CN102373384A - 一种高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种布氏硬度大于等于HB330的高强度高韧性耐磨钢板，其成分(重量％)为：C：0.125-0.20％、Si：0.20-0.50％、Mn：1.0-1.4％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.01-0.03％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.80％、Ni≤0.50％、Mo≤0.30％中的至少1种，余量为铁和不可避免杂质。其钢板的制造方法，包括：将连铸坯或钢坯经1100-1250℃加热后在再结晶区和未再结晶区进行轧制，总压下率≥70％，终轧温度≥860℃，然后以Vmin～50℃/s水冷至Ms-145～Ms-185℃，空冷5-60s；冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s加热至500-550℃回火15-25s，然后出炉空冷。所获6-25mm厚钢板组织为回火马氏体+碳化物，硬度≥HB330，屈服强度≥900MPa，延伸率≥20％，-40℃Akv≥100J，冷弯性能优越，耐磨性能优良，满足了相关行业对耐磨钢板的较高要求。

Description

一种高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度钢板，具体地说是涉及一种布氏硬度≥HB330的高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法。

背景技术

磨损是材料破坏的主要形式之一，其造成的经济损失相当惊人。在冶金矿山、农机、煤炭等行业使用的大量装备，大部分因材料磨损而失效。据统计，在工业发达国家，机械装备及零件的磨损所造成的经济损失占国民经济总产值的4％左右，其中磨料磨损占金属磨损总量的50％。我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上，仅煤矿用刮板输送机中部槽每年就消耗6-8万吨钢板。

低合金高强度耐磨钢作为一种重要的钢铁材料，被广泛应用于矿山机械、工程机械、农业机械及铁路运输等部门。随着我国工业的飞速发展，各类机械设备的复杂化、大型化及轻量化对该类钢提出了更高的要求，即用于制造这些设备的低合金高强度耐磨板不但要求具有更高的硬度、强度，而且还要求良好的韧性及成型性能。近几十年来，高强度耐磨钢的开发与应用发展很快。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，耐磨性能好，使用寿命可达传统结构钢板的数倍；生产工艺较简单，一般采用轧后直接淬火加回火，或通过控轧控冷工艺进行强化。

JP2002-020837A采用奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，轧后快冷并在300-Ac1区间回火，获得硬度在HB300-500范围内的耐磨钢板。该钢板添加的合金元素，如Cu、Ni、Mo、V、Nb、B等较多。

CN101775539A采用TMCP轧制，轧后空冷至室温，然后离线重新加热淬火和回火，得到的组织为贝氏体或马氏体，低温冲击韧性较高，实施例实物性能-40℃Akv＝135-176J，但其工序时间长，成本高，且添加的合金元素也较多，成本上没有优势。

瑞典SSAB生产的Hardox400耐磨钢板(4-32mm)(C≤0.18，Si≤0.70，Mn≤1.6，P≤0.025，S≤0.010，Ni≤0.25，Cr≤1.0，Mo≤0.25，B≤0.004)也采用较少的贵重合金元素，其硬度在HBW370-430范围，耐磨性能较好。20mm钢板典型值屈服1000MPa，A50＝16％，-40℃纵向Akv＝45J。其硬度、强度和耐磨性均较高，但标准和实物冲击值都不高。

因此，目前还需要提供一种成本适宜的高强度高韧性耐磨钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种布氏硬度≥HB330的高强度高韧性耐磨钢中厚板，特别是6-25mm厚钢板。

为实现上述目的，本发明的一种布氏硬度≥HB330的高强度高韧性耐磨钢中厚板，其以重量比计的成分为：C：0.125-0.20％、Si：0.20-0.50％、Mn：1.0-1.4％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.01-0.03％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.80％、Ni≤0.50％、Mo≤0.30％中的至少1种，余量为铁和不可避免杂质。

所述钢板的组织由回火马氏体+碳化物组成。

本发明的另一个目的在于提供上述布氏硬度≥HB330高强度耐磨钢板的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；

(2)连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后在奥氏体再结晶区进行一道次或三道次以上轧制，总压下率不低于70％；终轧温度不低于860℃；

(3)轧后钢板以Vmin到50℃/s的冷速，快速水冷至Ms-145～Ms-185℃温度区间，空冷5-60s；其中，按照公式(一)P＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+0.45Cu+2Mo计算钢板的硬化指数P，再按公式(二)lgVmin＝2.94-0.75P计算钢板获得马氏体的临界冷速Vmin，按照公式(三)Ms＝561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo计算钢板的马氏体开始形成温度；

