專利名稱：高硬度耐磨熱軋帶鋼及其制造方法
技術領域：
本發明屬于鋼鐵材料領域，具體地，本發明涉及高硬度耐磨鋼鐵材料。

背景技術：
鋼材由于其強度高、韌性好、耐沖擊、抗疲勞等優點而成為一種重要的工業用原材料，廣泛用于各種工程建設和機械設備中。對于一般的機械設備來說，其運動或工作零部件的磨損仍是它們失效的主要因素。因此需要使用具有高耐磨性能的材料來制造易磨損的零部件。隨著我國國民經濟的快速發展，礦山、電力、水泥、工程機械等各行業每年消耗的金屬耐磨材料約300萬噸以上。目前，常用的耐磨材料主要是鑄鐵類和耐磨鋼系列。在耐磨鋼系列中，可分為高錳鋼和高、中、低碳合金鋼類。
鋼材的耐磨性能取決于其硬度，硬度高的鋼材耐磨性就高，反之則低。通常，碳素鋼的含碳量愈高，在經過淬火的熱處理后，其硬度愈高，耐磨性也隨之提高；但卻帶來韌性隨之降低、不耐沖擊和易斷裂的缺點。于是又有添加各種合金元素(如鉻、鉬、鈦、錳)得合金鋼問世。高錳鋼的沖擊韌性高(ak≥147J/cm2)，但其耐磨性只有在大沖擊工況下通過加工硬化才能實現，而沖擊較小時不足以使高錳鋼產生加工硬化，易被磨損。耐磨合金鋼是近20年來國內外根據各自的用途和資源狀況發展起來的，其綜合性能較好，生產成本低，應用于中等沖擊又要求有一定耐磨性的工況下，并且可通過調整成份和熱處理工藝，滿足不同的工況要求。
工程機械，如推土機、挖掘機、重型裝載車、破碎機、磨煤機及礦山用傳送系統等廣泛使用具有相當強度和硬度的耐磨鋼板，目前最常用的是硬度為360HV和400HV級別的耐磨鋼板。常見的耐磨鋼板是中厚板產品，鋼板經厚板軋機軋制后再經淬火處理以達到高強度、高硬度；或者通過合金化處理，依靠軋后空冷時發生相變強化獲得高強度、高硬度。因厚板軋機和熱處理條件限制，此類耐磨鋼最小厚度較厚，一般均超過8mm，極少有6mm以下的鋼板；而且，通過淬火熱處理方式生產耐磨鋼生產流程長，工藝復雜，效率比較低。
雖然淬火熱處理方式會延長工藝流程，然后目前耐磨合金鋼的研制與應用，大部分是通過熱處理方法來獲得高硬度、高韌性和高耐磨性，如申請號為95103150.3的專利申請公開了一種低合金耐磨鋼，該材料主要用于礦山、煤炭、建材等工業領域用的耐磨易損件，如簡體襯板、端襯板等，但該種材料必須通過高溫熱處理，才能使硬度達到HRC50，沖擊韌性ak為58J/cm2，組織為回火馬氏體M+少量貝氏體B+少量殘余奧氏體A，由于增加了一道熱處理工序，延長了生產周期，提高了生產成本。
專利號為98100966.2的專利公開了一種火力發電廠用的鑄態耐磨鋼，在該材質的實施例中，雖然鑄件在鑄態下就可使用，但鑄件必須在900-950℃打箱空冷，在300-350℃埋入沙中緩冷，操作過程費時費力，再加上溫度不易控制，工廠中實際操作較困難；另外添加元素種類過多，生產中溶連不易控制，且成本較高。
US4494988A公開了一種耐磨鋼，該耐磨鋼是一種高錳鋼，錳含量高達10％以上，該鋼種自身硬度并不高，其耐磨性的提高是通過使用過程中劇烈沖擊發生亞穩奧氏體向馬氏體轉變來實現的。
JP63270445A公開了一種高錳鋼，并且同時加入了大量鉻、鉬、鎳等合金元素，還添加了大量金屬鈷。
JP63190116A、JP62142726A分別公開了一種耐磨鋼板制造方法，成分設計上屬于碳錳鋼，添加了微量Nb和V，并依靠加硼來改善淬透性。在生產工藝方面，該鋼種需要經過淬火和低溫回火處理，即鋼板軋后在線立即水淬，終冷溫度低于200℃，隨后于200-500℃回火；或鋼板再加熱至900-950℃淬火，300-500℃回火。
JP62167862A公開了一種高碳高合金鋼，鋼中碳含量超過1.2％，鉻、鉬、鎢、釩合金含量很高，需要淬火、回火等熱處理，根據使用需要還可以軟化退火處理。
