CN103228807A - 耐磨钢、制造耐磨钢的方法、以及由其制成的物品 - Google Patents

耐磨钢、制造耐磨钢的方法、以及由其制成的物品 Download PDF

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Abstract

一种耐磨钢的主要组成按重量%计为：0.20%-0.30%的碳、0.40%-1.25%的锰、最大为0.05%的磷、最大为0.01%的硫、0.20%-0.60%的硅、0.50%-1.70%的铬、0.20%-2.00%的镍、0.07%-0.60%的钼、0.022%-0.10%的钛、0.001%-0.10%的硼、0.027%-0.10%的铝、余量的铁以及附带的杂质。可以将该钢熔化并且铸成钢锭或者板坯、热轧至所希望的板厚度；在1650°F-1700°F下进行奥氏体化；水淬；并且在350°F-450°F下回火。所得到的钢板具有的表面硬度可以为至少440HBW，中间厚度处的硬度为表面硬度的至少90%，并且横向方向上的韧度在-60°F下为至少20ft-lbs并且在室温下为至少40ft-lbs。

Description

耐磨钢、制造耐磨钢的方法、以及由其制成的物品
发明背景
发明领域
本发明涉及一种耐磨钢、并且更特别地涉及一种具有良好淬透性、良好可焊性、以及高韧度的耐磨钢，并且涉及其制造方法。
相关技术的说明
用于制造多种工具的钢必须具有高的耐磨蚀和耐磨损性以及高的韧度以便避免断裂，这些工具是被用来对磨蚀材料进行提取、移动、以及加工的工具，这些磨蚀材料是诸如长途卡车车厢、推土机、斜槽、以及其他用于开采（煤炭、硬岩、金、银、以及其他物质）、木材和纸、生物质、采石、或者其他类似行业的材料处理设备的衬里。一般，耐磨蚀性和耐磨损性随着硬度和淬透性的增加而增加，而韧度经常随着硬度和淬透性的增加而降低。因此，希望的是用于这些应用的钢具有高硬度和淬透性以及高韧度的组合。
此类钢一般包括显著量值的合金元素诸如Cr、Ni、Si、以及Al来实现高硬度和淬透性与良好韧度的组合，这会使得它们是昂贵的并且难以焊接。
发明概述
本发明是针对一种耐磨钢、一种用于制造耐磨钢板的方法，以及用其制造的物品。本发明的钢的主要组成按重量%计为：0.20%-0.30%的碳、0.40%-1.25%的锰、最大为0.05%的磷、最大为0.01%的硫、0.20%-0.60%的硅、0.50%-1.70%的铬、0.20%-2.00%的镍、0.07%-0.60%的钼、0.022%的-0.10%的钛、0.001%-0.10%的硼、0.027%-0.10%的铝、余量的铁以及附带的杂质。本发明的钢板可以具有回火马氏体的显微结构、至少440HBW表面硬度、至少为表面硬度的90%的中间厚度处硬度，以及在-60°F下为至少20ft-lbs并且在室温下为至少40ft-lbs的横向方向上的韧度。
本发明的用于制造本发明耐磨钢板的方法包括：熔化并且浇铸出一个具有以上详细说明的组成的钢锭或厚板、将该钢锭或厚板热轧成具有希望厚度的板、将该板在1650°F-1700°F奥氏体化、将该板水淬、并且将该板在350°F-450°F下回火。
附图的简要说明
图1显示了耐磨钢和现有技术钢的实验室熔化的熔炼体（heat）的乔米尼（Jominy）淬透性曲线；
图2A显示了实验室生产的耐磨钢板的纵向样品的夏比（Charpy）冲击能量；并且
图2B显示了实验室生产的耐磨钢板的横向样品的夏比冲击能量。
优选实施方式的说明
