐磨钢具备高温耐磨损性的方法可以说是有效的方法。
通常，耐磨用途的钢板并不需要特别高的韧性值，但为了即使在使用中钢板的板厚减少也不会出现断裂，其必须具备一定的韧性值。考虑到在寒冷地区使用，认为-40℃下的夏比吸收能在27J以上即可。
本发明者们先在专利文献1中公开了布式硬度HB500级的高温用途的耐磨钢。该文献中记载的发明以高温耐磨损性为最优先设计，没有采取使弯曲加工性提高的特殊方法，因此限定于弯曲半径比较平缓的用途。
专利文献2涉及在达到300℃至400℃的部位中使用的中常温用耐磨钢。这里，没有考虑韧性和加工性，也未显示它们的特性，但是由于Si含量非常高，因此可以认为其韧性不高、加工性也不高。
专利文献3涉及弯曲加工性优异的HB400级的耐磨钢，但完全没有考虑高温环境下的耐磨损性。
如上所述，目前为止没有发现合适的弯曲加工性良好的HB400级、且即使在300℃到400℃的高温环境下也具备高耐磨损性的耐磨损钢板。
此外，由于耐磨损钢板是消耗品，因此经济性也是重要的要素，优选高价合金元素的添加量尽可能低。
专利文献1：日本特开2001-49387公报
专利文献2：日本特开平3-243743公报
专利文献3：日本特开2005-240135公报
发明内容
本发明的目的在于提供具有弯曲加工性良好的HB400级常温硬度、且即使在300℃到400℃的高温环境下也具备高耐磨损性、进而经济性也优良的耐磨钢。
为了提高在300℃到400℃的高温下的耐磨损性，认为尽量高地维持该温度下的硬度很重要。另一方面，使组织成为马氏体的方法是获得HB400左右的常温硬度的最经济的方法。但是，马氏体组织的钢板因温度上升导致的硬度下降的程度大。因此，对含有具有HB400左右的常温硬度的马氏体组织的钢(马氏体组织钢)，从尽量维持高温硬度的观点出发，进行了提高高温耐磨损性的研究。
本发明设想的是300℃到400℃的高温环境，但是以350℃为特性评价的代表温度，分析了具有各种化学组成的马氏体组织钢在350℃下的耐磨损性。如下所述来进行耐磨损性评价。在基于ASTMG99-05的Pin on Disk Type磨损试验装置中，使样品温度可控，进行样品温度设为350℃的磨损试验，测定试验样品和标准样品(SS400)的磨损量。然后，以SS400为标准样品，将[SS400的磨损量/试验样品的磨损量]定义为350℃耐磨损性比，求出该350℃耐磨损性比。可以说，该值越大，350℃下的耐磨损性越好。
图1所示为以0.15％C-0.57％Si-0.41％Mn-1.37％Cr-0.08％Mo-0.012％Ti-0.0011％B-0.0032％N为基本组成并改变Nb量而得到的马氏体组织钢的Nb添加量与350℃耐磨损性比之间的关系。当Nb添加量为0～0.03％时，350℃耐磨损性比没什么变化，但当Nb添加量超过0.03％时，350℃耐磨损性比大幅提高。由于轧制中析出的Nb碳氮化物会抑制再结晶而使组织微细化，因此出于该目的，通常添加0.01～0.02％的Nb。但是，轧制中析出的Nb碳氮化物对高温硬度没有什么帮助。另一方面，据推测：以固溶状态存在于钢板中的Nb在300℃到400℃下保持固溶状态，或以极微细的碳氮化物的形式存在，在任一种情况下均有助于提高高温硬度。即认为：通过添加大大超出轧制中析出的量的Nb、以及选择合适的轧制及冷却条件来增加钢板中的固溶Nb，能提高钢板被加热至350℃时的硬度，结果能提高350℃耐磨损性。
发明者们对25℃下的HB在360～440的范围内的更多的马氏体组织钢就合金元素与350℃耐磨损性之间的关系进行了详细分析。其结果是，导出了从化学组成来预测350℃耐磨损性比的下述式(1)。
HI＝[C]+0.59[Si]-0.58[Mn]+0.29[Cr]+0.39[Mo]+2.11([Nb]-0.02)-0.72[Ti]+0.56[V]         (1)
这里，[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Nb]、[Ti]以及[V]分别是C、Si、Mn、Cr、Mo、Nb、Ti以及V的含量(质量％)。式(1)中，在Nb一项中减去0.02是因为考虑了轧制中的析出量。