(4)冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至500-550℃，回火15-25s，然后出炉空冷。

附图说明

图1是本发明实施例3钢板的金相组织照片。

图2是焊接裂纹试验试样的示意图。

具体实施方式

下面通过结合实施例对本发明进行较为详细的说明。

本发明中除非另有指明，含量均指重量百分比含量。

为了实现本发明的提供布氏硬度≥HB330的高强度高韧性耐磨钢中厚板，特别是6-25mm厚钢板的目的，不受限于任何理论，本发明的主要化学成分的选择和控制理由如下：

碳：确保钢板强度的关键元素。对于要获得组织为大部分马氏体的钢板而言，碳是最重要的元素，其可以显著提高钢板的淬透性。由于碳在奥氏体中有较高的溶解度，可以使奥氏体保持较高的稳定性，降低钢的Ms点，利于获得一定量的残余奥氏体。同时碳含量的提高能使强度和硬度上升，塑性下降。所以如果钢板既要获得高硬度，又要具备一定的韧性，则碳含量应当不能太低。综合考虑，对于本发明的硬度HB330级别而言，0.125-0.20％的碳是比较合适的。优选地，碳含量是0.128-0.20％。

硅：钢中加硅能提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高钢的强度和硬度，且能提高奥氏体的稳定性。但硅含量过高会导致钢的韧性下降，且高硅含量的钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重，表面质量较差。且高硅不利于焊接性能。综合考虑硅各方面的影响，本发明硅含量为0.20-0.50％。优选地，硅含量为0.21-0.48％。

锰：锰稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素，同时锰增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不能太高，一般低碳微合金钢中锰含量不超过2.0％。锰的加入量主要取决于钢的强度、硬度级别。本发明锰的含量应控制在1.0-1.4％。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。优选地，锰含量为1.01-1.37％。

硫和磷：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P≤0.020％、S≤0.010％。优选地，P≤0.009％，S≤0.005％。

铝：强脱氧元素。为了保证钢中的氧含量尽量地低，铝的含量控制在0.02-0.05％。脱氧后多余的铝和钢中的氮元素能形成AlN析出物，提高强度并且在热处理加热时能细化钢的元素奥氏体晶粒度。优选地，铝含量为0.021-0.045％。

钛：钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分涨大，细化原始奥氏体晶粒度。钛在钢中还可分别与碳和硫化合生成TiC、TiS、Ti₄C₂S₂等，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。目前，微钛处理已成为大部分低合金高强度钢的常规工艺。本发明钛含量控制在0.01-0.03％。优选地，钛含量为0.01-0.025％。

铬：铬提高钢的淬透性，增加钢的回火稳定性。铬在奥氏体中溶解度很大，稳定奥氏体，淬火后在马氏体中大量固溶，并在随后的回火过程中会析出Cr₂₃C₇、Cr₇C₃等碳化物，提高钢的强度和硬度。为了保持钢的强度级别，铬可以部分代替锰，减弱高锰的偏析倾向。本发明可添加不大于0.80％的铬。优选地，铬含量为0.35-0.60％。

镍：稳定奥氏体的元素，对提高强度没有明显的作用。钢中加镍尤其是在调质钢中加镍能大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，同时由于镍属于贵重合金元素，所以本发明可添加不超过0.50％的镍元素。优选地，镍含量为0.20-0.50％，更优选0.22-0.50％。

钼：钼能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼是非常昂贵的战略合金元素，所以本发明中可添加≤0.30％的钼。优选地钼含量为0.15-0.23％。

钙：本发明中加钙主要是改变硫化物形态，改善钢的横向性能。对于硫含量很低的钢亦可不钙处理。钙含量≤0.005％。优选地，钙含量为0.001-0.002％。

氮：本发明不含Nb、V微合金元素，且主要以相变强化和回火碳化物析出强化为主要强化方式。小于等于60ppm含量的氮可以稳定0.01-0.03％的钛形成TiN，此TiN能保证加热时板坯的奥氏体晶粒不过分粗大。本发明中控制氮含量≤0.006％。优选地，氮含量为0.0035-0.0041％。

制造工艺过程对本发明产品的影响：

转炉吹炼和真空处理：目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

连铸或模铸：保证铸坯内部成分均匀和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。

加热和轧制：连铸坯或钢坯在1100-1250℃(优选为1150-1250℃)的温度下加热，一方面获得均匀的奥氏体化组织，另一方面使钛、铬等的化合物部分溶解。在奥氏体再结晶温度范围内经一道次或三道次以上轧制成钢板，总压下率不低于70％；终轧温度不低于860℃(优选为860-890℃)；

