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      一種高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板及其制備方法

      文檔序號(hào):3406950閱讀:234來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:一種高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板及其制備方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及金屬板材,特別提供了一種硬度HB≥320,沖擊韌性Akv-40℃≥30J,在冬季具有易火焰切割及良好焊接性能的耐磨鋼板及其制備技術(shù)。
      背景技術(shù)
      耐磨鋼板廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械中裝載機(jī)鏟刃、挖掘機(jī)的鏟斗、推土機(jī)弧形板、自卸車的車箱底板及煤礦機(jī)械中刮板運(yùn)輸機(jī)等,消耗量巨大。目前制造耐磨鋼板有兩種方法第一種方法,利用低碳低合金化學(xué)成分組合,采用軋制后離線淬火加回火方法制造。
      其化學(xué)成分如表1表1

      熱處理工藝為鋼板軋后離線,采用900~930℃重新加熱后在輥壓式淬火機(jī)床水冷至室溫,再加熱到400~450℃回火。
      力學(xué)性能如表2表2

      火焰切割冷裂紋傾向性分析如下高強(qiáng)度厚鋼板在冬季環(huán)境溫度較低情況下進(jìn)行火焰切割時(shí),為避免鋼板火焰切割面產(chǎn)生延遲裂紋,需采取鋼板切割前預(yù)熱,預(yù)熱溫度Tph計(jì)算公式可以選用(1)式表達(dá)。
      Tph=500(Ceq(1+0.0002t)-0.45〕1/2---------------------------(1)式中Ceq為切割碳當(dāng)量Ceq=C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11 Si+0.045(Ni+Cu)---------(2)t為板厚。
      如果按表1中成分范圍,化學(xué)成分取中下限,既C0.19 Si0.3 Mn1.2Cr0.5 Mo0.28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當(dāng)板厚≤100mm時(shí),0.0002t項(xiàng)可忽略不計(jì),最后得Tph值Tph=500〔Ceq-0.45〕1/2=500〔0.51-0.45〕1/2=122(℃)由上述可見(jiàn),此種耐磨鋼板在中國(guó)北方冬季進(jìn)行火焰切割時(shí),需預(yù)熱120℃以上,否則鋼板在環(huán)境溫度較低情況下,采用正常火焰切割條件,即不采用預(yù)熱或后熱措施,鋼板切割后,在火焰切割面易產(chǎn)生嚴(yán)重延遲裂紋。而鋼板在火焰切割前采取100℃以上預(yù)熱措施,是非常困難且成本昂貴,用戶無(wú)法采取這一措施。事實(shí)上,正因?yàn)槿绱嗽颍朔N耐磨鋼板在冬季北方地區(qū)使用,鋼板火焰切割面產(chǎn)生大量延遲裂紋,給用戶及鋼廠造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
      第二種方法,利用貝氏體組織,采用軋后加低溫回火。
      化學(xué)成分如表3表3

