专利名称：制备耐磨钢板的方法以及由此制得的钢板的制作方法
技术领域：
本发明涉及耐磨钢材及其制备方法。
背景技术：
公知的耐磨钢材通常具有高的硬度(400至500Brinell)，具有马氏体结构并含有0.12％至0.3％的碳。通常认为，为了提高耐磨性，只须提高钢材的硬度，但是这样会破坏钢材的其它特性，例如焊接特性或弯曲成形特性。因此，为了获得既具有非常好的耐磨性又具有良好的适用性的钢材，人们开始尝试除增加硬度以外的其它方法。
为了改善钢材的耐磨性，EP 0527276和US 5,393,358建议在钢材中添加0.015％至1.5％的钛，以形成粗的钛碳化物，所述钢材中含有0.05％至0.45％的碳、不高于1％的硅、不高于2％的锰、不高于2％的铜、不高于10％的镍、不高于3％的铬和不高于3％的钼、硼、铌和钒。将所述钢材淬火以使其具有马氏体结构，粗的钛碳化物的出现使得钢材的耐磨性得到提高。然而，在将所述钢铸成条块时，所述耐磨性的改善受到限制，因为在磨损应力(abrasive stress)的作用下，碳化物会分离出来，从而无法发挥作用。而且，在这些钢材中粗的钛碳化物的存在影响了钢材的延展性。因此，由所述钢制得的钢板难以精轧和弯曲，从而限制了它们的应用。
发明内容
本发明的目的是要通过提供一种耐磨的钢板来克服现有技术的上述缺陷，所述钢板具有良好的表面平整度，并且在保持其它特性不变的情况下，所述钢板的耐磨性优于已知钢材。
为此，本发明涉及一种制备耐磨的钢制工件特别是板材的方法，所述工件的化学组成以重量计包含0.35％≤C≤0.8％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.35％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤0.050％；0％≤W≤1.00％；0.1％≤Mo+W/2≤0.50％；0％≤Cu≤1.5％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤2％；0％≤Zr≤4％；0.05％≤Ti+Zr/2≤2％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；-任选的选自Nb、Ta和V的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其含量少于或等于0.1％；-余量的铁和制备过程中产生的杂质；所述化学组成还满足如下关系0.10％≤C*≤0.55％，其中C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8，和
Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％，和1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，更优选大于2，其中，如果B≥0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0；根据所述方法，在例如辊轧热的热成形热量中对所述工件或板材进行热淬火处理，或者在奥氏体化之后通过在炉中再加热来实施淬火处理，所述淬火处理包括-以大于0.5℃/s的平均冷却速率冷却所述工件或板材，将温度从高于AC3的温度降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之间，其中温度以℃表示，C*、Mn、Cr、Mo和W的含量以重量％表示；-随后以小于1150×ep-1.7(以℃/s计)且高于0.1℃/s的平均型芯冷却速率(core cooling rate)Vr冷却所述工件或板材，将温度从T降至100℃，其中ep为以mm计的板厚；-然后将所述工件或板材冷却至室温，并任选进行精轧处理(planishing)。
在淬火之后任选在低于350℃的温度下进行回火处理，并优选在低于250℃的温度下进行回火处理。
本发明还涉及一种由上述方法制得的工件，特别是板材，所述钢材包含5％至20％的残留奥氏体，余量为马氏体结构或马氏体/贝氏体结构以及碳化物。当所述工件是板材时，其厚度可以是2mm至150mm，其表面平整度以偏差表示为小于或等于12mm/m，优选小于5mm/m。
当碳含量满足0.1％≤C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.2％时，钢材硬度在280HB至450HB之间。
当碳含量满足0.2％＜C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.3％时，钢材硬度在380HB至550HB之间。
当碳含量满足0.3％＜C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.5％时，钢材硬度在450HB至650HB之间。