快速冷却：按照前述公式(一)计算钢板的硬化指数P，再按公式(二)计算钢板获得马氏体的临界冷速Vmin，按公式(三)计算马氏体开始点Ms。轧后以Vmin～50℃/s(优选为10-50℃/s)的冷速水冷至Ms-145～Ms-185℃(230-290℃)短时停留5-60s。在快速冷却过程中，大部分的合金元素被固溶到马氏体中。

在线快速回火：快速冷却后的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至500-550℃回火15-25秒，然后出炉空冷。感应加热后马氏体中固溶的合金元素Cr、Mo等会析出细小弥散的碳化物，马氏体部分分解，提高钢的耐磨性能。

本发明通过合适的成分设计、控制轧制、轧后快速冷却和在线快速感应加热回火，使钢板实现细晶强化、相变强化和析出强化。钢板交货时组织呈现为回火马氏体+碳化物，15mm典型组织见图1。所获6-25mm厚钢板硬度≥HB330，屈服强度≥900MPa，延伸率≥20％，-40℃Akv≥100J，冷弯性能优越，耐磨性能优良。满足了相关行业对耐磨钢板的较高要求。

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。实施例的钢板化学成分及碳当量、最低冷速见表1，实施工艺参数见表2，实施例所得钢板的性能见表4。

实施例1

将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度80mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，轧制成厚度为6mm的钢板，总压下率94％，终轧温度为900℃，然后以50℃/s水冷至264℃空冷5-60s，在快速加热至500℃回火16s，然后空冷至室温。

实施例2-5的工艺流程同实施例1，详细成分和工艺参数见表1和2，实施例所得钢板的力学性能见表3。

表1本发明实施例1-6的化学成分、Ceq(wt％)及获得马氏体的临界冷速Vmin(℃/s)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Al	Ni	Cr	Mo	Ti	Ca	N	Ceq*	Vmin
															1	0.128	0.50	1.25	0.008	0.003	0.045		0.35	0.19	0.025		0.0038	0.44	13
2	0.135	0.45	1.15	0.008	0.003	0.035		0.45	0.15	0.015		0.0036	0.45	15
															3	0.136	0.29	1.32	0.007	0.003	0.031	0.22	0.51	0.22	0.016	0.001	0.0036	0.51	5
4	0.157	0.25	1.37	0.007	0.004	0.025	0.25	0.46	0.20	0.019	0.002	0.0035	0.54	6
															5	0.170	0.21	1.05	0.008	0.003	0.021	0.50	0.55	0.23	0.010		0.0041	0.54	6
6	0.200	0.20	1.01	0.008	0.003	0.037	0.40	0.60	0.20	0.014	0.001	0.0039	0.54	4

^*Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/14

表2本发明实施例l-6的加热、轧制、冷却、回火相关工艺参数及钢板厚度

试验例1：钢板的力学性能

按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法、GB 2106-1980金属夏比V型缺口冲击试验方法测定本发明实施例1-6钢板的屈服强度、抗拉强度、延伸率、-40℃冲击韧性等力学性能，其结果见表3。按照GB/T232-2010金属材料弯曲试验方法，对本发明实施例1-6钢板进行横向冷弯d＝2a，180°试验，其结果见表3。

试验例2：硬度

按照GB/T231.1-2009方法测定本发明实施例1-6钢板的布氏硬度，其结果见表3。

表3本发明钢板的力学性能

注：M：马氏体

试验例3：

利用光学显微镜测定本发明实施例钢板的金相组织，其结果见表3。

图1是本发明实施例3的金相组织照片。其他实施例也得到了类似的金相组织照片。

试验例4：焊接性试验

按照GB4675.1-84斜Y坡口焊接裂纹试验方法对本发明实施例6的高韧性耐磨钢板进行了5组斜Y坡口焊接裂纹试验。焊接试样的形状和尺寸见图2。焊接规范为170A*25V*160mm/min。

首先焊接拘束焊缝，采用富Ar气体保护焊焊接，使用直径1.2mm的JM-58焊丝，焊接过程中严格控制试样的角变形，等试样冷却至室温后再进行试验焊缝的焊接。试验焊缝在室温(30℃)进行焊接，试验焊缝焊好48小时后，检验焊缝表面裂纹、断面裂纹和根部裂纹。经过解剖试验，利用着色法对以上所述三个部位进行检查。焊接裂纹试验结果见表4。由表4可知，在不预热条件下(环境温度30℃)本发明实施例6焊后未发现裂纹，说明本发明钢板的焊接性能良好。

