專利名稱：：一種低合金易焊接耐磨鋼、鋼板及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及耐磨鋼，具體地說，本發明涉及一種低合金易焊接耐磨鋼。
背景技術：
：現代化工業的發展對工程機械、礦山機械，尤其對礦石和工業產品的運輸車輛和設施如采礦、石油和電力行業運輸機械和挖掘機械的易磨損部件的綜合機械性能提出更高的要求。過去一般選用奧氏體高錳鋼制造耐磨部件，因為奧氏體高錳鋼在大的沖擊載荷作用下，可發生應變誘導馬氏體相變，能夠提高其耐磨性。然而，奧氏體高錳鋼HB只有180220，使用壽命短，不符合建立節約型社會的發展要求。因此，目前通常采用中碳或高碳合金鋼，通過調質處理改善其機械性能，以滿足實際工況對耐磨件的要求。材料的耐磨性主要取決于其硬度，較高的硬度可以提供良好的抗磨損性能。要改善合金鋼材料的抗摩擦磨損性能，常用的方法有兩種1、通過表面滲入微量元素強化，如滲碳形成滲碳層，提高合金鋼材料表面硬度和耐磨損性能；2、調整合金鋼中的合金元素成分，增加碳含量并加入適量的微量元素如Ni、Mo、V和Co等，充分利用析出強化、細晶強化和相變強化、位錯強化等不同強化方式提高鋼的硬度。表面滲入微量元素強化雖然對材料表層局部性能有較大改善，工藝成熟且經濟有效，但表層脆性較高，存在高密度的缺陷，內應力較高，涂層和基體結合強度低，限制了這種工藝在某些場合的應用。例如該方法不能解決切削刀刃、礦山機械的挖掘頭的耐磨性等問題。通過調整優化鋼的成分和工藝可以獲得有良好耐磨性能的合金鋼。碳含量對鋼的性能影響很大，隨著碳含量的增加，淬火形成的馬氏體HCP晶格的晶格常數增大，淬火后的組織硬度增加；但碳含量增加會導致鋼的韌性下降，且過多的碳會嚴重惡化鋼的焊接性能，限制硬質高碳合金鋼的使用范圍。鉻可顯著改善鋼的抗氧化作用，提高淬透性，增加抗腐蝕能力，提高耐磨性。鎳可細化晶粒，通過細晶強化同時提高低合金鋼的韌性和塑性。鉬是鐵素體形成元素，可促進鋼中馬氏體的形成，增加鋼的淬透性并提高碳化物的穩定性。稀土元素可改善合金鋼的鑄態組織、細化晶粒和凈化鋼液。然而，鋼中添加較多的合金元素會增加鋼的制造成本，降低其作為工業產品的實際應用性能。鋼焊接性好是指焊接時不易產生焊接裂紋，而悍接性差的鋼容易產生裂紋。為了避免裂紋的產生，必須在焊接前對鋼進行預熱。焊接性越好，所需的預熱溫度越低，反之則需要較高的預熱溫度。焊接冷裂紋是最常出現的焊接工藝缺陷，尤其是當焊接高強度鋼時，冷裂紋出現的傾向很大。為防止冷裂紋產生，通常采用焊前預熱、焊后熱處理的工藝，這增加了焊接工藝的復雜性和特殊情況下的不可操作性，危害到焊接結構的安全可靠性。對于強度很高的耐磨鋼板，焊接問題尤為明顯。在冬季室外溫度較低，鋼板焊接部位可能產生冷裂紋，導致整個工件報廢。碳和合金元素對鋼的焊接的影響可用碳當量(Ceq)來表示。國際焊接協會確認的碳當量的公式為Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。碳當量是鋼焊接性能的判定指標，Ceq越低，焊接性越好，反之則焊接性越差。經檢索，發明人發現部分相關的耐磨鋼專利文獻，其公開的鋼的組分和碳當量見表l，其中碳當量數值根據組分中間值計算獲得。從鋼種成本角度分析，專利文獻CN1109919、C麵l楊9、CN1132264、CN1385549、CN1140205、CN1865481和CN1132263所公開的鋼中都添加了貴重合金元素Mo，其余相關專利所涉及的鋼中也添加了較多的合金元素，增加了鋼的生產成本。從焊接性能分析，僅專利文獻CN1189542、CN1865481、US3761320所公開的鋼的Ceq小于1.00，其中最小值為0.80，其余相關專利所涉及的鋼的Ceq均大于或等于1.00，而專利文獻CN1099810所公開的鋼的Ceq高達2.85。這些鋼的Ceq偏高，焊接性能較差。4<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由以上分析可知，增加鋼中合金元素的含量可以得到優良的機械性能，但會影響鋼的焊接性能并增加鋼的生產成本。因此，研發低成本且工藝簡單的合金耐磨鋼成為經濟型社會的需要和鋼鐵工業發展的趨勢。本發明的目的在于提供一種低合金易焊接耐磨鋼。本發明的目的還在于提供一種低合金易焊接耐磨鋼板及其制造方法。