JP57210956A公開了一種含硼低碳錳鋼，為了增加鋼板的淬透性允許視需要添加適量Cr、Ni、Mo、V等元素中的一種或數種。鋼板軋后需要淬火處理，即加熱至Ac3以上并水淬，可在400℃以下溫度回火。
JP59074264A公開了一種高碳耐磨鋼，采用高碳、低錳、高鎢設計，碳含量超過1.1％，添加不低于2％的鎢，成分有所差異。經淬火回火處理后硬度高達780-850HV。
JP61012852A公開了一種中高碳耐磨鋼的制造方法，碳含量高達0.45-0.65％，并且含1.8-2.5％硅和添加不常用的合金鎢，盡管由于碳含量很高可大幅提高硬度，從而耐磨性能優越，但焊接性能惡化。
JP57016149A公開了一種沉淀硬化型耐磨鋼，碳含量較高，添加鉻、銅合金，依靠沉淀析出產生硬化效果。
JP55028302A公開了一種鐵素體-珠光體組織結構的耐磨鋼，碳含量0.20-0.30％，用錳、鉻、釩合金化，鉻含量只有0.20-0.60％，且沒有鉬，控軋后轉變為鐵素體和珠光體組織。
JP2003247019公開了一種耐磨鋼，其硬度高于300HB，成分設計簡單經濟，在碳錳鋼的基礎上加入微量鈦和硼，但生產工藝復雜，要求在Ar3以上溫度終軋后以大于20℃/s冷速迅速水冷至Ms點以下，中斷冷卻待表面回溫至Ms-Ms+200℃范圍，再以大于20℃/s冷速水冷至200℃以下，整套生產工藝過于復雜，尤其是冷卻過程在現有軋機很難操作。
JP06306459A公開了一種耐磨鋼，在低碳錳鋼的成分基礎上根據需要添加Cr、Mo、V、Nb等，鋼板經兩相區加熱并迅速冷至500℃以下，使鋼板具有良好的加工性能和耐磨性能。
EP0043808、WO8401175A1分別公開了一種耐磨鋼的制造方法，兩者共同點是均屬于奧氏體型耐磨鋼，錳含量超過10％，碳含量高達1.0％左右，同時根據需要加入Cr、Ni、Mo等合金元素，需要經過水韌處理。
US2003084973公開了一種熱軋超高強度鋼，其生產工藝強調分段冷卻模式，在880℃以下終軋后先經第一步短暫冷卻10s；第二步冷卻冷速介于20-150℃/s，終冷溫度700-750℃，并在此溫度待溫一段時間；第三步冷速介于20-150℃/s，終冷溫度350-550℃，對軋后冷卻控制非常嚴格。
FR2849864公開了一種熱軋高強度鋼，其中碳、錳含量均較低，分別不超過0.10％和1.1％，且沒有添加鉬。其微觀組織主要是貝氏體和馬氏體，并含有少量鐵素體。
EP0019193公開了一種高強鋼，該鋼具有良好的成形性，鋼種合金含量低，軋后先要求在650-800℃待溫至少60s，以超過10℃/s冷速冷至450℃以下卷取，需要熱軋機組具備快冷系統和低溫卷取能力。
01803364.4公開了一種高強度熱軋鋼板，碳含量小于0.06％，屬于超低碳鋼。
00125376.X公開了一種高硬度耐磨低碳合金鋼板，不含有Al、V，含有RE、B，且Cr含量較高。
200410013944.9公開了一種高硬度高韌性耐磨鋼，不含有Al、V、Ti。
以上各個國內外專利和文獻所述高強耐磨鋼的化學成分見如下表1(注(a)限制Cr和Mo，控制Ceq處于0.34-0.44。Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。)；部分工藝參數見如下表2。



本發明者通過調整合金成分和控制軋制，使鋼板在無需經熱處理的情況下，在軋制狀態就可獲得較高強度和硬度，從而完成了本發明。
因此，本發明第一個目的在于提供一種高硬度耐磨熱軋帶鋼。
本發明第二個目的在于提供一種這種高硬度耐磨熱軋帶鋼的制造方法。


發明內容
