技术领域

本发明涉及耐磨钢， 特别是涉及一种低合金高韧性耐磨钢板及其制 造方法； 其 典型力学性能：其抗拉强度大于 1200MPa,延伸率大于 12%,布氏硬度大于 400HB, -40 °C夏比 V型纵向冲击功大于 60J。

背景技术

耐磨钢板广泛应用于工作条件特别恶劣， 要求高强度， 高耐磨性能的工程、 采 矿、 农业、 水泥生产、 港口、 电力以及冶金等机械产品上。 如推土机、 装载机、 挖 掘机、 自卸车及抓斗、 堆取料机、 输料弯曲结构等。

传统上一般选用奥氏体高锰钢生产耐磨部件。 奥氏体高锰钢在大的冲击载荷作 用下， 可发生应变诱导马氏体相变， 提高其耐磨性。 奥氏体高锰钢受限于合金元素 含量高、 机械加工、 焊接性能差、 初始硬度低， 并不适合广泛应用。

近几十年来， 耐磨钢的开发与应用发展很快， 一般添加适量的碳及合金元素， 通过铸造、 轧制及离线热处理等方式进行生产。 通过铸造方式生产耐磨钢， 生产流 程短、 工艺筒单、 易于生产， 但存在合金元素含量偏高、 力学、 焊接和机械加工性 能差等缺点； 通过轧制方式生产的耐磨钢可以进一步减少合 金元素的含量、 提高产 品性能， 但仍不适合广泛应用； 离线淬火 +回火热处理是目前耐磨钢板最主要的生 产方式， 其合金元素较少， 产品性能较高， 可以稳定工业生产， 但随着低碳、 节能、 环保等要求越来越高， 低成本、 短流程、 低合金高韧性产品是钢铁行业发展的必然 趋势。

中国专利 CN1140205A公开了一种中高碳中合金耐磨钢， 采用铸造工艺生产， 其碳及合金元素 （Cr、 Mo等）含量较高， 这必然导致焊接性能与机械加工性能较 差。

中国专利 CN1865481A公开了一种贝氏体耐磨钢， 其碳及合金元素 （ Si、 Mn、 Cr、 Mo等）含量均较高， 焊接性能较差； 其采用轧后空冷或堆冷工艺得到贝氏体 耐磨钢， 力学性能较低。 发明内容 本发明的目的是提供一种低合金高韧性耐磨钢 板及其制造方法，该低合金高韧 性耐磨钢板抗拉强度大于 1200MPa, 延伸率大于 12%, 布氏硬度大于 400HB, -40 °C夏比 V型纵向冲击功大于 60J, 实现了高强度、 高硬度和高韧性的匹配， 并具有 良好的机械加工性能和焊接性能， 十分有益于工程上的广泛应用。

为达到上述目的， 本发明的技术方案是：

一种低合金高韧性耐磨钢板， 其化学成分的重量百分比为 C: 0.08-0.20%, Si: 0.10-0.60%, Mn: 1.00-2.00%, B: 0.0005-0.0040%, Cr<1.50%, Mo<0.80%, Ni<1.50%, Nb<0.080% , V<0.080% , Ti<0.060%, Al: 0.010-0.080%, Ca: 0.0010-0.0080% , N<0.0080% , O<0.0080% , H<0.0004% , P<0.015% , S<0.010% , 且满足 0·20%≤ ( Cr/5+Mn/6+50B ) <0.55%, 0.02%< ( Mo/3+Ni/5+2Nb ) <0.45%, 0.01%< ( Al+Ti ) <0.13%, 其余为 Fe和不可避免的杂质； 其显微组织为细的马氏体及残余奥氏体， 其中残余奥氏体的体积分数≤5%； 其典型力学性能： 其抗拉强度大于 1200MPa, 延 伸率大于 12%, 布氏硬度大于 400HB, -40°C夏比 V型纵向冲击功大于 60J。

本发明所涉及的低合金高韧性耐磨钢板的化学 成分作用如下：

碳： 碳是耐磨钢中最基本、 最重要的元素， 可以提高钢的强度和硬度， 进而提 高钢的耐磨性， 但其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 为 0.08-0.20wt.%, 优选为 0.10-0.20wt.%„

硅： 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， 本 发明的低合金高韧性耐磨钢中控制硅为 0.10-0.60 wt.%, 优选为 0.10-0.50 wt.%。