發明內容本發明的第一個方面提供一種低合金易焊接耐磨鋼，以質量百分比計，其化學成分包含C:0.070.25%、Si:0.41.4%、Mn:1.02.8%、P:<0.012%、S:<0.003%、B:0細00.0025%、Al:0.020.04%、Th0.0040.030%，Si含量應滿足0.693C+0.142Mri+0.359Ti+17.21B《Si《2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21,21B，其余為Fe和不可避免的雜質。下面，對本發明所涉及的化學成分作用作詳細敘述。C:C在鋼中的作用是固溶強化，增加耐磨鋼的硬度，提高耐磨性。但是C對焊接性能不利，c含量越高，焊接性能越差。適當控制鋼中的c含量，可以在獲得較高硬度的同時保證鋼板的焊接性能。因此，C含量范圍優選0.070.25X。Si:Si可縮小奧氏體相圈，提高鋼的淬火溫度。亞共析鋼中，鋼的臨界冷卻速度隨Si含量的增加而降低；另外在碳含量較低的情況下，Si可顯著降低鋼的臨界冷卻速度，使最終產物形成細化的馬氏體組織。Si固溶于鐵素體和奧氏體中，可提高它們的硬度和強度，在常見的固溶元素中，僅次于P，而較Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等強。Si可降低碳在鐵素體中的擴散速度，使回火時析出的碳化物不易聚集，增加鋼的回火穩定性，Si含量較高的鋼可明顯降低回火脆性，可在較低溫度回火，既能降低鋼中的內應力，亦使鋼板具有較高的硬度。Si可減少摩擦發熱時的氧化作用，提高鋼的冷變形硬化率和耐磨性，硅錳鋼的耐磨性隨Si含量的增加而提高。另外，Si與氧的親和力比鐵強，焊接時容易產生低熔點的硅酸鹽，會增加熔渣和熔化金屬的流動性，影響焊縫質量。因此，綜合考慮Si對鋼的淬透性、強度、回火穩定性、耐磨性和焊接的影響，Si含量范圍優選0.41.4%。Mn:Mn可擴大鐵碳平衡相圈的奧氏體相區，其穩定奧氏體組織的能力僅次于Ni。Mn能夠顯著增加鋼的淬透性，降低馬氏體轉變溫度和鋼的臨界冷卻速度。Mn和Fe可形成固溶體，提高鐵素體和奧氏體的硬度和強度。因此，加入Mn可增加鋼的硬度6和耐磨性，但若Mn含量太高，并會增加鋼的回火脆性。對于調質處理的耐磨鋼板來說，一方面需增加Mn含量以提高鋼板的硬度，另一方面需控制Mn含量以降低鋼板的回火脆性。因此，Mn含量范圍優選1.02.8呢。Al:A1和鋼中的N能形成細小難溶的A1N顆粒，固定鋼中的N和O，減輕鋼對缺口的敏感性，減小或消除鋼的時效現象，并提高鋼的韌性。但是，鋼中固溶的Al超過一定值時，其奧氏體晶粒反而容易粗化。另外，Al可降低奧氏體的穩定性，減小奧氏體轉變時的過冷度，降低鋼的淬透性，提高臨界淬火冷卻速度。綜合考慮以上因素，Al含量范圍優選0.020.04%。Ti:Ti是強碳化物形成元素之一，可與C形成細微的TiC顆粒，細微的TiC顆粒分布在晶界，可達到細化晶粒的效果，同時較硬的TiC顆粒可提高鋼的耐磨性。Ti也是鐵素體強化元素，可固溶在鐵素體中提高鐵素體的強度，其強化作用略弱于Cu和Si，強于A1、Mn、Ni和Mo。另外，Ti可降低鋼在25(TC400'C的回火脆性，若Ti和B共同加入鋼中，將明顯降低其低溫回火脆性。TiC溶解的份數隨淬火溫度提高而增加，在淬火后的回火過程中，TiC可重新彌散析出，增加鋼的回火穩定性。綜合Ti對鋼相變和性能的影響，Ti含量范圍優選0.0040.030%。B:B原子會向晶界處富集，降低晶界的缺陷能，抑制鐵素體在晶界處形核，延長先共析鐵素體和上貝氏體轉變的孕育期，增加鋼的淬透性。B對鋼淬火成馬氏體后的抗回火軟化作用沒有影響，含B鋼需采取較低的回火溫度和較短的回火時間。B增加回火脆性的傾向較Mn低。低溫回火后，含B鋼的強度較不含B鋼強度高。含B鋼在50(TC以上回火，其沖擊韌性低于不含B鋼，30(TC左右回火，沖擊韌性高于不含B鋼。鋼中的B含量超過0.007免時，將導致熱脆現象，影響鋼的熱加工性能。因此，B含量范圍優選0.00100.0025%，以發揮其在耐磨鋼中的最佳效用。本發明的第二個方面提供一種低合金易焊接耐磨鋼板，以質量百分比計，其化學成分包含C:0.070.25%、Si:0.41.4%、Mn:1.02.8%、P:<0.012%、S:<0.003%、B:0篇00.0025%、Al:0.020.04%、Ti:0.0040.030%，Si含量應滿足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B《Si《2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余為Fe和不可避免的雜質。