本发明的耐磨钢的主要组成按重量%计为：0.20%-0.30%的碳、0.40%-1.25%的锰、最大为0.05%的磷、最大为0.01%的硫、0.20%-0.60%的硅、0.50%-1.70%的铬、0.20%-2.00%的镍、0.07%-0.60%的钼、0.022%的-0.10%的钛、0.001%-0.10%的硼、0.027%-0.10%的铝、余量的铁以及附带的杂质。它可以更窄地由以下各项组成（按重量%计）：0.22%-0.26%的碳、0.70%-0.90%的锰、最大为0.025%的磷、最大为0.003%的硫、0.20%-0.40%的硅、0.80-1.00%的铬、0.40-0.60%的镍、0.07%-0.15%的钼、0.022%-0.04%的钛、0.001%-0.003%的硼、0.027%-0.06%的铝、余量的铁以及附带的杂质。并且正常地，该组合物的主要组成可以按重量%计为：0.24%的碳、0.80%的锰、最大为0.010%的磷、最大为0.003%的硫、0.25%的硅、0.90%的铬、0.50%的镍、0.10%的钼、0.03%的钛、0.0015%的硼、0.035%的铝、余量的铁以及附带的杂质。
每种合金元素的范围都经过选择以便实现必要的硬度和淬透性同时维持良好的可焊性。每种合金元素的下限必须是能实现希望的硬度，且上线是必须能确保良好的可焊性。另外，Cr+Mn+Mo可以最小等于1.4%和/或Ni+Si+Cr可以最小等于1.4%、和/或Cr+Si可以最小等于1%，以便确保实现必要的硬度和淬透性从而提供良好的耐磨性。
可以将这种钢熔化并且浇铸成钢锭或板坯。在该熔化和浇铸的过程中，可以根据本领域已知的常见方法将该钢进行脱氧、脱硫、真空脱气、并且针对硫化物形状控制进行处理。脱硫和/或硫化物形状控制可以用于减少大块硫化物夹杂物的量值，该大块硫化物夹杂物的量值会通过充当裂纹成核点而加剧韧度的降低。
然后可以将该钢热轧成1英寸或更小厚度的板。可以利用横轧来改进横向方向的韧度。在热处理之前可以将该钢板保持最小24小时以便允许来自该熔化和/或热轧过程中的任何氢从该钢板中脱气。
可以将该钢板在1650°F-1700°F进行奥氏体化（每英寸厚度持续最小30分钟）、水淬、并且然后在350-450°F下回火（每英寸厚度最小1小时）以便形成回火马氏体的显微结构。每英寸厚度的奥氏体化时间超过1小时可能导致晶粒生长和/或冲击强度的损失，并且每英寸厚度的回火时间超过2小时可能导致有害的表面氧化。
所得到的钢板具有的表面硬度可以为至少440HBW，中间厚度处的硬度为表面硬度的至少90%，纵向屈服强度为1200MPa或者更大、纵向拉伸强度为1450MPa或者更大，并且横向方向上的韧度在-60°F下为至少20ft-lbs并且在室温下为至少40ft-lbs。该钢可以进一步具有为440HBW-514HBW的表面硬度。
将三个钢熔炼体（A、B、C）熔化在一个45kg（100lb）的真空感应炉中。将每个熔炼体（heat）从顶部浇铸到铁质模具中以便对每个熔炼体产生一个钢锭，尺寸为约125mm乘125mm乘360mm（5x5x14英寸）。这三个钢熔炼体具有的组成如表1中所示，其中熔炼体C表示本发明的钢。
表1
熔炼体 C Mn P S Cu Ni Cr Mo Si Ti Al B N
A 0.23 0.79 0.009 0.004 0.10 0.50 0.89 0.10 0.26 0.021 0.024 0.0006 0.0062
B 0.23 0.71 0.008 0.004 0.10 0.51 0.90 0.10 0.25 0.020 0.012 0.0008 0.0055
C 0.24 0.79 0.007 0.004 0.11 0.51 0.90 0.10 0.26 0.022 0.027 0.0015 0.0078
现有技术 0.22 0.90 0.65 1.65 0.23 0.25 0.025 0.025 0.0015 0.0080
