专利名称：高硬度耐磨热轧带钢及其制造方法
技术领域：
本发明属于钢铁材料领域，具体地，本发明涉及高硬度耐磨钢铁材料。
背景技术：
钢材由于其强度高、韧性好、耐冲击、抗疲劳等优点而成为一种重要的工业用原材料，广泛用于各种工程建设和机械设备中。对于一般的机械设备来说，其运动或工作零部件的磨损仍是它们失效的主要因素。因此需要使用具有高耐磨性能的材料来制造易磨损的零部件。随着我国国民经济的快速发展，矿山、电力、水泥、工程机械等各行业每年消耗的金属耐磨材料约300万吨以上。目前，常用的耐磨材料主要是铸铁类和耐磨钢系列。在耐磨钢系列中，可分为高锰钢和高、中、低碳合金钢类。
钢材的耐磨性能取决于其硬度，硬度高的钢材耐磨性就高，反之则低。通常，碳素钢的含碳量愈高，在经过淬火的热处理后，其硬度愈高，耐磨性也随之提高；但却带来韧性随之降低、不耐冲击和易断裂的缺点。于是又有添加各种合金元素(如铬、钼、钛、锰)得合金钢问世。高锰钢的冲击韧性高(ak≥147J/cm2)，但其耐磨性只有在大冲击工况下通过加工硬化才能实现，而冲击较小时不足以使高锰钢产生加工硬化，易被磨损。耐磨合金钢是近20年来国内外根据各自的用途和资源状况发展起来的，其综合性能较好，生产成本低，应用于中等冲击又要求有一定耐磨性的工况下，并且可通过调整成份和热处理工艺，满足不同的工况要求。
工程机械，如推土机、挖掘机、重型装载车、破碎机、磨煤机及矿山用传送系统等广泛使用具有相当强度和硬度的耐磨钢板，目前最常用的是硬度为360HV和400HV级别的耐磨钢板。常见的耐磨钢板是中厚板产品，钢板经厚板轧机轧制后再经淬火处理以达到高强度、高硬度；或者通过合金化处理，依靠轧后空冷时发生相变强化获得高强度、高硬度。因厚板轧机和热处理条件限制，此类耐磨钢最小厚度较厚，一般均超过8mm，极少有6mm以下的钢板；而且，通过淬火热处理方式生产耐磨钢生产流程长，工艺复杂，效率比较低。
虽然淬火热处理方式会延长工艺流程，然后目前耐磨合金钢的研制与应用，大部分是通过热处理方法来获得高硬度、高韧性和高耐磨性，如申请号为95103150.3的专利申请公开了一种低合金耐磨钢，该材料主要用于矿山、煤炭、建材等工业领域用的耐磨易损件，如简体衬板、端衬板等，但该种材料必须通过高温热处理，才能使硬度达到HRC50，冲击韧性ak为58J/cm2，组织为回火马氏体M+少量贝氏体B+少量残余奥氏体A，由于增加了一道热处理工序，延长了生产周期，提高了生产成本。
专利号为98100966.2的专利公开了一种火力发电厂用的铸态耐磨钢，在该材质的实施例中，虽然铸件在铸态下就可使用，但铸件必须在900-950℃打箱空冷，在300-350℃埋入沙中缓冷，操作过程费时费力，再加上温度不易控制，工厂中实际操作较困难；另外添加元素种类过多，生产中溶连不易控制，且成本较高。
US4494988A公开了一种耐磨钢，该耐磨钢是一种高锰钢，锰含量高达10％以上，该钢种自身硬度并不高，其耐磨性的提高是通过使用过程中剧烈冲击发生亚稳奥氏体向马氏体转变来实现的。
JP63270445A公开了一种高锰钢，并且同时加入了大量铬、钼、镍等合金元素，还添加了大量金属钴。
JP63190116A、JP62142726A分别公开了一种耐磨钢板制造方法，成分设计上属于碳锰钢，添加了微量Nb和V，并依靠加硼来改善淬透性。在生产工艺方面，该钢种需要经过淬火和低温回火处理，即钢板轧后在线立即水淬，终冷温度低于200℃，随后于200-500℃回火；或钢板再加热至900-950℃淬火，300-500℃回火。
JP62167862A公开了一种高碳高合金钢，钢中碳含量超过1.2％，铬、钼、钨、钒合金含量很高，需要淬火、回火等热处理，根据使用需要还可以软化退火处理。
JP57210956A公开了一种含硼低碳锰钢，为了增加钢板的淬透性允许视需要添加适量Cr、Ni、Mo、V等元素中的一种或数种。钢板轧后需要淬火处理，即加热至Ac3以上并水淬，可在400℃以下温度回火。
JP59074264A公开了一种高碳耐磨钢，采用高碳、低锰、高钨设计，碳含量超过1.1％，添加不低于2％的钨，成分有所差异。经淬火回火处理后硬度高达780-850HV。
JP61012852A公开了一种中高碳耐磨钢的制造方法，碳含量高达0.45-0.65％，并且含1.8-2.5％硅和添加不常用的合金钨，尽管由于碳含量很高可大幅提高硬度，从而耐磨性能优越，但焊接性能恶化。
JP57016149A公开了一种沉淀硬化型耐磨钢，碳含量较高，添加铬、铜合金，依靠沉淀析出产生硬化效果。
JP55028302A公开了一种铁素体-珠光体组织结构的耐磨钢，碳含量0.20-0.30％，用锰、铬、钒合金化，铬含量只有0.20-0.60％，且没有钼，控轧后转变为铁素体和珠光体组织。
