CN103194684B - 一种耐磨钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐磨钢板及其制造方法,其化学成分重量百分比为:C0.15‑0.35%,Si0.10‑0.60%,Mn0.30‑1.60%,P≤0.015%,S≤0.010%,Ti0.10‑1.00%,Cr0.20‑1.50%,Mo≤0.80%,Ni≤1.50%,V≤0.10%,B0.0005‑0.0040%,Al0.010‑0.080%,Ca0.0010‑0.0080%,N≤0.0080%,O≤0.0080%,H≤0.0004%,其余为Fe和不可避免的杂质;其抗拉强度大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度为大于400HB,‑40℃夏比V型纵向冲击功大于50J。该耐磨钢板强硬度高,耐磨性佳,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,特别是涉及一种耐磨钢板及其制造方法;其抗拉强度为大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度为大于400HB,-40℃夏比V型纵向冲击功大于50J;显微组织为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%。
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,目前普遍应用的为马氏体耐磨钢。这种类型的耐磨钢主要通过增加碳含量并加入适量的合金元素,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。然而,由于马氏体耐磨钢强、硬度过高,存在切割、弯曲等机械加工性能差等缺点;若提高机械加工性能,则强硬度降低,必将降低钢板的耐磨性。因此,开发耐磨性及机械加工性能均十分优异的耐磨钢是将来发展的必然趋势。
中国专利CN101250673公开了一种低碳低合金耐磨钢,采用淬火+回火热处理工艺生产,强硬度很高,但机械加工性能略差。中国专利CN102560272A公开了一种中碳低合金耐磨钢,采用TMCP工艺生产,强硬度非常高,机械加工性能必然较差,对机械加工要求较高的设备而言也不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨钢板及其制造方法,其抗拉强度为大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度为大于400HB,-40℃夏比V型纵向冲击功大于50J;显微组织为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%,并且该耐磨钢板具有优异的低温冲击韧性和良好的机械加工性能,适用于各种机械设备中的易磨损部件,十分有益于工程上的广泛应用。
为实现上述目的,本发明采用如下的技术方案:
一种耐磨钢板,其化学成分的重量百分比为:C:0.15-0.35%,Si:0.10-0.60%,Mn:0.30-1.60%,P≤0.015%,S≤0.010%,Ti:0.10-1.00%,Cr:0.20-1.50%,Mo≤0.80%,Ni≤1.50%,V≤0.10%,B:0.0005-0.0040%,Al:0.010-0.080%,Ca:0.0010-0.0080%,N≤0.0080%,O≤0.0080%,H≤0.0004%,其余为Fe和不可避免的杂质;其抗拉强度为大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度为大于400HB,-40℃夏比V型纵向冲击功大于50J;其显微组织为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%。
本发明的耐磨钢板的显微组织为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%。
本发明所涉及的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,应合理控制耐磨钢中的碳含量为0.15-0.35wt.%,优选为0.17-0.35wt.%。
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,因此含量不易过多,本发明耐磨钢中控制硅为0.10-0.60wt.%,优选地为0.15-0.60wt.%。
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,本发明耐磨钢中控制锰含量为0.30-1.60wt.%,优选为0.30-1.50wt.%。
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。另外,大量、均匀分布的TiC颗粒十分有益于提高钢的耐磨性,本发明耐磨钢中控制钛含量为0.10-1.0wt.%,优选为0.20-1.00wt.%。
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。本发明耐磨钢中控制铬含量为0.20-1.50wt.%,优选为0.20-1.20wt.%。
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。本发明耐磨钢中控制钼含量在≤0.80wt.%的范围内,优选为≤0.50wt.%。
镍:镍可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性,并具有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,本发明耐磨钢中控制镍含量在≤1.50wt.%范围内,优选为≤1.00wt.%。
