CN102747280B - 一种高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

一种高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐磨钢板，其化学成分(重量％)为：C：0.08-0.21％、Si：0.15-0.45％、Mn：1.10-1.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb：0.010-0.040％、Al：0.010-0.080％、B：0.0006-0.0014％、Ti：0.005-0.050％、Ca：0.0010-0.0080％、V≤0.080％、Cr≤0.60％、N≤0.0080％、O≤0.0060％、H：≤0.0004％，且满足：0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，余量为Fe和不可避免的杂质。该耐磨钢板的制造方法，包括冶炼、铸造、轧制及轧后直接冷却等步骤。通过以上成分及工艺得到的耐磨钢板极易焊接，强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，适用于工程、矿山机械中易磨损设备，如铲斗、矿用车箱体和刮板运输机等。

Description

一种高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢，特别是涉及一种低合金易焊接高强度高韧性耐磨钢板及其制造方法。
背景技术
耐磨钢板广泛应用于工作条件特别恶劣，要求高强度，高耐磨性能的工程、采矿、农业、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上。如推土机，装载机，挖掘机，自卸车及抓斗、堆取料机、输料弯曲结构等。
近几十年来，耐磨钢的开发与应用发展很快，一般增加碳含量并加入适量的微量元素，如铬、钼、镍、钒、钨、钴、硼和钛等，充分利用析出强化、细晶强化、相变强化和位错强化等不同强化方式提高耐磨钢的力学性能。大多数耐磨钢为中碳、中高碳和高碳钢，碳含量增加会导致钢的韧性下降，且过高的碳严重恶化了钢的焊接性能，另外，增加合金含量会导致成本提高和焊接性能下降，这些缺点制约了耐磨钢的进一步发展。
材料的耐磨性主要取决于其硬度，而韧性对材料的耐磨性也有着非常重要的影响。单单提高材料的硬度并不能保证材料在复杂工况下具有较佳的耐磨性和较长的使用寿命。通过调整成分与热处理工艺，控制低合金耐磨钢硬度和韧性的合理匹配，得到优良的综合机械性能，使其满足不同磨损工况的需要。
焊接可以解决各种钢材的连接，是十分重要的加工工艺，在工程应用中具有十分重要的作用。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，通常是焊前预热、焊后热处理，造成了焊接工艺的复杂性，特殊情况下的不可操作性，危及焊接结构的安全可靠性。对于高强度、高硬度的耐磨钢板，焊接问题尤为明显。
CN1140205A公开了一种中碳中合金耐磨钢，其碳及合金元素(Cr、Mo等)含量均远高于本发明，这必然导致焊接性能与机械加工性能较差。
CN1865481A公开了一种贝氏体耐磨钢，与本发明相比，其碳及合金元素(Si、Mn、Cr、Mo等)含量均较高，焊接性能、力学性能均较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种低合金易焊接高强高韧耐磨钢板，在添加微量合金元素基础上实现高强度、高硬度和高韧性的匹配，极易焊接、具有良好的机械加工性能，十分有益于工程上的广泛应用。
为实现上述目的，本发明的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板的化学成分重量百分比含量为C：0.08-0.21％、Si：0.15-0.45％、Mn：1.10-1.80％、P：≤0.015％、S：≤0.010％、Nb：0.010-0.040％、Al：0.010-0.080％、B：0.0006-0.0014％、Ti：0.005-0.050％、Ca：0.0010-0.0080％、V≤0.080％、Cr≤0.60％、N≤0.0080％、O≤0.0060％、H≤0.0004％，且满足：0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明耐磨钢的显微组织主要为马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体体积分数≤5％。
本发明的另一个目的在于提供该低合金易焊接高强高韧耐磨钢板的制造方法，该方法依次包括冶炼、铸造、加热、轧制和轧后直接冷却等步骤。其中加热步骤中，加热到温度为1000-1200℃；轧制步骤中，开轧温度：950-1150℃，终轧温度：800-950℃；轧后直接冷却步骤中，采用水冷，停冷温度：室温至300℃。
材料的化学成分对焊接性能有着重要的影响。碳和合金元素对钢的焊接的影响可用碳当量来表示，通过对钢的碳当量的估算，可以初步衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，碳当量越低，焊接性越好，反之，则焊接性越差，这对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。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
低焊接裂纹敏感性钢板的焊接裂纹敏感性指数Pcm可按下式确定：Pcm=C+Si／30+Ni／60+(Mn+Cr+Cu)／20+Mo／15+V／10+5B
焊接裂纹敏感性指数Pcm是反映钢的焊接冷裂纹倾向的判定指标，Pcm越低，焊接性越好，反之，则焊接性越差。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，在焊接前对钢进行预热，焊接性越好，则所需的预热温度越低，甚至不预热，反之则需要较高的预热温度。
