CN102943213B

CN102943213B - 一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢及其制备方法

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Publication number: CN102943213B
Application number: CN201210495281.3A
Authority: CN
Inventors: 唐广波; 孙浩源; 刘爽; 刘正东; 程杰锋; 李�权
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: CN102943213A

Abstract

本发明属于铁基合金技术领域，特别涉及一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢及其制备方法，本发明耐磨钢的化学成分按质量百分比为：C：0.20～0.40%，Si：0.40～0.90%，Mn：0.8～2.0%，Cr：1.00～2.50%，Mo：0.30～0.60%，V：≤0.08%，Ti：≤0.04%，S：≤0.004%，P：0.004～0.008%，B：≤0.002%，N：0.002～0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的耐磨钢通过将合理的化学成分和大变形轧制工艺相结合，具有合金元素含量低、强度高、韧性好、成本低、耐磨性好等特点，适用于工程机械、矿山设备及水泥设备等。

Description

一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，特别涉及一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢及其制备方法。

背景技术

工程机械是矿山开采和各类工程施工用设备（如钻机、电铲、电动轮翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重机及煤矿液压支架等）的总称。在工程机械产品成本构成中，钢材的成本是最重要的部分，全部钢材占总成本的约30%。用于工程机械地钢材一般要求高强度以及高耐磨性能。

低合金超高强度钢是在调质结构钢的基础上发展起来的，主要合金元素是锰、铬、硅、镍、铝、钒等，其合金元素总量不超过5%，碳含量一般在0.27-0.50%。在钢中加入少量的多种合金元素，使钢固溶强化并提高钢的淬透性与马氏体回火稳定性。应用比较广泛的是美国的AISI4349和4130等低合金超高强度钢。而国内应用广泛的主要是瑞典奥克隆德的HARDOX系列、日本JFE的JFE-EH系列耐磨钢及高锰钢等。

AISI4349、HARDOX系列等钢都是通过改进冶炼工艺、开发超细晶技术来提高钢的纯度和强度，使成本大幅度增加，目前，AISI4349的价格为18000元/吨，12mm厚的HARDOX400钢板价格为19000元/吨左右。这些钢在工程应用中容易磨损，尤其是接触岩石、矿料等受摩擦、撞击、冲刷的结构，因更换频繁而使用户成本增加。

随着工程机械向高参数化、大型化、轻量化发展，对工程机械构件材料的强韧性、耐磨性和焊接性的要求更为突出。从而促进了工程机械用钢的开发和生产不断向更高强度级别、更优的综合性能方向发展。因此，开发一种综合性能良好、成本低廉的低合金超高强度工程机械用耐磨钢对于工程机械地发展具有重大意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢及其制备方法，通过将合理的化学成分和轧制工艺相结合，获得的耐磨钢具有合金元素含量低、强度高、韧性好、成本低、耐磨性好等特点，适用于工程机械、矿山设备及水泥设备等。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢，通过配料、冶炼、浇注、轧制和热处理的步骤制造，其中，所述耐磨钢的化学成分按质量百分比为：C：0.20～0.40%，Si：0.40～0.90%，Mn：0.8～2.0%，Cr：1.00～2.50%，Mo：0.30～0.60%，V：≤0.08%，Ti：≤0.04%，S：≤0.004%，P：0.004～0.008%，B：≤0.002%，N：0.002～0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；

其中所述轧制步骤是采用至少两步大变形轧制，每步压下量为30-59%。

所述耐磨钢的力学性能范围为：抗拉强度R_m为1700～2000MPa；屈服强度R_p0.2为1390～1600MPa；断后伸长率A₅不小于9%；断面收缩率Z不小于38%；在24℃时的纵向冲击功A_kv2不小于21J；在-40℃时的纵向冲击功A_kv2不小于21J；洛氏硬度值HRC不小于40；布氏硬度值HBW不小于450。

所述耐磨钢的化学成分按质量百分比为：C：0.33～0.34%，Si：0.47～0.78%，Mn：1.57～1.61%，Cr：1.24～2.18%，Mo：0.44～0.45%，V：0.048～0.073%，Ti：0.019～0.026%，S：≤0.004%，P：0.004～0.008%，B：≤0.002%，N：0.002～0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的耐磨钢的使用状态的金相组织为：具有钒钛碳氮化物和微小碳化物析出粒子的回火马氏体组织。

一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢的制造方法，该制造方法包括配料、冶炼、浇注、轧制和热处理步骤，其中，

（1）配料：以下化学成分按质量百分比配料：C：0.20～0.40%、Si：0.40～0.90%、Mn：0.8～2.0%、Cr：1.00～2.50%、Mo：0.30～0.60%、V：≤0.08%、Ti：≤0.04%、S：≤0.004%、P：0.004～0.008%、B：≤0.002%、N：0.002～0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；

