CN1626695A - 一种高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板及其制备方法 - Google Patents

一种高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：该钢板含有铁和下述重量百分比的添加元素：0.10％～0.17％C，0.05％～0.55％Si，0.80％～1.60％Mn，0.01％～0.10％Nb，0.005％～0.03％Ti，0.0005％～0.003％B，0.05％～1.0％Cr，另外还可以含有至少一种选自下组的添加元素：0.05％～0.8％Ni，0.05％～0.60％Mo，0.01％～0.06％Al，0.05％～0.50％Cu，0.01％～0.10％V，0.00001％～0.006％Ca，0.00001％～0.02％REM，0.00001.％～0.006％Mg。采用轧后在线直接冷却淬火或者轧后离线淬火工艺，以至少10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火至至少低至Ms转变点的淬火终了温度。获得了硬度HB≥320，冲击韧性Akv－40℃≥30J，在冬季北方地区，具有易火焰切割及良好焊接性能的耐磨钢板。

Description

一种高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属板材，特别提供了一种硬度HB≥320，冲击韧性Akv-40℃≥30J，在冬季具有易火焰切割及良好焊接性能的耐磨钢板及其制备技术。
背景技术：
耐磨钢板广泛应用于工程机械中装载机铲刃、挖掘机的铲斗、推土机弧形板、自卸车的车箱底板及煤矿机械中刮板运输机等，消耗量巨大。目前制造耐磨钢板有两种方法：
第一种方法，利用低碳低合金化学成分组合，采用轧制后离线淬火加回火方法制造。
其化学成分如表1：
表1
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Mo   Ti     B
  0.16～0.21  0.20～0.50  1.0～1.5 ≤0.02   ≤0.015  0.4～0.7  0.25～0.35  0.01～0.03   0.0005～0.003
热处理工艺为：
钢板轧后离线，采用900～930℃重新加热后在辊压式淬火机床水冷至室温，再加热到400～450℃回火。
力学性能如表2：
表2
 Rp0.2，MPa    Rm，MPa   A，％     HB  Akv-40，J
    ≥900     ≥1080   ≥10  320～400     ≤30
火焰切割冷裂纹倾向性分析如下：
高强度厚钢板在冬季环境温度较低情况下进行火焰切割时，为避免钢板火焰切割面产生延迟裂纹，需采取钢板切割前预热，预热温度Tph计算公式可以选用(1)式表达。
Tph＝500(Ceq(1+0.0002t)-0.45〕1/2---------------------------(1)式中：Ceq为切割碳当量
Ceq＝C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11 Si+0.045(Ni+Cu)---------(2)
t为板厚。
如果按表1中成分范围，化学成分取中下限，既C：0.19 Si：0.3 Mn：1.2Cr：0.5 Mo：0.28代入(2)式，得Ceq值：
Ceq＝C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11Si+0.045(Ni+Cu)
   ＝0.19+0.155(0.5+0.28)+0.14(1.2+0)+0.11×0.3
   ＝0.51
当板厚≤100mm时，0.0002t项可忽略不计，最后得Tph值：
Tph＝500〔Ceq-0.45〕1/2
   ＝500〔0.51-0.45〕1/2
   ＝122(℃)
由上述可见，此种耐磨钢板在中国北方冬季进行火焰切割时，需预热120℃以上，否则钢板在环境温度较低情况下，采用正常火焰切割条件，即不采用预热或后热措施，钢板切割后，在火焰切割面易产生严重延迟裂纹。而钢板在火焰切割前采取100℃以上预热措施，是非常困难且成本昂贵，用户无法采取这一措施。事实上，正因为如此原因，此种耐磨钢板在冬季北方地区使用，钢板火焰切割面产生大量延迟裂纹，给用户及钢厂造成了巨大的经济损失。
第二种方法，利用贝氏体组织，采用轧后加低温回火。
化学成分如表3：
表3
    C   Si   Mn   P   S   Cr   Mo
  0.16～0.22  1.40～1.70  1.8～2.2 ≤0.02  ≤0.015  0.5～0.8  0.4～0.60
热处理工艺为：
钢板轧后空冷，再加热到350℃回火。
力学性能如表4：
表4
  Rp0.2，MPa    Rm，MPa   A，％     HB Akv-40，J
    ≥900     ≥1080   ≥10  320～420   ≤30
火焰切割冷裂纹倾向性分析如下：
如果按表3成分范围，化学成分取中下限，既C：0.17 Si：1.5 Mn：2.0Cr：0.5 Mo：0.5代入(2)式，得Ceq值：