图2所示为HI与马氏体组织钢的350℃耐磨损性比之间的关系。
关于本发明的高温耐磨损性的目标值，将上述350℃耐磨损性比设定在3.0以上，即磨损减量为SS400的三分之一以下。为了满足该目标值，从图2的关系可知，只要使HI为0.7以上即可。此外，若HI为0.8以上，则耐磨损性比变为4.0以上，可得到更好的耐磨损性。
根据式(1)，为了提高马氏体组织钢的350℃耐磨损性，除Nb外，大量添加Si、Cr、Mo以及V也很有效。
其中，Mo和V是迄今为止在高温用钢中大量使用的元素，但近年来由于价格猛涨，因此从经济性的观点出发，优选尽量减少其添加量。
相对于此，Si和Cr是比较廉价的元素，因此可以说是有利于350℃耐磨损性提高的元素。另外，关于Mn，反倒是降低用量会利于350℃耐磨损性。
另一方面，为了在直到板厚中心为止得到马氏体组织，必须确保足够的可淬性。耐磨钢的适用板厚大多为50mm为止。若下述Ceq超过0.50，则能确保到50mm厚度的钢板的中心为止得到马氏体组织这种程度的可淬性。
Ceq＝[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14
这里，[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]以及[V]分别是C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo以及V的含量(质量％)。
此外，关于韧性，为了使-40℃的夏比吸收能为27J以上，必须适当控制Si、P、S、Cr、Mo、Al、B和N的含量的上限。
本发明是基于上述发现而完成的发明，其要点如下所述。
(1)本发明的高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板按质量％计含有0.13％以上且0.18％以下的C、0.5％以上且不足1.0％的Si、0.2％以上且0.8％以下的Mn、0.020％以下的P、0.010％以下的S、0.5％以上且2.0％以下的Cr、0.03％以上且0.30％以下的Mo、超过0.03％且在0.10％以下的Nb、0.01％以上且0.20％以下的Al、0.0005％以上且0.0030％以下的B以及0.010％以下的N，余量为Fe和不可避免的杂质，成分组成满足下述HI为0.7以上且Ceq超过0.50的条件，HB(布氏硬度)在25℃下为360以上且440以下，
HI＝[C]+0.59[Si]-0.58[Mn]+0.29[Cr]+0.39[Mo]+2.11([Nb]-0.02)-0.72[Ti]+0.56[V]
Ceq＝[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14
这里，[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Nb]、[Ti]以及[V]分别是C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Nb、Ti以及V的含量(质量％)。
(2)在上述(1)所述的高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板中，按质量％计还含有0.05％以上且1.5％以下的Cu、0.05％以上且1.0％以下的Ni、0.003％以上且0.03％以下的Ti以及0.01％以上且0.20％以下的V中的1种或2种以上。
(3)本发明的高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板的制造方法，其将具有上述(1)或(2)所述组成的钢片或铸片加热至1200℃以上，在960℃以下且900℃以上的温度下进行累计压下率为30％以上且65％以下的热轧，在900℃以上结束热轧，在热轧结束后，直接以板厚中心部的冷却速度为5℃/s以上的方式加速冷却至200℃以下，或在热轧结束后冷却至200℃以下后再加热至Ac3相变点以上的温度，以板厚中心部的冷却速度为5℃/s以上的方式加速冷却至200℃以下。
