CN105039861B - 一种中锰含硼低合金耐磨钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中锰含硼低合金耐磨钢板及其制备方法。以质量百分数计，该低合金耐磨钢板的成分包括：0.08‑0.16％C、2.50‑4.00％Mn、0.0008‑0.0025％B、0.10‑1.00％Si、0‑0.10％Nb、0‑0.15％V、0‑0.15％Ti、0‑1.00％Cr、0‑0.80％Mo、0‑2.00％Ni、0‑0.015％P、0‑0.006％S，余量为Fe。经检测，该耐磨钢板的力学性能为：布氏硬度在370‑440之间，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，‑40℃A_kv≥27J，组织中马氏体的含量≥95％。钢板冷弯性能优异，焊接性能良好，具有高硬度、高强度、高韧性等特点。

Description

一种中锰含硼低合金耐磨钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨钢制造领域，具体而言，涉及一种中锰含硼低合金耐磨钢板及其制备方法。

背景技术

低合金耐磨钢板被应用于矿山机械、工程机械、冶金机械、农业机械、水泥和化工等行业中装备的关键部件生产制造，如自卸车、刮板运输机、推土机，装载机，挖掘机、盾构机、掘进机、收割机及水泥球磨机等装置制造。该类部件一般都在环境极其恶劣的条件下工作，更换困难，要求钢板具有高的强度、硬度及良好的耐磨性能和焊接性能等，以此来保证装备有更高的使用寿命。

目前已经有不少关于低合金耐磨钢板的专利报导。但是，在制造该类钢板时，为了保证得到良好的铸坯质量和焊接性能，其锰元素的含量(质量百分数)一般都控制在2.00％以内。而且，为了得到更好的淬透性性能，该类钢板通常会添加较多的合金元素，如Cr、Ni、Mo等，从而导致生产成本极高。此外，较多合金元素的添加，提高了碳当量，不利于焊接性能。而在较厚规格钢板的生产上，如30mm及其以上规格，即使添加较多的合金元素如Cr、Ni、Mo等，其心部也往往很难被完全淬透，从而使得所制造钢板的表面和心部硬度差异较大，降低了设备的使用寿命。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种低合金耐磨钢板。该耐磨钢板结合锰元素的特性，采用低碳(质量百分比含量为0.08～0.16％)、中锰(质量百分比含量为2.50～4.00％)和含硼(质量百分比含量为0.0008-0.0025％)的设计思路，通过碳、锰、硼三种元素的相互配合，不添加或者添加少量的Cr、Mo、Ni等合金元素，克服了现有钢板因添加较多合金元素而导致生产成本较高的缺陷，具有淬透性提高、焊接性能提高、耐磨性提高、低温冲击韧性和冷弯成型性能突出、成本低廉的优点。

本发明的第二目的在于提供一种所述低合金耐磨钢板的制备方法，该方法解决了中厚规格的耐磨钢板在制备过程中内部很难被完全淬透的难题，适用于中厚规格的低合金耐磨钢板的制造，且由于不添加或者添加少量的Cr、Mo、Ni等合金元素，满足低成本生产中厚规格耐磨钢板的需求。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种中锰含硼低合金耐磨钢板，以质量百分数计，所述低合金耐磨钢板的成分包括：

0.08-0.16％C、2.50-4.00％Mn、0.0008-0.0025％B、0.10-1.00％Si、0-0.10％Nb、0-0.15％V、0-0.15％Ti、0-1.00％Cr、0-0.80％Mo、0-2.00％Ni、0-0.010％P、0-0.004％S，余量为Fe。

碳是耐磨钢板获得高的强度和硬度的关键元素，且可以显著提高钢板的淬透性，对于要获得组织为95％及以上马氏体组织的钢板而言，碳是最重要的元素。但由于碳元素的增加，会降低钢板的塑性和焊接性能。本发明通过控制碳含量为0.08-0.16％，既保证钢板能获得高硬度和高强度，又使得钢板具备优异的韧性和焊接性能。优选地，本发明中碳元素含量为0.10-0.15％。

锰元素能够扩到奥氏体区，稳定奥氏体组织，是廉价的稳定奥氏体和强化合金元素，同时锰元素能够增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。本发明控制锰的含量控制在2.50-4.00％，与碳、硼、硅等元素相互配合。优选地，锰元素的含量为2.80-3.99％。

硼为淬透性元素，对提高钢板淬透性尤其是厚规格钢板的淬透性有着重要作用。钢中添加少量的硼元素即可起到较大的增加钢板的淬透性，且硼元素资源富有，价格便宜，添加少量的硼可以显著地节省锰、镍、铬、钼等贵重的合金元素添加。但过多的硼元素会增加晶界的偏聚，从而降低钢铁材料的韧塑性。本发明综合考虑硼元素各方面的影响，将钢板中硼元素的含量控制在0.0008-0.0025％。优选地，硼元素含量为0.0012-0.0020％。