Ceq＝C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11Si+0.045(Ni+Cu)
   ＝0.17+0.155(0.5+0.5)+0.14(2+0)+0.11×1.5
   ＝0.77
Tph＝500〔Ceq-0.45〕1/2
   ＝500〔0.77-0.45〕1/2
   ＝282(℃)
由上述可见，这种钢在中国北方冬季进行钢板火焰切割，钢板需预热280℃以上。
总之，目前国内耐磨钢板，虽然具有较高的强度，但是冲击韧性却较低，并且由于切割碳当量较高，导致在环境温度较低情况下，进行正常火焰切割操作时，易产生严重的切割面延迟裂纹。
发明内容：
本发明目的是通过合理的化学成分设计及特殊的控制水淬工艺技术，制造出一种硬度HB≥320，冲击韧性Akv-40℃≥30J，在冬季北方地区，具有易火焰切割及良好焊接性能的耐磨钢板。
通常情况下，切割时的局部加热和冷却影响切割端硬度的分布，在冬季环境温度较低情况下，进行较厚钢板的火焰切割，导致火焰切割面热影响区2～3mm范围内冷却速度极快，如果高强度钢板碳当量Ceq较高，此时火焰切割面热影响区将淬火成马氏体组织，导致切割面热影响区硬化，塑性、韧性下降，在火焰切割热应力作用下，切割面极易产生延迟裂纹。如果钢板又具有较低的塑性和韧性，则钢板阻止裂纹扩展能力较低，那么切割面延迟裂纹极易产生扩展。
根据(1)式，为使高硬度钢板在冬季环境温度较低情况下，正常火焰切割不产生延迟裂纹，须控制钢种化学成分，使其切割碳当量Ceq≤0.46％。为保证耐磨钢板同时具有较高的硬度以及较高的塑性和韧性，必须采取特殊的热处理工艺，使钢板从奥氏体区快速淬火冷却至某一合适终冷温度，既能得到马氏体及少量的贝氏体组织，又能实现充分自回火的控制水淬工艺技术。
据此，本发明具体提供了一种高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：该钢板含有铁和下述重量百分比的添加元素，(本发明中除特别指明的外，均为重量百分比)：
0.10％～0.17％C，
0.05％～0.55％Si，
0.80％～1.60％Mn，
0.01％～0.10％Nb，
0.005％～0.03％Ti，
0.0005％～0.003％B
0.05％～1.0％Cr。
本发明高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板中，另外还可以含有至少一种选自下组的添加元素：
0.05％～0.8％Ni，
0.05％～0.60％Mo，
0.0 1％～0.06％Al，
0.05％～0.50％Cu，
0.01％～0.10％V，
0.00001％～0.006％Ca，
0.00001％～0.02％REM，
0.00001.％～0.006％Mg。
在冬季使用时，本发明高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板中，所述成分还应该满足下述条件，
C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11Si+0.045(Ni+Cu)≤0.46％。
本发明还提供了一种上述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于钢板轧制后终轧温度大于Ar3；将热轧后的钢板以至少10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火，淬火终了温度为Ms转变点至室温。
本发明提供了另外一种上述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于钢板轧制冷却后，重新加热到Ac3以上，以至少10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火，淬火终了温度为Ms转变点至室温。
本发明高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法中，淬火终了温度可以介于Ms～150℃之间，停止淬火，将淬火后的钢板空冷至室温。
本发明高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板中，各种合金元素在钢中的作用和它们优选的浓度范围如下：
碳在淬火钢中对钢的淬硬性起关键性作用，当其含量小于0.10％时，钢淬火后的硬度将达不到HB320，而其含量大于0.17％时，对耐磨钢板的火焰切割性能及焊接性能将产生不利的影响，并且降低钢的低温冲击韧性，故该钢的碳含量控制在0.10％～0.17％范围内。
硅的加入是为了脱氧和提高钢的强度，其加入上限是0.55％，因为过高的硅含量会降低钢的冲击韧性，并恶化钢的焊接性能。
锰在该钢中起到提高淬透性、提高强度的作用，当其含量小于0.80％时，钢的强度低，但当其含量超过1.60％时，钢的淬透性过强，对耐磨钢板的火焰切割性能及焊接性能将产生不利的影响。
铌的添加一是细化钢轧制后显微组织的晶粒，使钢的强度和韧性均得到改善，因为在钢板轧制过程中，铌的碳氮化物的析出起到阻碍再结晶和抑制晶粒长大的作用；二是提高钢的淬透性。为了获得这些作用，铌在钢中最低含量不应低于0.01％，而其含量超过0.1％将对焊接性能产生有害作用，铌的优选含量控制在0.03％～0.06％。
