CN101880831A

CN101880831A - 一种高强度高韧性低合金耐磨钢及其制造方法

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Publication number: CN101880831A
Application number: CN 201010200002
Authority: CN
Inventors: 王昭东; 曹艺; 吴迪; 张逖; 梁江民
Original assignee: Northeastern University China; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Northeastern University China; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-06-13
Filing date: 2010-06-13
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2030-06-13
Also published as: CN101880831B

Abstract

一种高强度高韧性低合金耐磨钢及其制造方法，属于冶金技术领域，成分按重量百分比为C 0.15～0.20％，Si 0.1～0.5％，Mn 1.2～1.6％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al 0.02～0.04％，Ti 0.016～0.022％，Cr 0.16～0.20％，Mo 0.16～0.22％，B 0.001～0.0015％，其余为Fe，同时碳当量Ceq(％)≤0.55。制造方法为：冶炼钢水浇注成板坯，加热保温后粗轧，再进行精轧，然后进行完全淬火处理，或进行亚温淬火处理，或先进行完全淬火处理后再进行亚温淬火处理，淬火后也可采用低温回火消除应力。本发明的方法在保证较高硬度的同时可以显著提高钢板的冲击韧性，增强钢板的抗冲击能力，增加机械设备的使用寿命，并可以通过用同种成分的钢通过不同的淬火处理方法得到不同强韧级别的耐磨钢板。

Description

一种高强度高韧性低合金耐磨钢及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种高强度高韧性低合金耐磨钢及其制造方法。

背景技术

低合金耐磨钢主要应用于工作条件恶劣的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械设备上，如推土机、装载机、挖掘机、自卸车及各种矿山机械等。不仅需要较高的强度硬度来抵抗磨损还需要有一定的耐冲击能力。用户根据不同的使用条件，对耐磨钢产品性能的需求也存在差异，应采用具有不同硬度和韧性配合的耐磨钢板来实现延长机械设备使用寿命的目的。目前低合金耐磨钢在生产中通常冲击韧性较低且不稳定，从而导致冲击条件下钢板易断裂、耐磨性能差等问题。国内生产的低合金耐磨钢普遍存在合金含量较高、合金种类较多的问题。合金含量过高不仅会破坏钢板的焊接性能，也会破坏钢板的冲击韧性，缩短耐磨钢板的使用寿命。

现有技术中低合金耐磨钢的生产主要通过淬火来提高钢板硬度，而淬火后钢板往往得到了较高的硬度，却得不到较好的冲击韧性。回火后，低温回火对韧性改善不明显，中温回火又会产生回火脆性，高温回火后冲击韧性会有明显提高但硬度又得不到保证。

发明内容

针对现有低合金耐磨钢综合性能上及制备方法上存在的问题，本发明提供一种高强度高韧性低合金耐磨钢及其制造方法。

本发明的高强度高韧性低合金耐磨钢成分按重量百分比为C 0.15～0.20％，Si 0.1～0.5％，Mn 1.2～1.6％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al 0.02～0.04％，Ti 0.016～0.022％，Cr 0.16～0.20％，Mo 0.16～0.22％，B 0.001～0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质，同时碳当量Ceq(％)≤0.55；碳当量Ceq(％)＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。

上述的高强度高韧性低合金耐磨钢布氏硬度至少HB330，抗拉强度至少1200MPa，-20℃冲击韧性至少27J/cm²，断裂伸长率12％以上。

本发明的高强度高韧性低合金耐磨钢的制造方法按以下步骤进行：

1、按上述成分冶炼钢水，然后浇注成板坯，将板坯加热至1150～1200℃，保温至少150min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1050～1100℃，终轧温度930～980℃，粗轧累计压下率至少70％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率至少30％。

2、将板坯进行完全淬火处理，或进行亚温淬火处理，或先进行完全淬火处理然后进行亚温淬火处理；当先进行完全淬火处理时，加热温度为910～950℃，保温时间按1.5×板坯厚度+18±2min，保温后以至少40℃/s的速度水冷至常温；当进行亚温淬火处理时，加热温度为810～850℃，保温时间按1.5×板坯厚度+5±2min，保温后以至少40℃/s的速度水冷至常温；当先进行完全淬火处理然后进行亚温淬火处理时，先加热至910～950℃，保温1.5×板坯厚度+18±2min，保温后以至少40℃/s的速度水冷至常温，再加热至800～830℃，保温1.5×板坯厚度+20±2min，保温后以至少40℃/s的速度水冷至常温。

