本发明涉及钢板制备技术领域，具体涉及一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板及制备方法。
背景技术：
耐磨钢是广泛用于各种磨损工况的耐磨材料。近年来，随着冶炼、连铸、轧制及热处理工艺技术的不断进步，耐磨钢产品质量得到较大提升。然而随着使用领域不断扩大，耐磨钢的服役环境日益苛刻，因而，对耐磨钢的耐磨性、硬度均匀性、高强韧性、低温韧性等要求不断提高。
目前，已经发布的关于40mm厚度以上的高韧性低合金耐磨钢，例如：“一种具有低温冲击韧性耐磨钢板”专利所述钢采用c：0.13-0.20％，si：0.25-0.60％，mn：0.4-0.8％，ni：0.15-0.35％、mo：0.1-0.3％、cr：0.25-0.60％，ti：0.010-0.035％，p≤0.015％，s≤0.003％，b：0.0013-0.0030％，al：0.010-0.050％，h≤0.0002％，n≤0.0035％的成分设计，制备钢板厚度为30-60mm，布氏硬度hbw360-hbw460，-40℃冲击功为50j以上。该钢中含有贵重合金ni元素，钢板大厚度为60mm，-40℃冲击功为50j以上；“一种特厚规格耐磨钢板”专利所述钢板采用c：0.12-0.20％，si：0.40-0.60％，mn：0.6-1.10％，ni：0.10-0.40％、mo：0.2-0.5％、cr：0.60-0.90％，ti：0.015-0.040％，p：0.01-0.015％，s：0.001-0.003％，b：0.0010-0.0025％，al：0.010-0.040％，h≤0.0002％，n≤0.0040％，mg：0.007-0.015％的成分设计，制备钢板厚度为60-80mm，布氏硬度hbw350-hbw450，-20℃冲击功≥40j，抗拉强度≥1150mpa；“一种厚规格和窄硬度区间的耐磨钢板”专利所述钢板采用c：0.16-0.23％、si：0.25-0.55％、mn：0.60-1.00％、p≤0.013％、s≤0.003％、ti：0.010-0.030％、ni：0.25-0.50％、nb：0-0.030％、cr：0.40-0.70％、mo：0.20-0.50％、b：0.0010-0.0035％、al：0.010-0.050％；公布号为cn106521314a的“通体硬化的高韧性易焊接特厚耐磨钢板及其制造方法”，该钢中含有c：0.11-0.15％、si：0.20-0.40％、mn：0.90-1.30％、p≤0.010％、s≤0.002％、v：0.03-0.06％、ti：0.010-0.030％、ni：1.0-2.60％、nb：0-0.040％、cr：0.40-0.70％、mo：0.40-0.70％、cu：0.2-0.5％、b：0.0010-0.0020％、al：0.060-0.10％；该钢在-40℃条件下，冲击功＞60j；“一种80mm大厚度高韧性低合金耐磨钢板”专利所述钢板采用c：0.18-0.20％、si：0.20-0.40％、mn：0.90-1.20％、p≤0.012％、s≤0.002％、cr：0.90-1.20％、mo：0.20-0.40％、ni：0.50-0.80％、ti：0.008-0.030％、nb：0.01-0.050％、v≤0.030％、b：0.0008-0.0025％、alt：0.02-0.06％、n≤0.0040％、h≤0.0002％的成分设计体系，制备的钢板最大厚度为60mm，屈服强度≥1000mpa，抗拉强度≥1050mpa，延伸率≥10％，-40℃akv冲击功值≥20j；总结发现，在炼钢过程中，为提高成品钢的韧性和耐磨性，通常采用添加ni、ti等贵重合金元素的方式进行炼钢，然而，通过采用上述操作，不仅增加了钢的生产成本，而且影响了成品钢的焊接性能及韧性，如，ti元素的加入容易形成带有尖角的tin粒子，形成潜在的裂纹源，对韧性改进不利，因此，如何兼顾成品钢的性能且降低其生产成本变得尤为重要。
技术实现要素：
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板及制备方法，该组分及方法中，采用高铝无镍的成分体系，设计钢中c、mn、mo、cr四种合金元素含量和配比关系以实现易焊接性能。该钢板的布氏硬度为330-370hbw，钢板厚度方向硬度值不低于表面硬度的90％；抗拉强度≥850mpa、断后伸长率(a5)≥14％、1/4钢板厚度处-40℃冲击功≥70j；该钢板的制备方法具有过程简单、对成品钢板的限制条件小、成品优势明显、轧制后无需在线冷却等优点；通过本发明提供的制备方法获得的钢板厚度规格大、在-40℃低温下冲击韧性高且力学性能稳定，十分适合用于制造大型机械设备耐磨部件。
本发明的技术方案如下：
一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
c：0.16-0.18％、si：0.20-0.30％、mn：1.30-1.50％、p≤0.015％、s≤0.002％、nb：0.01-0.020％、cr：0.25-0.35％、mo：0.45-0.60％、v：0.025-0.040％，b：0.001-0.0025％、alt≥0.06％，其余为fe和微量杂质。
进一步地，上述高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板中，c、mn、mo、cr四种合金元素的重量百分比满足c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.41％，提高耐磨钢板的焊接性能。
进一步地，上述高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板中，所述alt的百分含量为0.060-0.080％，通过控制alt的含量，提高耐磨钢板的韧性。
优选的，上述高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
c：0.16-0.18％、si：0.20-0.30％、mn：1.30-1.40％、p≤0.015％、s≤0.002％、nb：0.01-0.020％、cr：0.25-0.35％、mo：0.45-0.50％、v：0.025-0.030％，b：0.001-0.0025％、alt：0.060-0.080％，其余为fe和微量杂质；其中，c、mn、mo、cr四种合金元素的重量百分比满足c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.39％。
