一种650HB级耐磨钢板及其制造方法.pdf

本发明涉及一种耐磨钢板，其成分重量百分比为：C：0.45-0.55％，Si：0.10-0.35％，Mn：0.20-1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.20-1.00％，Mo：0.10-0.80％，Ni：0.50-2.00％，Nb：0.010-0.080％，Ti：0.001-0.060％，Al：0.010-0.10％，B：0.0005-0.0040％，Mg：0.001-0.010％，Ca：0.001-0.010％，还同时满足：(Si+Mn)≤1.10％，(Cr+Mo)≥0.80％，0.04％≤(Al+Ti)≤0.11％，余量为Fe和不可避免的杂质。其制造方法，包括：冶炼、铸造和钢坯在1000-1300℃加热、进行自由轧制，轧后空冷；在(Ac3-10)℃-(Ac3+g0)℃温度淬火，然后在100-400℃温度回火。得到的耐磨钢板的硬度典型值为650HB，具有高强、高硬和良好的韧性相匹配，并保证耐磨钢板具有良好的应用性能，如耐磨性、焊接性及机械加工等，有益于耐磨钢在工程上的广泛应用。

权利要求书一种耐磨钢板，其成分重量百分比为：C：0.45‑0.55％，Si：0.10‑0.35％，Mn：0.20‑1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.20‑1.00％，Mo：0.10‑0.80％，Ni：0.50‑2.00％，Nb：0.010‑0.080％，Ti：0.001‑0.06％，Al：0.010‑0.10％，B：0.0005‑0.0040％，Mg：0.001‑0.01％，Ca：0.001‑0.010wt.％，其中还同时满足：(Si+Mn)≤1.10％，(Cr+Mo)≥0.80％，0.04％≤(Al+Ti)≤0.11％，余量为Fe和不可避免的杂质。
如权利要求1所述的耐磨钢板，其特征在于，Si：0.10‑0.33％，优选地，Si：0.10‑0.30％。
如权利要求1或2所述的耐磨钢板，其特征在于，Mn：0.30‑1.0％，优选地，Mn：035‑0.96％。
如权利要求1‑3任一所述的耐磨钢板，其特征在于，P≤0.0150％。
如权利要求1‑4任一所述的耐磨钢板，其特征在于，S≤0.006％。
如权利要求1‑5任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Cr：0.30‑1.0％，优选地，Cr：0.35‑0.99％。
如权利要求1‑6任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Mo：0.10‑0.70％，优选地，Mo：0.15‑0.60％。
如权利要求1‑7任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Ni：0.50‑1.80％，优选地，Ni：0.50‑1.60％。
如权利要求1‑8任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Nb：0.010‑0.070％，优选地，Nb：0.015‑0.065％。
如权利要求1‑9任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Ti：0.010‑0.050％，优选地，Ti：0.015‑0.050％。
如权利要求1‑10任一所述的耐磨钢板，其特征在于，B：0.0010‑0.0030％，优选地，B：0.0010‑0.0020％。
如权利要求1‑11任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Al：0.020‑0.080％，优选地，Al：0.020‑0.076％。
如权利要求1‑12任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Mg：0.001‑0.009％，优选地，Mg：0.002‑0.009％。
如权利要求1‑13任一所述的耐磨钢板，其特征在于，Ca：0.001‑0.009％，优选地，Ca：0.002‑0.009％。
如权利要求1‑14任一所述的耐磨钢板，其特征在于，所述耐磨钢板的硬度为650HB。
