具有优异韧性和可焊接性的耐磨钢的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种耐磨钢，其包含2.6重量％至4.5重量％的锰(Mn)；0.05重量％至1.0重量％的硅(Si)；满足(6-Mn)/50≤C≤(10-Mn)/50的碳(C)，以重量计；和余量的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质，其中，其表面层的布氏硬度是360至440的值。此外，本发明涉及还包含一种或多种选自以下成分的耐磨钢：0.1重量％以下(不包括0重量％)的铌(Nb)、0.1重量％以下(不包括0重量％)的钒(V)、0.1重量％以下(不包括0重量％)的钛(Ti)和0.02重量％以下(不包括0重量％)的硼(B)以补充钢的性能。此外，本发明涉及一种耐磨钢，其中微观结构包括90％以上的马氏体，并且马氏体的平均束直径为20μm以下。
【专利说明】具有优异韧性和可焊接性的耐磨钢
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于重型施工设备、自卸卡车、采矿机器和输送机的钢，其具有 36〇以上的布氏硬度，更具体而言，涉及一种具有优异軔性和可焊接性的耐磨钢。
【背景技术】
[0002]耐磨钢目前被用于工业领域（如建筑、交通、采矿、和铁路工程）中要求耐磨特性 的设备或部件。
[0003] 耐磨钢大致分为奥氏体加工硬化钢和高硬度马氏体钢。
[0004]奥氏体加工硬化钢的一个代表性实例是已被使用了约100年的哈德菲尔德高锰 钢（Hadfield steel)。哈德菲尔德高锰钢包含约的锰（Μη)和约1%的碳（C)，其微观结 构包括奥氏体，并且哈德菲尔德高锰钢被用于各个领域，如采矿业、铁路工程和国防领域。 然而，由于其初始屈服强度相对较低，约为400MPa,其作为一般耐磨钢或结构钢的应用受到 限制。
[0005]相反，由于高硬度马氏体钢具有高的屈服强度和抗张强度，高硬度马氏体钢被广 泛应用于结构材料和运输/建筑设备。一般来说，高硬度钢包含大量的碳和大量的合金元 素，且为确保马氏体结构能够提供足够的强度，淬火过程是必需的。典型的马氏体耐磨钢包 括自SSAB AB公司的HARD0X系列钢，其强度和硬度都是优异的。
[0006]在许多情况下，根据其使用环境需要具有高耐磨损性的耐磨钢，此类钢的表面部 分的硬度对于确保该表面的耐磨损性是非常重要的。通常，添加大量的合金元素以获得表 面部分的高硬度，并且，耐磨损的耐磨钢含有大量的对表面部分的硬度有巨大影响的碳。然 而，当包含大量的碳时，在焊接期间易在焊接区产生裂纹。同时，当产品的厚度增加时，该产 品的中心可能很难获得高硬度。因此，添加大量的硬化元素，如铬（Cr)或钥（Mo)以弥补这 一点。然而，由于必须添加昂贵的硬化元素，生产成本可能会增加。此外，也可以添加相对 昂贵的镍（Ni)来提高产品的冲击特性。然而，当产品的厚度增加时，所需 Ni的量增加。因 此，这样是不经济的。
【发明内容】
[0007] 技术问题
[0008] 本发明的一个方面提供了一种低成本、耐摩损的耐磨钢，其中，增加生产成本的相 对昂贵的合金成分（如镍（M)、钥（Mo)和铬（〇))的量相对减少，并且焊接区域的性能也 很优异。
[0009] 技术方案
[0010] 根据本发明的一个方面，提供了一种耐磨钢，其包含：2_ 6重量％至4.5重量％的 锰值11);满足（6-]\111)/50彡(：彡（10-1^)/50的碳（(：）；0.05重量％至1.0重量％的硅说） ； 和余量的铁（Fe)以及其他不可避免的杂质，其中，表面部分的布氏硬度在360至440的范 围内。
[0011] 有益效果
[0012] 根据本发明，可提供一种具有优异的耐磨性、可焊接性和軔性的耐磨钢。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1示出了根据锰含量的最低预热温度的测量结果，所述最低预热温度用于防止 在γ型坡口焊接试验期间冷裂纹的产生；