上述方法中当采用完全淬火处理时，获得的高强度高韧性低合金耐磨钢的性能为布氏硬度至少HB400，抗拉强度至少1350MPa，-20℃冲击韧性至少27J/cm²，断裂伸长率12％以上。

上述方法中当采用亚温淬火处理时，获得的高强度高韧性低合金耐磨钢的性能为布氏硬度为HB370～HB430，抗拉强度至少1300MPa，-20℃冲击韧性至少50J/cm²，断裂伸长率12％以上。

上述方法中当先进行完全淬火处理然后进行亚温淬火处理时，获得的高强度高韧性低合金耐磨钢的性能为布氏硬度HB330～HB390，抗拉强度至少1200MPa，-20℃冲击韧性至少60J/cm²，断裂伸长率20％以上。

本发明的主要化学成分含量及主要作用为：

碳是对耐磨钢强度、硬度、韧性及淬透性、耐磨性影响最大的基本元素。碳含量过高，热处理后形成的马氏体硬度较高，但塑性韧性很低，且热处理时易形成裂纹，同时也会降低钢的焊接性能；碳含量过低，硬度降低，同时也降低了耐磨性。

硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，与铬结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，随着硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低，硅含量过高也会恶化钢的焊接性。

锰成本低廉，是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的，在相当程度上降低硫在钢中的危害。显著提高淬透性。锰溶入铁素体引起固溶强化，硬度随锰含量的提高而上升，冲击韧性则随之下降。锰含量过高，会降低焊接性能。

磷和硫在通常情况下都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷会破坏钢的焊接性能及塑性；硫易与锰结合产生夹杂，还能降低钢的韧性。因此，应尽量减少磷、硫在钢中的含量。但由于在工业生产中，过低的磷、硫含量控制会给冶炼带来困难，因此本发明的磷含量≤0.015％，硫含量≤0.005％。

铝主要用来脱氧。钢中加入少量的铝可细化晶粒，提高冲击韧性。铝含量过高会导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度。本发明的铝(Al)含量为0.02～0.04％。

钼能显著提高钢的淬透性，提高钢的硬度和强度。钼是中强碳化物形成元素，在钢中主要以碳化物的形式存在，弥散地分布在基体中强化基体，提高钢的硬度。

钛可形成细小的碳、氮化物，阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。同时也可提高钢的焊接性能。

铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。提高钢的淬透性，同时固溶强化基体，细化组织，显著改善钢的抗氧化作用，增加其抗腐蚀的能力。

在钢中加入微量的硼可改善钢的致密性和热轧性能，提高钢板淬透性，提高强度。

本发明钢板采用的化学成分设计合金元素种类少合金含量低，以较低的碳当量来保证其焊接性能，并且不含贵重金属元素或含量较少，在保证钢板有较高淬透性的同时还保证了较低的生产成本；钢板表面布氏硬度为HB330以上，抗拉强度为1200Mpa以上，断裂延伸率≥12％；钢板具有较好的冲击韧性，普通淬火后-20℃冲击韧性达到27J/cm²以上，亚温淬火的冲击韧性达到50J/cm²左右，淬火前以马氏体为基体的亚温淬火后冲击韧性可以达到60J/cm²以上，明显提高冲击韧性；淬火后可在300℃以下进行低温回火消除应力。

本发明的方法在保证较高硬度的同时可以显著提高钢板的冲击韧性，增强钢板的抗冲击能力，增加机械设备的使用寿命，并可以通过用同种成分的钢通过不同的淬火处理方法得到不同强韧级别的耐磨钢板，使钢板可以在不同的使用条件下更好的发挥其耐磨及抵抗冲击的作用，实现一钢多级，一钢多用，这种柔性化的生产方法可以简化冶炼、连铸及轧制的操作和管理，也有利于冶炼和连铸工艺的持续稳定，使冶炼、连铸、板坯库、加热炉之间的街接便捷、管理简化、难度减低。

附图说明

图1为本发明实施例1的高强度高韧性低合金耐磨钢产品光学显微组织图。

图2为本发明实施例2的高强度高韧性低合金耐磨钢产品光学显微组织图。

图3为本发明实施例3的高强度高韧性低合金耐磨钢产品光学显微组织图。

具体实施方式

本发明实施例中淬火处理采用的加热设备为空气电阻炉，型号为X017-103，工作室尺寸700×450×350mm。

本发明实施例中精轧后的板坯的厚度为6～60mm。

实施例1

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分按重量百分比为C 0.19％，Si 0.18％，Mn 1.35％，P0.015％，S 0.002％，Al 0.036％，Ti 0.018％，Cr 0.19％，Mo 0.2％，B 0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq(％)＝0.19+1.35/6+0.18/24+0/40+0.19/5+0.2/4+0/14＝0.510。