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,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,本发明耐磨钢中控制钒为≤0.10wt.%,优选为≤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,本发明耐磨钢中控制硼含量为0.0005-0.0040wt.%,优选为0.0005-0.0025wt.%。
铝:铝可细化晶粒,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,本发明耐磨钢中铝含量控制在0.010-0.080wt.%,优选为0.020-0.080wt.%。
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。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,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:钢中过多的氧、氮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.%,氢含量优选为≤0.0003wt.%。
本发明的耐磨钢板的制造方法,按上述化学成分配比冶炼,经铸造、加热、轧制、轧后直接冷却获得所述耐磨钢板;其中,在加热步骤中,板坯加热温度为1000-1250℃,保温1-3小时;在轧制步骤中,粗轧温度为950-1200℃,精轧温度为790-880℃;在冷却步骤中,采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温,其中水冷冷却速度≥20℃/s;所获得的耐磨钢板的显微组织主要为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%,抗拉强度大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度为大于400HB,-40℃夏比V型纵向冲击功大于50J。
所述轧后直接冷却后还包括回火步骤,在回火步骤中,加热温度为100-400℃,保温30-120min。
优选的,在所述加热过程中,加热温度为1050-1250℃;更优选的加热温度为1060-1250℃;为提高Ti在钢中的溶解效果,最优选的加热温度为1080-1250℃。
优选的,在轧制步骤中,粗轧温度为980-1200℃,粗轧阶段轧制压下率大于20%,精轧温度为790-870℃,精轧阶段轧制压下率大于40%;更优选的,粗轧温度为990-1200℃,粗轧阶段轧制压下率大于25%,精轧温度为795-870℃,精轧阶段轧制压下率大于45%;最优选的,粗轧温度为990-1180℃,粗轧阶段轧制压下率大于28%,精轧温度为795-865℃,精轧阶段轧制压下率大于50%。
优选的,在冷却步骤中,停冷温度为380℃以下,水冷冷却速度≥23℃/s;更优选的,停冷温度为350℃以下,水冷冷却速度≥27℃/s;最优选的,停冷温度为330℃以下,水冷冷却速度≥30℃/s。
优选的,在回火步骤中,加热温度为100-380℃,保温30-100min;更优选的,加热温度为100-350℃,保温30-100min;最优选的,加热温度为150-350℃,保温30-100min。
由于本发明的耐磨钢板科学设计了碳与其他合金元素的合适种类以及选择合金元素的合适含量,并通过上述加热、轧制及轧后直接冷却工艺等的细化、强化化作用,获得具有马氏体基体组织的耐磨钢板,并且组织中存在大量细小、均匀分布的硬质相TiC,其可显著提高耐磨钢板的力学性能(如硬度)和耐磨性能,尤其具有良好的机械加工性能。
本发明的耐磨钢板与现有技术相比具有如下特点:
1、从化学成分上看,本发明的耐磨钢板的合金成分以低碳低合金为主,充分利用元素Ti及其碳化物的细化、强化特点,在减少碳及合金元素Cr、Mo和Ni等含量的同时,保证耐磨钢板具有良好的耐磨性能和优异的机械加工性能等。
2、从生产工艺上看,本发明的耐磨钢板采用TMCP工艺生产,通过TMCP工艺中的开、终轧温度、轧制变形量及冷却速度等工艺参数的控制提高组织细化、强化效果,进而减少碳和合金元素含量,得到力学性能和焊接性能等均十分优异的钢板。此外,该工艺还具有生产流程短,效率高,节约能源,成本低等特点。
3、从产品性能上看,本发明的耐磨钢板具有在强高硬度不是很高的同时,具有优异的耐磨性能及良好的机械加工性能,这主要是大量均匀TiC硬质相存在的结果。
4、从显微组织上看,本发明的耐磨钢板,充分利用合金元素及控轧控冷工艺相结合得到细的马氏体组织及残余奥氏体(其中残余奥氏体体积分数≤5%)细小均匀分布的硬质相TiC,有益于提高耐磨钢板的耐磨性。
总之,本发明耐磨钢板合理控制碳和合金元素含量,在强硬度不是很高的条件下仍然具有优异的耐磨钢性能以及机械加工性能,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的耐磨钢板的显微组织图片;
图2为本发明实施例5耐磨钢板基体中的TiC形貌图;
图3为本发明实施例5耐磨钢板基体中的TiC能谱分析图;
图4为本发明实施例5耐磨钢板基体中的另一段TiC能谱分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述,应当明确,实施例仅仅是对本发明具体实施方式的描述,并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例