根据本发明，能容易地制造弯曲加工性良好的具有HB400级常温硬度、且即使在300℃到400℃的高温环境下也具备高耐磨损性、并且经济性也优良的耐磨损钢板。
附图说明
图1是表示Nb添加量与350℃下的耐磨损性之间的关系的曲线图。
图2是表示HI与350℃下的耐磨损性之间的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，对本发明进行详细说明。
首先，对本发明的耐磨损钢板的钢成分的限定理由进行说明。
C是决定马氏体的硬度的重要元素。在本发明中，为了使板厚50mm为止的板厚中心部的常温HB为360以上且440以下，将C的范围定为0.13％以上且0.18％以下。
Si是对提高350℃耐磨损性特别有效的元素，合金价格也低。但是，添加大量Si会导致韧性下降，还会使加工性也下降。因此，Si添加量为0.50％以上且不足1.0％。在更加重视加工性的情况下，Si添加量优选不足0.8％。
Mn是通过形成MnS来防止由S的晶界偏析引起的韧性下降或弯曲加工性下降所必须的元素，添加0.2％以上。Mn由于能提高可淬性，因此为了确保板厚50mm为止的板厚中心部的常温硬度，以多添加为宜。但另一方面，由于Mn会使高温强度下降，反倒会使350℃耐磨损性下降。因此，Mn的添加量优选为不足0.5％的范围。为了提高可淬性，将上限定为0.8％。因此，Mn添加量为0.2％以上且0.8％以下，优选为0.2％以上且不足0.5％的范围。
P作为不可避免的杂质，是导致弯曲加工性和韧性降低的有害元素。因此，将含量抑制在0.020％以下。更优选为0.010％以下。从弯曲加工性和韧性的目的出发，P越低越好，但为了降低至不足0.0005％，会不可避免地增大精炼成本，因此无需控制到这样低的水平。
S也是不可避免的杂质，是导致弯曲加工性和韧性降低的有害元素。因此，将含量抑制在0.010％以下。更优选为0.005％以下。从弯曲加工性和韧性的目的出发，S越低越好，但为了降低至不足0.0005％，会不可避免地增大精炼成本，因此无需控制到这样低的水平。
Cr对提高可淬性以及350℃耐磨损性有效，因此至少添加0.5％以上。为了使板厚50mm为止的板厚中心部具有足够的可淬性，添加量优选为1.0％以上。但是，如果过量添加，则会使韧性下降，因此将含量设为2.0％以下。
Mo不仅能提高350℃耐磨损性，且在Nb的存在下具有微量添加即可大幅提高可淬性的效果。因此，必须添加0.03％以上。但如果过量添加，则会使韧性下降，因此Mo添加量以0.30％为上限。另外，Mo近年来价格非常高，从抑制合金成本的观点出发，添加量优选为不足0.10％。
Nb以固溶状态存在于钢板中，因此对提高350℃耐磨损性非常有效。确保足够的固溶Nb所必须的Nb添加量为超过0.03％，更优选为0.04％以上。在本发明中，为了确保常温下的布式硬度为HB360以上而含有0.13％以上的C，因此若Nb量多，则有时Nb(CN)在加热时不会充分固溶。这些未固溶Nb不利于提高高温硬度，还成为韧性降低的原因。因此，Nb添加量为0.10％以下，更优选为0.08％以下。
Al为脱氧元素或夹杂物形态控制元素，添加0.01％以上。另外，为了确保使可淬性提高所需的游离B而将N固定时，添加0.05％以上。在任一情况下，过量添加均会使韧性下降，因此上限为0.20％，优选为0.10％。
B是对提高可淬性非常有效的必须元素。为了发挥其效果，必须为0.0005％以上，但若添加量超过0.0030％，则会使焊接性和韧性下降，因此B的含量为0.0005％以上且0.0030％以下。
关于N，若过量含有，则不仅会使韧性下降，还会形成BN而阻碍B的可淬性提高效果，因此将含量控制在0.010％以下。更优选为0.006％以下。考虑到韧性以及避免BN形成，N越低越好，但为了降低至不足0.001％，会不可避免地增加精炼成本，因此无需控制到这样低的水平。
以上为本发明的钢的基本成分，但本发明除上述成分外，还可以添加Cu、Ni、V、Ti中的1种或2种以上。
Cu是在不降低韧性的前提下使硬度提高的元素，为此可以添加0.05％以上。但是，若过量添加Cu，则依然会导致韧性下降，因此将添加量设为1.5％以下。
