CN103397272A - 具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板及其制备方法，所述耐磨钢板由按重量百分比计的下述化学成分组成：C：0.10-0.17%、Si：0.25-0.55%、Mn：0.60-0.90%、P≤0.015%、S≤0.005%、Nb：0.01-0.040%、Ti：0.010-0.030%、Ni：0-0.30%、Cr：0.020-0.050%、Mo：0.20-0.40%、B：0.0005-0.0030%、Al：0.010-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。该耐磨钢板的碳含量低，焊接性能好，加入的贵金属含量少，成本低；其耐磨钢板的焊接裂纹敏感性指数（Pcm）在0.30%以下，布氏硬度值HBW430-470，可以达到NM450级别的耐磨钢板，能够满足相关应用行业对NM450耐磨钢板的焊接要求。

Description

具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨钢板及其制备方法，特别涉及一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板及其制备方法。

背景技术

耐磨钢板广泛应用于高耐磨性能的工程、采矿、建筑、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品，例如矿山翻斗车、推土机、装载机、挖掘机、自卸车及各种矿山机械、抓斗、堆取料机、输料弯曲结构等。目前，国内外耐磨钢板产品，尤其是硬度在HBW430-470区间的NM450耐磨钢板，为了使得该NM450耐磨钢板产品具有良好的硬度，一般需要在钢中添加含量较高的C、Mn、以及Mo、Cr等提高淬透性的合金元素，这样就会直接导致NM450耐磨钢板的焊接裂纹敏感性指数升高，焊接性能下降。

同时，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，尤其是当焊接高强度钢时，冷裂纹出现的倾向更大。为了防止冷裂纹产生，通常是焊前预热、焊后热处理，这就造成焊接工艺复杂，特殊情况下的不可操作性，甚至还可能危及焊接结构的安全可靠性。而对于高强度耐磨钢板，强度通常会达到1100MPa以上，焊接质量问题更加明显。因此，这就促使对高强度耐磨钢的研究。

现有技术中对高强度耐磨钢板的研究较多，例如，舞阳钢铁有限公司申请的名称为“一种低碳当量高强度耐磨钢板及其生产方法”的专利申请（申请号200910312321.4），虽然碳当量低，但是该钢板的布氏硬度值在HBW380-430之间，属于NM400耐磨钢板级别，但是其强度较低。

宝山钢铁股份有限公司申请的名称为“一种低合金易焊接耐磨钢、钢板及其制造方法”的专利申请（申请号200810041730.0），该钢板中的化学成分Mn含量在1.0-2.8%，Mn含量的增加直接会导致焊接裂纹敏感性指数（Pcm）值的升高，因此，高的Mn量对钢板焊接性能不利，并且该钢板最终布氏硬度值也只能满足在HBW360-430之间。

舞阳钢铁有限责任公司申请的名称为“一种高强度耐磨钢板及其制备方法”的专利申请（申请号200710193026.2），该钢板的化学成分中含有Ni元素，属于贵重金属，会造成生产成本升高，且表面布氏硬度值为HBW360-440。

东北大学申请的名称为“一种高强度低合金耐磨钢板及其制造方法”的专利申请（申请号200910013569.0），该钢板的化学成分的碳含量为0.18-0.22%，碳当量Ceq（%）≤0.50，根据焊接裂纹敏感性指数Pcm计算公式，碳含量的升高，会直接引起Pcm值升高，这样会对钢板焊接性能不利，且该钢表面布氏硬度值在HBW400-440之间。

宝山钢铁股份有限公司申请的名称为“一种高强度耐磨钢板及其制造方法”专利（申请号201110383513.1），该申请提供了一种布氏硬度值≥HB420的高强度耐磨钢板，C含量为0.205-0.25%，其C的含量仍然较高，众所周知，较高的碳含量对钢的焊接裂纹敏感性指数、焊接性能都起到恶化作用。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的一个目的在于提供一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板。

本发明的另一个目的在于提供一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板的制备方法。

根据发明的一方面，提供一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板，所述耐磨钢板由按重量百分比计的下述化学成分组成：C：0.10-0.17%、Si：0.25-0.55%、Mn：0.60-0.90%、P≤0.015%、S≤0.005%、Nb：0.01-0.040%、Ti：0.010-0.030%、Ni：0-0.30%、Cr：0.020-0.050%、Mo：0.20-0.40%、B：0.0005-0.0030%、Al：0.010-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明的一个实施例，其中，所述耐磨钢板不含Ni。