下面通过实施例详细描述本发明，但这些并非对本发明的限制。
为了制备本发明的板材，制备以重量％计具有如下化学组成的钢-0.35％至0.8％的碳，优选碳含量高于0.45％或高于0.5％；0％至2％的Ti，0％至4％的Zr，Ti和Zr的含量满足0.05％≤Ti+Zr/2≤2％。碳主要用于形成足够硬的马氏体结构，并且还用于形成Ti和/或Zr的碳化物。Ti+Zr/2的总量必须高于0.05％，优选高于0.10％，更优选高于0.3％，再更优选高于0.5％，由此得出所形成的碳化物的最小量，但其必须低于2％，优选小于等于0.9％，因为高于该水平，钢材的韧性和适用性会受到影响。
-0％(或痕量)至2％的Si和0％(或痕量)至2％的Al，Si+Al的总量在0.35％至2％之间，优选大于0.5％，更优选大于0.7％。这些元素不仅是脱氧剂，还具有促进亚稳定的残留奥氏体的形成的作用，所述奥氏体含有大量的碳，其在转化成马氏体结构时伴随较大的膨胀，这能够促进钛碳化物的固着。
-0％(或痕量)至2％或2.5％的Mn，0％(或痕量)至4％或5％的Ni，和0％(或痕量)至4％或5％的Cr，以便获得足够的可淬火性(quenchability)并调整各种力学特性或使用性能。镍对于提高韧性特别有利，但是镍较为昂贵。铬也能够在马氏体或贝氏体结构中形成细的碳化物。
-0％(或痕量)至0.50％的Mo。该元素能够提高可淬火性并在马氏体或贝氏体结构中形成细的硬化碳化物，特别是借助在冷却过程中由于自发回火而引起的沉积。Mo的含量无需超过0.50％即可达到理想的效果，特别是对于硬化碳化物的沉积。可以使用两倍用量的钨来部分或全部代替钼。然而，实际上这种替换是不理想的，因为与钼相比钨没有带来更多的好处而且价格更贵。
-任选的0％至1.5％的铜。铜元素可以在不影响可焊接性的情况下带来附加的硬化效果。铜含量高于1.5％时，效果没有明显的提高，反而导致热轧困难和不必要的成本增加。
-0％至0.02％的B。任选加入硼元素来提高可淬火性。为了达到所需的效果，硼元素的含量优选高于0.0005％，更优选高于0.001％，但基本上无需超过0.01％。
-不超过0.15％的硫。作为残余物，硫元素的含量通常限制在0.005％或更低，但是为了改善可加工性，也可以主动提高硫的含量。应当指出的是，在存在硫的情况下，为了避免在热变形中出现困难，锰的含量必须高于硫含量的7倍。
-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％，以便形成较粗的碳化物，从而改善耐磨性。但是由这些元素形成的碳化物的效果不如由钛或锆形成的碳化物的效果好，因此，任选添加这些元素，并限制它们的用量。
-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其中每种含量均少于0.1％。这些元素用于改善可加工性。应当指出的是，当钢中含有Se和/或Te时，考虑到硫的含量，锰的含量要保证能够形成锰的硒化物或碲化物。
-余量的铁和制备过程中产生的杂质。所述杂质尤其包括氮，氮含量取决于制备方法，但是通常不超过0.03％。氮元素能够于钛或锆反应形成氮化物，所形成的氮化物一定不能太粗，以免损害韧性。为了防止形成粗的氮化物，可以向钢水中非常缓慢地加入钛和锆，例如可以将氧化相(例如含有钛或锆的氧化物的矿渣)与氧化钢水接触，然后将钢水脱氧，以使钛或锆从氧化相缓慢扩散到钢水中。
另外，为了获得满意的特性，碳、钛、锆和氮元素的含量必须满足0.1％≤C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.55％，其中C-Ti/4-Zr/8+7×N/8＝C*，C*表示在沉积钛和锆的碳化物之后的自由碳含量，考虑到钛和锆的氮化物的形成。所述自由碳含量必须高于0.1％，并优选大于或等于0.22％，以使马氏体具有最小的硬度，但是自由碳含量高于0.55％时会严重损害韧性和适用性。
考虑到所要生产的板材的厚度，必须对上述化学组成进行进一步的选择，以确保钢材具有足够的可淬火性。为此，所述化学组成还必须满足如下关系淬火指数(Quench)＝1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，优选大于2，其中如果B≥0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0。
应当指出的是，为了促进残留奥氏体的形成，当淬火指数介于1.8和2.0之间时，优选硅的含量高于0.5％。
另外，为了保证碳化物的足够含量，Ti、Zr和N的含量优选满足Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％，更优选大于0.1％，再更优选大于0.3％。
