專利名稱：一種高強(qiáng)度高韌性耐磨鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨鋼，特別是涉及一種低合金易焊接高強(qiáng)度高韌性耐磨鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
耐磨鋼板廣泛應(yīng)用于工作條件特別惡劣，要求高強(qiáng)度，高耐磨性能的工程、采礦、農(nóng)業(yè)、水泥生產(chǎn)、港口、電力以及冶金等機(jī)械產(chǎn)品上。如推土機(jī)，裝載機(jī)，挖掘機(jī)，自卸車及抓斗、堆取料機(jī)、輸料彎曲結(jié)構(gòu)等。近幾十年來，耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展很快，一般增加碳含量并加入適量的微量元素，如鉻、鑰、鎳、釩、鎢、鈷、硼和鈦等，充分利用析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等不同強(qiáng)化方式提高耐磨鋼的力學(xué)性能。大多數(shù)耐磨鋼為中碳、中高碳和高碳鋼，碳含量增加會(huì)導(dǎo)致鋼的韌性下降，且過高的碳嚴(yán)重惡化了鋼的焊接性能，另外，增加合金含量會(huì)導(dǎo)致成本提高和焊接性能下降，這些缺點(diǎn)制約了耐磨鋼的進(jìn)一步發(fā)展。材料的耐磨性主要取決于其硬度，而韌性對(duì)材料的耐磨性也有著非常重要的影響。單單提高材料的硬度并不能保證材料在復(fù)雜工況下具有較佳的耐磨性和較長的使用壽命。通過調(diào)整成分與熱處理工藝，控制低合金耐磨鋼硬度和韌性的合理匹配，得到優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，使其滿足不同磨損工況的需要。焊接可以解決各種鋼材的連接，是十分重要的加工工藝，在工程應(yīng)用中具有十分重要的作用。焊接冷裂紋是最常出現(xiàn)的焊接工藝缺陷，尤其是當(dāng)焊接高強(qiáng)度鋼時(shí)，冷裂紋出現(xiàn)的傾向很大。為防止冷裂紋產(chǎn)生，通常是焊前預(yù)熱、焊后熱處理，造成了焊接工藝的復(fù)雜性，特殊情況下的不可操作性，危及焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性。對(duì)于高強(qiáng)度、高硬度的耐磨鋼板，焊接問題尤為明顯。CN1140205A公開了一種中碳中合金耐磨鋼，其碳及合金元素(Cr、Mo等)含量均遠(yuǎn)高于本發(fā)明，這必然導(dǎo)致焊接性能與機(jī)械加工性能較差。CN1865481A公開了一種貝氏體耐磨鋼，與本發(fā)明相比,其碳及合金元素(Si、Mn、Cr、Mo等)含量均較高,焊接性能、力學(xué)性能均較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板，在添加微量合金元素基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高硬度和高韌性的匹配，極易焊接、具有良好的機(jī)械加工性能，十分有益于工程上的廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板的化學(xué)成分重量百分比含量為 C :0. 08-0. 21 %、Si :0. 15-0. 45 %、Mn :1. 10-1. 80 P ^ 0. 015
S 彡 0.010 %、Nb :0. 010-0. 040 %、Al :0. 010-0. 080 %、B :0. 0006-0. 0014 %、Ti:0. 005-0. 050 %、Ca :0. 0010-0. 0080 V ^ 0. 080 Cr ^ 0. 60 %, N ^ 0. 0080 %、0^ 0. 0060 H ^ 0. 0004 %,且滿足0. 025 % ( Nb+Ti ( 0. 080 %,0. 030 %、^ Al+Ti ^ 0. 12%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明耐磨鋼的顯微組織主要為馬氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)
(5%。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供該低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板的制造方法，該方法依次包括冶煉、鑄造、加熱、軋制和軋后直接冷卻等步驟。其中加熱步驟中，加熱到溫度為1000-1200°c ;軋制步驟中，開軋溫度950-1150°C，終軋溫度800-950°C ;軋后直接冷卻步驟中，采用水冷，停冷溫度室溫至300°C。材料的化學(xué)成分對(duì)焊接性能有著重要的影響。碳和合金元素對(duì)鋼的焊接的影響可用碳當(dāng)量來表示，通過對(duì)鋼的碳當(dāng)量的估算，可以初步衡量低合金高強(qiáng)度鋼冷裂敏感性的高低，碳當(dāng)量越低，焊接性越好，反之，則焊接性越差，這對(duì)焊接工藝條件如預(yù)熱、焊后熱處理、線能量等的確定具有重要的指導(dǎo)作用。國際焊接協(xié)會(huì)確認(rèn)的碳當(dāng)量的公式為
Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15低焊接裂紋敏感性鋼板的焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm可按下式確定Pcm = C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm是反映鋼的焊接冷裂紋傾向的判定指標(biāo),Pcm越低,焊接性越好，反之，則焊接性越差。焊接性好是指焊接時(shí)不易產(chǎn)生焊接裂紋，而焊接性差的鋼容易產(chǎn)生裂紋，為了避免裂紋的產(chǎn)生，在焊接前對(duì)鋼進(jìn)行預(yù)熱，焊接性越好，則所需的預(yù)熱溫度越低，甚至不預(yù)熱，反之則需要較高的預(yù)熱溫度。由于本發(fā)明中科學(xué)設(shè)計(jì)了碳及合金元素含量，通過微合金元素的細(xì)化強(qiáng)化作用及控制軋制控制冷卻過程的細(xì)化強(qiáng)化效果，使得鋼板具有優(yōu)異的力學(xué)性能(強(qiáng)、硬度、延伸率、沖擊性能等)、焊接性能和耐磨性能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處主要體現(xiàn)在以下幾方面從化學(xué)成分上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼的化學(xué)成分除C、Si、Mn等元素外，添加了少量Nb等元素,具有成分簡單、成本低廉等特點(diǎn)；從生產(chǎn)工藝上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼板采用TMCP工藝生產(chǎn)，無需離線淬火和回火等熱處理工序，具有生產(chǎn)流程短，生產(chǎn)效率高，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本等特點(diǎn)；從產(chǎn)品性能上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼板具有高強(qiáng)度、高硬度，尤其具有很高的低溫韌性，本發(fā)明生產(chǎn)的鋼板具有優(yōu)異的焊接性能。從顯微組織上看，本發(fā)明涉及的耐磨鋼，顯微組織主要為細(xì)的馬氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)< 5%，有益于耐磨鋼板強(qiáng)硬度及韌性的良好匹配。本發(fā)明涉及的耐磨鋼板具有較明顯的優(yōu)勢(shì)?？刂铺己秃辖鹪睾?，研發(fā)低成本、焊接和力學(xué)性能佳、工藝簡單的耐磨鋼是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。


圖I是焊接試驗(yàn)中，斜Y坡口焊接裂紋試件的形狀和尺寸。圖2為實(shí)施例5鋼板顯微組織為細(xì)的馬氏體和少量殘余奧氏體，這保證了鋼板具有較佳的力學(xué)性能。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合一些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。這些實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的描述，并不對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。本發(fā)明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。本發(fā)明所涉及的低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板的化學(xué)成分作用如下碳碳是耐磨鋼中最基本、最重要的元素，可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而提高鋼的耐磨性，但其對(duì)鋼的韌性和焊接性能不利，因此，應(yīng)合理控制鋼中的碳含量為0. 08-0. 21%，優(yōu)選為 0. 11-0. 19%。