[0014] 图2示出了本发明所限定的锰和碳的含量的范围；
[0015] 图3示出了根据衍生自本发明的碳含量的表面部分的布氏硬度变化；
[0016] 图4示出了根据P。值的本发明的高锰耐磨钢和常规耐磨钢的可焊接性；以及
[0017] 图5示出了本发明的高锰耐磨钢和常规耐磨钢在厚度方向上的布氏硬度的变化。
【具体实施方式】
[0018] 由于进行了大量的研究来解决常规耐磨钢耐磨损性的局限性，本发明人认识到， 通过向钢中添加适量的锰并根据锰含量精确控制碳含量，同时相对降低昂贵的合金元素 (如镍、钼和铬）的含量可生产具有改善的耐磨性、韧性和可焊接性的耐磨损性耐磨钢，从 而完成了本发明。
[0019] 因此，本发明涉及一种低碳、高锰耐磨钢，其中，通过控制成分体系使马氏体作为 其中的主相，从而提高耐磨性、可焊接性和钿性。
[0020] 高锰钢通常代表含有2. 6重量％以上的锰的钢。通过利用高锰钢的微观结构特性 可形成各种物理性质的结合，并且，高锰钢具有可解决上述常规高碳、高合金马氏体耐磨钢 的技术局限性的优点。
[0021] 在高锰钢中的锰含量为2. 6重量％以上的情况下，由于连续冷却转变图上的贝氏 体或铁素体形成曲线迅速向后移动，在热乳或固溶处理后，马氏体可以比常规高碳耐磨钢 更低的冷却速率稳定形成。另外，在锰含量高的情况下，可以与常规高碳马氏体钢相比相对 更低的碳含量获得高硬度。
[0022] 在利用高锰钢的相变特性来生产耐磨钢时，从表面部分到内部的硬度分布偏差 低。钢通过水冷却被迅速冷却以获得马氏体，并且在这种情况下，冷却速率从钢的表面部分 到其中心逐渐降低。因此，随着钢的厚度的增加，中心的硬度会显著降低。在利用常规耐磨 钢的成分体系生产耐磨钢的情况下，当冷却速率低时，钢的微观结构中会形成大量的具有 低硬度的相，如贝氏体或铁素体。然而，在锰含量如本发明一样高的情况下，即使冷却速度 低，仍可得到足够的马氏体，因此较厚的钢的中心可保持高硬度。将根据以下实施例对此进 行更详细的说明。
[0023] 随着相对少量的碳的加入，硬度迅速升高。然而，当碳被过量添加时，冲击韧性会 显著降低。因此，为了使高锰钢具备高硬度型耐磨钢所需的物理性能，必须优化碳和锰的含 量。此外，还可添加合金元素，如铌、钒、钛和硼，并且可通过控制合金元素的含量实现具有 改善的硬度、可焊接性和韧性的钢。
[0024] 下文中，将详细描述本发明。
[0025] 本发明的耐磨钢包含2. 6重量％至4. 5重量％的锰（Μη);满足 (6-Μη)/50彡C彡（10-Μη)/50的碳（C) ;0· 05重量％至1. 0重量％的硅（Si);和余量的铁 (Fe)以及其他不可避免的杂质，其中表面部分的布氏硬度在360Hv至440Hv的范围内。
[0026] 下文中，将详细描述将本发明的耐磨钢中的成分如上限定的原因。
[0027] 在此情况下，所有的组成元素的含量均表示重量百分数（重量％ )。
[0028] 锰（Μη) :2· 6%至 4· 5%
[0029] Μη是本发明中所添加的最重要的元素之一。适宜范围内的锰可以稳定马氏体。锰 含量可以为2. 6%以上，以在随后说明的碳含量范围内稳定马氏体。在锰含量低于2. 6%的 情况下，由于淬透性不足，容易形成铁素体或贝氏体。因此，不能得到所需的表面部分的硬 度。相反，在过量添加锰的情况下，则难以焊接。特别是，在锰含量大于4. 5%的情况下，由 于马氏体形成温度会过度降低，焊接区容易出现裂纹。因此，可焊接性会显著下降，并且钢 的生产成本会增加。因此，在本发明中，通过使锰含量在如上所述的2. 6 %至4. 5 %范围内， 在热轧或固溶处理后的冷却阶段容易得到稳定的马氏体结构。
[0030] 为了具体限定可保证可焊接性的锰含量的上限，在以下情况下进行Υ型坡口焊接 试验：碳和硅的含量分别固定为0. 1 %和0. 3%，同时使锰的含量在1. 5%至6. 5%的范围内 变化。在此情况下，将钢板的厚度设置为20毫米，通过改变预热温度确定预热温度对冷裂 纹的产生的影响，并且得到了根据锰含量的不产生焊接裂纹的最低预热温度。其结果示于 图1。