最后，为了获得良好的耐磨性，所述钢材的微观结构主要由马氏体或贝氏体结构或两种结构的混合结构构成，并包含5％至20％的奥氏体结构；所述结构还包含在高温下形成的粗的钛或锆碳化物或者铌、钽或钒碳化物。本发明人发现所述粗的碳化物的过早析出会损害粗碳化物改善耐磨性的效果，而亚稳定的奥氏体的存在则可以防止碳化物的过早析出，由于磨损现象的影响这些奥氏体被转化成新的马氏体。由于亚稳定的奥氏体向新的马氏体的转化往往伴随着膨胀，发生在磨损亚层(abraded sub-layer)中的所述转化有利于阻止碳化物的析出，从而改善磨损耐性。
另外，由于所述钢的硬度较高并且其中还存在脆化的钛碳化物，需要尽可能地减少精轧操作。鉴于此，本发明人发现通过充分减慢贝氏体/马氏体转化区间的降温速率，可以减少产物的残余变形，从而可以减少精轧操作。本发明人发现通过以小于1150×ep-1.7(其中ep为以mm计的板厚，冷却速率以℃/s表示)的冷却速率Vr将温度降至低于T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)，(以℃表示)，一方面促进了显著比例的残余奥氏体的生成，另一方面还减少了由相变引起的残余应力。
为了制备具有良好的耐磨性的非常平的板材，制备所述钢材并将其浇铸成板材或棒材。将所述板材或棒材热轧以制备板材，然后对该板材进行热处理，以便不经过进一步的精轧或通过有限的精轧来获得希望的结构和良好的表面平整度。所述热处理可以直接在辊轧热中进行也可以随后进行，任选在冷精轧或中温精轧之后。
为了进行所述热处理操作-将所述钢材加热至高于AC3点，以便将其转化成彻底的奥氏体结构；-然后，将其以高于贝氏体的临界转化速率的平均冷却速率，冷却至等于或略小于温度T(比T低大约50℃)，所述温度T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)，(以℃表示)；-随后，以小于1150×ep-1.7(以获得所希望的结构)且高于0.1℃/s(以获得足够的硬度)的平均型芯冷却速率Vr冷却所述板材，将温度从上述温度(即约T至比T-50℃之间)降至约100℃；-然后将所述板材冷却至室温，优选低的冷却速率但并非必须。
另外，可以在低于或等于350℃的温度下，优选在低于或等于250℃的温度下，进行应力释放处理。
以这种方式可以制得一种板材，其厚度可以在2mm至150mm之间，并且在不经精轧或仅经过适度精轧的情况下其具有优异的表面平整度，所述表面平整度以偏差(deflection)表示为小于12mm/m。所述板材的硬度在280HB至650HB之间。该硬度基本上取决于自由碳的含量C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8。
随着自由碳含量C*的增加，硬度水平升高，特别是a)如果0.1％≤C*≤0.2％，则硬度大约在280HB至450HB之间；b)如果0.2％＜C*≤0.3％，则硬度大约在380HB至550HB之间；c)如果0.3％＜C*≤0.5％，则硬度大约在450HB至650HB之间。
由于硬度是自由碳含量C*的函数，可以采用不同的钛或锆含量来获得相同的硬度。在硬度相同的情况下，随着钛或锆的含量的增加，耐磨性得到提升。类似地，当钛或锆的含量相同时，随着硬度的增大耐磨性也得到改善。另外，随着自由碳含量的减少，所述钢材的使用变得更容易，但是对于相同的自由碳含量，钢材的延展性随着钛含量的减少而得到改善。通过考虑上述因素，可以选择碳含量以及钛或锆含量以制得适合各应用领域的钢材。
根据硬度的不同，钢材例如可用于如下用途-在280HB至450HB之间铲、卡车或自动倾卸车的槽车、飓风屏蔽、料斗和混凝土模具；-在380HB至550HB之间撞击研磨机的屏蔽物、推土机刮板、抓斗式料桶的刮板和筛网网格；-在450HB至650HB之间筒型研磨机的屏蔽板、料斗的增强部件、主叶片下的增强部件、切水叶片屏蔽(cut-water blade shields)、主刀刃(leading edges)。
举例来说，考察根据本发明的钢板A至G和现有技术钢板H至J。钢板的化学组成(以10-3重量％表示)、硬度、残留奥氏体结构的含量和耐磨性指数Rus列于表1中。
表1
在装有分级石英粒料的容器中旋转棱柱状试样，耐磨性指数Rus随该试样的重量损失的反对数的变化而变化。
这些板材的厚度均为30mm，并且根据本发明在900℃进行奥氏体化之后对相应于钢材A至G的板材进行淬火。
在奥氏体化之后，冷却条件如下-对于由钢B和D制成的板材根据本发明方法，以0.7℃/s的平均冷却速率将温度降至上述温度T之上，然后以0.13℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下；-对于由钢A、C、E、F和G制成的板材根据本发明方法，以6℃/s的平均冷却速率将温度降至上述温度T之上，然后以1.4℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下；-对于作为对照的由钢H、I和J制成的板材在900℃进行奥氏体化，接着以20℃/s的平均冷却速率将温度降至上述温度T之上，然后以12℃/s的平均冷却速率将温度降至T之下。