JP2003247019公开了一种耐磨钢，其硬度高于300HB，成分设计简单经济，在碳锰钢的基础上加入微量钛和硼，但生产工艺复杂，要求在Ar3以上温度终轧后以大于20℃/s冷速迅速水冷至Ms点以下，中断冷却待表面回温至Ms-Ms+200℃范围，再以大于20℃/s冷速水冷至200℃以下，整套生产工艺过于复杂，尤其是冷却过程在现有轧机很难操作。
JP06306459A公开了一种耐磨钢，在低碳锰钢的成分基础上根据需要添加Cr、Mo、V、Nb等，钢板经两相区加热并迅速冷至500℃以下，使钢板具有良好的加工性能和耐磨性能。
EP0043808、WO8401175A1分别公开了一种耐磨钢的制造方法，两者共同点是均属于奥氏体型耐磨钢，锰含量超过10％，碳含量高达1.0％左右，同时根据需要加入Cr、Ni、Mo等合金元素，需要经过水韧处理。
US2003084973公开了一种热轧超高强度钢，其生产工艺强调分段冷却模式，在880℃以下终轧后先经第一步短暂冷却10s；第二步冷却冷速介于20-150℃/s，终冷温度700-750℃，并在此温度待温一段时间；第三步冷速介于20-150℃/s，终冷温度350-550℃，对轧后冷却控制非常严格。
FR2849864公开了一种热轧高强度钢，其中碳、锰含量均较低，分别不超过0.10％和1.1％，且没有添加钼。其微观组织主要是贝氏体和马氏体，并含有少量铁素体。
EP0019193公开了一种高强钢，该钢具有良好的成形性，钢种合金含量低，轧后先要求在650-800℃待温至少60s，以超过10℃/s冷速冷至450℃以下卷取，需要热轧机组具备快冷系统和低温卷取能力。
01803364.4公开了一种高强度热轧钢板，碳含量小于0.06％，属于超低碳钢。
00125376.X公开了一种高硬度耐磨低碳合金钢板，不含有Al、V，含有RE、B，且Cr含量较高。
200410013944.9公开了一种高硬度高韧性耐磨钢，不含有Al、V、Ti。
以上各个国内外专利和文献所述高强耐磨钢的化学成分见如下表1(注(a)限制Cr和Mo，控制Ceq处于0.34-0.44。Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。)；部分工艺参数见如下表2。
本发明者通过调整合金成分和控制轧制，使钢板在无需经热处理的情况下，在轧制状态就可获得较高强度和硬度，从而完成了本发明。
因此，本发明第一个目的在于提供一种高硬度耐磨热轧带钢。
本发明第二个目的在于提供一种这种高硬度耐磨热轧带钢的制造方法。
发明内容
本发明一方面提供一种高硬度耐磨热轧带钢，所述带钢包括以下化学成分(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不超过0.05％、P和S分别不高于0.015％和0.010％、其余是铁和杂质元素。
上述成分设计和化学元素作用如下所述 碳碳是钢中的主要强化元素，因为碳是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等强化相所必不可少的元素。本发明碳的控制范围为0.12％～0.25％，是基于钢的强韧性、耐磨性的匹配，碳过低则钢中没有足够的碳化物和固溶碳，在奥氏体转变为贝氏体过程中不能产生足够的马-奥岛组织，从而钢板的强度和硬度不足，而硬度不足将降低钢板的耐磨性；反之，碳含量高于0.25％时，则钢的塑性和韧性降低，加工成形困难，焊接性也变差。
硅硅在钢中起固溶强化作用，是非碳化物形成元素，能促进铁素体形成，从而使碳扩散到残余奥氏体中，形成马-奥岛强化组织。硅充当铁素体稳定剂的作用，在贝氏体形成期间阻碍渗碳体的析出，加速碳扩散到奥氏体相中，硅有助于增加残余奥氏体的稳定性，形成马氏体-奥氏体岛状组织。但过高的硅会给热轧加热带来麻烦，并影响产品的韧性，使其变脆，给弯曲成形带来难度。所以本发明中控制硅含量不大于1.50％。
锰锰在钢中起固溶强化作用，能提高钢板的强度和硬度。锰是稳定奥氏体的元素，能降低奥氏体的相变温度，促进碳在奥氏体中的溶解，锰也增加了碳富集的可能性。由于延迟了铁素体、珠光体的形成，从而扩大了冷却形成贝氏体组织的冷却速率的范围。过高的锰含量水平必须避免，过高的锰易于偏析，恶化钢的性能。关于硅和锰，必须调整添加的相对量以控制相的分布和体积分数。
硫和磷硫和磷在钢中属于杂质元素，应尽可能降低含量。硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫含量控制在0.005％以下；磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性，含量控制在0.015％以下。