（2）浇注：将浇注成的板坯加热至1230℃～1300℃并保温1～2.5小时；

（3）轧制：采用两阶段控轧，第一阶段：在1050℃～1150℃开始进行粗轧，中间坯温度控制在950℃～1050℃，粗轧累计压下率至少40%，第二阶段：在900℃～980℃进行精轧，终轧温度控制在850℃～900℃，精轧累计压下率至少30%；

（4）热处理：板坯轧制成钢板后直接进行淬火处理，并在200℃～350℃回火1～2小时，然后空冷至室温，得到所述低合金超高强度工程机械用耐磨钢。

在所述轧制步骤中，粗轧累计压下率为50~60%，精轧累计压下率为30~52%。

精轧后的钢板的厚度为12～20mm。

本发明的主要化学成分含量及主要作用如下：

碳是有效控制马氏体性能，影响钢强度、硬度、韧性及淬透性的主要因素。碳含量过高会使热处理后的高碳马氏体硬度高，但韧性低，并且热处理容易产生裂纹；而碳含量过低会使钢的淬透性不足，硬度过低，耐磨性不足。因此，本发明要求碳含量在0.20～0.40%之间。

硅是钢中重要的合金元素，能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，还可以提高钢在氧化性介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性。由于硅为非碳化物形成元素，在回火保温过程中，不至于大量析出，使得奥氏体可以富碳稳定至室温，因此，硅具有显著提高第一回火脆性温度的作用，随着硅含量的增加，使钢可以在较低温度进行回火，在强度基本不变的情况下，保证良好的塑性；但是如果硅含量过高，会使钢的热轧性能和表面镀覆性能恶化，产生较多的表面缺陷等。因此，本发明控制硅含量在0.40～0.90%之间。

锰在钢中是较常用的元素，是良好的脱氧剂和脱硫剂，一定量的锰，能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰还可以降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。因此，本发明要求锰含量在0.8～2.0%之间。

铬在钢中的主要作用是提高铸钢的淬透性，改善淬火变形，同时固溶强化基体组织，提高钢的耐蚀性和耐热性。铬在回火过程中能够阻碍碳化物的析出与聚集，从而提高钢的抗回火稳定性。铬元素的与碳结合，形成较高硬度的颗粒状碳化物，能显著提高钢的硬度，从而提高了耐磨性。因此，本发明要求铬含量为1.00～2.50%。

钼在低合金钢中有除了有相变强化作用外，还可以提高微合金元素在奥氏体中的固溶度，在一定程度上延迟微合金碳氮化物的沉淀析出，使更多的微合金元素保留至较低温度下从铁素体中析出，这样产生的沉淀强化作用更大。因此，本发明要求钼含量为0.30～0.60%。

钒具有最强的析出强化效果且具有强烈的沉淀强化作用。因此，本发明要求钒含量≤0.08%。

钛除了可以细化晶粒、提高淬透性外，还可以起到“固氮护硼”的作用，在含硼的钢中加入适量的钛，由于钛与氮有较强的化学结合力，钛先于硼与氮结合形成氮化钛，从而保护了硼，使硼的淬透作用得以发挥。因此，本发明要求钛含量≤0.04%。

硫、磷在通常情况下都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷会破坏钢的焊接性能及塑性；硫容易与锰结合产生夹杂，降低钢的韧性。因此，应尽量减少硫、磷在钢中的含量。在本发明中控制硫含量≤0.004%、磷含量为0.004～0.008%。

在钢中添加微量的硼能显著提高淬透性，因此硼可有效地取代其他一些价格昂贵的提高淬透性的合金元素如铬、锰、镍、钼等。因此，本发明要求硼含量≤0.002%。

氮是钢中非常重要的强化元素，固溶于钢中基体相可以阻碍结晶和再结晶晶粒的长大，起到细晶强化的作用；还可以与钢中的其它合金元素或微合金元素形成氮化物，提高钢的强度和耐磨性。因此，本发明要求氮含量在0.002～0.005%之间。

本发明的制备方法通过较大的变形量，产生大量的变形带和亚结构，增加形核点，形成大量细小的铁素体。与此同时，较大的变形量会诱导出更多的钒钛碳氮化物，细小弥散的析出物可以通过钉扎奥氏体晶界、亚晶界以及位错，来阻止再结晶和抑制奥氏体晶粒长大。大量弥散的析出物起到了析出强化和细化晶粒作用，在双重作用下保证了低合金超高强度工程机械用耐磨钢的强度；在200～350℃之间低温回火时，固溶于马氏体中的过饱和碳不断以微小碳化物形式析出，如图5所示，使钢具有了良好的韧性，而钢中残留的残余奥氏体使淬火应力得以释放，提高了钢的塑性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明钢所采用的化学成分设计合金元素和微合金元素含量较低，且不含贵重金属元素或含量较少，并且在保证钢板具有良好的力学性能的同时还保证了较低的生产成本。