根据本发明的板材具有马氏体/贝氏体结构，其中含有5％至20％的残留奥氏体，而对照板材则具有完全的马氏体结构，也就是说，所含残留奥氏体不超过2至3％的马氏体结构。这些板材都含有碳化物。
对耐磨性的比较表明，在相似的硬度和钛含量下，本发明板材的耐磨性指数Rus比现有技术板材的耐磨性指数Rus平均高出0.5。特别地，结构完全不同的实施例A和H(A中残留奥氏体的含量为10％，而H中则全部为马氏体)的对比表明了结构中出现残留奥氏体的概率。应当指出，残留奥氏体含量的差异一方面是由于热处理操作的差别，另一方面是由于硅含量的差别。
另外还发现，在其它因素相同的情况下，与将碳化物沉积在不含残留奥氏体的基质中的情况相比，本发明中钛碳化物与残留奥氏体的共存，导致钛碳化物对耐磨性的贡献明显较高。因此，相同的钛含量差值(因此相同的TiC含量差值，碳仍过量)在F钢和G钢(本发明钢材)中所引起的耐磨性增加明显区别于在I钢和J钢中所引起的耐磨性增加。对于F钢和G钢，由0.245％的Ti所引起的耐磨性指数Rus增加为0.46，而对于I钢和J钢，由0.265％的Ti所引起的耐磨性指数Rus增加仅为0.31。
上述现象可以归因于当基质中含有残留奥氏体时周围基质对钛碳化物的挤紧作用(squeezing effect)的提高，在磨损应力的作用下这些残留奥氏体可以转化成硬的马氏体结构，所述转化过程伴随着较大的膨胀。
另外，未经精轧的本发明钢板的冷却后变形小于10mm/m，而对于H钢板所述冷却后变形为15mm/m。
在实际应用中，根据本发明可以不经精轧即可提供产品，或者为了满足更严格的表面平整度要求(例如5mm/m)而进行精轧，但所述精轧较为容易并仅需使用较小的压力，因为本发明产品本身的变形是较小的。
权利要求
1.一种制备耐磨的钢制工件如板材的方法，所述工件的化学组成以重量计包含0.35％≤C≤0.8％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.35％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤0.50％；0％≤W≤1.00％；0.1％≤Mo+W/2≤0.50％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤2％；0％≤Zr≤4％；0.05％≤Ti+Zr/2≤2％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；-任选的0％至1.5％的铜；-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其含量少于或等于0.1％；-余量的铁和制备过程中产生的杂质；所述化学组成还满足如下关系0.1％≤C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.55％，和Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％，和1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0；根据所述方法，在例如辊轧热的热成形热量中对所述板材进行热淬火处理，或者在奥氏体化之后通过在炉中再加热来实施淬火处理，所述淬火处理包括-以大于0.5℃/s的平均冷却速率冷却所述工件或板材，将温度从高于AC3的温度降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之间，其中C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8；-随后以小于1150×ep-1.7且高于0.1℃/s的平均型芯冷却速率Vr冷却所述工件或板材，将温度从T降至100℃，其中ep为以mm计的板厚；-然后将所述工件或板材冷却至室温，并任选进行精轧处理。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞2。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于C＞0.45％。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于Si+Al＞0.5％。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于Ti+Zr/2＞0.10％。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于Ti+Zr/2＞0.30％。
7.根据权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于C*≥0.22％。