硅硅固溶在鐵素體和奧氏體中提高它們的硬度和強(qiáng)度，然而硅含量過高會(huì)導(dǎo)致鋼的韌性急劇下降。同時(shí)考慮到硅與氧的親和力比鐵強(qiáng)，焊接時(shí)容易產(chǎn)生低熔點(diǎn)的硅酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動(dòng)性，影響焊縫質(zhì)量，因此含量不易過多，本發(fā)明中控制硅為0. 15-0. 45%，優(yōu)選地為 0. 15-0. 40%。 錳錳強(qiáng)烈增加鋼的淬透性，降低耐磨鋼轉(zhuǎn)變溫度和鋼的臨界冷卻速度。但錳含量較高時(shí)，有使晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆敏感性，而且容易導(dǎo)致鑄坯中出現(xiàn)偏析和裂紋，降低鋼板的性能，本發(fā)明中控制錳含量為I. 10-1. 80%，優(yōu)選地1.20-1.70%。鈮Nb的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用，對(duì)提高材料強(qiáng)韌性貢獻(xiàn)是極為顯著的，是強(qiáng)烈的C、N化物的形成元素，強(qiáng)烈地抑制奧氏體晶粒長大。Nb通過晶粒細(xì)化同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性，Nb主要通過析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化來改善和提高鋼的性能，Nb已經(jīng)被作為HSLA鋼中最有效的強(qiáng)化劑之一，本發(fā)明中控制鈮為0. 010-0. 040%，優(yōu)選地為0. 010-0. 035%。鋁鋁和鋼中氮能形成細(xì)小難溶的AiN顆粒，細(xì)化鋼的晶粒。鋁可細(xì)化鋼的晶粒，固定鋼中的氮和氧，減輕鋼對(duì)缺口的敏感性，減小或消除鋼的時(shí)效現(xiàn)象，并提高鋼的韌性，本發(fā)明中Al含量控制在0. 010-0. 080%，優(yōu)選地為0. 020-0. 060%。硼硼增加鋼的淬透性但含量過高將導(dǎo)致熱脆現(xiàn)象，影響鋼的焊接性能及熱加工性能，因此需要嚴(yán)格控制B含量，本發(fā)明中控制硼含量為0. 0006-0. 0014 %，優(yōu)選地為0. 0008-0. 0014%。鈦鈦是強(qiáng)碳化物形成元素之一，與碳形成細(xì)微的TiC顆粒。TiC顆粒細(xì)小，分布在晶界，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，較硬的TiC顆粒提高鋼的耐磨性，本發(fā)明中控制鈦為
0.005-0. 050 %，優(yōu)選地為 0. 005-0. 045 %。鈮和鈦的復(fù)合加入，可以獲得更好的晶粒細(xì)化效果，減小原奧氏體晶粒尺寸，有利于細(xì)化淬火后的馬氏體條，提高強(qiáng)度和耐磨性，TiN等在高溫下的未溶解性，可阻止熱影響區(qū)晶粒的粗化，提高熱影響區(qū)的韌性，從而改善鋼的焊接性，故鈮和鈦的含量范圍如下
0.025 % ( Nb+Ti ( 0. 080 %，優(yōu)選地為 0. 035 % ( Nb+Ti ( 0. 070 %。鈦均能形成細(xì)小顆粒進(jìn)而細(xì)化晶粒，鋁可以保證細(xì)小鈦顆粒的形成，充分發(fā)揮鈦的細(xì)化晶粒作用，故鋁和鈦的含量范圍如下0. 030%彡Al+Ti彡0. 12%，優(yōu)選地為0. 040%(Al+Ti ( 0. 11%。鈣鈣對(duì)鑄鋼中夾雜物的變質(zhì)具有顯著作用，鑄鋼中加入適量鈣可將鑄鋼中的長條狀硫化物夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹腃aS或(Ca，Mn) S夾雜，鈣所形成的氧化物及硫化物夾雜密度小，易于上浮排除。鈣還顯著降低硫在晶界的偏聚，這些都有益于提高鑄鋼的質(zhì)量，進(jìn)而提高鋼的性能。本發(fā)明中控制硼含量為0. 0010-0. 0080%，優(yōu)選地為0. 0010-0. 0060%。釩釩的加入主要是為了細(xì)化晶粒，使鋼坯在加熱階段奧氏體晶粒不至于生長的過于粗大，這樣，在隨后的多道次軋制過程中，可以使鋼的晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，本發(fā)明中控制釩為< 0. 080%，優(yōu)選地為< 0. 060%。鉻鉻可以降低臨界冷卻速度、提高鋼的淬透性。鉻在鋼中可以形成(Fe，Cr)3C、(Fe, Cr)7C3和(Fe，Cr)23C7等多種碳化物，提高強(qiáng)度和硬度。鉻在回火時(shí)能阻止或減緩碳化物的析出與聚集，可以提高鋼的回火穩(wěn)定性，本發(fā)明中控制鉻含量為<0. 60%，優(yōu)選為(0. 40%。