将板坯加热至1150℃，保温150min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1050℃，终轧温度930℃，粗轧累计压下率71％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率31％，获得板坯厚度为30mm。

将板坯进行淬火处理，加热温度为930℃，保温时间为1.5×30+16＝61min；保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢，组织如图1所示，淬火处理后得到高硬度的马氏体、下贝氏体及弥散析出的微细碳化物的复合组织。

产品的表面布氏硬度为HB423，抗拉强度1400Mpa，断裂延伸率13.5％，-20℃冲击韧性30J/cm²。

实施例2

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分同实施例1；碳当量同实施例1。

将板坯加热至1160℃，保温160min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1060℃，终轧温度950℃，粗轧累计压下率73％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率32％，获得板坯厚度为30mm。

将板坯进行亚温淬火处理，加热温度为810℃，保温时间为1.5×30+3＝48min；保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢，组织如图2所示，热处理后得到高硬度的马氏体、下贝氏体、细小均匀分布的铁素体及弥散析出的微细碳化物的复合组织。

产品的表面布氏硬度为HB418，抗拉强度1400Mpa，断裂延伸率13％，-20℃冲击韧性60J/cm²。

实施例3

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分同实施例1，碳当量同实施例1。

将板坯加热至1170℃，保温160min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1070℃，终轧温度970℃，粗轧累计压下率至少80％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率34％，获得板坯厚度为30mm。

将板坯先进行完全淬火处理然后进行亚温淬火处理，淬火时先加热至温度为950℃，保温时间按1.5×30+16＝61min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，亚温淬火时加热至温度为830℃，保温时间按1.5×30+18＝63min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢，组织如图3所示，淬火处理后得到高硬度的马氏体、下贝氏体、针状铁素体及弥散析出的微细碳化物的复合组织。

产品的表面布氏硬度为HB387，抗拉强度1370Mpa，断裂延伸率22％，-20℃冲击韧性71J/cm²。

实施例4

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分按重量百分比为C 0.15％，Si 0.5％，Mn 1.2％，P0.014％，S 0.005％，Al 0.04％，Ti 0.016％，Cr 0.2％，Mo 0.16％，B 0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq(％)＝0.15+1.2/6+0.5/24+0/40+0.2/5+0.16/4+0/14＝0.451。

将板坯加热至1180℃，保温150min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1100℃，终轧温度980℃，粗轧累计压下率76％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率30％，获得板坯厚度为60mm。

将板坯进行完全淬火处理，加热温度为910℃，保温时间为1.5×60+18＝108min；保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢。产品的表面布氏硬度为HB408，抗拉强度1360Mpa，断裂延伸率15％，-20℃冲击韧性64J/cm²。

实施例5

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分按重量百分比为C 0.20％，Si 0.1％，Mn 1.4％，P0.012％，S 0.004％，Al 0.02％，Ti 0.022％，Cr 0.16％，Mo 0.22％，B 0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq(％)＝0.2+1.4/6+0.1/24+0/40+0.16/5+0.22/4+0/14＝0.525。

将板坯加热至1190℃，保温160min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1050℃，终轧温度940℃，粗轧累计压下率72％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率3 1％，获得板坯厚度为6mm。

将板坯进行完全淬火处理，加热温度为950℃，保温时间为1.5×6+20＝29min；保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢。产品的表面布氏硬度为HB436，抗拉强度1420Mpa，断裂延伸率13％，-20℃冲击韧性41J/cm²。

实施例6

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分按重量百分比为C 0.18％，Si 0.4％，Mn 1.6％，P0.015％，S 0.004％，Al 0.03％，Ti 0.02％，Cr 0.18％，Mo 0.17％，B 0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq(％)＝0.18+1.6/6+0.4/24+0/40+0.18/5+0.17/4+0/14＝0.543。

将板坯加热至1200℃，保温至少180min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1090℃，终轧温度980℃，粗轧累计压下率75％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率35％，获得板坯厚度为10mm。

将板坯进行亚温淬火处理，加热温度为850℃，保温时间为1.5×10+5＝20min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢。产品的表面布氏硬度为HB415，抗拉强度1380Mpa，断裂延伸率16％，-20℃冲击韧性57J/cm²。

实施例7

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分同实施例4。

将板坯加热至1150℃，保温160min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1050℃，终轧温度930℃，粗轧累计压下率70％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率34％，获得板坯厚度为40mm。