如权利要求1‑15任一所述的耐磨钢板的制造方法，包括如下步骤：经冶炼、铸造的钢坯在1000‑1300℃加热并保温90‑240min后进行自由轧制，轧后空冷；
在(Ac3‑10)℃‑(Ac3+80)℃温度淬火，保温时间为30‑120min；
淬火后在100‑400℃温度回火，保温时间为60‑180min。
如权利要求16所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，在所述加热过程中，加热温度为1080‑1250℃。
如权利要求16或17所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，所述轧制步骤中，轧后空冷采用堆垛或冷床冷却。
如权利要求16‑18任一所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，淬火温度为(Ac3+5)℃‑(Ac3+70)℃，出炉后水冷。
如权利要求16‑19任一所述的耐磨钢板的制造方法，其特征在于，回火温度130‑300℃，出炉后空冷。

说明书一种650HB级耐磨钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢，具体地说，本发明涉及一种650HB级耐磨钢板及其制造方法。
背景技术
在各种工程领域，当工程所使用的材料工作条件特别恶劣的情况下，往往需要使用硬度高的耐磨钢板以减少设备的磨损量，延长设备的使用寿命。
钢板的耐磨性主要取决于其硬度，此外，钢的韧性对钢的使用寿命也有一定的影响。一般来说，钢的硬度越高，其碳和合金的含量就越高，焊接性能也就越差，这就限制了高硬度耐磨钢在工程上的广泛应用。
现有高硬度耐磨钢大多为高碳、高合金耐磨钢，如CN1132264A，其硅含量1.0‑1.5wt.％，锰含量1.5‑1.9wt.％，为高Si‑高Mn成分体系。CN1189542A、CN1385549A和CN1132263A等也为类似成分体系。
发现高Si‑高Mn成分体系对耐磨钢的韧性、机械加工性能和焊接性能十分不利。大量的碳和合金含量会严重恶化耐磨钢的韧性、焊接性能和加工性能，影响耐磨钢的实际应用效果，很大程度上限制了高硬度耐磨钢在工程上的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种650HB级耐磨钢板及其制造方法，在控制碳及合金元素含量(尤其Si和Mn含量)基础上实现高强、高硬和良好的韧性相匹配，并保证耐磨钢板具有良好的应用性能，如机械加工、焊接性及耐磨性等，有益于耐磨钢在工程上的广泛应用。
为达到上述目的，本发明的一种650HB级耐磨钢板，其成分重量百分比为：C：0.45‑0.55％，Si：0.10‑0.35％，Mn：0.20‑1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.20‑1.00％，Mo：0.10‑0.80％，Ni：0.50‑2.00％，Nb：0.010‑0.080％，Ti：0.001‑0.06％，Al：0.010‑0.10％，B：0.0005‑0.0040％，Mg：0.001‑0.010％，Ca：0.001‑0.010％，其中还同时满足：(Si+Mn)≤1.10％，(Cr+Mo)≥0.80％，0.04％≤(Al+Ti)≤0.11％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，Si：0.10‑0.33％，更优选地，Si：0.10‑0.30％。
优选地，Mn：0.30‑1.0％，更优选地，Mn：0.35‑0.96％。
优选地，P≤0.015％。
优选地，S≤0.006％。
优选地，Cr：0.30‑1.0％，更优选地，Cr：0.35‑0.99％。
优选地，Mo：0.10‑0.70％，优选地，Mo：0.15‑0.60％。
优选地，Nb：0.01‑0.07％，优选地，Nb：0.015‑0.065％。
优选地，Ni：0.50‑1.80％，更优选地，Ni：0.50‑1.60％。
优选地，Ti：0.010‑0.05％，优选地，Ti：0.015‑0.050％。
优选地，B：0.0010‑0.0030％，优选地，B：0.0010‑0.0020％。
优选地，Al：0.02‑0.08％，优选地，Al：0.020‑0.076％。
优选地，Mg：0.001‑0.009％，优选地，Mg：0.002‑0.009％。