      熱處理工藝為鋼板軋后空冷,再加熱到350℃回火。
      力學(xué)性能如表4表4

      火焰切割冷裂紋傾向性分析如下如果按表3成分范圍,化學(xué)成分取中下限,既C0.17 Si1.5 Mn2.0Cr0.5 Mo0.5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(℃)由上述可見(jiàn),這種鋼在中國(guó)北方冬季進(jìn)行鋼板火焰切割,鋼板需預(yù)熱280℃以上。
      總之,目前國(guó)內(nèi)耐磨鋼板,雖然具有較高的強(qiáng)度,但是沖擊韌性卻較低,并且由于切割碳當(dāng)量較高,導(dǎo)致在環(huán)境溫度較低情況下,進(jìn)行正?;鹧媲懈畈僮鲿r(shí),易產(chǎn)生嚴(yán)重的切割面延遲裂紋。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明目的是通過(guò)合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)及特殊的控制水淬工藝技術(shù),制造出一種硬度HB≥320,沖擊韌性Akv-40℃≥30J,在冬季北方地區(qū),具有易火焰切割及良好焊接性能的耐磨鋼板。
      通常情況下,切割時(shí)的局部加熱和冷卻影響切割端硬度的分布,在冬季環(huán)境溫度較低情況下,進(jìn)行較厚鋼板的火焰切割,導(dǎo)致火焰切割面熱影響區(qū)2~3mm范圍內(nèi)冷卻速度極快,如果高強(qiáng)度鋼板碳當(dāng)量Ceq較高,此時(shí)火焰切割面熱影響區(qū)將淬火成馬氏體組織,導(dǎo)致切割面熱影響區(qū)硬化,塑性、韌性下降,在火焰切割熱應(yīng)力作用下,切割面極易產(chǎn)生延遲裂紋。如果鋼板又具有較低的塑性和韌性,則鋼板阻止裂紋擴(kuò)展能力較低,那么切割面延遲裂紋極易產(chǎn)生擴(kuò)展。
      根據(jù)(1)式,為使高硬度鋼板在冬季環(huán)境溫度較低情況下,正?;鹧媲懈畈划a(chǎn)生延遲裂紋,須控制鋼種化學(xué)成分,使其切割碳當(dāng)量Ceq≤0.46%。為保證耐磨鋼板同時(shí)具有較高的硬度以及較高的塑性和韌性,必須采取特殊的熱處理工藝,使鋼板從奧氏體區(qū)快速淬火冷卻至某一合適終冷溫度,既能得到馬氏體及少量的貝氏體組織,又能實(shí)現(xiàn)充分自回火的控制水淬工藝技術(shù)。
      據(jù)此,本發(fā)明具體提供了一種高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于該鋼板含有鐵和下述重量百分比的添加元素,(本發(fā)明中除特別指明的外,均為重量百分比)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%B0.05%~1.0%Cr。
      本發(fā)明高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板中,另外還可以含有至少一種選自下組的添加元素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。
      在冬季使用時(shí),本發(fā)明高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板中,所述成分還應(yīng)該滿足下述條件,C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11Si+0.045(Ni+Cu)≤0.46%。
      本發(fā)明還提供了一種上述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于鋼板軋制后終軋溫度大于Ar3;將熱軋后的鋼板以至少10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火,淬火終了溫度為Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)至室溫。
      本發(fā)明提供了另外一種上述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于鋼板軋制冷卻后,重新加熱到Ac3以上,以至少10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火,淬火終了溫度為Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)至室溫。
      本發(fā)明高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法中,淬火終了溫度可以介于Ms~150℃之間,停止淬火,將淬火后的鋼板空冷至室溫。
      本發(fā)明高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板中,各種合金元素在鋼中的作用和它們優(yōu)選的濃度范圍如下碳在淬火鋼中對(duì)鋼的淬硬性起關(guān)鍵性作用,當(dāng)其含量小于0.10%時(shí),鋼淬火后的硬度將達(dá)不到HB320,而其含量大于0.17%時(shí),對(duì)耐磨鋼板的火焰切割性能及焊接性能將產(chǎn)生不利的影響,并且降低鋼的低溫沖擊韌性,故該鋼的碳含量控制在0.10%~0.17%范圍內(nèi)。
      硅的加入是為了脫氧和提高鋼的強(qiáng)度,其加入上限是0.55%,因?yàn)檫^(guò)高的硅含量會(huì)降低鋼的沖擊韌性,并惡化鋼的焊接性能。
      錳在該鋼中起到提高淬透性、提高強(qiáng)度的作用,當(dāng)其含量小于0.80%時(shí),鋼的強(qiáng)度低,但當(dāng)其含量超過(guò)1.60%時(shí),鋼的淬透性過(guò)強(qiáng),對(duì)耐磨鋼板的火焰切割性能及焊接性能將產(chǎn)生不利的影響。
      鈮的添加一是細(xì)化鋼軋制后顯微組織的晶粒,使鋼的強(qiáng)度和韌性均得到改善,因?yàn)樵阡摪遘堉七^(guò)程中,鈮的碳氮化物的析出起到阻礙再結(jié)晶和抑制晶粒長(zhǎng)大的作用;二是提高鋼的淬透性。為了獲得這些作用,鈮在鋼中最低含量不應(yīng)低于0.01%,而其含量超過(guò)0.1%將對(duì)焊接性能產(chǎn)生有害作用,鈮的優(yōu)選含量控制在0.03%~0.06%。
      鈦形成細(xì)晶粒的氮化鈦粒子并且通過(guò)抑制板坯重新加熱期間奧氏體晶粒發(fā)生粗化來(lái)促進(jìn)顯微組織的細(xì)化。此外,氮化鈦粒子的存在可抑制焊縫處的熱影響區(qū)中的晶粒發(fā)生粗化。因此,鈦具有改善基體金屬和焊縫熱影響區(qū)的低溫韌性的作用。因?yàn)殁佉缘伒男问綄⒂坞x的氮固定住,所以,鈦就防止了氮由于氮化硼的形成而對(duì)淬透性帶來(lái)的不利影響。為實(shí)現(xiàn)上述這些目的,鈦量至少約0.005%,上限設(shè)定為約0.03%,因?yàn)檫^(guò)量的鈦會(huì)使得氮化鈦發(fā)生粗化并會(huì)產(chǎn)生鈦的碳化物誘發(fā)的析出強(qiáng)化,這兩種情形都會(huì)對(duì)低溫韌性造成損害。鈦的優(yōu)選含量控制在0.01%~0.03%。
      硼在低碳鋼(碳含量低于約0.3%)中少量加入,約0.0005%~0.003%,會(huì)顯著地提高鋼的淬透性。硼量超過(guò)0.003%會(huì)促進(jìn)脆性顆粒Fe23(C,B)6的形成。硼的優(yōu)選含量控制在0.0008%~0.002%。
      鉻一般可提高鋼材淬透性,也可提高抗腐蝕能力。其含量超過(guò)約1.0%時(shí),對(duì)耐磨鋼板的火焰切割性能及焊接性能將產(chǎn)生不利的影響。優(yōu)選含量控制在0.15%~0.7%。
      鎳的加入即可以提高鋼的淬透性,又可以提高低溫沖擊韌性,但鎳的加入會(huì)極大地提高鋼材的制造成本。
      鉬提高鋼材淬透性。其含量超過(guò)約0.6%時(shí),對(duì)耐磨鋼板的火焰切割性能及焊接性能將產(chǎn)生不利的影響。
      銅的加入可提高鋼材的強(qiáng)度,也可提高抗腐蝕能力。其含量超過(guò)約0.5%時(shí),對(duì)鋼板表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
      釩具有與鈮相似的效果,但沒(méi)有Nb那么顯著。其優(yōu)選含量控制在0.03%~0.08%。
      鋁加入鋼中起脫氧作用,它對(duì)鋼顯微組織的細(xì)化也是有效的。如果鋁加入量過(guò)高,既大于0.06%,會(huì)有形成Al2O3類夾雜的傾向,對(duì)鋼的韌性不利。
      鈣和稀土金屬(REM)一般用于控制硫化錳(MnS)夾雜的形態(tài)并提高低溫韌性。為控制硫化物的形態(tài)需要至少加入約0.001%的鈣或約0.001%的REM。然而,如果鈣含量超過(guò)約0.006%或REM含量超過(guò)約0.02%,會(huì)形成大量的CaO-CaS(一種鈣氧化物-鈣硫化物)或REM-CAS(一種稀土金屬-鈣硫化物),并且轉(zhuǎn)變成大的團(tuán)粒和大的夾雜物,這不僅會(huì)損害鋼的純凈度,也會(huì)影響鋼的焊接性能。
      鎂一般可形成細(xì)小禰散的氧化物顆粒,可抑制晶粒的長(zhǎng)大和/或促進(jìn)HAZ中晶內(nèi)鐵素體的形成,進(jìn)而提高熱影響區(qū)韌性。為使鎂的加入產(chǎn)生效果,至少需加入約0.0001%的鎂,然而,如果鎂含量超過(guò)約0.006%,會(huì)形成粗大的氧化物,損害HAZ區(qū)的韌性。
      按照本發(fā)明高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的成分設(shè)計(jì)及特殊制備方法,所獲得的耐磨鋼板力學(xué)性能見(jiàn)表5表5