钛形成细晶粒的氮化钛粒子并且通过抑制板坯重新加热期间奥氏体晶粒发生粗化来促进显微组织的细化。此外，氮化钛粒子的存在可抑制焊缝处的热影响区中的晶粒发生粗化。因此，钛具有改善基体金属和焊缝热影响区的低温韧性的作用。因为钛以氮化钛的形式将游离的氮固定住，所以，钛就防止了氮由于氮化硼的形成而对淬透性带来的不利影响。为实现上述这些目的，钛量至少约0.005％，上限设定为约0.03％，因为过量的钛会使得氮化钛发生粗化并会产生钛的碳化物诱发的析出强化，这两种情形都会对低温韧性造成损害。钛的优选含量控制在0.01％～0.03％。
硼在低碳钢(碳含量低于约0.3％)中少量加入，约0.0005％～0.003％，会显著地提高钢的淬透性。硼量超过0.003％会促进脆性颗粒Fe23(C，B)6的形成。硼的优选含量控制在0.0008％～0.002％。
铬一般可提高钢材淬透性，也可提高抗腐蚀能力。其含量超过约1.0％时，对耐磨钢板的火焰切割性能及焊接性能将产生不利的影响。优选含量控制在0.15％～0.7％。
镍的加入即可以提高钢的淬透性，又可以提高低温冲击韧性，但镍的加入会极大地提高钢材的制造成本。
钼提高钢材淬透性。其含量超过约0.6％时，对耐磨钢板的火焰切割性能及焊接性能将产生不利的影响。
铜的加入可提高钢材的强度，也可提高抗腐蚀能力。其含量超过约0.5％时，对钢板表面质量产生不利影响。
钒具有与铌相似的效果，但没有Nb那么显著。其优选含量控制在0.03％～0.08％。
铝加入钢中起脱氧作用，它对钢显微组织的细化也是有效的。如果铝加入量过高，既大于0.06％，会有形成Al2O3类夹杂的倾向，对钢的韧性不利。
钙和稀土金属(REM)一般用于控制硫化锰(MnS)夹杂的形态并提高低温韧性。为控制硫化物的形态需要至少加入约0.001％的钙或约0.001％的REM。然而，如果钙含量超过约0.006％或REM含量超过约0.02％，会形成大量的CaO-CaS(一种钙氧化物-钙硫化物)或REM-CAS(一种稀土金属-钙硫化物)，并且转变成大的团粒和大的夹杂物，这不仅会损害钢的纯净度，也会影响钢的焊接性能。
镁一般可形成细小祢散的氧化物颗粒，可抑制晶粒的长大和/或促进HAZ中晶内铁素体的形成，进而提高热影响区韧性。为使镁的加入产生效果，至少需加入约0.0001％的镁，然而，如果镁含量超过约0.006％，会形成粗大的氧化物，损害HAZ区的韧性。
按照本发明高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的成分设计及特殊制备方法，所获得的耐磨钢板力学性能见表5：
表5
   Rp0.2，MPa   Rm，MPa   A，％   HB   Akv-40℃，J   冷弯180℃，d＝3a
   ≥900   ≥1080    ≥10   ≥320    ≥30     合格
总之，本发明的优点为：
1、本发明实际化学成分设计简单，合金元素少，且含量低。
2、本发明控制水淬后，不需要回火。
3、本发明具有比较理想的综合力学性能，不仅具有高硬度，还具有较高的低温冲击韧性。
4、本发明切割碳当量Ceq≤0.46％，在冬季环境温度较低情况下，采用正常火焰切割条件，即不采用预热或后热措施，也不会产生切割面延迟裂纹，具有较好的火焰切割性能。
具体实施方式：
本发明实施例可以采用下述任意一种工艺方式实现：
1、轧后在线直接冷却(淬火)工艺
根据钢板厚度，如果轧机后部在线冷却设备冷却能力较强，可以实现轧后在线大冷却速度控制冷却，甚至淬火冷却，则采用这一工艺。具体工艺要求为钢板轧制后终轧温度大于Ar3；将热轧后的钢板以至少约10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火至至少低至Ms转变点的淬火终了温度以硬化钢板，优选的冷速至少约20℃/秒，更优选的冷速至少约30℃/秒，甚至更优选的冷速至少约40℃/秒，淬火终了温度优选介于约Ms～室温之间，更优选在约Ms～150℃之间；停止淬火，将淬火后的钢板空冷至室温，以促进钢材淬火组织转变的完成。
2、轧后离线淬火工艺
对于较厚钢板，或者轧钢后部在线冷却设备冷却能力较弱，可以采用钢板轧制冷却后，再重新加热奥氏体化后控制水淬工艺。具体工艺要求为钢板轧制冷却后，送到加热炉内，重新加热到Ac3以上某一合适温度，使其完全奥氏体化；钢板出炉后，在专用淬火机上淬火冷却，钢板以至少约10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火至至少低至Ms转变点的淬火终了温度以硬化钢板，优选的冷速至少约20℃/秒，更优选的冷速至少约30℃/秒，甚至更优选的冷速至少约40℃/秒，淬火终了温度优选介于约Ms～室温之间，更优选在约Ms～150℃之间；停止淬火，将淬火后的钢板空冷至室温，以促进钢材淬火组织转变的完成，又能实现充分自回火，减下组织相变应力。
实施例
具体成分、工艺、性能见表6、7：
表6
钢                                                                化学成分(％)
C Si Mn P S Nb Ti B Cr Ni Mo Cu Al V
