CN102041458A - 低合金耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低合金耐磨钢及其制造方法。所述低合金耐磨钢的成分质量百分比含量为：C：0.12～0.24、Si：0.20～0.70、Mn：1.00～1.80、P：≤＜0.010、S：≤0.005、Cr：0.30～1.40、Mo：0.10～0.50、Ni：0～0.80、Cu：0～0.50、Al：0.02～0.06、Ti：0.005～0.02，余量为Fe和不可避免的杂质。所述耐磨钢通过元素种类和含量的合理设计，在添加适量合金元素基础上实现了高屈服强度、高硬度及较好的韧性，具有优良的耐磨性能。

Description

低合金耐磨钢及其制造方法

技术领域

本发明属于结构钢领域，主要涉及耐磨钢的冶炼及制造，具体地说，涉及一种低合金高强度耐磨钢及其制造方法。

背景技术

耐磨钢是车辆、船舶、矿山设备、农用机械、工程机械及水泥设备等常用的一种钢铁材料，如挖掘机斗齿、球磨机衬板、破碎机颚板、拖拉机履带板、风扇磨冲击板等等。应用比较广泛的耐磨材料有高锰钢和中低合金钢等。

高锰钢作为传统的耐磨材料得到了广泛的应用，高锰钢的主要特征是具有良好的韧性和加工硬化能力，即在强烈的冲击载荷作用下，表面被加工硬化，而心部仍保持良好的韧性。但研究中发现：高锰钢的耐磨性是有条件的，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨，而且高锰钢屈服强度低、易于变形，这也很大程度上限制了高锰钢作为耐磨材料的应用领域。在某些领域已经逐渐被其他耐磨材料取代，如水泥、矿山机械领域使用的破碎机锤头、球磨机衬板等。

中、低合金钢是针对高锰钢应用场合的局限性而开发出的一种新型的耐磨材料，通过添加一定比例的合金成分，在较大范围内控制耐磨钢硬度和韧性的合理匹配，使其满足不同磨损工况的需要，尤其屈服强度可以得到很大提高。但是由于中低合金钢中添加了一定的合金元素，同时为了提高强度而增加了碳的含量，所以在提高耐磨钢强度的同时也导致韧性下降、焊接性能降低，并增加了成本。所以如何合理控制合金含量，保证耐磨钢屈服强度增加的同时也适当提高耐磨钢的焊接性能成为目前研究的方向。

目前，国内外已就低合金耐磨钢及其制造方法提出了多项专利申请。如公开号为FR2847272的专利申请中记载的耐磨钢，其含碳量过高，势必导致钢种韧性降低，焊接性能降低；此外，其合金含量也较高，导致成本提高。又如公开号为CN1109919的专利《一种低合金耐磨钢》中记载的钢种，其中硅的含量较高，会导致钢的韧性急剧下降。同时考虑到硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，增加了熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量。

从焊接性能角度分析，材料的化学成分对焊接性能有着重要的影响。随着钢中碳、锰及铬、钼、钒等合金元素含量的提高，钢的焊接性变差，冷裂敏感性增加。所以说增加钢中碳和合金元素含量虽然可以得到较佳的机械性能，但影响其焊接性并增加了钢的生产成本。因此，控制碳和合金元素含量，研发低成本、高性能且工艺简单的低合金耐磨钢是社会经济和钢铁工业发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低合金耐磨钢，其抗拉强度大于1300MPa，屈服强度大于950MPa，具有良好的焊接性能。

为实现上述目的，本发明所提供的耐磨钢，其成分质量百分比含量为：C：0.12～0.24、Si：0.20～0.70、Mn：1.00～1.80、P：≤0.010、S：≤0.005、Cr：0.30～1.40、Mo：0.10～0.50、Ni：0～0.80、Cu：0～0.50、Al：0.02～0.06、Ti：0.005～0.02，余量为Fe和不可避免的杂质。

此外，本发明还提供了上述低合金耐磨钢的一种制造方法，包括：冶炼、浇铸、加热、控制轧制和冷却，其中，所述冶炼为电炉或转炉真空冶炼，所述浇铸为浇铸成连铸坯或钢锭，所述加热温度为1050～1200℃。