[0031] 如图1中所示，应理解，锰的含量可以为4. 5%以下，以降低预热温度至100°C以 下，即易用于实际生产过程的温度。基于上述实验结果，需要控制锰含量的上限为4. 5%以 保证可焊接性。
[0032] 碳（C) : (6_Mn)/50 彡 C 彡（10-Mn)/50
[0033] 由于在促进钢获得表面部分硬度或降低韧性或可焊接性方面，C展示出与锰类似 的作用，因此碳含量的最优范围取决于锰的含量。因此，本发明旨在限定成分范围以使该作 用被最大化。
[0034] 碳的添加量可以是（6_Mn)/5〇以上，以充分确保本发明所需的表面部分硬度。然 而，在碳被过量添加的情况下，由于靭性和可焊接性被显著降低至形成应用中的主要制约 因素，因而需要控制碳含量的上限为（10-Mn)/50,以获得表面部分的布氏硬度，本发明中限 定该布氏硬度在360至440的范围内。
[0035] 如上文所述，本发明涉及一种用于耐磨损的钢，其中，表面部分的布氏硬度被限定 在360至440的范围内。图2示出了本发明中限定的锰含量和碳含量的范围。
[0036]为了根据给定的锰含量在数值上限定碳含量，在固定锰含量为约4%并使碳含量 在0· 03%至0· 14%的范围内变化的同时，通过热乳和快速冷却得到马氏体结构，并研究了 随着碳含量变化的表面部分布氏硬度的变化。所得结果示于图3。作为结果，在锰含量为 约4%的情况下，应理解碳含量必须在约0· 04%至0· 12%的范围内以得到360至440范围 内的布氏硬度。基于上述实验结果，可得出的结论是，当给定了锰含量时，需要控制碳含量 在（6-Mn)/50至（10-Mn)/50的范围内以得到目标范围（360至440)内的表面部分的布氏 硬度。
[0037]硅（Si) :0· 05%至 1. 0%
[0038] 硅是一种作为脱氧剂的元素并通过固溶强化提高强度。然而，就生产过程而言，其 下限为0. 05%。在Si含量高的情况下，由于Si可降低母料以及焊接区的韧性，Si含量的 上限被控制为1.0%。
[0039]在本发明的耐磨钢中，剩余成分是铁（Fe)。然而，由于在一般钢材生产过程中，可 能从原材料或周围环境中不可避免地引入非预计的杂质，这些杂质不能被排除。然而，由于 这些杂质对本领域技术人员而言是显而易见的，本说明书中将不再对其全部内容进行详细 说明。
[0040]除I以上成分，当另外添加铌、钒、钛和硼元素中的一种或多种时，本发明中的钢 可进一步提高本发明的效果，这些元素将在下文进行说明。
[0041]铌（Nb) :0· 1% 以下（不包括 〇% )
[0042t Nb是一种通过固溶和沉淀硬化作用提高强度的元素，并通过冷乳过程中的晶粒细 化提高冲击靭性。然而，在铌的添加量大于0· 1 %的情况下，形成粗的沉淀而降低硬度和冲 击韧性。因此，铌含量被限定为0.1 %以下。
[0043] 钒（V) :〇· 1%以下（不包括〇% )
[0044] v溶于钢中以延迟铁素体和贝氏体的相转变速率，因此，V可具有促进马氏体形成 的作用。另外，钒通过固溶强化作用提高强度。然而，在钒的添加量大于0.1%的情况下， 该效果饱和，韧性和可焊接性劣化，并且钢的生产成本显著增加。因此，钒的含量被限定为 0. 1%以下。
[0045]钛（Ti) :0· 1% 以下（不包括 〇% )
[0046] Ti能使硼（B)的效果最大化，是用于提高淬透性的一种重要元素。即，钛通过形成 TiN可抑制BN的形成从而提高B的溶解量，因而钛可提高淬透性。沉淀的TiN通过围住奥 氏体晶粒而抑制晶粒粗化。然而，在钛被过量添加的情况下，由于钛沉淀物的粗化而使軔性 下降。因此，钛含量被限定为0.1 %以下。
[0047]硼（B) :0· 02% 以下（不包括 〇% )
[0048] B是一种即使添加量很少也能有效提高材料淬透性的元素，并且具有通过晶界强 化来抑制晶间断裂的作用。然而，在硼被过量添加的情况下，由于粗沉淀物的形成会使靭性 和可焊接性劣化。因此，硼的含量被限定为0.02%以下。