钢中加入硅元素能够提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高钢的强度和硬度，且能提高奥氏体的稳定性。但硅含量过高会导致钢的韧性下降，且高硅含量的钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重、表面质量较差。此外，高硅还不利于钢板的焊接性能。本发明综合考虑硅元素各方面的影响，将钢板中硅含量控制在0.10-1.00％。优选地，硅元素含量为0.20-0.99％。

钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的钛元素有利于固定钢中的氮，形成的氮化钛能阻止钢坯加热时奥氏体晶粒的异常长大，从而细化原始奥氏体晶粒尺寸。本发明将钛含量控制在0.010-0.030％。优选地，钛元素含量为0.012-0.023％。

钼能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。但由于钼是非常昂贵的战略合金元素，所以本发明中可添加不超过0.80％的钼。优选地，钼含量为0.18-0.24％。

铬提高钢的淬透性，增加钢的回火稳定性。铬在奥氏体中溶解度很大，稳定奥氏体，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Cr₇C₃等碳化物，提高钢的强度和硬度。为了保持钢的强度级别，铬可以部分代替锰，增强其淬透性。本发明可添加不大于1.00％的铬。优选地，铬含量为0.00-0.70％。

镍能稳定奥氏体，对提高强度没有明显的作用。钢中加镍尤其是在调质钢中加镍能大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，同时由于镍属于贵重合金元素，所以本发明可添加不超过1.00％的镍元素。优选地，镍含量为0.00-0.40％。

硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，但考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求钢板中P的含量在0-0.015％、S的含量在0-0.006％。优选地，P的含量为0-0.010％、S的含量为0-0.004％。

综上所述，本发明采用低碳、中锰和含硼的设计思路，通过碳、锰、硼三种元素的相互配合，不添加或者添加少量的Cr、Mo、Ni等贵重合金元素，克服了现有钢板因添加较多合金元素而导致生产成本较高的缺陷，具有淬透性提高、焊接性能提高、耐磨性提高、低温冲击韧性和冷弯成型性能突出、成本低廉的优点。经检测，本发明所提供的耐磨钢板的力学性能为：布氏硬度在370-440之间，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，-40℃Akv≥27J，组织中马氏体的含量≥95％。钢板冷弯性能优异，焊接性能良好，具有高硬度、高强度、高韧性等特点，适用于刮板运输机、推土机、装载机、挖掘机、自卸车等各种矿山机械、工程机械以及冶金机械的制造。

本发明提供的低合金耐磨钢板中还包括在制备过程中引入的不可避免的杂质，其对本发明提供的低合金耐磨钢板的性能不造成影响。

本发明还提供了所述低合金耐磨钢板的制备方法，包括如下步骤：

(1)按成分配比进行冶炼得到钢水；

(2)将所述钢水真空脱气后进行连铸或模铸，得到钢坯或钢锭；

(3)将所述钢坯或所述钢锭加热并保温后进行轧制，轧制后经冷却，得到低合金耐磨钢板。

按照成分配比冶炼得到的钢水进行真空脱气后可确保钢水的成分不发生变化，且去除其中的氢、氧等有害气体。而后通过连铸(即连续铸钢)或模铸使得钢水凝固成型，得到钢坯或钢锭。

此时的钢坯或钢锭的性质还无法满足耐磨钢板的要求，需进行后续处理。因此，将得到的钢坯或钢锭进行加热，并保温一段时间后进行轧制，得到形状符合生产要求的初始钢板，且初始钢板的硬度、淬透性等性质大大增加。而后通过冷却，得到本发明的低合金耐磨钢板。

优选地，步骤(3)中，所述加热的温度为1150-1230℃，所述保温的时间为150-200min。

本发明通过将制得的钢坯或钢锭在1150-1230℃下进行加热，使得钢坯或钢锭中的晶粒更加细化，避免晶粒粗大。而且，钢坯或钢锭中若是添加Cr、Mo、Ni等合金时，合金元素在这一高温下不断溶解，保温150-200min后保证钢坯或钢锭中的合金元素能够达到溶解平衡。经过上述特定的操作，使得低合金耐磨钢板中的马氏体组织的含量≥95％，从而保证耐磨钢板的高硬度和良好的耐磨性能。