铬和钼铬用于钢中主要是延迟奥氏体转变孕育时间，使铁素体、珠光体转变后移，使在较大的冷速范围均发生贝氏体转变；同时，Cr是碳化物形成元素，形成M7C3、M23C6等各种类型合金碳化物，当大量碳化物分散于贝氏体基体时显著提高耐磨性能。钼是所有其他合金元素中对淬透性影响最大的元素，显著推迟珠光体转变，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还对改善钢的高温性能有利，含Mo钢即使在较高温度短暂加热，仍能保持硬度不降低或仅轻微降低，扩大贝氏体耐磨钢使用温度范围。当钢中铬和钼的含量分别不超过1.50％和0.50％时，即使以很慢的冷速(0.5℃/s)冷却也能获得贝氏体组织，达到所需要的硬度。
V钒广泛用作高强度低合金钢的强化剂。含钒钢通过沉淀析出和细化晶粒产生强化，钢中钒的碳氮化物析出相能显著提高强度，热机械轧制可增强钒的强化效果。钢中添加少量钒就有显著的强化效果。
钛钛可以与氮、碳和硫形成钛的化合物。控制钢中钛的含量，使得钛主要与氮化合形成细小弥散的氮化钛，剩余的钛与硫、碳形成化合物。因此，适量的钛不仅固定了钢中的氮，而且还固定了钢中的硫和部分碳。但钛含量过高，形成的氮化钛粗大，不利于获得良好的强韧性匹配。
铝铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，一般的钢中均含有一定量。本发明中加入的铝主要用来脱氧和细化晶粒，加入铝含量为不超过0.050％。
本发明另一方面提供这种高硬度耐磨热轧带钢的制造方法，包括冶炼、浇铸、热轧和冷却，其中热轧步骤中冷却速度为≥0.5℃/s，卷取温度为500-600℃。
本发明提供的这种制造方法，一个优选的实施方式为，在所述热轧冷却步骤中，加热温度在1180-1250℃。
本发明提供的这种制造方法，一个优选的实施方式为，在所述粗轧步骤中，累计变形量大于80％。
本发明提供的这种制造方法，一个优选的实施方式为，在所述粗轧步骤中，轧制温度控制在1000℃以上。
本发明提供的这种制造方法，一个优选的实施方式为，在所述精轧步骤中，终轧温度为800-900℃。
本发明提供的这种制造方法无需进行淬火热处理。
整个制造工艺过程及其影响如下所述 钢坯加热到1180-1250℃使奥氏体组织均匀化，使钢中铬、钼、钒的碳化物充分溶解，钛的碳氮化物由于溶解温度高只有部分溶解，以阻止原始奥氏体晶粒的长大。同时控制加热温度下限是为了考虑轧制时板坯的温降，保证在规定温度完成轧制。
第一阶段轧制在奥氏体可再结晶的温度范围内，采用多个道次轧制钢坯，奥氏体累计变形量大于80％，轧制温度高于1000℃，通过奥氏体反复再结晶细化奥氏体晶粒。第一阶段轧制，即奥氏体再结晶轧制完成后中间坯可待温或直接进行精轧，待温可采用空冷或喷水冷却的方式冷。第二阶段轧制在奥氏体未再结晶温度范围内，温度低于1000℃，采用多个道次连续轧制，奥氏体累计变形量大于80％，形成拉长的奥氏体晶粒，在拉长的奥氏体晶内存在大量的形变带。奥氏体未再结晶轧制控制终轧温度，要求终轧温度高于Ar3转变点，优选的终轧温度介800～900℃。带钢终轧后用水幕加速冷却，平均冷速要求大于0.5℃/s，终冷温度介于500～600℃，随后带钢立即卷取，再缓慢冷至室温。变形奥氏体经加速冷却可避开铁素体、珠光体转变区域，终冷至500-600℃卷取，在此温度区间卷取发生贝氏体转变，形成粒状贝氏体组织，依靠相变强化使抗拉强度超过1100MPa，硬度大于325HV。
有益效果 本发明利用热连轧机组生产耐磨带钢，大大拓展薄规格产品，所提供的高硬度耐磨热轧带钢，其化学成分设计易于实施，通过合金化处理不仅有效起到强化作用，并且推迟奥氏体转变孕育时间，便于热轧操作，对轧后冷却速度要求不高，在比较宽松的冷速范围均可实现贝氏体转变，使不同的带钢均容易获得所需强度和硬度。与传统耐磨钢生产方式相比，省去了再加热淬火工序，达到缩短工序流程、降低生产成本的目的。经过上述成分和生产工艺后，3.0-12mm厚度热轧带钢轧态强度超过1100MPa，硬度超过325HV，性能达到360HV级耐磨钢水平。
具体实施例方式 下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。
实施例1 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表3所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表3实施例1钢的化学成分(wt％)