优选地，所述加热温度为1100～1200℃。

优选地，所述控制轧制的开始轧制温度为1000～1150℃，轧制结束温度为820～900℃，所述控制轧制过程总压下率大于80％。

优选地，所述冷却的开始温度为800～880℃，冷却速度大于10℃/s，直至冷却至室温。

下面将进一步说明本发明。

以下将本发明合金成分的设计进行说明：

耐磨钢要求具有较高的强度，同时具有良好的冲击韧性和焊接性能。本发明在成分设计上采用低碳当量低合金的成分设计方法，通过降低碳当量，特别是C的含量，提高耐磨钢的韧性和焊接性能。通过添加适量的合金元素，保证制造的耐磨钢在具有高硬度高屈服强度的同时具有较高韧性。适当控制Ni、Mo的添加量，节省制造成本。同时通过合理的控轧工艺，通过大压下轧制和快速冷却来细化晶粒，从而提高屈服强度。

以下将本发明合金成分的设计进行说明：

(1)碳：对钢的硬度影响较大，是影响钢的淬透性最重要的元素，可以显著提高钢的淬透性。碳量过高，钢中的碳化物量过多，热处理后形成的是高碳片状马氏体，钢的硬度高、韧性低，而且热处理时容易产生裂纹；碳量过低，淬透性不足，硬度过低，耐磨性差。适当控制钢种碳的质量百分含量在0.12～0.2％。

(2)硅：能提高材质的屈强比，提高低合金钢中固溶体的强度并能增加其回火稳定性，还有良好的脱氧能力。硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而硅含量过高会导致钢的韧性急剧下降。同时考虑到硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，增加了熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量。因此综合考虑硅对淬透性、强度、韧性及焊接性能的影响，本发明中加入硅的质量百分含量在0.20～0.70％。

(3)锰：降低临界冷却速度，显著推迟奥氏体向珠光体转变，大大提高淬透性，并且是好的脱氧剂和脱硫剂。具有很好的固溶强化作用，能与铁形成固溶体而强化基体，提高钢的强度、硬度而不降低冲击韧性。但是锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性。本发明所涉及钢种中添加不超过质量百分含量为1.0～1.8％的锰，更好地利用锰在耐磨钢中的作用。

(4)铬：质量百分含量控制在0.3～1.4％范围内。铬能显著改善低合金钢的抗氧化作用，提高淬透性，增加其抗腐蚀的能力，提高耐磨性。铬可使珠光体区和奥氏体区分离，淬火中得到马氏体基体的同时也可能得到一定量的贝氏体基体，提高钢的强韧性。同时铬可以固溶强化基体，提高钢的耐腐蚀性能。铬与碳结合，形成高硬度的颗粒状碳化物，有利于提高钢的硬度。回火过程中，铬可以阻碍碳化物的析出与聚集，从而提高钢的回火稳定性。铬在奥氏体中溶解度很大，强化奥氏体但不降低韧性。

(5)钼：质量百分含量控制在0.10～0.50％的范围内。钼降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，显著推迟奥氏体向珠光体转变，能促使马氏体的形成，增加淬透性并提高碳化物的稳定性。钼与铬锰等导致回火脆性的元素配合使用，能抑制和降低钢的回火脆性。

(6)镍：质量百分含量控制在0～0.80％的范围内。镍能与铁以任何比例互溶，通过细化铁素体晶粒改善钢的低温韧性，并具有明显降低冷脆转变温度的作用。对于高级别且高低温韧性的耐磨钢，镍是十分有益的添加元素。但含量过高易导致钢表面氧化皮难以脱落，且成本显著增加，因此需控制其含量。

(7)铜：铜在钢中可形成ε-Cu析出，位错在滑移和攀移过程中，固溶的铜和析出的铜可以降低位错的运动能力，提高钢的强度。因此，控制其在钢中质量百分含量为0～0.50％。

(8)铝：铝是钢中终脱氧剂，同时和N结合形成弥散的AlN颗粒阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒作用，从而提高钢的常温冲击韧性和降低冷脆倾向，但因铝极易和氧结合形成Al₂O₃，若除不净将形成脆性夹杂，因此本发明所涉及耐磨钢中铝的质量百分含量不超过0.02～0.06％。

(9)钛：钛是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒。TiC颗粒细小，分布在晶界，达到细化晶粒的效果，较硬的TiC颗粒提高钢的耐磨性。钛是铁素体化元素，并可固溶在铁素体中提高铁素体强度。钛可以降低钢在250℃～400℃的回火脆性。因此，控制其在钢中的质量百分含量为0.005-0.02％。