本發明的第三個方面提供所述低合金易焊接耐磨鋼板的制造方法，該方法包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻、淬火和回火工序。7在一個優選實施方式中澆鑄后的連鑄坯或鋼錠的厚度不小于成品稱T板厚度的4倍。在另一個優選實施方式中所述加熱工序中加熱溫度為10801180'C，保溫時間為120180分鐘。在另一個優選實施方式中所述軋制工序中開軋溫度為10501150°C，道次變形率為1025%，終軋溫度為9501020°C。在另一個優選實施方式中所述冷卻工序中冷卻方式為空冷。在另一個優選實施方式中所述淬火工序中淬火溫度為Ac3+305(TC。在另一個優選實施方式中所述回火工序中回火溫度為220320°C。下面，對本發明的制造方法和工藝控制原理作詳細敘述。1、加熱和軋制工藝澆鑄后連鑄坯或鋼錠的厚度不小于成品鋼板厚度的4倍，可保證鋼板有足夠的變形率，細化最終組織。連鑄坯或鋼錠可加熱至1080118(TC奧氏體化，鋼中的TiC在加熱過程中會溶于奧氏體，在軋制和冷卻過程中析出，從而通過細化晶粒和析出強化，提高產品強度。保溫120180min可減少合金元素偏析，有利于鋼板最終性能的穩定。鋼坯出爐后直接軋制，開軋溫度優選1050115(TC，道次變形率優選1025%，終軋溫度優選9501020°C，軋后空冷。其工藝簡單，在大生產中具有良好的現實性和可行性。2、淬火和回火工藝鋼板軋制冷卻后可加熱到AC3+305(TC保溫后淬火，出爐后水冷。淬火時奧氏體發生馬氏體相變，馬氏體以切變方式相變，相變前沿是一列滑動位錯，碳原子無法擴散，形成過飽和的鐵素體。晶格從fcc向bcc轉變時，鐵原子晶體點陣之間存在碳原子，造成點陣畸變，形成正方hcp結構，導致鋼板內部存在內應力。內應力會使鋼板加工時發生變形和崩裂，需進行回火處理才能適合加工和使用要求。淬火后的鋼板可在22032(TC下進行回火處理，出爐后空冷，可采用堆垛或冷床冷卻。本發明在所選定的成分體系條件下，采用較低溫度回火，保證鋼板的各項機械性能優良，同時易于焊接。本發明生產的低合金易焊接耐磨鋼板布氏硬度大于360HB，屈服強度大于1000MPa,抗拉強度大于1100MPa，板厚可達50mm。本發明的有益效果1、通過合理設計鋼的化學成分，降低了耐磨鋼的合金含量，只添加了相對較為廉價的Si、Mn以及微量的B、Al和Ti，不添加Ni等貴重元素，原料成本較低，具有很好的經濟效益。2、大幅降低了鋼的碳當量，其Ceq值為0.54，使其具有較好的焊接性能，適合需要焊接的結構鋼使用領域。3、在鋼板淬火后進行低溫回火，消除了淬火后鋼板的內應力，并使鋼板具有較高的硬度和耐磨性。4、工藝制度比較寬松，可在中、厚鋼板產線上穩定生產。圖1為本發明實施例2鋼板的厚度截面硬度實測值。具體實施例方式以下用實施例結合附圖對本發明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發明最佳實施方式的描述，并不對本發明的范圍有任何限制。實施例1-6的化學成分和Ceq如表2所示。實施例1按表2所示的化學成分冶煉，并澆鑄成連鑄坯，加熱溫度1080°C，保溫180分鐘，開軋溫度為105(TC，道次變形率為15~20%，終軋溫度為95(TC，成品鋼板厚度為10mm，軋制后空冷，淬火加熱溫度為Ac3+30°C，回火溫度為220'C，回火后堆垛冷卻。實施例2按表2所示的化學成分冶煉，并澆鑄成連鑄坯，加熱溫度為113(TC，保溫150分鐘，開軋溫度為1060'C，道次變形率為1012%，終軋溫度為IOI(TC，成品鋼板厚度為30mm，淬火加熱溫度為Ac3+30°C，回火溫度為250'C，回火后堆垛冷卻。實施例3按表2所示的化學成分冶煉，并澆鑄成連鑄坯，加熱溫度為1180'C，保溫150分鐘，開軋溫度為115(TC，道次變形率為1025%，終軋溫度為102CTC,成品鋼板厚度為40mm，淬火加熱溫度為AC3+4(TC，回火溫度為27(TC，回火后堆垛冷卻。