实施例2 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表4所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表4实施例2钢的化学成分(wt％)
实施例3 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表5所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表5实施例3钢的化学成分(wt％)
实施例4 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表6所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表6实施例4钢的化学成分(wt％)
实施例5 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表7所述化学成分的成品钢，，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表7实施例5钢的化学成分(wt％)
实施例6 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表8所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表8实施例6钢的化学成分(wt％)
实施例7 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表9所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表9实施例7钢的化学成分(wt％)
实施例8 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表10所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表10实施例8钢的化学成分(wt％)
实施例9 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表11所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表11实施例9钢的化学成分(wt％)
实施例10 通过冶炼、浇铸、热轧冷却步骤，获得具有如下表12所述化学成分的成品钢，其中热轧工艺参数、成品厚度及性能见如下表13。
表12实施例10钢的化学成分(wt％)
表13热轧工艺参数及成品性能
权利要求
1.一种高硬度耐磨热轧带钢，其特征在于，包括以下化学成分(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不超过0.05％、P和S分别不高于0.015％和0.010％、其余是铁和杂质元素。
2.权利要求1所述的高硬度耐磨热轧带钢的制造方法，包括冶炼、浇铸、热轧和冷却，其特征在于热轧步骤中冷却速度为≥0.5℃/s，卷取温度为500-600℃。
3.如权利要求2所述的制造方法，其中所述热轧步骤的加热温度为1180-1250℃。
4.如权利要求2所述的制造方法，其中所述粗轧步骤的累计变形量大于80％。
5.如权利要求2所述的制造方法，其中所述粗轧步骤的轧制温度控制在1000℃以上。
6.如权利要求2所述的制造方法，其中所述精轧步骤的终轧温度为800-900℃。
全文摘要
本发明提供一种高硬度耐磨热轧带钢，包括以下化学成分(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不超过0.05％、P和S分别不高于0.015％和0.010％，其余是铁和杂质元素。本发明还提供这种带钢的制造方法。本发明者通过合金成分设计和控制轧制，省去了淬火热处理步骤，缩短工序流程，降低生产成本，且生产所得的3.0-12mm厚度热轧带钢轧态强度超过1100MPa，硬度超过325HV，性能达到360HV级耐磨钢水平，可用于制造各种耐磨衬板、固体物料输送装置的设备等。
文档编号C22C38/28GK101353763SQ20071009397
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月23日 优先权日2007年7月23日
发明者唐文军, 江来珠 申请人:宝山钢铁股份有限公司