由于本发明中科学设计了碳及合金元素含量，通过微合金元素的细化强化作用及控制轧制控制冷却过程的细化强化效果，使得钢板具有优异的力学性能(强、硬度、延伸率、冲击性能等)、焊接性能和耐磨性能。
本发明与现有技术的不同之处主要体现在以下几方面：
从化学成分上看，本发明涉及的耐磨钢的化学成分除C、Si、Mn等元素外，添加了少量Nb等元素，具有成分简单、成本低廉等特点；
从生产工艺上看，本发明涉及的耐磨钢板采用TMCP工艺生产，无需离线淬火和回火等热处理工序，具有生产流程短，生产效率高，节约能源，降低生产成本等特点；
从产品性能上看，本发明涉及的耐磨钢板具有高强度、高硬度，尤其具有很高的低温韧性，本发明生产的钢板具有优异的焊接性能。
从显微组织上看，本发明涉及的耐磨钢，显微组织主要为细的马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体体积分数≤5％，有益于耐磨钢板强硬度及韧性的良好匹配。
本发明涉及的耐磨钢板具有较明显的优势。控制碳和合金元素含量，研发低成本、焊接和力学性能佳、工艺简单的耐磨钢是社会经济和钢铁工业发展的必然趋势。
附图说明
图1是焊接试验中，斜Y坡口焊接裂纹试件的形状和尺寸。
图2为实施例5钢板显微组织为细的马氏体和少量残余奥氏体，这保证了钢板具有较佳的力学性能。
具体实施方式
下面结合一些实施例对本发明作进一步阐述。这些实施例仅仅是对本发明的一些实施方式的描述，并不对本发明的范围构成任何限制。
本发明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。
本发明所涉及的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板的化学成分作用如下：
碳：碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素，可以提高钢的强度和硬度，进而提高钢的耐磨性，但其对钢的韧性和焊接性能不利，因此，应合理控制钢中的碳含量为0.08-0.21％，优选为0.11-0.19％。
硅：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，增加熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量，因此含量不易过多，本发明中控制硅为0.15-0.45％，优选地为0.15-0.40％。
锰：锰强烈增加钢的淬透性，降低耐磨钢转变温度和钢的临界冷却速度。但锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，而且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，本发明中控制锰含量为1.10-1.80％，优选地1.20-1.70％。
铌：Nb的细化晶粒和析出强化作用，对提高材料强韧性贡献是极为显著的，是强烈的C、N化物的形成元素，强烈地抑制奥氏体晶粒长大。Nb通过晶粒细化同时提高钢的强度和韧性，Nb主要通过析出强化和相变强化来改善和提高钢的性能，Nb已经被作为HSLA钢中最有效的强化剂之一，本发明中控制铌为0.010-0.040％，优选地为0.010-0.035％。
铝：铝和钢中氮能形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢的晶粒。铝可细化钢的晶粒，固定钢中的氮和氧，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，本发明中Al含量控制在0.010-0.080％，优选地为0.020-0.060％。
硼：硼增加钢的淬透性但含量过高将导致热脆现象，影响钢的焊接性能及热加工性能，因此需要严格控制B含量，本发明中控制硼含量为0.0006-0.0014％，优选地为0.0008-0.0014％。
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，本发明中控制钛为0.005-0.050％，优选地为0.005-0.045％。
铌和钛的复合加入，可以获得更好的晶粒细化效果，减小原奥氏体晶粒尺寸，有利于细化淬火后的马氏体条，提高强度和耐磨性，TiN等在高温下的未溶解性，可阻止热影响区晶粒的粗化，提高热影响区的韧性，从而改善钢的焊接性，故铌和钛的含量范围如下：0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，优选地为0.035％≤Nb+Ti≤0.070％。
钛均能形成细小颗粒进而细化晶粒，铝可以保证细小钛颗粒的形成，充分发挥钛的细化晶粒作用，故铝和钛的含量范围如下：0.030％≤Al+Ti≤0.12％，优选地为0.040％≤Al+Ti≤0.11％。
钙：钙对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，铸钢中加入适量钙可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，钙所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，易于上浮排除。钙还显著降低硫在晶界的偏聚，这些都有益于提高铸钢的质量，进而提高钢的性能。本发明中控制钙含量为0.0010-0.0080％，优选地为0.0010-0.0060％。
钒：钒的加入主要是为了细化晶粒，使钢坯在加热阶段奥氏体晶粒不至于生长的过于粗大，这样，在随后的多道次轧制过程中，可以使钢的晶粒得到进一步细化，提高钢的强度和韧性，本发明中控制钒为≤0.080％，优选地为≤0.060％。
铬：铬可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。铬在钢中可以形成(Fe，Cr)3C、(Fe，Cr)7C3和(Fe，Cr)23C7等多种碳化物，提高强度和硬度。铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性，本发明中控制铬含量为≤0.60％，优选为≤0.40％。