从每个钢锭的底部切除掉一个1-1/2-英寸（37mm）厚的切片，以便为浇铸原样的乔米尼淬透性样品提供材料。将这些切片在1650°F（900°C）标准化并且从每个切片上机加工出一个标准的ASTM A255乔米尼样品。将这些乔米尼样品在1650°F（900°C）进行奥氏体化并且进行顶端淬火。三个实验室熔炼体的乔米尼淬透性曲线呈现在图1中。与现有技术的耐磨钢相比较，本发明的钢如所预期的具有更高的初始硬度和更低的淬透性。可见这三个实验室熔炼体呈现出不同程度的淬透性。这是因为熔炼体A和B分别包含仅0.0006%和0.0008%的B，相比而言熔炼体C具有0.0015%的B。
调节这些钢锭的其余部分，并且然后在一个带有氮气保护气氛的电炉中在2250°F（1230°C）下进行再加热。将来自熔炼体A和B的钢锭轧制成3/8英寸（9.6mm）厚的板并且将来自熔炼体C的钢锭热轧成3/4英寸（19mm）厚的板。
然后将这些板进行热处理以便模拟工厂加工。将它们在1650°F（900°C）的温度下奥氏体化，持续30分钟/英寸厚度，之后通过在冷水中搅动而进行水淬。然后将这些板在400°F（205°C）下回火30分钟/英寸厚度并且进行空冷。
在这三个板的双面上进行布氏硬度（HBW）测量。在纵向和横向方向上从板C中机加工出0.350英寸（9mm）的圆形拉伸样品。从板A和B中机加工出多个扁平的拉伸样品并且在纵向方向上进行测试。所有的测试按双份进行。
在纵向和横向两个方向上对夏比V形缺口样品进行机加工。对于板A和B，这些夏比样品的厚度为7.5mm，而从板C中机加工出全尺寸的10.0mm样品。通过在-60°F、-40°F、0°F、40°F、72°F、以及212°F（-51°C、-40°C、-18°C、4°C、22°C、以及100°C）下测试一式三份的样品来测得这些夏比过渡曲线。
这三个板的硬度呈现在表2中。每个板的相反表面上的硬度值是相同的。板A和B没有实现最小440HBW的目标硬度。然而，具有本发明的组成的板C实现了460HBW的平均硬度，这远高于希望的最小为440HBW的值。
表2
Figure BDA00003239896100051
这三个板的拉伸特性呈现在了表3中。板A和B呈现出了基本上相同的拉伸特性。板C的纵向屈服强度与这些较薄的板是相同的，为约1210MPa（176ksi）。然而，与板C的较高硬度相一致的是，其拉伸强度是约100MPa（15ksi）高。板C的屈服强度是在横向取向上比在纵向取向上更高，而这两个方向的拉伸强度是大约相同的。尽管板A和B基于它们的较低硬度而预期具有比板C更高的伸长率，但板C的面积值的减少是高于板A和板B的，表明了本发明的钢的合理的拉伸延展性。
表3
Figure BDA00003239896100061
表4和图2A和图2B中呈现了夏比冲击测试结果。将较薄的板A和B的值与板C的值相比较，根据ASTM A370推荐的，通过将7.5mm厚的样品的测得能量除以0.75来计算“全尺寸等效”吸收能量值。原始数据和“全尺寸等效”值两者均呈现在了图2中。与这些钢的高硬度相一致，这些夏比样品在所有的测试温度下展现出了低百分比的剪力。这三个板的全尺寸等效数据在纵向取向连同在横向取向上具有基本上相同的值，但这些横向吸收能量如所预期的略低于在纵向上的。
尽管基于当前被认为是最实际的并且优选的实施例而出于说明的目的已经对本发明进行了详细的说明，但应该理解，这样的细节仅仅是为了该目的，并且本发明不局限于所披露的实施例，而是正相反，本发明旨在涵盖位于所附权利要求的精神和范围之内的多种修改和等效安排。
表4
Figure BDA00003239896100071