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含量如表1所示;实施例1-10的耐磨钢板和对比例1的钢板(对比例1为中国专利CN1865481A中的实施例)的制造方法为:将相应的冶炼原料冶炼,然后铸造→加热→轧制→轧后直接冷却→回火(可不回火),控制各实施例及对比例1中的钢板化学元素质量百分配比,其中,在加热步骤中,板坯加热温度为1000-1250℃,保温1-3小时;在轧制步骤中,粗轧温度为950-1200℃,精轧温度为790-880℃;在冷却步骤中,采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温,其中水冷冷却速度≥20℃/s;在回火步骤中,加热温度为100-400℃,保温30-120min;实施例1-10的具体工艺参数以及获得的耐磨钢板的厚度如表2所示。
表1单位:重量百分比
C Si Mn P S Ti Cr Mo Ni V Al B Ca N O H
实施例1 0.15 0.60 1.50 0.009 0.003 0.56 0.50 0.27 0.52 0.080 0.038 0.0012 0.0030 0.0030 0.0050 0.0002
实施例2 0.17 0.51 1.23 0.009 0.002 0.20 0.88 / / / 0.056 0.0018 0.0030 0.0040 0.0030 0.0002
实施例3 0.19 0.38 1.16 0.010 0.010 0.46 0.35 0.15 / 0.10 0.068 0.0015 0.0020 0.0030 0.0030 0.0003
实施例4 0.20 0.27 1.30 0.009 0.005 0.55 0.55 / 1.00 / 0.010 0.0020 0.0080 0.0050 0.0040 0.0004
实施例5 0.23 0.33 0.98 0.008 0.003 0.10 1.0 / / / 0.049 0.0005 0.0050 0.0030 0.0030 0.0002
实施例6 0.25 0.15 0.73 0.008 0.004 0.85 0.65 / / / 0.066 0.0018 0.0025 0.0080 0.0080 0.0003
实施例7 0.28 0.22 0.81 0.010 0.003 0.68 0.33 0.60 / 0.038 0.080 0.0040 0.0030 0.0030 0.0030 0.0003
实施例8 0.31 0.21 0.65 0.007 0.002 1.00 0.39 / / / 0.038 0.0018 0.0035 0.0040 0.0040 0.0003
实施例9 0.33 0.28 0.55 0.007 0.002 0.59 0.46 / 0.38 / 0.020 0.0015 0.0020 0.0030 0.0030 0.0002
实施例10 0.35 0.10 0.40 0.008 0.002 0.77 0.55 0.33 0.44 / 0.055 0.0016 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
对本发明实施例1-10的新型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可以看出,本发明实施例1-10获得的耐磨钢板,其抗拉强度:1200-1500MPa,延伸率:13%-15%,布氏硬度:400-500HB,-40℃夏比V型纵向冲击功:50-100J,增强了耐磨钢的适用性,以上说明本发明的耐磨钢板不但具有高强度、高硬度等特点,而且具有优异的低温冲击韧性。本发明所涉及的耐磨钢板的力学性能明显优于对比例1的钢板。
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84N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 = π ( r 1 2 - r 2 2 ) a
上式中,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1-10的高性能耐磨钢板分别进行耐磨性试验,实施例1-10的耐磨钢板与对比例2的钢种(对比例2是一种硬度为450HB的钢板)的磨损试验结果如表4所示。
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 13.015
实施例2 室温 80目砂纸/84N载荷 12.892
实施例3 室温 80目砂纸/84N载荷 12.756
实施例4 室温 80目砂纸/84N载荷 12.631
实施例5 室温 80目砂纸/84N载荷 12.503
实施例6 室温 80目砂纸/84N载荷 12.383
实施例7 室温 80目砂纸/84N载荷 12.262
实施例8 室温 80目砂纸/84N载荷 12.155
实施例9 室温 80目砂纸/84N载荷 12.016
实施例10 室温 80目砂纸/84N载荷 11.895
对比例2 室温 80目砂纸/84N载荷 13.585
从表4中可知,在室温、80目砂纸/84N载荷的磨损条件下,当实施例1-8的钢板硬度低于对比例2钢板硬度时,其耐磨钢性能优于对比例2钢板的耐磨性,这充分说明了本发明所涉及耐磨钢板具有优异的耐磨性。
3、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以及基体中的TiC形貌和能谱分析图,如图1、图2、图3和图4所示。从图1-图4中可知:该显微组织为细的马氏体和少量残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,尤其从图3和图4中可知,基体中含有细小均匀分布的硬质相TiC,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,并采用合适的轧制和冷却工艺,使得获得的耐磨钢板具有高强度、高硬度及高耐磨性等优异的力学性能,并且具有易切割、弯曲等机械加工性能,具有很强的适用性。

Claims (21)