磷与硫：在耐磨钢中，硫与磷均为有害元素，它们的含量要严格控制，本发明所涉及钢种中控制磷含量≤0.015％，优选≤0.010％；硫含量≤0.010％，优选≤0.005％。
氮、氧与氢：钢中过多的氧和氮对钢的性能尤其是焊接性和韧性能是十分不利的，但控制过严会大幅增加生产成本，因此，本发明所涉及钢种中控制氮含量≤0.0080％，优选≤0.0050％；氧含量≤0.0060％，优选≤0.0040％；氢含量≤0.0004％，优选≤0.0003％。
本发明上述低合金易焊接高强高韧耐磨钢板的制造方法，依次包括冶炼、铸造、加热、轧制和轧后直接冷却等步骤。其中加热步骤中，加热到温度为1000-1200℃；轧制步骤中，开轧温度：950-1150℃，终轧温度：800-950℃；轧后直接冷却步骤中，采用水冷，停冷温度：室温至300℃。
优选地，在所述加热过程中，加热温度为1000-1150℃，更优选加热温度为1000-1130℃，为提高生产效率并防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化，最优选加热温度为1000-1110℃。
优选地，开轧温度：950-1100℃，终轧温度：800-900℃，更优选地，开轧温度：950-1080℃，终轧温度：800-890℃，最优选地，开轧温度：950-1050℃，终轧温度：800-880℃。
优选地，停冷温度为室温至280℃，更优选停冷温度为室温至250℃，最优选停冷温度为室温至200℃。
本发明通过合理设计化学成分(C、Si、Mn、Nb等元素的含量及配比)，严格控制了碳和微合金含量。这样的成分设计得到的耐磨钢板具有易焊接性，适合需要焊接的工程机械使用领域。另外，由于不含有Mo和Ni等元素，可大大降低耐磨钢生产成本。
本发明的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板具有高强、高硬及极佳的冲击韧性等，易进行切割、弯曲等机械加工，具有很强的适用性。
本发明生产的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板：抗拉强度为1160-1410MPa，延伸率为14-16％；布氏硬度为390-470HBW；其-40℃夏比V型纵向冲击功为50-110J，并且具有优异的焊接性能，增强了耐磨钢的适用性。
实施例
本发明实施例1-8和对比例1为(专利CN1865481A)的钢板化学元素质量百分配比如表1所示。
将冶炼原料按照步骤：冶炼→铸造→加热→轧制→轧后直接冷却进行制造。实施例1-8中的具体工艺参数参见表2。
由表1可知，对比例1中碳含量和合金含量较高，Ceq和Pcm值远高于本发明钢种，焊接性能必然与本发明钢种相差较大。
试验例1：力学性能试验
按照GB／T2974取样方法取样，并按照GB／T231.1试验方法对本发明实施例1-8的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板进行硬度测试；按照GB／T229试验方法进行冲击试验；按照GB／T228试验方法进行拉伸试验；按照GB／T232试验方法进行弯曲试验，其结果见表3。
表3本发明实施例1-8及对比例1的力学性能
从表3可以看出，本发明实施例1-8的钢板抗拉强度：1160-1410MPa，延伸率：14％-16％，布氏硬度：390-470HBW，-40℃夏比V型纵向冲击功：50-110J，以上说明本发明所涉及钢板不但具有高强、高硬、高延伸率等特点，而且具有优异的低温冲击韧性。本发明所涉及钢板强、硬度、延伸率明显优于对比例1。
图2为实施例5钢板显微组织为细的马氏体和少量残余奥氏体，这保证了钢板具有较佳的力学性能。
其他实施例也能得到类似的显微组织。
试验例2：焊接性试验
按照《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》(GB4675.1-84)对本发明耐磨钢板进行斜Y坡口焊接裂纹试验，分五组进行试验。斜Y坡口焊接裂纹试件的形状和尺寸见图1。
首先焊接拘束焊缝，拘束焊缝采用富Ar气体保护焊焊接，使用Φ1.2的JM-58焊丝，焊接过程中严格控制了试件的角变形。焊后冷却室温后进行试验焊缝的焊接。试验焊缝在室温下进行焊接，试验焊缝完成48小时后，检测焊缝表面裂纹、断面裂纹和根部裂纹。经过解剖试验，利用着色法对焊缝的表面、断面、根部分别进行检查。焊接规范为170A×25V×160mm／min。
对本发明实施例1-8的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板进行焊接性能试验，试验结果如表4所示。
表4本发明实施例1-8的焊接性能试验结果
由表4可知，本发明实施例1-8的耐磨钢板在不预热(预热80℃)、环境温度8-33℃条件下焊接后均未出现裂纹，说明本发明耐磨钢板具有极佳的焊接性能，尤其对大尺寸焊件极为适用。
试验例3：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。用粒度为80目的砂纸，在42N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 = 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。每次实验称重三次取平均值，然后计算失重，用每米失重来表示试样的磨损率(mg／M)。
对本发明的实施例1-8的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板进行耐磨性试验。本发明的实施例钢种与对比例2钢(对比例2钢板硬度为360HBW)的磨损试验结果见表5。
表5本发明实施例1-8与对比例2的磨损试验结果
钢种 试验温度 磨损试验条件 磨损率(mg／M)
实施例1 室温 80目砂纸／42N载荷 9.253
实施例2 室温 80目砂纸／42N载荷 9.107
实施例3 室温 80目砂纸／42N载荷 8.985