根据本发明的一个实施例，所述耐磨钢板的焊接裂纹敏感性指数≤0.30%。

根据本发明的一个实施例，所述耐磨钢板的布氏硬度值为HBW430-470。

根据发明的另一方面，提供一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板的制备方法，包括如下步骤：对钢水进行连铸，得到连铸坯；对连铸坯进行加热，加热温度为1180℃～1250℃，加热时间按8～10min/cm进行，均热时间不少于60min；对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧中，在1000℃以上的条件下进行完全再结晶轧制，轧制3～9道次，精轧中，开轧温度为880℃～980℃，终轧温度≥800℃，轧制5～11道次，累计压下率≥50%；对轧制后的钢板进行冷却，终冷温度为150℃～660℃；对冷却后的钢板进行热处理，淬火加热温度在870～940℃下保温5～20min后水淬，再回火加热至100～300℃下保温10～20min，保温后空冷。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括经冶炼工艺制备得到钢水，所述冶炼工艺为将铁水脱硫、转炉炼钢、LF精炼、真空脱气，从而制得钢水。

根据本发明的一个实施例，在对钢水进行连铸中，全程采用氩气保护进行浇铸，并且钢水浇注的过热度在35℃以内。

根据本发明的一个实施例，在粗轧中，最后3个道次中的每个道次的压下率≥15%。

在本发明中，该耐磨钢板的碳含量低，焊接性能好，加入的贵金属含量少，成本低；其耐磨钢板的焊接裂纹敏感性指数（Pcm）在0.30%以下，布氏硬度值HBW430-470，可以达到NM450级别的耐磨钢板，能够更好地满足相关应用行业对NM450耐磨钢板的焊接要求。

具体实施方式

下面结合示例对本发明的具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板及其制备方法进行详细描述。

本发明提供一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板，该耐磨钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.10-0.17%、Si：0.25-0.55%、Mn：0.60-0.90%、P≤0.015%、S≤0.005%、Nb：0.01-0.040%、Ti：0.010-0.030%、Ni：0-0.30%、Cr：0.020-0.050%、Mo：0.20-0.40%、B：0.0005-0.0030%、Al：0.010-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。

其中，在本发明中，C是对钢板强度，焊接性能产生影响的关键元素。若碳含量过低会使NbC的生成量降低，影响控轧效果，同时也会增加冶炼过程的难度；若碳含量过高，则会影响钢板的焊接性能。例如，在现有技术中，宝钢钢铁股份有限公司申请的名称为“一种高强度耐磨钢板及其制造方法”专利申请（申请号201110383513.1），虽然该申请中钢板的布氏强度≥HB420，但是经过计算，该钢板的焊接裂纹敏感性指数（Pcm）达到0.42%，焊接性能下降。因此，在本发明中，C含量控制在0.10%-0.17%的范围内。

Si对钢板的强度，耐磨性以及焊接性能也具有影响。硅在钢中起固溶强化的作用，固溶于铁素体和奥氏体中，可提高它们强度和硬度，在常见的固溶元素中，Si的固溶强化作用强于Mn、Ni、Cr、W、Mo以及V等。另外，硅可以减少摩擦发热时的氧化作用，提到钢的冷变形硬化率和耐磨性，换言之，钢的耐磨性能会随硅含量的增加而提高。但是硅含量过高会导致钢的韧性下降，同时，硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，会增加熔渣和熔化金属的流动性，影响焊接性能。因此，优选地，Si含量控制在0.25%-0.55%的范围内。

Mn能够增加钢的韧性，强度，硬度，以及提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；但是锰具有较高的偏析倾向，因此锰含量不易过高，同时锰含量过高也会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。因此，优选地，Mn含量控制在0.60%-0.90%的范围内。

P和S是钢中的有害元素，可影响钢的脆性。硫在钢中可与锰形成塑性夹杂物硫化锰，对钢板的横向塑性和韧性具有较大影响；同时磷也严重影响钢板的塑性和韧性。换言之，对于本发明而言，磷和硫的含量越低越好，但是在实际生产过程中，磷和硫均不可避免，因此，优选地，P含量≤0.015%、S含量≤0.005%。

