CN103194674B - 一种hb360级耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种HB360级耐磨钢板及其制造方法，其化学成分的重量百分比为：C0.08-0.20%，Si0.10-1.00%，Mn1.00-2.00%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cr≤1.20%，Mo≤0.80%，Ni≤1.00%，Nb≤0.080%，Al0.010-0.100%，B0.0005-0.0040%，Ti0.005-0.050%，Ca0.0010%～0.0080%，N≤0.0080%，O≤0.0080%，H≤0.0004%，且满足0.20%≤（Cr/5+Mn/6+50B）≤0.55%,0.02%≤（Mo/3+Ni/5+2Nb）≤0.45%，0.01%≤（Al+Ti）≤0.13%，其余为Fe和不可避免的杂质；其抗拉强度1100-1400MPa，延伸率14-16%，布氏硬度360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功80-200J。本发明通过以上成分及各热处理工艺得到的钢板强度硬度高，韧性佳，易焊接，机械加工性能优异，适用于各种机械设备中易磨损部件。

Description

一种HB360级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HB360级耐磨钢板及其制造方法；其力学性能：抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14-16%，布氏硬度为360-440HBW，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J。

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。

传统上一般选用奥氏体高锰钢生产耐磨部件。奥氏体高锰钢在大的冲击载荷作用下，可发生应变诱导马氏体相变，提高其耐磨性。奥氏体高锰钢受限于合金元素含量高、机械加工、焊接性能差、初始硬度低，并不适合广泛应用。

近几十年来，耐磨钢的开发与应用发展很快，一般添加适量的碳及合金元素，通过铸造、轧制及热处理等方式进行生产。从组织特征角度耐磨钢可分为奥氏体耐磨钢、贝氏体耐磨钢及马氏体耐磨钢，其主要通过增加碳含量并加入适量的微量元素，如铬、钼、镍、钒、钨、钴、硼等，充分利用相变强化等强化方式提高耐磨钢的力学性能，但普遍存在延伸率及冲击韧性略低等缺点。

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，得到优良的综合力学性能，进而提高复杂工况下的耐磨性能及使用寿命，才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，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，尤其是当焊接高强耐磨钢时，冷裂纹出现的倾向很大。对于高强度耐磨钢板，焊接问题尤为明显。

现有的部分耐磨钢专利，如中国专利CN1132264A、CN1189542A、CN1385549A、CN1865481A和CN1132263A公开的均为高硅、高锰成分体系，并含有较多的合金元素，不宜于焊接，限制了耐磨钢在工业上的广泛应用。

因此，合理设计碳和合金元素的种类及含量，研发高性能且适用性强的低合金耐磨钢具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种HB360级耐磨钢板及其制造方法，该HB360级耐磨钢板在添加适量合金元素的基础上实现高强度、高硬度和高韧性的匹配，并具有易焊接、机械加工性能优异等特点，有益于工程上的广泛应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种HB360级耐磨钢板，其化学成分的重量百分比为:C：0.08-0.20%，Si：0.10-1.00%，Mn：1.00-2.00%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cr≤1.20%，Mo≤0.80%，Ni≤1.00%，Nb≤0.080%，Al：0.010-0.10%，B：0.0005-0.0040%，Ti：0.005-0.050%，Ca0.0010%～0.0080%，N≤0.0080%，O≤0.0080%，H≤0.0004%，且满足0.20%≤（Cr/5+Mn/6+50B）≤0.55%,0.02%≤（Mo/3+Ni/5+2Nb）≤0.45%，0.010%≤（Al+Ti）≤0.13%，其余为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为马氏体和残余奥氏体，且残余奥氏体的体积分数≤5%；其典型力学性能：抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14-16%，布氏硬度为360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J。

较佳的，化学成分满足0.20%≤（Cr/5+Mn/6+50B）≤0.50%,0.04%≤（Mo/3+Ni/5+2Nb）≤0.45%，0.02%≤（Al+Ti）≤0.13%，以重量百分比计。

本发明的HB360级耐磨钢的显微组织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HB360级耐磨钢中各化学成分的作用如下：

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，控制钢中的碳含量为0.08-0.20wt.%，优选为0.09-0.20wt.%。

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下降，焊接性能降低，因此本发明HB360级耐磨钢中控制硅含量为0.10-1.00wt.%，优选为0.10-0.50wt.%或0.60-1.00wt.%。

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HB360级耐磨钢中控制锰含量为1.00-2.00wt.%，优选为1.00-1.80wt.%。

铬：铬可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。铬在钢中可以形成多种碳化物，提高强度和硬度，本发明HB360级耐磨钢中控制铬含量为≤1.20wt.%，优选为≤1.00wt.%。