锰： 锰强烈增加钢的淬透性， 降低耐磨钢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 中出现偏析和裂紋， 降低钢板的性能， 本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制锰含量 为 1.00-2.00wt.%, 优选为 1.00-1.80 wt.%„

硼： 硼增加钢的淬透性但含量过高将导致热脆现象 ， 影响钢的焊接性能及热加 工性能， 因此需要严格控制 B含量， 本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制硼含量为 0.0005-0.0040wt.%, 优选为 0.0005-0.0020wt.%。

铬：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) ₃ C、 (Fe, Cr) ₇ C ₃ 和 (Fe, Cr) ₂₃ C ₇ 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， 本发明的低合金高韧性耐磨 钢中控制铬含量为≤1.50wt.%, 优选为 0.10-1.20wt.%。

钼： 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。 本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制钼含量为 <0.80wt.%, 优选为≤0.60wt.%。

镍： 镍具有明显降低冷脆转变温度的作用， 但含量过高易导致钢板表面氧化皮 难以脱落， 且成本显著增加， 本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制镍含量 < 1.50wt.%, 优选为 < 1.20wt.%。

铌： b 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。 b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， Nb已经被作为 HSLA钢中最有效的强化剂之一， 本发明的低合金高韧性耐磨 钢中控制铌含量为≤0.080wt.%, 优选为 0.005-0.080wt.%。

钒： 钒的加入主要是为了细化晶粒， 使钢坯在加热阶段奥氏体晶粒不至于生长 的过于粗大，这样，在随后的多道次轧制过程 中，可以使钢的晶粒得到进一步细化， 提高钢的强度和韧性， 本发明的低合金高韧性耐磨钢中控制钒含量为 ≤0.080 wt.%, 优选为≤0.060wt.%。

钛： 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， 较硬的 TiC颗粒提高钢的耐磨性， 本发明的低 合金高韧性耐磨钢中控制钛含量为≤0.060 wt.%, 优选为 0.005-0.060wt.%。

铝： 铝和钢中氮能形成细小难溶的 A1N颗粒， 细化钢的晶粒。 铝可细化钢的晶 粒， 固定钢中的氮和氧， 减轻钢对缺口的敏感性， 减小或消除钢的时效现象， 并提 高钢的韧性， 本发明的低合金高韧性耐磨钢中铝含量控制在 0.010-0.080 wt.%, 优 选为 0.020-0.080 wt.%。

铝和钛： 钛均能形成细小颗粒进而细化晶粒， 铝可以保证细小钛颗粒的形成， 充分发挥钛的细化晶粒作用， 故铝和钛的含量范围如下： 0.010%≤A1+Ti≤0.13%, 优 选为 0.010%≤A1+Ti≤0.12%。

钙： 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。 本发明的低合金高性能耐磨钢中控制钙含量 为 0.0010-0.0080wt.%, 优选为 0.0010-0.0050wt.%。

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 所涉及钢种中控制磷含量≤0.015wt.%,优选为≤0. 012wt.%; 控制硫含量≤0.010wt.%, 优选为≤0.005wt.%。

氮、 氧、 氢： 钢中过多的氧、 氮和氢对钢的性能尤其对焊接性、 冲击韧性和抗 裂性是十分不利的，降低钢板的质量及使用寿 命，但控制过严会大幅增加生产成本， 因此， 本发明所涉及钢种中控制氮含量≤0.0080wt.%, 优选为≤0.0050wt.%; 控制氧 含量≤0.0080wt.% , 优选为≤0.0050 wt.%； 控制氢含量≤0.0004wt.% , 优选为 ≤0.0003wt.%。

本发明的低合金高韧性耐磨钢板的制造方法， 将各冶炼原料按照上述化学成分 的配比依次经过冶炼、 铸造、 加热、 轧制、 轧后直接冷却步骤， 获得所述低合金高 韧性耐磨钢板； 其中， 在加热步骤中， 板坯加热温度为 1000-1200°C , 保温 1-3小 时； 在轧制步骤中， 粗轧温度为 900-1150 °C , 精轧温度为 780-880°C ; 在冷却步骤 中， 采用水冷冷却至 400 °C以下再空冷至室温， 其中水冷冷却速度≥20 °C /s。

进一步的， 所述轧后直接冷却后还包括回火步骤， 在回火步骤中， 加热温度为 100-400 °C , 保温 30-120min。

优选的， 在所述加热过程中， 加热温度为 1000-1150°C ; 更优选的加热温度为 1000-1130°C ; 为提高生产效率并防奥氏体晶粒过分长大及钢 坯表面严重氧化， 最 优选的加热温度为 1000-1110°C。