1.一种耐磨钢板,其化学成分的重量百分比为:C:0.15-0.35%,Si:0.10-0.60%,Mn:0.30-1.60%,P≤0.015%,S≤0.010%,Ti:0.20-1.00%,Cr:0.20-1.50%,Mo≤0.80%,Ni≤1.50%,V≤0.10%,B:0.0005-0.0040%,Al:0.010-0.080%,Ca:0.0010-0.0080%,N≤0.0080%,O≤0.0080%,H≤0.0004%,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述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、轧后直接冷却获得所述耐磨钢板;其中,在加热步骤中,板坯加热温度为1000-1250℃,保温1-3小时;在轧制步骤中,粗轧温度为950-1200℃,精轧温度为790-880℃;在冷却步骤中,采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温,水冷冷却速度≥20℃/s;
所获得的耐磨钢板的抗拉强度大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度大于400HB,-40℃夏比V型纵向冲击功大于50J;其显微组织主要为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%。
2.如权利要求1所述的耐磨钢板,其特征在于,C:0.17-0.35%;Si:0.15-0.60%;Mn:0.30-1.50%,以重量百分比计。
3.如权利要求1所述的耐磨钢板,其特征在于,Cr:0.20-1.20%,以重量百分比计。
4.如权利要求1所述的耐磨钢板,其特征在于,Mo≤0.50%;Ni≤1.00%;V≤0.080%,以重量百分比计。
5.如权利要求1所述的耐磨钢板,其特征在于,B:0.0005-0.0025%;Al:0.020-0.080%,以重量百分比计。
6.如权利要求1所述的耐磨钢板,其特征在于,P≤0.012%;S≤0.005%,以重量百分比计。
7.如权利要求1所述的耐磨钢板,其特征在于,Ca:0.0010-0.0050%,N≤0.0050%;O≤0.0050%;H≤0.0003%,以重量百分比计。
8.如权利要求1-7任一所述的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、轧后直接冷却获得所述耐磨钢板;其中,在加热步骤中,板坯加热温度为1000-1250℃,保温1-3小时;在轧制步骤中,粗轧温度为950-1200℃,精轧温度为790-880℃;在冷却步骤中,采用水冷冷却至400℃以下再空冷至室温,水冷冷却速度≥20℃/s;所获得的耐磨钢板的显微组织主要为马氏体和残余奥氏体以及细小均匀分布的硬质相TiC,其中残余奥氏体体积分数≤5%,抗拉强度大于1200MPa,延伸率大于13%,布氏硬度大于400HB,-40℃夏比V型纵向冲击功大于50J。
9.如权利要求8所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,所述轧后直接冷却后还包括回火步骤,在回火步骤中,加热温度为100-400℃,保温30-120min。
10.如权利要求8或9所述的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1050-1250℃。
11.如权利要求8或9所述的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1060-1250℃。
12.如权利要求8或9所述的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1080-1250℃。
13.如权利要求8或9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,在轧制步骤中,粗轧温度为980-1200℃,粗轧阶段轧制压下率大于20%,精轧温度为790-870℃,精轧阶段轧制压下率大于40%。
14.如权利要求8或9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,在轧制步骤中,粗轧温度为990-1200℃,粗轧阶段轧制压下率大于25%,精轧温度为795-870℃,精轧阶段轧制压下率大于45%。
15.如权利要求8或9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,在轧制步骤中,粗轧温度为990-1180℃,粗轧阶段轧制压下率大于28%,精轧温度为795-865℃,精轧阶段轧制压下率大于50%。
16.如权利要求8或9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,在冷却步骤中,停冷温度为380℃以下,水冷冷却速度≥23℃/s。
17.如权利要求8或9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,在冷却步骤中,停冷温度为350℃以下,水冷冷却速度≥27℃/s。
18.在如权利要求8或9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,冷却步骤中,停冷温度为330℃以下,水冷冷却速度≥30℃/s。
19.如权利要求9所述的耐磨钢板的制造方法,其特征在于,在回火步骤中,回火温度为100-380℃,保温30-100min。
20.如权利要求9所述的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100-350℃,保温30-100min。
21.如权利要求9所述的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150-350℃,保温30-100min。
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