钼：钼可以细化晶粒，提高强度和韧性。钼在钢中存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含钼钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。本发明HB360级耐磨钢中控制钼含量≤0.80wt.%，优选为≤0.60wt.%。

镍：镍具有明显降低冷脆转变温度的作用，但含量过高易导致钢板表面氧化皮难以脱落，且成本显著增加，本发明HB360级耐磨钢中控制镍含量≤1.00wt.%，优选为≤0.80wt.%。

铌：铌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，是强烈的碳、氮化物的形成元素，强烈地抑制奥氏体晶粒长大，本发明HB360级耐磨钢中控制铌含量为≤0.080wt.%，优选为≤0.060wt.%。

铝：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HB360级耐磨钢中铝含量控制在0.010-0.10wt.%，优选为0.010-0.080wt.%。

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，因此需要严格控制硼含量，本发明HB360级耐磨钢中控制硼含量为0.0005-0.0040wt.%，优选为0.0005-0.0020wt.%。

钛：钛是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒，分布在晶界，达到细化晶效果，本发明HB360级耐磨钢中控制钛为0.005-0.050wt.%，优选为0.005-0.040wt.%。

钛和铝：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控制为0.01%≤Al+Ti≤0.13%效果更好，优选为0.02%≤Al+Ti≤0.13%。

钙：钢中加入适量钙可将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，本发明HB360级耐磨钢中控制钙含量为0.0010%～0.0080wt.%，优选为0.0010%～0.0050wt.%。

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，但控制过严会导致成本大幅增加，本发明所涉及钢种中控制磷含量≤0.015wt.%，优选为≤0.012wt.%；控制硫含量≤0.010wt.%，优选为≤0.005wt.%。

氮、氧、氢：钢中过多的氮、氧和氢对钢的性能尤其对焊接性、冲击韧性和抗裂性是十分不利的，降低钢板的质量及使用寿命，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≤0.0080wt.%，优选为≤0.0050wt.%；控制氧含量≤0.0080wt.%，优选为≤0.0050wt.%；控制氢含量≤0.0004wt.%，优选为≤0.0003wt.%。

本发明所涉及的钢种通过元素种类及含量的科学设计，在添加适量合金元素的基础上实现了高强度、高硬度和高韧性的匹配；其抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14-16%，布氏硬度为360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J。

本发明的HB360级耐磨钢板的制造方法，包括如下步骤：

按上述化学成分配比冶炼，经铸造、加热、轧制、淬火和回火等步骤获得所述HB360级耐磨钢板；其中在加热步骤中，加热到温度为1000-1200℃，保温时间为1-3小时；在轧制步骤中，采用自由轧制，轧后空冷；在淬火步骤中，加热温度为880-980℃，保温时间为30-120min，优选为30-90min；在回火步骤中，加热温度为100-400℃，保温时间为30-120min，优选为30-100min。

优选的，在加热过程中，加热温度为1030-1200℃；更优选的，在加热过程中，加热温度为1050-1200℃，为提高生产效率并防止奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化，最优选的加热温度为1050-1180℃。

优选的，在淬火步骤中，加热温度为880-970℃；更优选的，在淬火步骤中，加热温度为880-960℃；最优选的，在淬火步骤中，加热温度为890-960℃。

优选的，在回火步骤中，加热温度为100-380℃；更优选的，加热温度为120-380℃；最优选的，加热温度为150-380℃。

由于本发明的HB360级耐磨钢板中科学设计了碳及合金元素的种类和含量，通过合金元素的作用以及具体加热、淬火和回火等热处理工艺的强韧化作用，使获得的耐磨钢板具有优异的力学性能（强度、硬度、延伸率、冲击性能等）、焊接性能和耐磨性能。

本发明的HB360级耐磨钢板与现有技术相比具有以下特点：

1、从化学成分上看，本发明的耐磨钢板的化学成分以低碳低合金为主，通过适量的C含量（0.08-0.20%）保证耐磨钢板具有较高的硬度及耐磨性，并提高钢板的可焊性；通过限制Cr与Mn、B或Mo与Ni、Nb的元素含量，充分发挥合金元素的细化、强化作用，进而保证钢板具有优异的强韧性、焊接性及耐磨钢性能。

2、从生产工艺上看，本发明的耐磨钢板采用淬火加回火工艺生产，通过准确控制淬火、回火温度得到组织细化、强韧性佳的耐磨钢板，同时该工艺具有简单、易控，生产过程稳定等特点.