      總之,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為1、本發(fā)明實(shí)際化學(xué)成分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,合金元素少,且含量低。
      2、本發(fā)明控制水淬后,不需要回火。
      3、本發(fā)明具有比較理想的綜合力學(xué)性能,不僅具有高硬度,還具有較高的低溫沖擊韌性。
      4、本發(fā)明切割碳當(dāng)量Ceq≤0.46%,在冬季環(huán)境溫度較低情況下,采用正?;鹧媲懈顥l件,即不采用預(yù)熱或后熱措施,也不會(huì)產(chǎn)生切割面延遲裂紋,具有較好的火焰切割性能。
      具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例可以采用下述任意一種工藝方式實(shí)現(xiàn)1、軋后在線直接冷卻(淬火)工藝根據(jù)鋼板厚度,如果軋機(jī)后部在線冷卻設(shè)備冷卻能力較強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)軋后在線大冷卻速度控制冷卻,甚至淬火冷卻,則采用這一工藝。具體工藝要求為鋼板軋制后終軋溫度大于Ar3;將熱軋后的鋼板以至少約10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火至至少低至Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)的淬火終了溫度以硬化鋼板,優(yōu)選的冷速至少約20℃/秒,更優(yōu)選的冷速至少約30℃/秒,甚至更優(yōu)選的冷速至少約40℃/秒,淬火終了溫度優(yōu)選介于約Ms~室溫之間,更優(yōu)選在約Ms~150℃之間;停止淬火,將淬火后的鋼板空冷至室溫,以促進(jìn)鋼材淬火組織轉(zhuǎn)變的完成。
      2、軋后離線淬火工藝對(duì)于較厚鋼板,或者軋鋼后部在線冷卻設(shè)備冷卻能力較弱,可以采用鋼板軋制冷卻后,再重新加熱奧氏體化后控制水淬工藝。具體工藝要求為鋼板軋制冷卻后,送到加熱爐內(nèi),重新加熱到Ac3以上某一合適溫度,使其完全奧氏體化;鋼板出爐后,在專用淬火機(jī)上淬火冷卻,鋼板以至少約10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火至至少低至Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)的淬火終了溫度以硬化鋼板,優(yōu)選的冷速至少約20℃/秒,更優(yōu)選的冷速至少約30℃/秒,甚至更優(yōu)選的冷速至少約40℃/秒,淬火終了溫度優(yōu)選介于約Ms~室溫之間,更優(yōu)選在約Ms~150℃之間;停止淬火,將淬火后的鋼板空冷至室溫,以促進(jìn)鋼材淬火組織轉(zhuǎn)變的完成,又能實(shí)現(xiàn)充分自回火,減下組織相變應(yīng)力。
      實(shí)施例具體成分、工藝、性能見(jiàn)表6、7
      表6