實施例4按表2所示的化學成分冶煉，并澆鑄成鋼錠，其中加熱溫度為1120°C，保溫1S0分鐘，開軋溫度為1070°C，道次變形率為1015%，終軋溫度為IOI(TC，成品鋼板厚度為50mm，淬火加熱溫度為Ac3+40°C,回火溫度為300°C，回火后冷床冷卻。實施例5按表2所示的化學成分冶煉，并澆鑄成鋼錠，其中加熱溫度為U8(TC，保溫180分鐘，開軋溫度為115(TC，道次變形率為1025%，終軋溫度為95(TC，成品鋼板厚度為15mm，淬火加熱溫度為Ac3+50°C，回火溫度為32(TC，回火后冷床冷卻。實施例6按表2所示的化學成分冶煉，并澆鑄成鋼錠，其中加熱溫度為112(TC,保溫120分鐘，開軋溫度為108(TC，道次變形率為1025%，終軋溫度為970'C，成品鋼板厚度為20mm,淬火加熱溫度為Ac3+30°C，回火溫度為27(TC,回火后冷床冷卻。表2實施例1-6的化學成分(％)及Ceq<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>試驗例1力學性能試驗對實施例1-6所得鋼板進行力學性能測試，測試結果見表3。表3實施例l-6所得鋼板的力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>從表2和表3可以看出，本發明鋼板的Ceq《0.54%，屈服強度大于1000MPa，抗拉強度大于1250MPa，板厚可達50mm,具有良好的硬度和焊接性。試驗例2板厚截面硬度試驗按標準GBAT4340-1999對實施例2所得鋼板的截面硬度進行測量，測量值如圖1所示。從圖1可以看出，本發明所涉及鋼板的截面硬度均勻。試驗例3焊接性試驗對實施例1所得鋼板進行焊接性能試驗(小鐵研試驗)，結果見表4。表4實施例1所得鋼板的焊接性能試驗結果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>由表4可看出，在O'C、室溫和50'C的條件下，鋼板均未出現裂紋，說明本發明鋼板的焊接性能良好，焊接時一般不需要預熱。試驗例4耐磨性試驗耐磨性試驗在ML-100磨粒磨損試驗機上進行。截取試樣時，令試樣的軸線垂直于鋼板表面，試樣的磨損面即鋼板的軋制面。將試樣按要求加工成臺階狀圓柱體，測試部分尺寸為小4mm，卡具夾持部分尺寸為4)5ram。試驗前用酒精清洗試樣，然后用吹風機吹干，在萬分之一精度的天平上稱重，測得試樣重量作為原始重量，而后安裝在彈性夾具上。分別用粒度為80目、120目的砂紙，在42N、84N兩種載荷作用下進行試驗。試驗后由于試樣與砂紙間的磨損，試樣在砂紙上畫出一條螺旋線，根據螺旋線的起始和終止半徑來計算螺旋線的長度，計算公式為r,為螺旋線的起始半徑，r2為螺旋線的終止半徑，a為螺旋線的進給量。每次實驗稱重兩次取平均值，然后計算失重，用每米失重來表示試樣的磨損率(mg/M)。在恒定的實驗條件下(載荷、砂紙粒度)從鋼板的表層到心部逐層磨損，每磨完一張砂紙后稱重、計算失重，然后更換砂紙繼續試驗。規定從表層到心部的4個磨損層依次為表層、次表層、亞表層和內層。試驗條件不同時，各層的深度也不相同。本發明實施例4所得鋼板與SSAB公司生產的HARD0X400耐磨鋼磨損試驗結果見表5和表6。表5本發明鋼板與SSAB生產的HARD0X400耐磨試驗比較試驗條件本發明鋼板HARDOX400表層磨損率(mg/M)次表層磨摜率(mg/M)表層磨損率(mg/M)次表層磨損率(mg/M)80目砂紙、84N載荷120目砂紙、84N載荷80目砂紙、42N載荷120目砂紙、42N載荷15.64416.18915.57817.04413.96113.77814.02814.50611.44410.38910.38910.7229.6678.1448.9228.70012表6120目砂紙、84N載荷條件下試樣各層次磨損率<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>從表5和表6可看出，本發明鋼板的磨損性能優于SSAB公司生產的'仏RD0X400級別的耐磨鋼板。本發明所涉及鋼板的布氏硬度大于360HB,屈服強度大于lOOOMPa，抗拉強度大于1100MPa，板厚可達50mm，微觀組織為馬氏體或馬氏體和殘余奧氏體。