(10)磷与硫：硫与磷含量过多会降低耐磨钢的韧性和焊接性能，因此它们的含量必须严格控制，本发明所涉及钢种中磷的质量百分含量不高于0.010％，硫的质量百分含量不高于0.005％。

本发明所提供的耐磨钢通过元素种类和含量的合理设计，在添加适量合金元素基础上实现了高屈服强度、高硬度及较好的韧性，具有优良的耐磨性能。

此外，本发明的制造方法工艺简单，流程短，钢坯出炉后直接轧制，轧后快速水冷，大生产中具有良好的现实性和可行性，现有设备完全可以满足生产要求。

与现有耐磨钢相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过合理设计化学成分，制得具有高强度的耐磨钢，生产的低合金高强度耐磨钢硬度大于390HB、抗拉强度大于1300MPa、屈服强度大于950MPa、延伸率大于13％，-20℃冲击功大于35J，可见本发明涉及的耐磨钢具有良好的抗变形和耐磨性能。

2、优化成分后，一定程度上改善了钢的焊接性能。

3、本发明的制造方法流程短，生产工艺简单易行，容易利用现场现有设备实现。

具体实施方式

按照本发明钢种的化学成分要求，并结合所述的制造工艺，以制造不同规格的耐磨钢。具体成分如下：

表1本发明各实施例的化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu	Al	Ti	Ceq
													1	0.24	0.343	1.67	0.01	0.004	1.29	0.298	0	0	0.041	0.018	0.836
2	0.198	0.23	1.47	0.01	0.003	0.37	0.45	0.61	0.36	0.04	0.020	0.672
													3	0.205	0.37	1.69	0.01	0.001	1.40	0.19	0	0.05	0.031	0.011	0.825
4	0.127	0.68	1.09	0.01	0.0018	0.93	0.48	0.73	0.14	0.02	0.005	0.649
													5	0.187	0.30	1.80	0.01	0.0013	1.10	0.30	0.23	0.49	0.05	0.015	0.815

实施例1

按表1所示的化学成分电炉或转炉冶炼，并浇铸成连铸坯或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1200℃出炉，开轧温度为1050℃，终轧温度为840℃，总压下率为88.9％，成品钢厚度为20mm，轧制后水冷至室温，开冷温度800℃。

实施例2

实施方式同实施例1，其中加热温度为1200℃，开轧温度为1090℃，终轧温度为870℃，总压下率为88.9％，成品钢厚度为20mm，轧制后水冷至室温，开冷温度850℃。

实施例3

实施方式同实施例1，其中加热温度为1200℃，开轧温度为1050℃，终轧温度为835℃，总压下率为83.3％，成品钢厚度为30mm，轧制后水冷至室温，开冷温度810℃。

实施例4

实施方式同实施例1，其中加热温度为1200℃，开轧温度为1024℃，终轧温度为850℃，总压下率为88.9％，成品钢厚度为20mm，轧制后水冷至室温，开冷温度830℃。

实施例5

实施方式同实施例1，其中加热温度为1200℃，开轧温度为1010℃，终轧温度为820℃，总压下率为86.1％，成品钢厚度为25mm，轧制后水冷至室温，开冷温度800℃。

采用上述工艺进行轧制，得到的性能结果如表2所示。

表2本发明实施例的力学性能

由上表可以看出，本发明的耐磨钢的硬度达到了390HB以上，抗拉强度大于1300MPa，屈服强度大于950MPa，延伸率大于13％，-20℃冲击功大于35J，可见本发明涉及的耐磨钢具有良好的抗变形和耐磨性能，同时也改善了钢的焊接性能。

Claims (5)

1.一种低合金耐磨钢，其成分质量百分比含量为：

C：0.12～0.24

Si：0.20～0.70

Mn：1.00～1.80

P：≤0.010

S：≤0.005

Cr：0.30～1.40

Mo：0.10～0.50

Ni：0～0.80

Cu：0～0.50

Al：0.02～0.06

Ti：0.005～0.02

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.制造如权利要求1所述的耐磨钢的方法，包括冶炼、浇铸、加热、控制轧制和冷却，其中，所述冶炼为电炉或转炉真空冶炼，所述浇铸为浇铸成连铸坯或钢锭，所述加热温度为1050～1200℃。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述加热温度为1100～1200℃。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述控制轧制的开始轧制温度为1000～1150℃，轧制结束温度为820～900℃，所述控制轧制过程总压下率大于80％。

5.如权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却的开始温度为800～880℃，冷却速度大于10℃/s，直至冷却至室温。