本發明一方面提供一種高硬度耐磨熱軋帶鋼，所述帶鋼包括以下化學成分(wt％)C0.12-0.25％、Si0.20-1.40％Mn1.20-1.90％、Cr0.40-1.50％、Mo0.15-0.50％、Ni不大于0.30％、V不大于0.12％、Ti不大于0.03％、Al不超過0.05％、P和S分別不高于0.015％和0.010％、其余是鐵和雜質元素。
上述成分設計和化學元素作用如下所述 碳碳是鋼中的主要強化元素，因為碳是奧氏體轉變成馬氏體、貝氏體等強化相所必不可少的元素。本發明碳的控制范圍為0.12％～0.25％，是基于鋼的強韌性、耐磨性的匹配，碳過低則鋼中沒有足夠的碳化物和固溶碳，在奧氏體轉變為貝氏體過程中不能產生足夠的馬-奧島組織，從而鋼板的強度和硬度不足，而硬度不足將降低鋼板的耐磨性；反之，碳含量高于0.25％時，則鋼的塑性和韌性降低，加工成形困難，焊接性也變差。
硅硅在鋼中起固溶強化作用，是非碳化物形成元素，能促進鐵素體形成，從而使碳擴散到殘余奧氏體中，形成馬-奧島強化組織。硅充當鐵素體穩定劑的作用，在貝氏體形成期間阻礙滲碳體的析出，加速碳擴散到奧氏體相中，硅有助于增加殘余奧氏體的穩定性，形成馬氏體-奧氏體島狀組織。但過高的硅會給熱軋加熱帶來麻煩，并影響產品的韌性，使其變脆，給彎曲成形帶來難度。所以本發明中控制硅含量不大于1.50％。
錳錳在鋼中起固溶強化作用，能提高鋼板的強度和硬度。錳是穩定奧氏體的元素，能降低奧氏體的相變溫度，促進碳在奧氏體中的溶解，錳也增加了碳富集的可能性。由于延遲了鐵素體、珠光體的形成，從而擴大了冷卻形成貝氏體組織的冷卻速率的范圍。過高的錳含量水平必須避免，過高的錳易于偏析，惡化鋼的性能。關于硅和錳，必須調整添加的相對量以控制相的分布和體積分數。
硫和磷硫和磷在鋼中屬于雜質元素，應盡可能降低含量。硫在鋼中與錳等化合形成塑性夾雜物硫化錳，尤其對鋼的橫向塑性和韌性不利，因此硫含量控制在0.005％以下；磷也是鋼中的有害元素，嚴重損害鋼板的塑性和韌性，含量控制在0.015％以下。
鉻和鉬鉻用于鋼中主要是延遲奧氏體轉變孕育時間，使鐵素體、珠光體轉變后移，使在較大的冷速范圍均發生貝氏體轉變；同時，Cr是碳化物形成元素，形成M7C3、M23C6等各種類型合金碳化物，當大量碳化物分散于貝氏體基體時顯著提高耐磨性能。鉬是所有其他合金元素中對淬透性影響最大的元素，顯著推遲珠光體轉變，而且Mo也是碳化物形成元素，添加Mo有助于形成碳化物增加耐磨性。Mo還對改善鋼的高溫性能有利，含Mo鋼即使在較高溫度短暫加熱，仍能保持硬度不降低或僅輕微降低，擴大貝氏體耐磨鋼使用溫度范圍。當鋼中鉻和鉬的含量分別不超過1.50％和0.50％時，即使以很慢的冷速(0.5℃/s)冷卻也能獲得貝氏體組織，達到所需要的硬度。
V釩廣泛用作高強度低合金鋼的強化劑。含釩鋼通過沉淀析出和細化晶粒產生強化，鋼中釩的碳氮化物析出相能顯著提高強度，熱機械軋制可增強釩的強化效果。鋼中添加少量釩就有顯著的強化效果。
鈦鈦可以與氮、碳和硫形成鈦的化合物?？刂其撝锈伒暮浚沟免佒饕c氮化合形成細小彌散的氮化鈦，剩余的鈦與硫、碳形成化合物。因此，適量的鈦不僅固定了鋼中的氮，而且還固定了鋼中的硫和部分碳。但鈦含量過高，形成的氮化鈦粗大，不利于獲得良好的強韌性匹配。
鋁鋁是鋼中的主要脫氧元素，有利于細化晶粒，一般的鋼中均含有一定量。本發明中加入的鋁主要用來脫氧和細化晶粒，加入鋁含量為不超過0.050％。
本發明另一方面提供這種高硬度耐磨熱軋帶鋼的制造方法，包括冶煉、澆鑄、熱軋和冷卻，其中熱軋步驟中冷卻速度為≥0.5℃/s，卷取溫度為500-600℃。
本發明提供的這種制造方法，一個優選的實施方式為，在所述熱軋冷卻步驟中，加熱溫度在1180-1250℃。
本發明提供的這種制造方法，一個優選的實施方式為，在所述粗軋步驟中，累計變形量大于80％。
本發明提供的這種制造方法，一個優選的實施方式為，在所述粗軋步驟中，軋制溫度控制在1000℃以上。