8.根据权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于再在低于或等于350℃的温度下进行回火处理。
9.根据权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于为了向钢材中加入钛，将钢水与含钛矿渣接触，以使矿渣中的钛缓慢扩散到钢水中。
10.一种耐磨的钢制工件如板材，所述工件的化学组成以重量计包含0.35％≤C≤0.8％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.35％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤0.50％；0％≤W≤1.00％；0.1％≤Mo+W/2≤0.50％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤2％；0％≤Zr≤4％；0.05％≤Ti+Zr/2≤2％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；-任选的0％至1.5％的铜；-任选的选自Nb、Ta和V中的至少一种元素，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；-任选的选自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一种元素，其含量少于或等于0.1％；-余量的铁和制备过程中产生的杂质；所述化学组成还满足如下关系0.1％≤C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.55％，和Ti+Zr/2-7×N/2≥0.05％，和1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005％，则K＝0.5；如果B＜0.0005％，则K＝0；其表面平整度以偏差表示为小于12mm/m，所述钢材具有马氏体结构或马氏体/贝氏体结构，所述结构中还包含5％至20％的残留奥氏体和碳化物。
11.根据权利要求10的工件，其特征在于1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞2。
12.根据权利要求10或11的工件，其特征在于C＞0.45％。
13.根据权利要求10-12任一所述的工件，其特征在于Si+Al＞0.5％。
14.根据权利要求10-13任一所述的工件，其特征在于Ti+Zr/2＞0.10％。
15.根据权利要求10-14任一所述的工件，其特征在于Ti+Zr/2＞0.30％。
16.根据权利要求10-15任一所述的工件，其特征在于C*≥0.22％。
17.根据权利要求10-16任一所述的工件，其特征在于其是厚度为2mm至150mm的板材，并且其表面平整度以偏差表示为小于12mm/m。
18.根据权利要求10-17任一所述的工件，其特征在于其硬度在280HB至450HB之间，并且0.1％≤C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.2％。
19.根据权利要求10-17任一所述的工件，其特征在于其硬度在380HB至550HB之间，并且0.2％＜C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.3％。
20.根据权利要求10-17任一所述的工件，其特征在于其硬度在450HB至650HB之间，并且0.3％＜C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0.5％。
全文摘要
本发明涉及一种制备耐磨钢板的方法，所述钢板的化学组成包括0.35％≤C≤0.8％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.35％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤0.050％；0％≤W≤1.00％；0.1％≤Mo+W/2≤0.50％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤2％；0％≤Zr≤4％；0.05％≤Ti+Zr/2≤2％；0％≤S≤0.15％；N≤0.03％；任选的0％至1.5％的铜；任选的Nb、Ta和V，它们的含量满足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；任选的少于0.1％的Se、Te、Ca、Bi或Pb；余量的铁和杂质；所述组成满足0.1％＜C
文档编号C22C38/02GK1714160SQ200380103647
公开日2005年12月28日 申请日期2003年11月13日 优先权日2002年11月19日
发明者让·贝吉诺, 让-乔治·布里松 申请人:工业钢克鲁梭公司