3、从产品性能上看，本发明的耐磨钢板具有高强度、高硬度、高低温韧性（抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14-16%，布氏硬度为360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J）等优点，并具有良好的焊接性能。这主要是较低的碳含量及适量的合金元素能够提高钢板淬透性，在恰当的淬火+回火工艺下得到细化的马氏体组织及部分残余奥氏体，进而得到强韧性适中的耐磨钢板。另外，回火可以消除淬火态钢板的内应力，使得钢板有较佳的韧性，提高耐磨钢板的使用性能。

总之，本发明的HB360级耐磨钢板具有较明显的优势，通过控制碳和合金元素的含量以及合适的淬火+回火工艺得到的耐磨钢板成本低、强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，易焊接，适用于各种机械设备中易磨损部件，该种类型的耐磨钢板是社会经济和钢铁工业发展的必然趋势。

附图说明

图1为本发明实施例5钢板显微组织图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，应明确，这些实施例仅用于对本发明的具体实施方式的描述，并不用于对本发明的保护范围构成任何限制。

以下实施例1-10的耐磨钢板和对比例1的钢板，其化学成分的重量百分比如表1所示；实施例1-10的耐磨钢板和对比例1的钢板的制造方法为：将相应的冶炼原料依次按照如下步骤进行：冶炼→铸造→加热→轧制→淬火→回火，控制各实施例及对比例1（对比例1为专利CN1865481A中实施例）中的钢板化学元素质量百分配比；其中在加热步骤中，加热到温度为1000-1200℃，保温时间为1-3小时；在轧制步骤中，采用自由轧制，轧后空冷；在淬火步骤中，加热温度为880-980℃，保温时间为30-120min；在回火步骤中，加热温度为100-400℃，保温时间为30-120min；实施例1-10的具体工艺参数如表2所示。

表1                            单位：重量百分比

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Nb	Al	B	Ti	Ca	N	O	H
																	实施例1	0.08	1.00	1.82	0.012	0.006	0.32	0.11	0.35	0.015	0.056	0.0015	0.035	0.0020	0.0040	0.0040	0.0003
实施例2	0.10	0.83	1.69	0.010	0.005	0.66	0.45	/	0.060	0.019	0.0018	0.012	0.0040	0.0050	0.0050	0.0002
																	实施例3	0.12	0.45	1.55	0.015	0.006	1.00	0.15	/	0.041	0.038	0.0005	0.038	0.0050	0.0040	0.0030	0.0004
实施例4	0.15	0.71	1.63	0.009	0.004	0.58	/	/	0.080	0.10	0.0015	0.045	0.0080	0.0030	0.0030	0.0003
																	实施例5	0.14	0.83	1.00	0.008	0.003	/	/	/	0.015	0.030	0.0016	0.022	0.0020	0.0080	0.0080	0.0002
实施例6	0.17	0.50	1.35	0.009	0.005	0.25	0.10	1.00	0.021	0.052	0.0013	0.016	0.0040	0.0030	0.0040	0.0002
																	实施例7	0.16	0.46	1.44	0.012	0.002	0.48	0.22	/	0.033	0.080	0.0020	0.025	0.0030	0.0040	0.0030	0.0003
实施例8	0.18	0.25	1.46	0.010	0.003	0.35	0.23	/	/	0.036	0.0013	0.050	0.0030	0.0030	0.0040	0.0002
																	实施例9	0.19	0.28	1.53	0.007	0.004	/	0.33	0.26	0.019	0.028	0.0015	0.022	0.0020	0.0040	0.0020	0.0002
实施例10	0.20	0.10	1.00	0.008	0.005	0.22	0.21	/	/	0.055	0.0017	0.028	0.0030	0.0030	0.0030	0.0002
																	对比例1	0.30	0.8	2.05	＜0.04	＜0.03	0.6	0.6	-	-	-	-	-	-	-	-	-

表2

1、力学性能试验

对实施例1-10的HB360级耐磨钢板进行力学性能测试，其结果如表3所示。

表3

从表3中可以看出，实施例1-10的钢板的抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14%-16%，布氏硬度为360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J，说明本发明所涉及的钢板不但具有高强、高硬、高延伸率等特点，而且具有优异的低温冲击韧性，其力学性能明显优于对比例1的钢板性能。

2、耐磨性能试验：

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，计算公式如下：

$S=\frac{\mathrm{\π}({r_1}^2-{r_2}^2)}{a}$

上式中，r1为螺旋线的起始半径，mm，r2为螺旋线的终止半径，mm，a为螺旋线的进给量，mm。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1-10的高性能耐磨钢板进行耐磨性试验。本发明的实施例钢种与对比例1钢的磨损试验结果见表4。

