一种中碳多元合金化耐磨热轧圆钢及其制造方法 【技术领域】
本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种中碳多元合金化耐磨热轧圆钢及其制造方法。
背景技术
耐磨材料的使用遍布冶金、矿山、建材、火电及机械行业的各个部门，种类多，数量大。在国外，中、低合金耐磨钢多为Cr、Mo或Cr、Ni、Mo系合金钢，我国曾有一段时间着力开发符合我国合金资源情况的Si、Mn系合金钢，其典型钢种是30Si2Mn。但随着技术研究及生产实践中的不断创新，人们逐渐认识到采用多元合金化是提高耐磨钢淬透性、强韧性、硬度和耐磨性的行之有效的方法。因此，近年来，中、低合金耐磨钢大多采用多元合金化的途径。我国在20世纪80年代之后在这方面取得了一系列成果。较典型的耐磨钢种是30CrMnSiMoNi、Cr5Mo钢，用于制造球磨机衬板、磨球以及锤破机锤头等典型耐磨件，取得了良好的使用效果。这一时期还有关于V、Ti、Nb、Re、B等微量元素在耐磨钢中的应用研究，进一步提高了耐磨钢的综合性能和使用寿命。
CN1626695A公开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：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。上述发明碳含量为低碳钢耐磨钢板，采用Mn、Cr、Nb、Ti等多元合金化方式。本发明是热轧圆钢，碳含量设计在中碳范围，碳含量高，保证了钢的硬度和耐磨性，是一种低廉的磨球用钢。
【发明内容】
针对现有技术的不足，本发明提供一种中碳多元合金化耐磨热轧圆钢，是一种球磨机工况为高应力冲击磨料磨损条件下的磨球用钢，本发明还提供该钢的制造方法。
术语说明：高应力冲击磨料磨损，又称研磨磨料磨损，即研磨应力超过被磨矿物的抗压强度。
本发明的技术方案如下：
一种高应力冲击磨料磨损条件下的磨球用钢，其特征在于，是一种中碳多元合金化耐磨热轧圆钢，其组成按质量百分数为：
C：0.55～0.65％，Si：0.20～0.37％，Mn：0.75～0.90％，Cr：0.85～1.20％，V：0.03～0.20％，Mo：0.05～0.20％，Ti：0.010～0.060％，P：0.005～0.025％，S：0.001～0.020％，Cu：0.01～0.20％，Ni：0.01～0.20％，Al：0.010～0.060％，余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之一在于采用多元合金化成分设计。碳含量对冲击韧度和硬度的影响较大，针对高应力冲击磨料磨损，为满足硬度和冲击性能的合理匹配，设计C：0.55～0.65％；为提高钢的淬透性，采用Mn、Cr搭配合金化，设计Mn：0.75～0.90％，Cr：0.85～1.20％，Cr作为碳化物形成元素，形成高硬度的颗粒状碳化物，有利于提高钢的硬度；Mo能显著提高钢的淬透性，与Cr、Mn等导致回火脆性的元素合理搭配，能抑制或降低钢的回火脆性；设计Mo：0.05～0.20％；微量合金元素V、Ti加入主要是为了细化晶粒，提高钢的综合性能和耐磨性能。
在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，钢的组成按质量百分数为：
C：0.55～0.62％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.80～0.90％，Cr：1.00～1.10％，V：0.03～0.10％，Mo：0.05～0.10％，Ti：0.010～0.060％，P：0.005～0.025％，S：0.001～0.020％，Cu：0.01～0.20％，Ni：0.01～0.20％，Al：0.020～0.050％，余为Fe和不可避免的杂质。
最优选的，钢的组成按重量百分数为：
C：0.55～0.60％，Si：0.25～0.28％，Mn：0.85～0.90％，Cr：1.05～1.10％，V：0.08～0.10％，Mo：0.08～0.10％，Ti：0.040～0.060％，P：0.010～0.015％，S：0.006～0.09％，Cu：0.05～0.0.06％，Ni：0.04～0.05％，Al：0.035～0.045％，余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之二在于合理的生产工艺，保证钢的性能质量。
本发明的中碳多元合金化耐磨钢的制备方法，钢的化学成分设计要求如上所述，包括以下步骤：
(1)冶炼及合金化
采用电炉冶炼，终点[C]≥0.30％、P≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1630～1670℃出钢；LF炉外精炼，精炼渣碱度3.0-3.5，白渣保持时间大于20-30min；VD真空脱气处理，真空度小于67Pa保持时间12-15分钟，VD后软吹氩时间10-15分钟。