本發明提供的這種制造方法，一個優選的實施方式為，在所述精軋步驟中，終軋溫度為800-900℃。
本發明提供的這種制造方法無需進行淬火熱處理。
整個制造工藝過程及其影響如下所述 鋼坯加熱到1180-1250℃使奧氏體組織均勻化，使鋼中鉻、鉬、釩的碳化物充分溶解，鈦的碳氮化物由于溶解溫度高只有部分溶解，以阻止原始奧氏體晶粒的長大。同時控制加熱溫度下限是為了考慮軋制時板坯的溫降，保證在規定溫度完成軋制。
第一階段軋制在奧氏體可再結晶的溫度范圍內，采用多個道次軋制鋼坯，奧氏體累計變形量大于80％，軋制溫度高于1000℃，通過奧氏體反復再結晶細化奧氏體晶粒。第一階段軋制，即奧氏體再結晶軋制完成后中間坯可待溫或直接進行精軋，待溫可采用空冷或噴水冷卻的方式冷。第二階段軋制在奧氏體未再結晶溫度范圍內，溫度低于1000℃，采用多個道次連續軋制，奧氏體累計變形量大于80％，形成拉長的奧氏體晶粒，在拉長的奧氏體晶內存在大量的形變帶。奧氏體未再結晶軋制控制終軋溫度，要求終軋溫度高于Ar3轉變點，優選的終軋溫度介800～900℃。帶鋼終軋后用水幕加速冷卻，平均冷速要求大于0.5℃/s，終冷溫度介于500～600℃，隨后帶鋼立即卷取，再緩慢冷至室溫。變形奧氏體經加速冷卻可避開鐵素體、珠光體轉變區域，終冷至500-600℃卷取，在此溫度區間卷取發生貝氏體轉變，形成粒狀貝氏體組織，依靠相變強化使抗拉強度超過1100MPa，硬度大于325HV。
有益效果 本發明利用熱連軋機組生產耐磨帶鋼，大大拓展薄規格產品，所提供的高硬度耐磨熱軋帶鋼，其化學成分設計易于實施，通過合金化處理不僅有效起到強化作用，并且推遲奧氏體轉變孕育時間，便于熱軋操作，對軋后冷卻速度要求不高，在比較寬松的冷速范圍均可實現貝氏體轉變，使不同的帶鋼均容易獲得所需強度和硬度。與傳統耐磨鋼生產方式相比，省去了再加熱淬火工序，達到縮短工序流程、降低生產成本的目的。經過上述成分和生產工藝后，3.0-12mm厚度熱軋帶鋼軋態強度超過1100MPa，硬度超過325HV，性能達到360HV級耐磨鋼水平。

具體實施例方式 下面用實施例對本發明作進一步闡述，但這些實施例絕非對本發明有任何限制。本領域技術人員在本說明書的啟示下對本發明實施中所作的任何變動都將落在權利要求書的范圍內。
實施例1 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表3所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表3實施例1鋼的化學成分(wt％)
實施例2 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表4所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表4實施例2鋼的化學成分(wt％)
實施例3 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表5所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表5實施例3鋼的化學成分(wt％)
實施例4 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表6所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表6實施例4鋼的化學成分(wt％)
實施例5 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表7所述化學成分的成品鋼，，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表7實施例5鋼的化學成分(wt％)