Nb可提高钢板的强度和韧性。在钼存在的条件下，铌可在控轧过程中有效地细化显微组织的晶粒，同时还可以降低钢板的过热敏感性。焊接过程中，铌可以阻碍加热过程中奥氏体晶粒的粗化，改善焊接性能。在本发明中，优选地，Nb含量控制在0.01%-0.040%的范围内。

Ti可与碳、氮形成细小的含钛化物，可阻碍连铸坯再加热过程中奥氏体晶粒的粗化进而细化晶粒，可提高钢板的焊接性能，同时Ti也是铁素体强化元素，可固溶于铁素体中提高铁素体的强度，其强化作用高于Al、Mn、Ni、以及Mo等。因此，优选地，Ti含量控制在0.010%-0.030%的范围内。

Ni能够提高钢的韧性，尤其能提高钢的低温韧性。因此，优选地，Ni含量控制在0-0.30%内，但是由于镍属于贵金属，而且对提高钢板的强度没有明显的作用，所以本发明通过添加廉价的Si、Mn以及微量的B、Al和Ti的元素，更优选地，不添加Ni，降低了本发明的生产成本。

Cr可提高钢板的强度，硬度和耐磨性，改善钢板的抗腐蚀能力。由于铬在奥氏体中的溶解度较大，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含铬碳化物，可提高钢的强度和硬度。同时又由于固溶强化基体，细化组织，可显著提高钢的抗氧化能力，增加其抗腐蚀能力。因此，Cr含量优选控制在0.020%-0.050%的范围内。

Mo能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出细小的碳化物，能够提高钢的强度，但是Mo含量过多会损害焊接时形成的热影响区的韧性，降低钢的可焊接性，因此，在本发明中，优选地，Mo含量控制在0.20%-0.40%的范围内。

B可以改善钢板的致密性和热轧性能，提高钢板淬透性，提高强度。在本发明中，B含量控制在0.0005%-0.0030%的范围内。

Al的主要作用是脱氧，在钢中可以细化晶粒，提高钢板的冲击韧性。但是铝含量过高会导致铝的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，同时还影响钢的热加工性能，焊接性能。因此，本发明的Al含量控制在0.010%-0.050%的范围内。

本发明还提供了一种耐磨钢板的制备方法，该方法包括：冶炼工艺、浇铸工艺、加热工艺、轧制工艺、轧后控冷工艺以及热处理工艺。

具体地讲，在冶炼工艺中，将含有所需元素的铁水在脱硫后，送入转炉冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，精炼完毕后送入真空脱气炉（RH炉）进行真空处理。

在连铸工艺中，将含有配比化学成分的钢水进行连铸，得到连铸坯。连铸的过程可以在连铸机中完成，优选地，连铸全程采用氩气保护，并且控制钢水浇铸的过热度在35℃以内；同时为了保证连铸坯的内部质量，可在浇铸过程中采用动态轻压下技术。需要指出的是，该动态轻压下技术是指在铸坯凝固终端附近，对铸坯施加一定的压下量，使形成在铸坯凝固终端处的液相穴被破坏，以抑制浓缩钢水在静压力作用下所自然产生的沿拉坯方向上的移动。

在加热工艺中，将连铸坯送入加热炉（例如，步进式加热炉）进行加热，加热温度为1180℃～1250℃，加热时间按8～10min/cm进行以保证连铸坯烧匀烧透，均热时间不少于60min。

在轧制工艺中，采用宽厚板轧机完成两阶段轧制，即粗轧和精轧。具体地，在粗轧过程中，在1000℃以上的条件下对加热后的连铸坯进行完全再结晶轧制，轧制3～9道次，同时为了使轧制的效果更佳，优选地，轧制中最后的3个道次中的每个道次的压下率均≥15%。在精轧过程中，控制开轧温度为880℃～980℃，终轧温度≥800℃，轧制5～11道次，累计压下率≥50%。

在轧后控冷工艺中，在轧制钢板后进行控制冷却，控制终冷温度为150℃～660℃，冷却速度为8-15℃/s。冷却后的钢板还可以根据板形的情况进行矫直，优选地，控制终矫温度≥450℃。

在热处理工艺中，包括淬火处理和回火处理。淬火加热温度在870～940℃，保温5～20min后进行水淬，水淬后回火加热至100～300℃，保温10～20min，之后空冷。