表4

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/84N载荷	14.892
实施例2	室温	80目砂纸/84N载荷	14.773
				实施例3	室温	80目砂纸/84N载荷	14.667
实施例4	室温	80目砂纸/84N载荷	14.586

实施例5	室温	80目砂纸/84N载荷	14.485
				实施例6	室温	80目砂纸/84N载荷	14.325
实施例7	室温	80目砂纸/84N载荷	14.252
				实施例8	室温	80目砂纸/84N载荷	14.268
实施例9	室温	80目砂纸/84N载荷	14.102
				实施例10	室温	80目砂纸/84N载荷	13.958
对比例1	室温	80目砂纸/84N载荷	15.001

从表4可知，在室温、80目砂纸/84N载荷的磨损条件下，本发明的高性能耐磨钢板的耐磨性能优于对比例1钢板耐磨性。

3、焊接性试验

按照《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》（GB4675.1-84）对各实施例耐磨钢板进行斜Y坡口焊接裂纹试验，分五组进行试验。

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。

对实施例1-10的高性能耐磨钢板进行焊接性能试验，试验结果如表5所示。

表5

由表5可知，实施例1-10的耐磨钢板在不预热、预热50-100℃、环境温度20-40℃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。

4、显微组织

将实施例5的耐磨钢板进行检测获得其显微组织，如图1所示，为细化的马氏体和少量残余奥氏体，其中残余奥氏体体积分数≤5%，这保证了钢板具有优异的力学性能和耐磨性能。

本发明科学设计了碳、合金成分及其相应的配比，降低了合金成本，并合理设计淬火和回火热处理工艺，使获得的耐磨钢板具有优异的力学性能和焊接性能。本发明生产的HB360级耐磨钢板具有高强、高硬及优异的低温冲击韧性，易焊接，易进行切割、弯曲等机械加工，适用于各种机械设备中易磨损部件，具有很强的适用性。

Claims (12)

1.一种HB360级耐磨钢板，其化学成分的重量百分比为:C：0.08-0.20％，Si：0.10-1.00％，Mn：1.00-2.00％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr≤1.20％，Mo≤0.80％，Ni≤1.00％，Nb：0.015-0.080％，Al：0.010-0.10％，B：0.0005-0.0040％，Ti：0.005-0.050％，Ca 0.0010％～0.0080％，N≤0.0080％，O≤0.0080％，H≤0.0004％，且满足0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％,0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％，其余为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为马氏体和残余奥氏体，且残余奥氏体的体积分数≤5％；其力学性能：抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14-16％，布氏硬度为360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J。

2.如权利要求1所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，C：0.09-0.20％，Si：0.10-0.50％或0.60-1.00％，以重量百分比计。

3.如权利要求1所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，Mn：1.00-1.80％；0.0010％≤Ca≤0.0050％，以重量百分比计。

4.如权利要求1所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，Cr≤1.00％；Mo≤0.60％；Ni≤0.80％；Nb≤0.060％，以重量百分比计。

5.如权利要求1所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，Al：0.010-0.080％；B：0.0005-0.0020％；Ti：0.005-0.040％，以重量百分比计。

6.如权利要求1所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，P≤0.012％；S≤0.005％；N≤0.0050％；O≤0.0050％；H≤0.0003％，以重量百分比计。

7.如权利要求1-6任一所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.50％,0.04％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，以重量百分比计。

8.如权利要求1-6任一所述的HB360级耐磨钢板，其特征在于，0.02％≤Al+Ti≤0.13％，以重量百分比计。

9.如权利要求1-8任一所述的HB360级耐磨钢板的制造方法，包括如下步骤：按上述化学成分配比冶炼，经铸造、加热、轧制、淬火和回火步骤，获得所述HB360级耐磨钢板；其中在加热步骤中，加热温度为1000-1200℃，保温时间为1-3小时；在轧制步骤中，采用自由轧制，轧后空冷；在淬火步骤中，加热温度为880-980℃，保温时间为30-120min；在回火步骤中，加热温度为100-400℃，保温时间为30-120min；所获得的HB360级耐磨钢板的显微组织为马氏体和残余奥氏体，且残余奥氏体的体积分数≤5％；其力学性能：抗拉强度为1100-1400MPa，延伸率为14-16％，布氏硬度为360-440HB，-40℃夏比V型纵向冲击功为80-200J。

10.如权利要求9所述的HB360级耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在加热步骤中，板坯加热温度为1030-1200℃。

11.如权利要求9所述的HB360级耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在淬火步骤中，加热温度为880-970℃，保温时间为30-90min。

12.如权利要求9所述的HB360级耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在回火步骤中，加热温度为100-380℃，保温时间为30-100min。