（2）本发明中的轧制步骤采用至少两步大变形轧制，产生大量的变形带和亚结构，增加形核点，形成大量细小的铁素体，同时大量弥散的析出物起到了析出强化和细化晶粒作用，保证了低合金超高强度工程机械用耐磨钢的强度。

（3）在本发明的制备方法中，热轧后直接淬火，随后在200℃～350℃的温度范围进行回火处理，靠马氏体相变和回火析出的碳化物达到优良的力学性能，工艺简单。

（4）与GB/T24186-2009标准相比，本发明中不添加Ni元素，成本相对低廉，可以大规模轧制生产及应用到所需行业中。

附图说明

图1是本发明第一实施例的低合金超高强度工程机械用耐磨钢产品光学显微组织图。

图2是本发明第二实施例的低合金超高强度工程机械用耐磨钢产品光学显微组织图。

图3是本发明第三实施例的低合金超高强度工程机械用耐磨钢产品光学显微组织图。

图4是本发明第四实施例的低合金超高强度工程机械用耐磨钢产品光学显微组织图。

图5是本发明第一实施例的低合金超高强度工程机械用耐磨钢产品250℃回火后析出粒子的形貌图。

具体实施方式

下面，结合实施例和附图对本发明进行进一步的详细说明。

在本发明的实施例中，拉伸实验按照GB/T228-2002标准在WE-300型试验机上进行，试样采用Φ5拉伸试样。

冲击试验按照GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行，试样尺寸为10×10×55mm。

硬度试验在HB3000C电子布氏硬度计和TH300洛氏硬度计上测试。

在本发明的实施例中，精轧后的钢板的厚度为12～20mm。

实施例1

本实施例的耐磨钢的化学成分按质量百分比计为：C：0.34%、Si：0.78%、Mn：1.57%、Cr：1.24%、Mo：0.45%、V：0.073%、Ti：0.026%、S：0.0035%、P：0.0064%、B：0.0013%、N：0.0032%，其余为Fe和不可避免的杂质。

按上述成分冶炼钢水，然后浇注成板坯，将板坯锻成420×70×60（mm）尺寸，然后将板坯加热至1280℃并保温2小时，采用两阶段控轧，在1080℃开始进行粗轧，中间坯温度控制在1000℃以上，粗轧累计压下率52%；然后在900℃～940℃进行精轧，终轧温度控制在860℃～880℃，精轧累计压下率31%，获得钢板厚度为20mm。

轧成钢板后直接进行淬火处理，并在250℃回火1.5小时，然后空冷至室温，获得低合金超高强度工程机械用耐磨钢，其组织如图1所示，金相组织为回火马氏体组织。本实施例的耐磨钢在250℃回火后析出粒子的形貌图如图5所示。

本实施例的耐磨钢产品的抗拉强度R_m为1775MPa，屈服强度R_p0.2为1449MPa，断后伸长率A₅为9%，断面收缩率Z为39%，24℃时的纵向冲击功A_kv2为26J，-40℃时的纵向冲击功A_kv2为19J，洛氏硬度为HRC52，布氏硬度为HBW512。

实施例2

本实施例的耐磨钢的化学成分同实施例1。

按上述成分冶炼钢水，然后浇注成板坯，将板坯锻成320×70×60（mm）尺寸，然后将板坯加热至1280℃并保温2小时，采用两阶段控轧，在1080℃开始进行粗轧，中间坯温度控制在1000℃以上，粗轧累计压下率58.3%；然后在900℃～940℃进行精轧，终轧温度控制在860℃～880℃，精轧累计压下率52%，获得钢板厚度为12mm。

热处理工艺同实施例1，获得低合金超高强度工程机械用耐磨钢，其组织如图2所示，金相组织为回火马氏体组织。

本实施例的耐磨钢产品的抗拉强度R_m为1838MPa，屈服强度R_p0.2为1531MPa，断后伸长率A₅为12%，断面收缩率Z为46%，24℃时的纵向冲击功A_kv2为27J，-40℃时的纵向冲击功A_kv2为23J，洛氏硬度为HRC50，布氏硬度为HBW495。

实施例3

本实施例的耐磨钢的化学成分按质量百分比计为：C：0.33%、Si：0.47%、Mn：1.61%、Cr：2.18%、Mo：0.44%、V：0.048%、Ti：0.019%、S：0.0029%、P：0.0059%、B：0.0008%、N：0.0034%，其余为Fe和不可避免的杂质。