      表7

      權(quán)利要求
      1.一種高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于該鋼板含有鐵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.按照權(quán)利要求1所述高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于另外含有至少一種選自下組的添加元素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.按照權(quán)利要求1或2所述高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于所述成分滿足,C+0.155(Cr+Mo)+0.14(Mn+V)+0.11Si+0.045(Ni+Cu)≤0.46%。
      4.按照權(quán)利要求3所述高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于其中,0.03%~0.06%Nb。
      5.按照權(quán)利要求4所述高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于其中,0.15%~0.7%Cr,0.01%~0.03%Ti,0.0008%~0.002%B。
      6.一種權(quán)利要求1~5之一所述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于鋼板軋制后終軋溫度大于Ar3;將熱軋后的鋼板以至少10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火,淬火終了溫度為Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)至室溫。
      7.一種權(quán)利要求1~5之一所述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于鋼板軋制冷卻后,重新加熱到Ac3以上,以至少10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火,淬火終了溫度為Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)至室溫。
      8.按照權(quán)利要求6或7所述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于淬火終了溫度介于Ms~150℃之間,停止淬火,將淬火后的鋼板空冷至室溫。
      9.按照權(quán)利要求6或7所述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于冷速至少20℃/秒。
      10.按照權(quán)利要求6或7所述高硬度高韌性易火焰切割耐磨鋼板的制備方法,其特征在于冷速至少30℃/秒。
      全文摘要
      一種高硬度高韌性易火焰切割的耐磨鋼板,其特征在于該鋼板含有鐵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,另外還可以含有至少一種選自下組的添加元素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。采用軋后在線直接冷卻淬火或者軋后離線淬火工藝,以至少10℃/秒的冷速?gòu)牟坏陀贏r3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度淬火至至少低至Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)的淬火終了溫度。獲得了硬度HB≥320,沖擊韌性Akv-40℃≥30J,在冬季北方地區(qū),具有易火焰切割及良好焊接性能的耐磨鋼板。
      文檔編號(hào)C22C38/32GK1626695SQ20031011903
      公開(kāi)日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
      發(fā)明者楊軍 申請(qǐng)人:楊軍
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