這種鋼生產成本低，熱處理工藝簡單易掌握，強韌性匹配較好，硬度較高，焊接性能良好，適用于工程機械、礦山機械上，尤其適用于與礦石、煤炭、煤漿、泥沙以及水泥漿等物料相接觸的車輛或設施上，如礦用電動輪自卸車、煤礦刮板運輸機、水泥攪拌機、推土機、挖掘機、裝載機、抓斗等。權利要求1、一種低合金易焊接耐磨鋼，其特征在于，以重量百分比計，所述低合金易焊接耐磨鋼的化學成分包含C0.07～0.25％、Si0.4～1.4％、Mn1.0～2.8％、P＜0.012％、S＜0.003％、B0.0010～0.0025％、Al0.02～0.04％、Ti0.004～0.030％，Si含量應滿足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余為Fe和不可避免的雜質。2、一種低合金易焊接耐磨鋼板，其特征在于，以重量百分比計，所述低合金易焊接耐磨鋼板的化學成分包含C:0.070.25%、Si:0,41.4%、Mn:1.02.8%、P:<0.012%、S:<0.003%、B:0.00100.0025%、Al:0.020.04%、Ti:0.0040.030%,Si含量應滿足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B《Si《2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余為Fe和不可避免的雜質。3、權利要求2所述低合金易焊接耐磨鋼板的制造方法，包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻、淬火和回火工序，其特征在于，以重量百分比計，所述低合金易焊接耐磨鋼板的化學成分包含C:0.070.25%、Si:0.41.4%、Mn:1.02.8%、P:<0.012%、S:<0.003%、B:0.00100.0025%、Al:0.020.04%、Ti:0.0040.030%,Si含量應滿足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B《Si《2,474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余為Fe和不可避免的雜質。4、如權利要求3所述的制造方法，其特征在于，澆鑄后的連鑄坯或鋼錠的厚度不小于成品鋼板厚度的4倍。5、如權利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述加熱工序中，加熱溫度為10801180°C，保溫時間為120180分鐘。6、如權利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述軋制工序中，開軋溫度為10501150°C，道次變形率為1025%，終軋溫度為950102(TC。7、如權利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述冷卻工序中，冷卻方式為空冷。8、如權利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述淬火工序中，淬火溫度為Ac:,+3050。C。9、如權利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述回火工序中，回火溫度為220320°C。全文摘要本發明提供一種低合金易焊接耐磨鋼、鋼板及其制造方法，以質量百分比計，所述鋼和鋼板的化學成分包含C0.07～0.25％、Si0.4～1.4％、Mn1.0～2.8％、P＜0.012％、S＜0.003％、B0.0010～0.0025％、Al0.02～0.04％、Ti0.004～0.030％，Si含量應滿足0.693C+0.142Mn+0.359Ti+17.21B≤Si≤2.474C+0.672Mn+0.86Ti+21.21B，其余為Fe和不可避免的雜質。本發明還提供該鋼板的制造方法，包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻、淬火和回火工序。所述鋼板生產成本低，硬度較高，焊接性能良好。文檔編號C22C38/14GK101649414SQ200810041730公開日2010年2月17日申請日期2008年8月15日優先權日2008年8月15日發明者姚連登,李紅斌,趙四新,趙小婷申請人:寶山鋼鐵股份有限公司