[0049] 通过热乳和冷却过程或通过热乳和冷却过程后的再加热可生产满足上述成分体 系的本发明的钢。由此制得的钢的微观结构中的主相是马氏体，并且马氏体含量为90%以 上。在马氏体的比例低于90%的情况下，不能达到本发明的目标硬度。因此，有必要在热乳 或再加热后，在奥氏体状态下实施快速冷却以获得90%以上的马氏体。由于为达到该目的 所需的冷却速度随合金成分添加量而改变，因而难以无条件地限定。然而，在本发明的成分 范围中，当以15°C /秒以上的冷却速率进行冷却时，微观结构中能够包括90%以上的马氏 体。
[0050] 另外，马氏体的平均束直径（average packet diameter)例如可以是20 μ m以下。 在该束直径为20 μ m以下的情况下，通过马氏体的细化使冲击韧性进一步提高。由于当该 束直径较小时越有利，其下限未被特别限定（该概念仅排除 m)。然而，由于现有技术的 限制，得到的束直径通常为3 μ m以上。在采用热乳和冷却过程的情况下，精轧温度越低，该 束直径越小。在采用再加热和冷却过程的情况下，再加热温度越低，该束直径越小。为了在 本发明的成分范围内控制该束直径为 2〇 ^ m以下，保持精轧温度为900°C以下并保持再加 热温度为950°C以下是理想的。
[0051]当将热轧并冷却或再加热并冷却的生产方法实施于具有本发明的成分范围的钢 时，能够得到360至440范围内的表面部分的布氏硬度，另外，能够得到25J以上的夏比冲 击能（-40°C )。
[0052] 实施例
[0053] 通过一系列的再加热、热乳并采用高压水冷却包含下表1中列出的合金成分的钢 坯生产钢1至18,并随后测量了微观结构、马氏体束直径、表面部分的布氏硬度、冲击韧性、 耐磨性和可焊接性。该测量结果呈现于下表2中。钢19代表通过常规方法生产的布氏硬 度400等级的耐磨损耐磨钢的合金成分。
[0054] 钢1至11是包含本发明中限定的范围内的成分的钢。然而，钢12是一种其中的 锰含量高于本发明中限定的范围的钢；钢13是一种其中的锰含量低于本发明中限定的范 围的钢。钢14和15是其中的碳含量高于本发明中限定的范围的钢；钢16和17是其中的 碳含量低于本发明中限定的范围的钢。另外，钢18是一种其中的碳含量和锰含量分别在本 发明中限定的范围内，但硅含量高于本发明中限定的范围的钢。钢6-9中另外包括微合金 化元素，如铌、钒、钛和硼。
[0055] 具有表1中列出的钢的成分的钢锭在实验室的一个真空感应炉中制得，并且随后 通过热乳该钢锭得到了 7〇mm厚的钢坯。通过粗轧和精乳该钢坯制得了 13mm厚的钢板。该 热轧材料通过穿过一个喷射高压水的加速冷却设备被迅速冷却。根据测试目的调整精轧温 度，并调整冷却水的压力以改变微观结构。
[0056] [表 1]
[0057]
【权利要求】
1. 一种耐磨钢，其包含： 2. 6重量％至4. 5重量％的猛（Μη); 满足（6-Μη)/50 彡 C 彡（10-Μη)/50 的碳（C); 0. 05重量％至1. 0重量％的硅（Si);以及 余量的铁（Fe)以及其他不可避免的杂质， 其中，表面部分的布氏硬度在360至440的范围内。
2. 权利要求1的耐磨钢，还包含至少一种选自以下的成分：0. 1重量％以下（不包括0 重量％ )的银（Nb)、0· 1重量％以下（不包括0重量％ )的钥；（V)、0· 1重量％以下（不包 括0重量％ )的钛（Ti)和0· 02重量％以下（不包括0重量％ )的硼（B)。
3. 权利要求1的耐磨钢，其中耐磨钢的微观结构包含90%以上的马氏体。
4. 权利要求3的耐磨钢，其中马氏体的平均束直径为20 μ m以下。
【文档编号】C22C38/12GK104245989SQ201280070742
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】崔钟教, 张宇吉, 朴永桓, 李弘周 申请人:Posco公司