(2)浇注
采用连铸浇注铸坯，控制连铸中间包钢水温度为1500～1520℃，连铸拉坯速度为0.55～0.75m/min，以保证铸坯质量。
(3)轧制
采用热轧工艺将钢坯轧制成圆钢，控制钢坯在加热炉的均热温度为1200～1220℃，加热时间为2.5～3h，开轧温度1080～1120℃，终轧温度850～1000℃。轧成制热轧圆钢。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
本发明的产品是热轧圆钢，可适用于先进的滚轧工艺生产大规格磨球，磨球直径φ90～φ150mm。商品牌号为B3钢。
与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：
1.本发明钢成分设计采用中碳、多元合金化方式提高钢的硬度、耐磨性和耐冲击性能，
2.本发明钢具有高淬透性、高硬度、高耐磨性以及良好的综合性能，钢经热处理后强韧性良好，其使用特点是不断裂、不变形、耐磨损，采用发明钢生产的磨球适于应用在高冲击磨料磨损工况。
3.采用热轧工艺将本发明钢轧制成圆钢，适用于国内先进滚轧工艺生产大规格磨球，由于本发明钢具有良好的淬透性，利用滚轧工艺余热淬火即可获得良好性能。与传统铸造或锻造工艺生产磨球相比，具有生产效率高，能耗低的优点。
【具体实施方式】
下面结合实施例来具体说明本发明的技术方案，但不限于此。
本发明中碳多元合金化耐磨钢是采用UHP(超过功率电炉)。LF(炉外精炼)。VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯，加热轧制成材工艺生产钢材。实施例是以Φ110mm规格钢材地生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
中碳多元合金化耐磨钢的生产工艺步骤为：
(1)冶炼及合金化：采用电炉冶炼，终点[C]≥0.30％、P≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1650～1660℃出钢；LF炉外精炼，精炼渣碱度3.2，白渣保持时间20min；VD真空脱气处理，真空度65Pa保持时间12分钟，VD后软吹氩时间12分钟。
(2)浇注：采用连铸浇注铸坯，控制连铸中间包钢水温度为1510～1520℃，连铸拉坯速度为0.65～0.71m/min，保证铸坯质量。
(3)轧制：采用热轧工艺，钢坯在加热炉的均热温度为1200～1210℃，加热时间为2.8～3h，开轧温度1100～1120℃，终轧温度960～980℃。
具体工艺参数见表1和表2。表1是实施例中碳多元合金化耐磨钢化学成分，表2是连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度。
表1：中碳多元合金化耐磨钢实施例化学成分(质量，％)
实施 例 C Si Mn Cr V Mo Al Ti P S Cu Ni Fe 1 0.56 0.27 0.85 1.05 0.09 0.10 0.040 0.05 0.011 0.008 0.05 0.04 余量 2 0.59 0.25 0.89 1.10 0.10 0.09 0.045 0.04 0.010 0.009 0.05 0.05 余量 3 0.60 0.28 0.90 1.10 0.08 0.08 0.035 0.06 0.012 0.006 0.06 0.04 余量
表2：连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度
实施 例 连铸中间包钢 水温度，℃ 连铸拉坯速度， m/min 钢坯均热 温度，℃ 加热时 间，h 开轧温 度，℃ 终轧温度，℃ 1 1515 0.65 1200 2.9 1110 960 2 1510 0.69 1210 2.8 1100 970 3 1520 0.71 1210 3.0 1120 980
应用情况如下：
将实施例1-3的圆钢采用滚轧工艺生产大规格磨球，磨球直径分别为φ90，φ120mm，φ150mm。利用余热淬火后水冷却后保温，测试磨球的不同半径位置的硬度，热处理制度：830℃/水淬+200℃回火，有关数据列于表3。
表3：不同规格直径磨球的物理指标数据情况
磨球直径，mm 距离表面2mm硬 度，HRC 3/4半径硬度， HRC 1/2半径硬度， HRC 1/4半径硬度， HRC 心部硬度， HRC φ90 66 66 65 64 63.5 φ120 66 65.5 65 64.5 64 φ150 65.5 65.5 64.5 64 63.5