优选的， 在轧制步骤中， 粗轧温度为 900-1100°C , 粗轧阶段轧制压下率大于 20%, 精轧温度为 780-860 °C , 精轧阶段轧制压下率大于 40%; 更优选的， 粗轧温 度为 900-1080°C , 粗轧阶段轧制压下率大于 25%, 精轧温度为 780-855 °C , 精轧阶 段轧制压下率大于 45%; 最优选的， 粗轧温度为 910-1080°C , 粗轧阶段轧制压下率 大于 28%, 精轧温度为 785-855 °C , 精轧阶段轧制压下率大于 50%; 。

优选的， 在冷却步骤中， 停冷温度为 380 °C以下， 水冷冷却速度≥23 °C/s; 更优 选的， 停冷温度为 350°C以下， 水冷冷却速度≥27°C/s; 最优选的， 停冷温度为 330 °C以下， 水冷冷却速度≥30 °C /s。

优选的， 在回火步骤中， 加热温度为 100-380°C , 保温 30-100min; 更优选的， 加热温度为 120-380°C , 保温 30-100min; 最优选的， 加热温度为 150-380 °C , 保温 30-100min„

由于本发明的低合金高韧性耐磨钢板中科学设 计了碳及合金元素的含量， 通过 合金元素的细化强化作用及控制轧制和冷却工 艺的细化、 强化效果， 使获得的耐磨 钢板具有优异的力学性能（如强度、 硬度、 延伸率、 冲击性能等） 、 焊接性能和耐 磨性能。

本发明的低合金高韧性耐磨钢板与现有技术相 比具有如下特点：

1、 从化学成分上看， 本发明的低合金高韧性耐磨钢板的合金成分以 低碳低合 金为主， 充分利用 Nb、 Ti等微合金元素的细化、 强化等特点， 在减少碳及合金元 素 Cr、 Mo和 M等的含量的同时， 保证耐磨钢板具有良好的力学性能和优异的焊 接性能等。

2、 从生产工艺上看， 本发明的低合金高韧性耐磨钢板采用 TMCP工艺生产， 通过 TMCP工艺中的开、终轧温度、轧制变形量及冷� �速度等工艺参数的控制提高 组织细化、 强化效果， 进而减少碳和合金元素含量， 得到力学性能和焊接性能等均 十分优异的钢板。 此外， 该工艺还具有生产流程短， 效率高， 节约能源， 成本低等 特点。

3、 从产品性能上看， 本发明的低合金高韧性耐磨钢板具有高强度、 高硬度、 高低温韧性（典型力学性能： 抗拉强度大于 1200MPa, 延伸率大于 12%, 布氏硬度 大于 400HB, -40°C夏比 V型纵向冲击功大于 60J ) 等优点， 并具有良好的焊接性 έ fi匕

匕。

4、 从显微组织上看， 本发明的低合金高韧性耐磨钢板， 充分利用合金元素添 加及控轧控冷工艺得到细的马氏体组织及残余 奥氏体 （其中残余奥氏体体积分数 <5% ) , 有益于耐磨钢板强、 硬度及韧性的良好匹配。

总之， 本发明涉及的耐磨钢板具有较明显的优势， 控制碳和合金元素含量以及 各热处理工艺得到的耐磨钢板成本低、 工艺筒单、 强硬度高， 低温韧性佳， 机械加 工性能优异， 易焊接， 适用于各种机械设备中易磨损部件该宗类型的 耐磨钢板是社 会经济和钢铁工业发展的必然趋势。 附图说明

图 1为本发明实施例 5钢板显微组织照片。 具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进 一步阐述， 应明确， 这些实施例 仅用于对本发明的具体实施方式的描述，并不 用于对本发明的保护范围构成任何限 制。

以下实施例 1-10的耐磨钢板和对比例 1 的钢板， 其化学成分的重量百分比如 表 1所示； 实施例 1-10的耐磨钢板和对比例 1 (对比例 1为专利 CN1865481A中实 施例）的钢板的制造方法为： 将相应的冶炼原料依次按照如下步骤进行： 冶炼→铸 造 _→ 加热 _→ 轧制 _→ 轧后直接冷却 _→ 回火（可不回火） , 控制各实施例及对比例 1中 的钢板化学元素质量百分配比， 其中， 在加热步骤中， 板坯加热温度为 1000-1200 °C , 保温 1-3小时； 在轧制步骤中， 粗轧温度为 900-1150 °C , 精轧温度为 780-880 °C ; 在冷却步骤中， 采用水冷冷却至 400 °C以下再空冷至室温， 其中水冷冷却速度 >20°C/s; 在回火步骤中， 加热温度为 100-400 °C , 保温 30-120min。 实施例 1-10的 具体工艺参数如表 2所示。