优选地，Ca：0.001‑0.009％，优选地，Ca：0.002‑0.009％。
本发明中，除非另有指明，含量均为重量百分比含量。
本发明的另一个目的是提供上述650HB级耐磨钢板的制造方法，该方法包括：冶炼、铸造、加热、轧制、冷却、淬火和回火等步骤；其中，加热步骤中，加热温度为1000‑1300℃，保温时间为90‑240min；轧制步骤中，采用自由轧制，轧后空冷；淬火步骤中，淬火温度为(Ac3‑10)℃‑(Ac3+80)℃，淬火时间为30‑120min；回火步骤中，回火温度为100‑400℃，回火时间为45‑180min。
优选地，在所述加热过程中，加热温度为1080‑1250℃，既可使合金元素充分溶解，又以防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化。
优选地，淬火温度为(Ac3+5)℃‑(Ac3+70)℃，淬火时间为30‑90分钟，出炉后水冷，有利于细化组织，提高强韧性。钢中含有较高的碳及一定量的Si、Mn、Cr、Mo和Ni等合金元素，需要在高温下充分固溶，但温度不宜过高以防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化；Cr、Mo等元素可提高钢板淬透性，在水冷条件下可以生产耐磨钢厚板。
优选地，回火温度为130‑300℃，回火时间为45‑120分钟，出炉后空冷。元素Cr、Mo等可以提高回火稳定性，保证钢板的具有较高的硬度及韧性。更优选，回火温度为150‑260℃，回火时间为60‑120分钟
空冷采用堆垛或冷床冷却，可以减缓冷却速度，防止钢板开裂。
本发明通过合理的成分设计以及特定的生产工艺制造的650HB级耐磨钢板，与现有技术的耐磨钢板比较，具有高硬度和较高的韧性，同时具有可焊性，适用于需要焊接的工程机械使用领域；本发明的650HB级耐磨钢板可以进行切割、弯曲等机械加工，具有较强的应用性；由于本发明工艺中在钢板淬火后进行低温回火，既可消除淬火后钢板的内应力，又可使钢板保有较高的硬度和韧性；本发明的650HB级耐磨钢板布氏硬度可达650HB，‑20℃夏比V型纵向冲击功可达40J以上，保证了钢板在恶劣工况下仍具有优异的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明实施例3的650HB级耐磨钢板的显微组织，由图可知该钢板的显微组织为马氏体；
图2是本发明的耐磨钢进行焊接试验中，斜Y坡口焊接裂纹试件的形状和尺寸。
具体实施方式
以下通过结合实施例对本发明进行较为详细的说明。
本发明通过元素种类及含量如下科学设计，在添加少量合金元素基础上实现了650HB级耐磨钢板的高硬和良好的韧性的匹配，确保了钢的高耐磨性。
碳：含量控制在0.45‑0.55％范围内。碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素，可以显著提高钢的强度和硬度，进而提高钢的耐磨性。碳对钢的韧性和焊接性能不利。因此，应合理控制钢中的碳含量，在获得高强度、高硬度的同时保证钢板的韧性及焊接性能。
硅：含量控制在0.10‑0.35％范围内。硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而硅含量过高会导致钢的韧性急剧下降。同时考虑到硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，增加了熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量，因此含量不易过多。硅含量过高会影响钢板表面质量，降低使用性能。优选为，Si：0.1‑0.33％，更优选地，Si：0.15‑0.30％。
锰：含量控制在0.20‑1.00％范围内。锰强烈增加钢的淬透性，降低马氏体转变温度和钢的临界冷却速度。但锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，而且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的力学性能和机械加工成型性能等。优选地，Mn：0.30‑1.0％，更优选地，Mn：0.35‑0.96％。