磷與硫在耐磨鋼中，硫與磷均為有害元素，它們的含量要嚴(yán)格控制，本發(fā)明所涉及鋼種中控制磷含量彡0.015%，優(yōu)選彡0.010% ;硫含量彡0.010%，優(yōu)選彡0. 005%。氮、氧與氫鋼中過多的氧和氮對(duì)鋼的性能尤其是焊接性和韌性能是十分不利的，但控制過嚴(yán)會(huì)大幅增加生產(chǎn)成本，因此，本發(fā)明所涉及鋼種中控制氮含量< 0. 0080%，優(yōu)選(0. 0050% ;氧含量< 0. 0060%，優(yōu)選< 0. 0040% ;氫含量< 0. 0004%，優(yōu)選< 0. 0003%。本發(fā)明上述低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板的制造方法，依次包括冶煉、鑄造、力口熱、軋制和軋后直接冷卻等步驟。其中加熱步驟中，加熱到溫度為1000-1200°C ;軋制步驟中，開軋溫度950-1150°C，終軋溫度800-950°C ;軋后直接冷卻步驟中，采用水冷，停冷溫度室溫至300°C。優(yōu)選地，在所述加熱過程中，加熱溫度為1000-1150 °C，更優(yōu)選加熱溫度為1000-1130°C，為提高生產(chǎn)效率并防奧氏體晶粒過分長大及鋼坯表面嚴(yán)重氧化，最優(yōu)選加熱溫度為 1000-1110。。。優(yōu)選地，開軋溫度950-1100 V，終軋溫度800-900 °C，更優(yōu)選地，開軋溫度950-1080 °C，終軋溫度800-890 °C，最優(yōu)選地，開軋溫度950-1050°C，終軋溫度800-880。。。優(yōu)選地，停冷溫度為室溫至280°C，更優(yōu)選停冷溫度為室溫至250°C，最優(yōu)選停冷溫度為室溫至200°C。本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)化學(xué)成分(C、Si、Mn、Nb等元素的含量及配比)，嚴(yán)格控制了碳和微合金含量。這樣的成分設(shè)計(jì)得到的耐磨鋼板具有易焊接性，適合需要焊接的工程機(jī)械使用領(lǐng)域。另外，由于不含有Mo和Ni等元素，可大大降低耐磨鋼生產(chǎn)成本。本發(fā)明的低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板具有高強(qiáng)、高硬及極佳的沖擊韌性等，易進(jìn)行切割、彎曲等機(jī)械加工，具有很強(qiáng)的適用性。本發(fā)明生產(chǎn)的低合金易焊接高強(qiáng)高韌耐磨鋼板抗拉強(qiáng)度為1160_1410MPa，延伸率為14-16%;布氏硬度為390-470HBW ;其_40°C夏比V型縱向沖擊功為50-110J，并且具有優(yōu)異的焊接性能，增強(qiáng)了耐磨鋼的適用性。實(shí)施例本發(fā)明實(shí)施例1-8和對(duì)比例I為(專利CN1865481A)的鋼板化學(xué)元素質(zhì)量百分配比如表I所示。將冶煉原料按照步驟冶煉一鑄造一加熱一軋制一軋后直接冷卻進(jìn)行制造。實(shí)施例1-8中的具體工藝參數(shù)參見表2。由表I可知,對(duì)比例I中碳含量和合金含量較高，Ceq和Pcm值遠(yuǎn)高于本發(fā)明鋼種，焊接性能必然與本發(fā)明鋼種相差較大。權(quán)利要求
1.一種耐磨鋼板，其重量百分比組成為C :0.08-0. 21 Si :0. 15-0.45 %、Mn I.10-1. 80 P≤ 0. 015 S ≤ 0. 010 Nb :0. 010-0. 040 Al :0. 010-0. 080 B 0. 0006-0. 0014%, Ti :0. 005-0. 050%, Ca :0. 0010-0. 0080%, V ≤ 0. 080%, Cr ≤0. 60%,N ≤ 0. 0080%、0 ≤0. 0060%、H ≤ 0. 0004%，且滿足0. 025%≤ Nb+Ti ≤ 0. 080%，0. 030%(Al+Ti ( 0. 12%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的耐磨鋼板，其特征在于，C:0. 11-0. 19%。
3.如權(quán)利要求I或2所述的耐磨鋼板，其特征在于，Si:0. 15-0. 40%。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Mn:1. 20-1. 70%。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，P≤ 0. 010%。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，S≤0. 005%。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Nb:0. 010-0. 035%。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Al:0. 020-0. 060%。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，B:0. 0008-0. 0014%。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Ti:0. 005-0. 045%。