 A  0.11  0.20  1.10  0.010  0.008  0.04  0.015   0.0012  0.55   -  0.35    -  0.02   -
 B  0.12  0.18  1.12  0.011  0.007  0.035  0.017   0.0010  0.50  0.35  0.33    -   -   -
 C  0.10  0.19  1.21  0.009  0.005  0.04  0.02   0.0015  0.57   -  0.36   0.25   -   -
 D  0.12  0.20  1.25  0.009  0.006  0.04  0.015   0.001  0.25   -   -    -   -  0.03
 E  0.13  0.20  1.24  0.008  0.006  0.035  0.02   0.001  0.3   -  0.25    -  0.015   -
表7
钢 工艺 Rp0.2Mpa RmMpa A％ HB    Akv-40℃J 冷弯180°d＝3a  切裂性试验-10℃
A  230mm钢坯，1150℃加热，轧制成30mm钢板，空冷至室温。再加热到920℃，加热75分钟，出炉淬火冷却至室温。 1000 1100 12 350 50 合格 合格
B  230mm钢坯，1150℃加热，轧制成40mm钢板，空冷至室温。再加热到920℃，加热100分钟，出炉淬火冷却至150℃，空冷至室温。 950 1150 13 360 45 合格 合格
C  230mm钢坯，1150℃加热，轧制成30mm钢板，空冷至室温。再加热到920℃，加热70分钟，出炉淬火冷却至200℃，空冷至室温。 930 1140 12 340 60 合格 合格
D  230mm钢坯，1150℃加热，轧制成18mm钢板，终轧温度880℃，轧后直接淬火，开冷温度840℃，冷却速度25℃/S，终冷温度300℃，空冷至室温。 950 1100 15 350 55 合格 合格
E  230mm钢坯，1150℃加热，轧制成16mm钢板，终轧温度890℃，轧后直接淬火，开冷温度850℃，冷却速度30℃/S，终冷温度280℃，空冷至室温。 940 1110 14 360 65 合格 合格

Claims (10)

1、一种高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：该钢板含有铁和下述重量百分比的添加元素：
0.10％～0.17％C，
0.05％～0.55％Si，
0.80％～1.60％Mn，
0.01％～0.10％Nb，
0.005％～0.03％Ti，
0.0005％～0.003％B，
0.05％～1.0％Cr。
2、按照权利要求1所述高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：另外含有至少一种选自下组的添加元素：
0.05％～0.8％Ni，
0.05％～0.60％Mo，
0.01％～0.06％Al，
0.05％～0.50％Cu，
0.01％～0.10％V，
0.00001％～0.006％Ca，
0.00001％～0.02％REM，
0.00001.％～0.006％Mg。
3、按照权利要求1或2所述高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：所述成分满足，
C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11Si+0.045(Ni+Cu)≤0.46％。
4、按照权利要求3所述高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：其中，
0.03％～0.06％Nb。
5、按照权利要求4所述高硬度高韧性易火焰切割的耐磨钢板，其特征在于：其中，
0.15％～0.7％Cr，
0.01％～0.03％Ti，
0.0008％～0.002％B。
6、一种权利要求1～5之一所述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于钢板轧制后终轧温度大于Ar3；将热轧后的钢板以至少10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火，淬火终了温度为Ms转变点至室温。
7、一种权利要求1～5之一所述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于钢板轧制冷却后，重新加热到Ac3以上，以至少10℃/秒的冷速从不低于Ar3转变点的温度淬火，淬火终了温度为Ms转变点至室温。
8、按照权利要求6或7所述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于淬火终了温度介于Ms～150℃之间，停止淬火，将淬火后的钢板空冷至室温。
9、按照权利要求6或7所述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于冷速至少20℃/秒。
10、按照权利要求6或7所述高硬度高韧性易火焰切割耐磨钢板的制备方法，其特征在于冷速至少30℃/秒。
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