Claims (22)

1.一种耐磨钢，其主要组成按重量%计为：0.20%-0.30%的碳、0.40%-1.25%的锰、最大为0.05%的磷、最大为0.01%的硫、0.20%-0.60%的硅、0.50%-1.70%的铬、0.20%-2.00%的镍、0.07%-0.60%的钼、0.022%-0.10%的钛、0.001%-0.10%的硼、0.027%-0.10%的铝、余量的铁以及附带的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中表面硬度为至少440HBW并且中间厚度处的硬度为该表面硬度的至少90%。
3.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中显微结构是回火马氏体。
4.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中在横向方向上的韧度在-60°F下为至少20ft-lbs并且在室温下为至少40ft-lbs。
5.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中该表面硬度是至少440HBW。
6.根据权利要求5所述的耐磨钢，其中该表面硬度是处于440HBW与514HBW之间。
7.根据权利要求1所述的耐磨钢，其主要组成按重量%计为：0.22%-0.26%的碳、0.70%-0.90%的锰、最大为0.025%的磷、最大为0.003%的硫、0.20%-0.40%的硅、0.80-1.00%的铬、0.40-0.60%的镍、0.07%-0.15%的钼、0.022%-0.04%的钛、0.001%-0.003%的硼、0.027%-0.06%的铝、余量的铁以及附带的杂质。
8.根据权利要求1所述的耐磨钢，其主要组成按重量%计为：0.24%的碳、0.80%的锰、最大为0.010%的磷、最大为0.003%的硫、0.25%的硅、0.90%的铬、0.50%的镍、0.10%的钼、0.03%的钛、0.0015%的硼、0.035%的铝、余量的铁以及附带的杂质。
9.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中该钢已经在1650°F-1700°F下奥氏体化、水淬、并且在350°F-450°F下回火。
10.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中Cr+Mn+Mo最小为1.4%。
11.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中Ni+Si+Cr最小为1.4%。
12.根据权利要求1所述的耐磨钢，其中Cr+Si最小为1%。
13.一种用于生产耐磨钢板的方法，包括：
a.熔化并浇铸出一个钢锭或者板坯，该钢锭或者板坯的主要组成按重量%计为：0.20%-0.30%的碳、0.40%-1.25%的锰、最大为0.05%的磷、最大为0.01%的硫、0.20%-0.60%的硅、0.50%-1.70%的铬、0.20%-2.00%的镍、0.07%-0.60%的钼、0.022%-0.10%的钛、0.001%-0.10%的硼、0.027%-0.10%的铝、余量的铁以及附带的杂质；
b.将该钢锭或板坯热轧至希望的厚度；
c.将该板在1650°F-1700°F进行奥氏体化；
d.将该板进行水淬；并且
e.在350°F-450°F下将该板进行回火。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在该熔化和浇铸步骤的过程中，将该钢进行脱氧、脱硫、真空脱气、针对硫化物形状控制进行处理、或者进行它们的组合。
15.根据权利要求13所述的方法，其中在该热轧步骤中使用了横轧。
16.根据权利要求13所述的方法，其中显微结构是回火马氏体。
17.根据权利要求13所述的方法，其中在横向方向上的韧度在-60°F下为至少20ft-lbs并且在室温下的为至少40ft-lbs。
18.根据权利要求13所述的方法，其中表面硬度为至少440HBW并且中间厚度处的硬度为该表面硬度的至少90%。
19.根据权利要求13所述的方法，其中该钢的主要组成按重量%计为：0.22%-0.26%的碳、0.70%-0.90%的锰、最大为0.025%的磷、最大为0.003%的硫、0.20%-0.40%的硅、0.80-1.00%的铬、0.40-0.60%的镍、0.07%-0.15%的钼、0.022%-0.04%的钛、0.001%-0.003%的硼、0.027%-0.06%的铝、余量的铁以及附带的杂质。
20.根据权利要求13所述的方法，其中该钢的主要组成按重量%计为：0.24%的碳、0.80%的锰、最大为0.010%的磷、最大为0.003%的硫、0.25%的硅、0.90%的铬、0.50%的镍、0.10%的钼、0.03%的钛、0.0015%的硼、0.035%的铝、余量的铁以及附带的杂质。
21.一种由权利要求1所述的耐磨钢制成的耐磨物品。
22.根据权利要求21所述的耐磨物品，其中显微结构是回火马氏体并且表面硬度是至少440HBW。
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