按上述成分冶炼钢水，然后浇注成板坯，将板坯锻成420×70×60（mm）尺寸，轧制工艺同实施例1，获得钢板厚度为20mm。

热处理工艺同实施例1，获得低合金超高强度工程机械用耐磨钢，其组织如图3所示，金相组织为回火马氏体组织。

本实施例的耐磨钢产品的抗拉强度R_m为1739MPa，屈服强度R_p0.2为1392MPa，断后伸长率A₅为11%，断面收缩率Z为47%，24℃时的纵向冲击功A_kv2为25J，-40℃时的纵向冲击功A_kv2为19J，洛氏硬度为HRC51，布氏硬度为HBW508。

实施例4

本实施例的耐磨钢的化学成分同实施例3。

按上述成分冶炼钢水，然后浇注成板坯，将板坯锻成320×70×60（mm）尺寸，轧制工艺同实施例2，获得钢板厚度为12mm。

热处理工艺同实施例1，获得低合金超高强度工程机械用耐磨钢，组织如图4所示，金相组织为回火马氏体组织。

本实施例的耐磨钢产品的抗拉强度R_m为1732MPa，屈服强度R_p0.2为1427MPa，断后伸长率A₅为14%，断面收缩率Z为51%，24℃时的纵向冲击功A_kv2为28J，-40℃时的纵向冲击功A_kv2为20J，洛氏硬度为HRC51，布氏硬度为HBW505。

通过上述实施例的实验结果表明，本发明的低合金超高强度工程机械用耐磨钢的综合力学性能与世界著名的低合金超高强度钢、耐磨钢不相上下。

本发明——低合金超高强度工程机械用耐磨钢的力学性能如下：

本发明钢在颚式破碎机中的应用：颚式破碎机，俗称鄂破，广泛运用于矿山、冶金、建材、公路、铁路、水利和化工等行业中各种矿石与大块物料的中等粒度破碎。而颚板是颚式破碎机内部的耐磨配件，常用的材料为高锰钢，但材料硬度不均匀、耐磨性差、使用寿命短，而且韧性不好，时常断裂，造成使用者成本增加。后采用本发明的低合金超高强度工程机械用耐磨钢，经热轧后直接水淬，然后再250℃回火1.5小时，最后空冷至室温处理，使颚板的强韧性、耐磨性都得到了大幅度的改善，进而使使用寿命得到提高，成本下降，经济效益显著。

Claims

1.一种低合金超高强度工程机械用耐磨钢，通过配料、冶炼、浇注、轧制和热处理的步骤制造，其特征在于：所述耐磨钢的化学成分按质量百分比为：C：0.33～0.34％，Si：0.47～0.78％，Mn：1.57～1.61％，Cr：1.24～2.18％，Mo：0.44～0.45％，V：0.048～0.073％，Ti：0.019～0.026％，S：≤0.004％，P：0.004～0.008％，B：≤0.002％，N：0.002～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；

其中所述轧制步骤是采用至少两步大变形轧制，每步压下量为30-59％。

2.如权利要求1所述的耐磨钢，其特征在于：所述耐磨钢的力学性能范围为：抗拉强度R_m为1700～2000MPa；屈服强度R_p0.2为1390～1600MPa；断后伸长率A₅不小于9％；断面收缩率Z不小于38％；在24℃时的纵向冲击功A_kv2不小于21J；在-40℃时的纵向冲击功A_kv2不小于21J；洛氏硬度值HRC不小于40；布氏硬度值HBW不小于450。

3.如权利要求1所述的耐磨钢，其特征在于：其使用状态的金相组织为：具有钒钛碳氮化物和微小碳化物析出粒子的回火马氏体组织。

4.一种如权利要求1所述的低合金超高强度工程机械用耐磨钢的制造方法，该制造方法包括配料、冶炼、浇注、轧制和热处理步骤，其特征在于：

(1)配料：以下化学成分按质量百分比配料：C：0.33～0.34％，Si：0.47～0.78％，Mn：1.57～1.61％，Cr：1.24～2.18％，Mo：0.44～0.45％，V：0.048～0.073％，Ti：0.019～0.026％，S：≤0.004％，P：0.004～0.008％，B：≤0.002％，N：0.002～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；

(2)浇注：将浇注成的板坯加热至1230℃～1300℃并保温1～2.5小时；

(3)轧制：采用两阶段控轧，第一阶段：在1050℃～1150℃开始进行粗轧，中间坯温度控制在950℃～1050℃，粗轧累计压下率至少40％，第二阶段：在900℃～980℃进行精轧，终轧温度控制在850℃～900℃，精轧累计压下率至少30％；

(4)热处理：板坯轧制成钢板后直接进行淬火处理，并在200℃～350℃回火1～2小时，然后空冷至室温，得到所述低合金超高强度工程机械用耐磨钢。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：精轧后的钢板的厚度为12～20mm。