同样地，为了保证得到的耐磨钢板中的组织中含有95％及以上的马氏体组织，优选地，步骤(3)中，所述将所述钢坯或所述钢锭加热并保温后进行轧制的步骤具体包括：

将所述钢坯或所述钢锭加热并保温，后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上轧制，总压下率不低于50％，奥氏体再结晶区的终轧温度为1000-1100℃，未再结晶区的终轧温度为830-950℃。

在本发明中，冷却方法也会影响得到的钢板中的组织情况，本发明在步骤(3)中，优选地，所述冷却的方法包括空冷或控制冷却。

进一步优选地，步骤(3)中，所述冷却方法为控制冷却时，则所述控制冷却的步骤具体包括：

将轧制后的钢板以不低于5℃/s的冷却速度冷却至100℃以下，后进行回火，回火的温度为0-300℃。

进一步优选地，步骤(3)中，所述冷却方法为空冷时，则所述空冷的步骤具体包括：

将轧制后的钢板直接空冷至100℃以下，后进行离线热处理。

进一步优选地，步骤(3)中，所述冷却方法为空冷时，则所述空冷的步骤具体包括：

将轧制后的钢板先层流冷却至500-750℃，再空冷至100℃以下，最后进行离线热处理。

优选地，所述离线热处理过程中，淬火温度为840-950℃，回火的温度为0-300℃。

通过采用上述冷却方法，保证制得的耐磨钢板中马氏体组织的含量≥95％。

优选地，步骤(2)中，所述钢坯或钢锭的厚度为150-400mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用低碳、中锰和含硼的设计思路，通过碳、锰、硼三种元素的相互配合，不添加或者添加少量的Cr、Mo、Ni等合金元素，克服了现有钢板因添加较多合金元素而导致生产成本较高的缺陷，具有淬透性提高、焊接性能提高、耐磨性提高、低温冲击韧性和冷弯成型性能突出、成本低廉的优点。经检测，本发明所提供的耐磨钢板的力学性能为：布氏硬度在370-440之间，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，-40℃A_kv≥27J，组织中马氏体的含量≥95％。钢板冷弯性能优异，焊接性能良好，具有高硬度、高强度、高韧性等特点，适用于刮板运输机、推土机、装载机、挖掘机、自卸车等各种矿山机械、工程机械以及冶金机械的制造。

(2)本发明通过将制得的钢坯或钢锭在1150-1230℃下进行加热，使得钢坯或钢锭中的晶粒更加细化，避免晶粒粗大。而且，钢坯或钢锭中若是添加Cr、Mo、Ni等合金时，合金元素在这一高温下不断溶解，保温150-200min后保证钢坯或钢锭中的合金元素能够达到溶解平衡。经过上述特定的操作，使得低合金耐磨钢板中的马氏体组织的含量≥95％，从而保证耐磨钢板的高硬度和良好的耐磨性能。

(3)本发明通过控制冷却或离线热处理的方法对轧制后的钢板进行冷却，保证制得的耐磨钢板中的马氏体组织的含量≥95％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例制备得到的耐磨钢板中典型的组织。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

表1实施例1的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Cr
							0.16	4.00	0.0020	1.00	0.003	0.001	1.00

将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，得到钢锭，将钢锭加热至1200℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行轧制，轧后空冷至100℃温度以下，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为900℃，回火温度为200℃。

实施例2

表2实施例2的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C

Mn

B

Si

P

S

0.11

3.40

0.0016

0.22

0.010

0.002

将按表2配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸得到的钢坯厚度为220mm，将其加热至1150℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和和未再结晶区进行一道次以上轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为910℃，最终轧制厚度为12mm，轧后以5℃/s的冷速冷却至100℃以下的温度，然后进行回火处理，回火温度为200℃。

实施例3

表3实施例3的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Mo
							0.10	3.00	0.0012	0.50	0.012	0.001	0.21

将按表3配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将其加热至1150℃的炉温，保温200min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1100℃，未再结晶区终轧温度为830℃，最终轧制厚度为40mm，轧后以8℃/s的冷速冷却至100℃以下的温度，然后进行回火处理，回火温度为220℃。

实施例4

表4实施例4的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Nb	Ti
								0.08	3.95	0.0013	0.41	0.013	0.003	0.03	0.019

将按表4配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度300mm，将其加热至1230℃的炉温，保温150min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1100℃，未再结晶区终轧温度为950℃，最终轧制厚度为110mm，轧后空冷至100℃温度以下，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为900℃，回火温度为0℃。

实施例5

表5实施例5的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Cr	Mo	Ni	Ti
										0.16	2.56	0.0009	0.32	0.009	0.001	0.32	0.18	0.62	0.023

将按表5配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度400mm，将其加热至1200℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为850℃，最终轧制厚度为40mm，轧后以10℃/s的冷速冷却至100℃以下的温度，然后进行回火处理，回火温度为300℃。