实施例4 室温 80目砂纸／42N载荷 8.823
实施例5 室温 80目砂纸／42N载荷 8.711
实施例6 室温 80目砂纸／42N载荷 8.567
实施例7 室温 80目砂纸／42N载荷 8.358
实施例8 室温 80目砂纸／42N载荷 8.236
对比例2 室温 80目砂纸／42N载荷 10.673
从表5可知，在此磨损条件下，本发明的低合金易焊接高强高韧耐磨钢板的耐磨性能优于对比例2钢板耐磨性。
本发明涉及的耐磨钢的化学成分除C、Si、Mn等元素外，添加了少量Nb等元素，具有成分简单、成本低廉等特点；本发明的耐磨钢板采用TMCP工艺生产，无需离线淬火和回火等热处理工序，具有生产流程短，生产效率高，节约能源，降低生产成本等特点；本发明的耐磨钢板具有高强度、高硬度，尤其具有很高的低温韧性，本发明生产的钢板具有优异的焊接性能。本发明的耐磨钢，显微组织主要为细的马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体体积分数≤5％，抗拉强度为1160-1410MPa，延伸率为14-16％；布氏硬度为390-470HBW；其-40℃夏比V型纵向冲击功为50-110J，有益于耐磨钢板强硬度及韧性的良好匹配。因此，本发明涉及的耐磨钢板具有较明显的优势。

Claims (23)

1.一种耐磨钢板，其重量百分比组成为：C：0.11-0.21％、Si：0.15-0.45％、Mn：1.10-1.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb：0.010-0.040％、Al：0.010-0.080％、B：0.0006-0.0014％、Ti：0.005-0.050％、Ca：0.0010-0.0080％、V≤0.080％、Cr≤0.60％、N≤0.0080％、O≤0.0060％、H≤0.0004％，且满足：0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，C：0.11-0.19％。
3.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Si：0.15-0.40％。
4.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Mn：1.20-1.70％。
5.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，P≤0.010％。
6.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，S≤0.005％。
7.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Nb：0.010-0.035％。
8.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Al：0.020-0.060％。
9.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，B：0.0008-0.0014％。
10.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Ti：0.005-0.045％。
11.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Ca：0.0010-0.0060％。
12.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，V≤0.060％。
13.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Cr≤0.40％。
14.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，N≤0.0050％。
15.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，O≤0.0040％。
16.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，H≤0.0003％。
17.如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，0.035％≤Nb+Ti≤0.070％，0.040％≤Al+Ti≤0.11％。
18.如权利要求1-17任一所述的耐磨钢板，其特征在于，抗拉强度为1170-1410MPa，延伸率为14-16％；布氏硬度为390-470HBW；其-40℃夏比V型纵向冲击功为50-110J。
19.权利要求1-18任一所述的耐磨钢板的制造方法，依次包括：冶炼、铸造、加热、轧制和轧后直接冷却步骤；
在加热步骤中，加热温度为1000-1200℃，保温时间为1-2小时；
在轧制步骤中，开轧温度为950-1150℃，终轧温度为800-950℃；
在冷却步骤中，采用水冷，停冷温度为室温至300℃。
20.如权利要求19所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，保温时间为2小时。
21.如权利要求20所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，板坯加热温度为1000-1150℃。
22.如权利要求19所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，开轧温度为950-1100℃，终轧温度为800-900℃。
23.如权利要求19所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，停冷温度为室温至280℃。
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