铬：含量控制在0.20‑1.00％范围内。铬可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。铬在钢中可以形成(Fe，Cr)3C、(Fe，Cr)7C3和(Fe，Cr)23C7等多种碳化物，提高强度和硬度。铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性。优选地，Cr：0.30‑1.0％，更优选地，Cr：0.35‑0.99％。
钼：含量控制在0.10‑0.80％范围内。钼可以细化晶粒，提高强度和韧性。钼在钢中存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含钼钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。优选地，Mo：0.10‑0.70％，优选地，Mo：0.15‑0.60％。
镍：含量控制在0.50‑2.00％范围内。镍可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。镍能与铁以任何比例互溶，具有明显降低冷脆转变温度的作用，对提高耐磨钢的低温韧性具有明显的作用。但其含量过高易导致钢板表面氧化皮难以脱落及成本增加，因此需控制其含量。优选地，Ni：0.50‑1.80％，更优选地，Ni：0.50‑1.60％。
铌：含量控制在0.010‑0.080％范围内。Nb的细化晶粒和析出强化作用，对提高材料强韧性贡献是极为显著的，是强烈的C、N化物的形成元素，强烈地抑制奥氏体晶粒长大。Nb通过晶粒细化同时提高钢的强度和韧性，Nb主要通过析出强化和相变强化来改善和提高钢的性能。优选地，Nb：0.010‑0.070％，更优选地，Nb：0.015‑0.065％。
钛：含量控制在0.001‑0.10％范围内。钛是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒。TiC颗粒细小，分布在晶界，达到细化晶粒的效果。钛可以形成钛氮化物，起到固定氮的作用。优选地，Ti：0.010‑0.050％，更优选地，Ti：0.015‑0.050％。
铝：含量控制在0.001‑0.10％范围内。铝和钢中氮能形成细小难溶的AlN颗粒，细化显微组织。铝不仅是脱氧剂，还有促进亚稳定奥氏体形成的作用。铝能抑制和延缓过冷奥氏体的碳化物分解，提高韧性。优选地，Al：0.020‑0.080％，更优选地，Al：0.020‑0.076％。
硼：含量控制在0.0005‑0.004％范围内。硼增加钢的淬透性。硼对钢淬火成马氏体后的抗回火软化作用没有影响，含硼钢需采取较低的回火温度和较短的回火时间。钢中的硼含量超过0.007％，将导致热脆现象，影响钢的热加工性能。优选地，B：0.0010‑0.0030％，更优选地，B：0.0010‑0.0020％。
镁：含量控制在0.001～0.01％范围内。镁与硫、氧有极大的亲和力，可发生剧烈的冶金反应，去除铸钢中的硫和氧，减少钢中的氧化物和硫化物夹杂。适量的镁可使钢中夹杂物变得细小、分散，它可以改善钢的韧性。镁加入过量，由于反应过于剧烈，将使上浮到钢液表面的MgS、MgO等夹杂重新卷入钢液中，对钢的质量产生不利的影响。优选地，Mg：0.001‑0.009％，更优选地，Mg：0.002‑0.009％。
钙：含量控制在0.001‑0.010％范围内。钙对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，铸钢中加入适量钙可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，钙所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，易于上浮排除。钙还显著降低硫在晶界的偏聚，这些都有益于提高铸钢的质量，进而提高钢的性能。优选地，Ca：0.001‑0.009％，更优选地，Ca：0.002‑0.009％，。磷与硫：在耐磨钢中，硫与磷均为有害元素，它们的含量要严格控制，本发明所涉及钢种中磷含量小于0.020％，硫含量小于0.010％。优选地，P≤0.015％。优选地，S≤0.006％。
硅、锰的部分作用相类似，可以部分取代，但硅、锰含量同时较高时，对焊接性能十分不利，因此又要加以限制，另外，加入适量的锰可以改善由高硅钢的韧性，因此其含量限制在(Si+Mn)≤1.10％范围。
钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。铬可以提高淬透性，但对韧性不利，需要加入适量的钼进行调节，但钼会增加成本，因此含量需要控制，综合考虑含量控制在以下范围：(Cr+Mo)≥0.80％。
铝降低奥氏体的稳定性，减小奥氏体转变时的过冷度，降低钢的淬透性，提高临界淬火冷却速度。钛均能形成细小颗粒进而细化晶粒，铝可以与保证细小钛颗粒的形成，充分发挥钛的细化晶粒作用，故其范围如下：0.04％≤(Al+Ti)≤0.11％。
本发明的650HB级耐磨钢板的制造方法，包括，冶炼、铸造、加热、轧制、冷却、淬火和回火等步骤；其中，加热步骤中，加热温度为1000‑1300℃，保温时间为90‑240min；轧制步骤中，采用自由轧制，轧后空冷；淬火步骤中，淬火温度为(Ac3‑10)℃到(Ac3+80)℃，保温时间为30‑120min；回火步骤中，回火温度为100‑400℃，保温时间为45‑180min。
优选地，在所述加热过程中，加热温度为1080‑1250℃，保温时间为120‑240min，既可使合金元素充分溶解，又以防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化。
优选地，淬火温度为(Ac3+5)℃到(Ac3+70)℃，淬火时间为30‑90分钟，出炉后水冷，有利于细化组织，提高强韧性。钢中含有较高的碳及一定量的Si、Mn、Cr、Mo和Ni等合金元素，需要在高温下充分固溶，但温度不宜过高以防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化；Cr、Mo等元素可提高钢板淬透性，在水冷条件下可以生产耐磨钢厚板。
优选地，回火温度为130‑300℃，回火时间为45‑120分钟，出炉后空冷。元素Cr、Mo等可以提高回火稳定性，保证钢板的具有较高的硬度及韧性。更优选，回火温度为150‑260℃，回火时间为60‑120分钟。
空冷采用堆垛或冷床冷却，可以减缓冷却速度，防止钢板开裂。
优选地，钢板厚度为10‑30mm。
实施例
本发明实施例1‑11的650HB级耐磨钢板及对比钢1的化学成分如表1所示。




试验例1：力学性能试验
按照GB/T231.1(硬度测试标准)和GB/T 229(冲击试验标准)，测定本发明实施例的耐磨钢与对比钢的硬度和本发明实施例室温、0℃和‑20℃夏比V型纵向冲击功，其结果如表3所示。
从表3结果可见，本发明实施例1‑11耐磨钢板的硬度可达650HB以上，室温夏比V型纵向冲击值(akv)可达90J/cm2以上，‑20℃夏比V型纵向冲击功可达40J/cm2以上，其硬度和冲击韧性均明显高于对比钢1，说明本发明的高耐磨性钢板具有优良的机械性能。
试验例2：焊接性试验
按照GB4675.1‑84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》，对本发明耐磨钢板进行斜Y坡口焊接裂纹试验，分五组进行试验。斜Y坡口焊接裂纹试件的形状和尺寸如图1所示。
首先焊接拘束焊缝，拘束焊缝采用富Ar气体保护焊焊接，使用Φ1.2的JM‑58焊丝，焊接过程中严格控制了试件的角变形。焊后冷却室温后进行试验焊缝的焊接。试验焊缝在室温下进行焊接，试验焊缝完成48小时后，检测焊缝表面裂纹、断面裂纹和根部裂纹。经过解剖试验，利用着色法对焊缝的表面、断面、根部分别进行检查。焊接规范为170A×25V×160mm/min。
对本发明实施例1‑11的650HB级耐磨钢板进行斜Y坡口焊接裂纹试验，试验结果如表4所示。
表4实施例1‑11的斜Y坡口焊接裂纹试验结果



由表4结果可见，本发明的实施例耐磨钢板在200℃左右预热条件下焊后未出现裂纹，说明本发明钢板具有较好的焊接性能。
试验例3：耐磨性试验
耐磨性试验在ML‑100磨粒磨损试验机上进行。截取试样时，令试样的轴线垂直于钢板表面，试样的磨损面即钢板的轧制面。将试样按要求加工成台阶状圆柱体，测试部分尺寸为Φ4mm，卡具夹持部分尺寸为Φ5mm。试验前用酒精清洗试样，然后用吹风机吹干，在万分之一精度的天平上称重，测得试样重量作为原始重量，而后安装在弹性夹具上。用粒度为80目的砂纸，在42N载荷作用下进行试验。试验后由于试样与砂纸间的磨损，试样在砂纸上画出一条螺旋线，根据螺旋线的起始和终止半径来计算螺旋线的长度，计算公式为