实施例6

表6实施例6的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Nb	V	Ti
									0.13	3.50	0.0020	0.86	0.008	0.004	0.05	0.03	0.032

将按表6配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度300mm，将其加热至1230℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1100℃，未再结晶区终轧温度为950℃，最终轧制厚度为80mm，轧后经层流冷却至500℃，再空冷至100℃温度以下，最后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为900℃，回火温度为230℃。

实施例7

表7实施例7的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Cr	Mo	Ni	Nb	V	Ti
												0.15	2.71	0.0025	0.18	0.011	0.002	0.76	0.45	0.35	0.03	0.05	0.015

将按表7配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度300mm，将其加热至1200℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为890℃，最终轧制厚度为80mm，轧后经层流冷却至750℃，再空冷至100℃温度以下，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为840℃，回火温度为250℃。

实施例8

表8实施例8的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Cr	Mo	Nb	Ti
										0.17	3.28	0.0019	0.52	0.007	0.001	0.18	0.25	0.04	0.020

将按表8配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度300mm，将其加热至1000℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为890℃，最终轧制厚度为80mm，轧后以6℃/s的冷速冷却至100℃温度以下，然后进行回火处理，回火温度为0℃。

实施例9

表9实施例9的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	Mo	Nb	Ti
									0.08	2.50	0.0025	0.10	0.010	0.004	0.18	0.40	0.010

将按表9配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度200mm，将其加热至1200℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1100℃，未再结晶区终轧温度为830℃，最终轧制厚度为60mm，轧后空冷至100℃温度以下，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为840℃，回火温度为210℃。

实施例10

表10实施例10的低合金耐磨钢板中的成分(单位：wt％)

C	Mn	B	Si	P	S	V	Mo
								0.15	2.80	0.0012	0.20	0.005	0.001	0.09	0.18

将按表10配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度300mm，将其加热至1200℃的炉温，保温180min后出炉在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上的轧制，总压下率不低于50％，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为890℃，最终轧制厚度为45mm，轧后空冷至100℃温度以下，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为900℃，回火温度为230℃。

对制得的耐磨钢板进行金相分析，检测其内部的组织组成情况。其结果如图1所示。

对实施例中的钢板的力学性能进行测试，其中强度按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行，低温冲击韧性按GB 2106-1980金属夏比V型缺口冲击试验方法测定，硬度按照GB/T231.1-2009方法测定，得到的结果见表11所示。

表11本发明钢板的力学性能

上表可以看出，本发明的耐磨钢的布氏硬度HBW达到了370以上，抗拉强度大于1200MPa，延伸率大于12％，-40℃冲击功大于35J，可见本发明涉及的耐磨钢具有良好的抗变形和耐磨性能，同时也改善了钢的低温冲击韧性。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种中锰含硼低合金耐磨钢板，其特征在于，以质量百分数计，所述低合金耐磨钢板的成分包括：

0.10-0.15％C、3.00-3.9％Mn、0.0012-0.0020％B、0.20-0.99％Si、0-0.010％P、0-0.004％S，余量为Fe。

2.一种权利要求1所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按成分配比进行冶炼得到钢水；

(2)将所述钢水真空脱气后进行连铸或模铸，得到钢坯或钢锭；

(3)将所述钢坯或所述钢锭加热并保温后进行轧制，轧制后经冷却，得到低合金耐磨钢板。

3.根据权利要求2所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加热的温度为1150-1230℃，所述保温的时间为150-200min。

4.根据权利要求3所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述将所述钢坯或所述钢锭加热并保温后进行轧制的步骤具体包括：

将所述钢坯或所述钢锭加热并保温，后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次以上轧制，总压下率不低于50％，奥氏体再结晶区的终轧温度为1000-1100℃，未再结晶区的终轧温度为830-950℃。

5.根据权利要求4所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述冷却的方法包括空冷或控制冷却。

6.根据权利要求5所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述冷却方法为控制冷却时，则所述控制冷却的步骤具体包括：

将轧制后的钢板以不低于5℃/s的冷却速度冷却至100℃以下，后进行回火，回火的温度为0-300℃。

7.根据权利要求5所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述冷却方法为空冷时，则所述空冷的步骤具体包括：

将轧制后的钢板直接空冷至100℃以下，后进行离线热处理。

8.根据权利要求5所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述冷却方法为空冷时，则所述空冷的步骤具体包括：

将轧制后的钢板先层流冷却至500-750℃，再空冷至100℃以下，最后进行离线热处理。

9.根据权利要求7或8所述的低合金耐磨钢板的制备方法，其特征在于，所述离线热处理的步骤中，淬火温度为840-950℃，回火温度为0-300℃。