11.如權(quán)利要求1-10任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，Ca:0. 0010-0. 0060%。
12.如權(quán)利要求1-11任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，V< 0. 060%。
13.如權(quán)利要求1-12任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，CrS0. 40%。
14.如權(quán)利要求1-13任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，N^O.0050%。
15.如權(quán)利要求1-14任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，0^0. 0040%。
16.如權(quán)利要求1-15任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，H^O.0003%。
17.如權(quán)利要求1-16任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，0.035%^ Nb+Ti ( 0. 070%,0. 040%^ Al+Ti ( 0. 11%。
18.如權(quán)利要求1-17任一所述的耐磨鋼板，其特征在于，抗拉強(qiáng)度為1170-1410MPa，延伸率為14-16% ;布氏硬度為390-470HBW ;其_40°C夏比V型縱向沖擊功為50-110J。
19.權(quán)利要求1-18任一所述的耐磨鋼板的制造方法，依次包括冶煉、鑄造、加熱、軋制和軋后直接冷卻等步驟； 在加熱步驟中，加熱溫度為1000-1200°C，保溫時(shí)間為1-2小時(shí)； 在軋制步驟中，開軋溫度為950-1150°C，終軋溫度為800-950°C ； 在冷卻步驟中，采用水冷，停冷溫度為室溫至300°C。
20.如權(quán)利要求19所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，保溫時(shí)間為2小時(shí)。
21.如權(quán)利要求20所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，板坯加熱溫度為1000-1150。。。
22.如權(quán)利要求19-21任一所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，開軋溫度為950-1100°C，終軋溫度為 800-900°C。
23.如權(quán)利要求19-22任一所述的耐磨鋼板的制造方法，其特征在于，停冷溫度為室溫至 280 0C o
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐磨鋼板，其化學(xué)成分(重量％)為C0.08-0.21％、Si0.15-0.45％、Mn1.10-1.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb0.010-0.040％、Al0.010-0.080％、B0.0006-0.0014％、Ti0.005-0.050％、Ca0.0010-0.0080％、V≤0.080％、Cr≤0.60％、N≤0.0080％、O≤0.0060％、H≤0.0004％，且滿足0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該耐磨鋼板的制造方法，包括冶煉、鑄造、軋制及軋后直接冷卻等步驟。通過以上成分及工藝得到的耐磨鋼板極易焊接，強(qiáng)硬度高，低溫韌性佳，機(jī)械加工性能優(yōu)異，適用于工程、礦山機(jī)械中易磨損設(shè)備，如鏟斗、礦用車箱體和刮板運(yùn)輸機(jī)等。
文檔編號(hào)C22C38/32GK102747280SQ20121026989
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者姚連登, 李紅斌, 苗雨川 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司