经本发明的成分设计和工艺控制方法制备得到的耐磨钢板，其钢板的布氏硬度值为HBW430-470，可以达到NM450级别的耐磨钢板，并且该钢板的焊接裂纹敏感性指数（Pcm）在0.30%以下。需要指出的是，由于钢板的化学成分对焊接性能有重要的影响。通常，碳和其它合金元素对钢板的焊接性能的影响可用焊接裂纹敏感性指数（Pcm）来表示，即通过如下计算公式得到焊接裂纹敏感性指数（Pcm）：

Pcm（%）=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

而焊接裂纹敏感性指数（Pcm）可以初步衡量钢板的冷裂敏感性的高低，具体地讲，Pcm值越低，钢板的焊接性能越好，反之，则钢板的焊接性能越差；同时对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、热输入值等的确定也具有重要的指导作用。

通过本发明得到的耐磨钢板，其碳含量低，焊接性能好；加入的贵金属含量少，成本低；并且能够满足相关应用行业对NM450级别的耐磨钢板的焊接要求。

下面结合具体示例来详细描述本发明的耐磨钢板和该耐磨钢板的制备方法进行详细描述。

示例1

铁水经脱硫，转炉炼钢，LF精炼、真空脱气后制备得到含有如表1所示的配比化学成分的钢水。在连铸机中，全程氩气保护，钢水的过热度在35℃以内的条件下，浇铸得到连铸坯。所得连铸坯于1205℃下加热，加热时间为220分钟。对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧过程中，在≥1000℃的条件下进行完全再结晶轧制，轧制7道次，后三道压下率分别为15%、17%、18%；精轧过程中，开轧温度为880℃，终轧温度808℃，轧制7道次，累计压下率70%。将轧制后的钢板进行冷却，开冷温度780℃，终冷温度为350℃，冷却速度15℃/s。将冷却后的钢板进行淬火和回火处理，淬火加热温度在910℃下保温10min后进行水淬，水淬后回火加热至150℃下保温10min，之后空冷。制备得到的钢板厚度为20mm。该钢板的布氏硬度值如表2所示。

示例2～4

示例2～4的工艺流程同示例1，详细成分和工艺参数参见表1和表2。

表1本发明示例1-4的钢水的化学成分(wt.%)

表2本发明示例1-4的耐磨钢板的生产工艺参数和硬度值

通过示例1-4可以看出，按照本发明的成分配比、及制备方法所生产的耐磨钢板，布氏硬度值为HBW430-470，并且焊接裂纹敏感性指数低，钢板具有焊接性能优异、低成本的优势，实现了低焊接裂纹敏感指数易焊接NM450耐磨钢板的制造，更好的满足用户的使用期望。

Claims (8)

1.一种具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板，所述耐磨钢板由按重量百分比计的下述化学成分组成：C：0.10-0.17%、Si：0.25-0.55%、Mn：0.60-0.90%、P≤0.015%、S≤0.005%、Nb：0.01-0.040%、Ti：0.010-0.030%、Ni：0-0.30%、Cr：0.020-0.050%、Mo：0.20-0.40%、B：0.0005-0.0030%、Al：0.010-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐磨钢板，其中，所述耐磨钢板中的Ni的重量百分比为0。

3.根据权利要求1或2所述的耐磨钢板，其中，所述耐磨钢板的焊接裂纹敏感性指数≤0.30%。

4.根据权利要求1或2所述的耐磨钢板，其中，所述耐磨钢板的布氏硬度值为HBW430-470。

5.一种制备根据权利要求1所述的具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板的方法，包括如下步骤：

对钢水进行连铸，得到连铸坯；

对连铸坯进行加热，加热温度为1180℃～1250℃，加热时间按8～10min/cm进行，均热时间不少于60min；

对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧中，在1000℃以上的条件下进行完全再结晶轧制，轧制3～9道次，精轧中，开轧温度为880℃～980℃，终轧温度≥800℃，轧制5～11道次，累计压下率≥50%；

对轧制后的钢板进行冷却，终冷温度为150℃～660℃；

对冷却后的钢板进行热处理，淬火加热温度在870～940℃下保温5～20min后水淬，再回火加热至100～300℃下保温10～20min，保温后空冷。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括经冶炼工艺制备得到钢水，所述冶炼工艺为将铁水脱硫、转炉炼钢、LF精炼、真空脱气，从而制得钢水。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在对钢水进行连铸中，全程采用氩气保护进行浇铸，并且钢水浇注的过热度在35℃以内。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，在粗轧中，最后3个道次中的每个道次的压下率≥15%。