Ni是对提高韧性有效的元素，为此可以添加0.05％以上。但是，由于Ni的价格高昂，因此将添加量设为1.0％以下。
V是对提高350℃耐磨损性有效的元素。为此，可以添加0.01％以上。但是，由于V的价格高昂，且如果过量添加，则有时会导致韧性下降，因此在添加V的情况下，将添加量设为0.20％以下。
Ti有时是在为了确保使可淬性提高所需的游离B而添加的，以将N以TiN的形式固定来避免形成BN，为此可以添加0.003％以上。但是，由于Ti的添加，350℃耐磨损性存在下降的倾向。因此，将Ti的添加量设为0.030％以下。
除上述成分范围的限定外，如上所述，在本发明中，以式(1)的HI为0.7以上、且Ceq超过0.50的方式对成分组成进行限定。但是，当HI或Ceq过高时，会导致韧性下降，因此优选HI为1.2以下，Ceq为0.70以下。
接着，对本发明的耐磨损钢板的制造方法进行说明。
首先，将上述钢成分组成的钢片(钢坯)或铸片加热，进行热轧。
在本发明中，对热轧前的钢片或铸片的制造方法没有特殊限制。即，可以用高炉、转炉或电炉等熔炼后，利用各种二次精炼，进行成分调节以达到目标的成分含量，然后，除了利用通常的连续铸造、钢锭法来铸造外，还可以采用薄钢坯铸造等方法来铸造。原料可以使用废钢。在通过连续铸造得到的钢坯的情况下，可以直接以高温铸片的形态送入热轧机，也可以冷却至室温后在加热炉中再加热后进行热轧。钢片或铸片的成分与上述本发明的耐磨损钢板的成分相同。
关于钢片或铸片的加热温度，为了使Nb充分固溶而设为1200℃以上。但是，若将加热温度设得过高，则奥氏体组织粗大化，因此热轧后的组织未充分微细化，导致韧性下降，因此钢片或铸片的加热温度优选为1350℃以下。
在热轧中，在960℃以下且900℃以上的温度下将累计压下率设为30％以上且65％以下。为了使轧制中的Nb碳氮化物的析出成为组织的微细化所需的最小程度，而控制在该温度和压下率的范围内。
另外，为了避免不需要的Nb碳氮化物的析出而残留较多的固溶Nb，热轧在900℃以上结束。另外，热轧的结束温度必须在960℃以下。
热轧后，为了得到马氏体组织，通过直接淬火或再加热淬或来进行加速冷却。
直接淬火的情况下，在热轧结束后，立即以5℃/s以上的冷却速度(板厚中心部的冷却速度)进行加速冷却直至200℃以下的温度。
在再加热淬火的情况下，热轧结束后，暂时冷却至200℃以下的温度(此时的冷却速度为任意速度)，然后，再加热至Ac3相变点以上的温度，以板厚中心部的冷却速度为5℃/s以上的方式加速冷却至200℃以下。
关于直接淬火时的热轧结束后的加速冷却以及再加热淬火时的再加热后的加速冷却中的冷却速度，板厚越薄，则冷却速度越大。在本申请中，作为对象的板厚主要设定在4.5mm到50mm左右。板厚为4.5mm时的冷却速度有时会变得非常大，但没有因此出现特殊问题，不规定冷却速度的上限。
不必特地进行回火热处理，但即使在300℃以下的温度下进行热处理，钢板的各特性也在本发明的范围内。
实施例
将具有表1、表2所示的组成的A～AI的钢熔炼而得到钢片，将该钢片加热至1230℃以上，然后在表3、表4所示的各制造条件下，制造板厚为6～45mm的钢板(钢板No.1～17为本发明例，钢板No.18～44为比较例)。
Figure G2009800000615D00101
Figure G2009800000615D00111
Figure G2009800000615D00121
Figure G2009800000615D00131
对这些钢板，评价常温硬度、350℃下的耐磨损性、弯曲加工性以及韧性。
关于常温硬度，用布氏硬度试验方法(JIS Z 2243)在25℃下测定。常温硬度的目标值为HB360以上且HB440以下。
关于耐磨损性，如上所述，在基于ASTMG99-05的Pin on Disk Type磨损试验装置中，进行样品温度为350℃的磨损试验，以SS400为标准样品，求出耐磨损性比(SS400的磨损量/试验样品的磨损量)。耐磨损性的目标值为耐磨损性比3.0以上。