将板坯进行亚温淬火处理，加热温度为830℃，保温时间为1.5×40+7＝67min，淬火结束后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢。产品的表面布氏硬度为HB382，抗拉强度1350Mpa，断裂延伸率15.5％，-20℃冲击韧性80J/cm²。

实施例8

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分同实施例5。

将板坯加热至1180℃，保温150min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1080℃，终轧温度970℃，粗轧累计压下率至少73％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率32％，获得板坯厚度为20mm。

将板坯先进行完全淬火处理然后进行亚温淬火处理，先加热至温度为930℃，保温时间按1.5×20+18＝48min，保温后以40℃/s的速度冷却至常温，然后亚温淬火时，加热温度为820℃，保温时间为1.5×20+20＝50min。保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢。

产品的表面布氏硬度为HB375，抗拉强度1320Mpa，断裂延伸率22％，-20℃冲击韧性69J/cm²。

实施例9

冶炼钢水，然后浇注成板坯，其成分同实施例6。

将板坯加热至1200℃，保温160min，然后进行粗轧，粗轧开轧温度1100℃，终轧温度980℃，粗轧累计压下率79％；然后在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率33％，获得板坯厚度为50mm。

将板坯先进行完全淬火处理然后进行亚温淬火处理，淬火温度为910℃，保温时间按1.5×50+20＝95min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，亚温淬火温度为800℃，保温时间为1.5×50+22＝97min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，获得高强度高韧性低合金耐磨钢。产品的表面布氏硬度为HB371，抗拉强度1290Mpa，断裂延伸率23.5％，-20℃冲击韧性74J/cm²。

Claims

1.一种高强度高韧性低合金耐磨钢，其特征在于成分按重量百分比为C 0.15～0.20％，Si 0.1～0.5％，Mn 1.2～1.6％，P ≤0.015％，S≤0.005％，Al 0.02～0.04％，Ti 0.016～0.022％，Cr0.16～0.20％，Mo 0.16～0.22％，B 0.001～0.001 5％，其余为Fe和不可避免的杂质，同时碳当量Ceq(％)≤0.55；布氏硬度至少HB330，抗拉强度至少1200MPa，-20℃冲击韧性至少27J/cm²，断裂伸长率12％以上。

2.权利要求1所述的一种高强度高韧性低合金耐磨钢的制造方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)按重量百分比为C 0.15～0.20％，Si 0.1～0.5％，Mn 1.2～1.6％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al 0.02～0.04％，Ti 0.016～0.022％，Cr 0.16～0.20％，Mo 0.16～0.22％，B 0.001～0.001 5％，其余为Fe冶炼钢水，然后浇注成板坯，将板坯加热至1150～1200℃，保温至少150min后进行粗轧，粗轧开轧温度1050～1100℃，终轧温度930～980℃，粗轧累计压下率至少70％；在880～930℃进行精轧，精轧累计压下率至少30％；

(2)将板坯进行完全淬火处理，或进行亚温淬火处理，或先进行完全淬火处理后再进行亚温淬火处理；当进行完全淬火处理时，加热温度为910～950℃，保温时间按1.5×板坯厚度+18±2min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温；当进行亚温淬火处理时，加热温度为810～850℃，保温时间按1.5×板坯厚度+5±2min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温；当先进行完全淬火处理然后再进行亚温淬火处理时，先加热至910～950℃，保温时间按1.5×板坯厚度+18±2min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温，再加热至800～830℃，保温时间按1.5×板坯厚度+20±2min，保温后以至少40℃/s的速度冷却至常温。

3.根据权利要求2所述的一种高强度低合金耐磨钢的制造方法，其特征在于当步骤(2)中采用完全淬火处理时，获得的高强度低合金耐磨钢的性能为布氏硬度至少HB400，抗拉强度至少1350MPa，-20℃冲击韧性至少27J/cm²，断裂伸长率12％以上。

4.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性低合金耐磨钢的制造方法，其特征在于当步骤(2)中采用亚温淬火处理时，获得的高强度低合金耐磨钢的性能为布氏硬度为HB370～HB430，抗拉强度至少1300MPa，-20℃冲击韧性至少50J/cm²，断裂伸长率12％以上。

5.根据权利要求2所述的一种高强度低高韧性合金耐磨钢的制造方法，其特征在于当步骤(2)中先进行完全淬火处理后再进行亚温淬火处理时，获得的高强度低合金耐磨钢的性能为布氏硬度HB330～HB390，抗拉强度至少1200MPa，-20℃冲击韧性至少60J/cm²，断裂伸长率20％以上。