實施例6 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表8所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表8實施例6鋼的化學成分(wt％)
實施例7 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表9所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表9實施例7鋼的化學成分(wt％)
實施例8 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表10所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表10實施例8鋼的化學成分(wt％)
實施例9 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表11所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表11實施例9鋼的化學成分(wt％)
實施例10 通過冶煉、澆鑄、熱軋冷卻步驟，獲得具有如下表12所述化學成分的成品鋼，其中熱軋工藝參數、成品厚度及性能見如下表13。
表12實施例10鋼的化學成分(wt％)
表13熱軋工藝參數及成品性能

權利要求
1.一種高硬度耐磨熱軋帶鋼，其特征在于，包括以下化學成分(wt％)C0.12-0.25％、Si0.20-1.40％Mn1.20-1.90％、Cr0.40-1.50％、Mo0.15-0.50％、Ni不大于0.30％、V不大于0.12％、Ti不大于0.03％、Al不超過0.05％、P和S分別不高于0.015％和0.010％、其余是鐵和雜質元素。
2.權利要求1所述的高硬度耐磨熱軋帶鋼的制造方法，包括冶煉、澆鑄、熱軋和冷卻，其特征在于熱軋步驟中冷卻速度為≥0.5℃/s，卷取溫度為500-600℃。
3.如權利要求2所述的制造方法，其中所述熱軋步驟的加熱溫度為1180-1250℃。
4.如權利要求2所述的制造方法，其中所述粗軋步驟的累計變形量大于80％。
5.如權利要求2所述的制造方法，其中所述粗軋步驟的軋制溫度控制在1000℃以上。
6.如權利要求2所述的制造方法，其中所述精軋步驟的終軋溫度為800-900℃。
全文摘要
本發明提供一種高硬度耐磨熱軋帶鋼，包括以下化學成分(wt％)C0.12-0.25％、Si0.20-1.40％Mn1.20-1.90％、Cr0.40-1.50％、Mo0.15-0.50％、Ni不大于0.30％、V不大于0.12％、Ti不大于0.03％、Al不超過0.05％、P和S分別不高于0.015％和0.010％，其余是鐵和雜質元素。本發明還提供這種帶鋼的制造方法。本發明者通過合金成分設計和控制軋制，省去了淬火熱處理步驟，縮短工序流程，降低生產成本，且生產所得的3.0-12mm厚度熱軋帶鋼軋態強度超過1100MPa，硬度超過325HV，性能達到360HV級耐磨鋼水平，可用于制造各種耐磨襯板、固體物料輸送裝置的設備等。
文檔編號C22C38/28GK101353763SQ20071009397
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月23日 優先權日2007年7月23日
發明者唐文軍, 江來珠 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司