表4本发明实施例6的斜Y坡口焊接裂纹试验结果

其他实施例钢板也得到焊接裂纹率(％)为0，根部裂纹率(％)为0，断面裂纹率(％)为0的结果。

试验例5：耐磨性试验

耐磨性试验在MG2000型磨粒磨损试验机上进行。将直径为5.0mm长20mm的圆柱试样放在摩擦盘上做销盘式圆周运动。摩擦盘上贴100#的砂纸，销子在30N载荷压力作用下在摩擦盘上进行摩擦损耗试验。试件相对速度0.8m/s，摩擦距离200m试验温度T＝25℃。称重采用TG328A型电光分析天平，称量试验前后的销子失重量作为磨损量。

对本发明实施例1、4、6的耐磨性与瑞典SSAB公司生产的耐磨钢HARDOX400及一种国产硬度为HB400的耐磨钢板进行对比试验，试验结果见表5。由于本发明实施例1、4、6与对比材料硬度差别较大，故以本发明实施例4为参照，将另外四种材料的硬度和磨损量进行了折算，分别以绝对磨损量、相对硬度差和相对磨损量差表示，具体数据见表5。由表5可知，本发明涉及的高韧性耐磨钢板与瑞典SSAB公司生产的HARDOX400(硬度HB405)级耐磨钢板耐磨性能相比，耐磨性差一些，但比国产对比耐磨钢板(硬度HB400)有一定程度提高，介于两者之间，具有较好的耐磨性能。

表5本发明实施例4与HARDOX400耐磨性能对比结果

从以上实施例各种性能结果可以看出，采用上述的成分和工艺参数进行加工，6-25mm厚成品钢板的布氏硬度≥HB330，屈服强度≥900MPa，延伸率A50≥20％，-40℃Akv≥100J，冷弯性能优良，组织呈现为回火马氏体+碳化物。焊接性能良好，耐磨性能较好。满足了相关行业对耐磨钢板的较高要求。

Claims (20)

1.一种耐磨钢板，其以重量比计的成分为：C：0.125-0.20％、Si：0.20-0.50％、Mn：1.0-1.4％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.01-0.03％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.80％、Ni≤0.50％、Mo≤0.30％中的至少1种，余量为铁和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，碳当量Ceq：0.44-0.54。

3.如权利要求1或2所述的耐磨钢板，其特征在于，C：0.128-0.2％。

4.如权利要求1-3任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Si：0.21-0.48％。

5.如权利要求1-4所述的耐磨钢板，其特征在于，1.01-1.37％。

6.如权利要求1-5任一所述的耐磨钢板，其特征在于，P≤0.009％。

7.如权利要求1-6任一所述的耐磨钢板，其特征在于，S≤0.005％。

8.如权利要求1-7任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Al：0.021-0.045％。

9.如权利要求1-8任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Ni：0.22-0.50％。

10.如权利要求1-9任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Cr：0.35-0.60％。

11.如权利要求1-10任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Mo：0.15-0.23％。

12.如权利要求1-11任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Ti：0.01-0.025％。

13.如权利要求1-12任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Ca：0.001-0.002％。

14.如权利要求1-13任一所述的耐磨钢板，其特征在于，N：0.0035-0.0041％。

15.如权利要求1-14任一所述的耐磨钢板，其特征在于，钢板厚度为6-25mm。

16.如权利要求1-15任一所述的耐磨钢板，其特征在于，布氏硬度≥HB330。

17.如权利要求1-16任一所述的耐磨钢板的制造方法，包括：

钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；

连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后在奥氏体再结晶区进行一道次或三道次以上轧制，总压下率不低于70％；终轧温度不低于860℃；

轧后钢板以Vmin到50℃/s之间的冷速，水冷至Ms-145～Ms-185℃温度区间，空冷5-60s；其中，按照公式(一)P＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+0.45Cu+2Mo计算钢板的硬化指数P，再按公式(二)lgVmin＝2.94-0.75P计算钢板获得马氏体的临界冷速Vmin，按照公式(三)Ms＝561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo计算钢板的马氏体开始形成温度Ms；

冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s加热至500-550℃，回火15-25s，然后出炉空冷。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，连铸坯或钢坯于1150-1250℃加热。

19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，终轧温度为860-900℃。

20.如权利要求17-19任一所述的方法，其特征在于，轧后钢板以10-50℃/s之间的冷速，水冷至230-290℃。

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