关于弯曲加工性的评价，如下所述来进行。用JIS Z 2248中规定的方法，利用试验片JIS1号，以板厚的4倍的弯曲半径(4t)进行C方向的180度弯曲，弯曲试验后观察弯曲部的外侧。当在弯曲部的外侧没有出现裂伤和其他缺陷时，评价为合格。
关于韧性的评价，如下所述来进行。从板厚中心部沿与轧制方向为直角的方向采取JIS Z 22014号夏比试验片，进行-40℃下的冲击试验，测定吸收能值。然后，求出3片试验片的-40℃下的冲击试验的吸收能值的平均值。将韧性的目标值设为该平均值为27J以上。
得到的结果如表5、表6所示。
另外，在表1～表6中，带下划线的数值表示本发明以外的成分值、或温度条件以及特性不充分的数值。
[表5]
[表6]
Figure G2009800000615D00161
在表5的本发明例的钢板No.1～17中，均满足上述常温硬度、350℃下的耐磨损性、弯曲加工性以及韧性目标值。相对于此，在脱离本发明限定的化学组成范围的钢成分的比较例的钢板No.18～40中，虽然制造方法为本发明方法，但常温硬度、350℃下的耐磨损性、弯曲加工性以及韧性中的1个以上不满足目标值。另外，在虽然是本发明的钢成分但不采用本发明制造方法的比较例的钢板No.41～44中，常温硬度、350℃下的耐磨损性、弯曲加工性以及韧性中的1个以上依然不合格。
根据本发明，能制造弯曲加工性好的具有HB400级的常温硬度、且在300℃到400℃的高温环境下也具有高耐磨损性、而且经济性也优良的耐磨损钢板。因此，能适用于因强烈冲击而产生摩擦热的铲车的铲斗、或高温物体发生冲撞的烧结焦炭的料斗等的要求在高温环境下具有高耐磨损性的建设机械和工业机械等的部件。

Claims (3)

1、一种高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板，其特征在于，按质量％计含有0.13％以上且0.18％以下的C、0.5％以上且不足1.0％的Si、0.2％以上且0.8％以下的Mn、0.020％以下的P、0.010％以下的S、0.5％以上且2.0％以下的Cr、0.03％以上且0.30％以下的Mo、超过0.03％且在0.10％以下的Nb、0.01％以上且0.20％以下的Al、0.0005％以上且0.0030％以下的B以及0.010％以下的N，余量为Fe和不可避免的杂质，成分组成满足下述HI为0.7以上且Ceq超过0.50的条件，HB即布氏硬度在25℃下为360以上且440以下，
HI＝[C]+0.59[Si]-0.58[Mn]+0.29[Cr]+0.39[Mo]+2.11([Nb]-0.02)-0.72[Ti]+0.56[V]
Ceq＝[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14
这里，[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Nb]、[Ti]以及[V]分别是C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Nb、Ti以及V的含量，该含量以质量％计。
2、根据权利要求1所述的高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板，其特征在于，按质量％计还含有0.05％以上且1.5％以下的Cu、0.05％以上且1.0％以下的Ni、0.003％以上且0.03％以下的Ti以及0.01％以上且0.20％以下的V中的1种或2种以上。
3、一种高温耐磨损性和弯曲加工性优异的耐磨损钢板的制造方法，其特征在于，将具有权利要求1或权利要求2所述组成的钢片或铸片加热至1200℃以上，在960℃以下且900℃以上的温度下进行累计压下率为30％以上且65％以下的热轧，在900℃以上结束热轧，
在热轧结束后，直接以板厚中心部的冷却速度为5℃/s以上的方式加速冷却至200℃以下，或在热轧结束后冷却至200℃以下后再加热至Ac3相变点以上的温度，以板厚中心部的冷却速度为5℃/s以上的方式加速冷却至200℃以下。
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