表 1实施例 1-10的成分（单位为 wt% )

表 2 实施例 1-10中的具体工艺参数

1、 力学性能试验

对实施例 1-10的低合金高韧性耐磨钢板进行力学性能测� �， 其结果如表 3所示。

表 3 实施例 1-10及对比例 1的力学性能

从表 3中可以看出， 实施例 1-10的钢板， 抗拉强度： 1200-1400MPa, 延伸率： 14%- 16%, 布氏硬度： 400-460HB, -40°C夏比 V型纵向冲击功： 60-130J, 以上说 明本发明所涉及的耐磨钢板不但具有高强、 高硬、 高延伸率等特点， 而且具有优异 的低温冲击韧性， 其钢板的强度、 硬度、 延伸率明显优于对比例 1的钢板。

2、 耐磨性能试验：

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圓柱体， 测试部分尺寸为（D4mm, 卡具夹持部分尺寸为（D5mm。 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 84N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， 计算公式如下： a

上式中， rl为螺旋线的起始半径， r2为螺旋线的终止半径， a为螺旋线的进给 量。 每次实验称重三次取平均值， 然后计算失重， 用每米失重来表示试样的磨损率 ( mg/M ) 。

对本发明的实施例 1-10的高性能耐磨钢板进行耐磨性试验。 本发明的实施例 钢种与对比例 2钢（对比例 2为一种硬度为 360HB钢板 )的磨损试险结果见表 4。 表 4 实施例 1-10与对比例 2的磨损试验结果

从表 4可知， 在室温、 80目砂纸 /84N载荷的磨损条件下， 本发明的高性能耐 磨钢板的耐磨性能优于对比例 2钢板耐磨性。

3、 焊接性试验

按照《斜 Y坡口焊接裂紋试验方法》 （ GB4675.1-84 )对本发明耐磨钢板进行 斜 Y坡口焊接裂紋试验， 分五组进行试验。

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， 检测焊缝表面裂紋、 断面 裂紋和根部裂紋。 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 170Ax25Vx l60mm/min。

对实施例 1-10的高性能耐磨钢板进行焊接性能试验， 试验结果如表 5所示。 表 5 实施例 1-10的焊接性能试验结果 预热 试样 表面裂 根部裂 断面裂 环境 相对 温度 编号 纹率％ 纹率％ 纹率％ 温度 湿度

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 1 不预热 3 0 0 0 10°C 63%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 2 不预热 3 0 0 0 16°C 60%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 3 不预热 3 0 0 0 19°C 61%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 4 不预热 3 0 0 0 23 °C 63%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 5 50 °C 3 0 0 0 26 °C 66%

4 0 0 0

5 0 0 0

实施例 6 不预热 1 0 0 0 32 °C 63% 2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 7 80 °C 3 0 0 0 27 °C 62%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 8 50 °C 3 0 0 0 33 °C 61%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例 9 750 °C 3 0 0 0 28 °C 59%

4 0 0 0

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

实施例

100 °C 3 0 0 0 30°C 58% 10

4 0 0 0

5 0 0 0

由表 5可知， 实施例 1- 10的耐磨钢板在不预热、 预热 50- 100 °C、 环境温度 10-33 °C条件下焊接后均未出现裂紋， 说明本发明耐磨钢板具有极佳的焊接性 能， 尤其对大尺寸焊件极为适用。

4、 显崔组织

将实施例 5的耐磨钢板进行检测获得其显微组织， 如图 1所示， 其显微组 织为细的马氏体和少量残余奥氏体， 其中残余奥氏体体积分数≤5% , 这保证了 钢板具有优异的力学性能。

本发明在合理的生产工艺条件下科学设计碳、 合金成分及其配比， 降低了 合金成本， 充分利用微合金元素及 TMCP工艺进行组织细化、 强化， 获得的耐 磨钢板具有优异的力学性能 （如高的硬度、 强度、 延伸率、 冲击韧性等） 和焊 接性能。