优选的，上述高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
c：0.16-0.18％、si：0.20-0.30％、mn：1.40-1.50％、p≤0.015％、s≤0.002％、nb：0.01-0.020％、cr：0.25-0.35％、mo：0.50-0.60％、v：0.030-0.040％，b：0.001-0.0025％、alt：0.060-0.080％，其余为fe和微量杂质；其中，c、mn、mo、cr四种合金元素的重量百分比满足c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.41％。
上述高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板的制备方法，包括如下步骤：
(1)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，缓冷温度区间为460-650℃，缓冷时间不低于72h；
(2)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1200-1220℃；
(3)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为910-930℃，奥氏体未再结晶区开轧厚度与成品钢板厚度之间的比值2.0-3.0；
(4)钢板缓冷：采用钢板堆垛缓冷，具体为钢板成形轧制后快速进行堆垛缓冷，缓冷时间不少于24h，缓冷后的钢板温度不低于460℃；
(5)淬火热处理钢板加热至910-920℃完全奥氏体化，淬火保温时间为20-30min后经淬火机进行淬火；随后进行550-580℃回火热处理，回火保温时间为20-40min；获得成品钢。
优选的，在钢板制备方法的步骤(3)中，钢坯奥氏体未再结晶区开始轧制温度为920-930℃，开轧厚度与成品钢板厚度之间的比值2.5-3.0；在步骤(5)中淬火后钢板的回火温度为550-565℃，保温时间为20-30min。
优选的，在钢板制备方法的步骤(3)中，钢坯奥氏体未再结晶区开始轧制温度为910-920℃，开轧厚度与成品钢板厚度之间的比值2.0-2.5；在步骤(5)中淬火后钢板的回火温度为565-580℃，保温时间为30-40min。
上述钢板的化学成分设计原理如下：
c：c是钢中的最主要合金元素，碳含量增加可以显著提高钢板的强度、硬度以及淬透性，但是随着含碳量的增加，钢板的韧性会产生不利影响，因此，为提高钢板的淬透性，确保钢板具有良好的强度和硬度而又不降低钢板的韧性，本发明中将c含量控制在0.16-0.18％范围内。
si：si在钢中溶于铁素体和奥氏体中，能显著提高钢的强度和硬度，然而，硅太高时，容易产生回火脆性，降低钢的韧性，因此，本发明将钢中si含量控制在0.20-0.30％范围内。
mn：mn能够增加钢的韧性、强度、硬度以及提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，本发明的mn含量控制在1.30-1.50％范围内，钢板度增大后，适当提高钢中的mn含量。
p和s：是钢中的有害元素，可影响钢的脆性；硫在钢中可与锰形成塑性夹杂物硫化锰，对钢板的横向塑性和韧性具有较大影响；同时磷也严重影响钢板的塑性和韧性，换言之，对于本发明而言，磷和硫的含量越低越好，但是在实际生产过程中，磷和硫均不可避免，因此，本发明中的p含量控制在0.015％以下、s含量控制在0.002％以下。
nb：nb可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，nb偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒粗化，细化热影响区组织，改善焊接接头性能，为提高钢板强韧性和焊接性能，本发明将nb含量控制在0.01-0.02％范围内。
v：鉴于钢中采用低碳成分设计，c含量的降低对钢的强度损失影响较大，添加铌、钛微合金元素主要起到细晶强化和沉淀强化的作用，推迟奥氏体再结晶、阻止奥氏体晶粒长大。当nb和v均为焊接再热裂纹敏感性元素，不宜添加过高，因此，本发明钢中v控制在0.025-0.040％范围内。
mo：mo可以提高钢的回火稳定性、淬透性，防止回火脆性。本发明中，钢板淬火后采用的回火温度较高，为降低高温回火导致的钢板软化，降低回火脆性，本发明将mo含量控制在0.45-0.60％范围内。
cr：cr元素的添加可提高钢的淬透性，确保厚规格钢板内部获得马氏体组织，以保证钢板具有足够高的硬度，但是当钢中cr元素含量过高时，将较大程度的降低钢板的焊接性能，为此，本发明将钢中cr含量控制在0.25-0.35％范围内。
alt：alt是最强烈的脱氧剂之一，可以有效去除钢中的氧，提高钢水的纯净度，另外，alt还是重要的晶粒细化元素，对提高钢板冲击韧性具有积极作用。考虑到本发明涉及钢板的厚度规格较大和韧性要求较高，将alt含量控制在0.060-0.080％的范围内。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述的40-70mm高韧性耐磨钢不添加贵重合金镍元素，制备成本大幅降低。
(2)本发明在设计过程中，匹配设计钢中c、mn、mo、cr四种合金元素含量的成分设计制备具有易焊接性能的高韧性耐磨钢，制备成本大幅降低。
(3)为提高钢的韧性，采用高铝成分设计，不添加ti元素从而避免了有尖角的tin粒子的形成几率有利于提高钢板的韧性。
(4)通过本制备方法获得的钢板厚度规格达到40-70mm、在-40℃低温下冲击韧性达到70j以上，钢板厚度方向硬度值均匀，心部硬度不低于表面硬度的90％。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
c：0.16％、si：0.21％、mn：1.32％、p：0.011％、s：0.001％、nb：0.01％、cr：0.26％、mo：0.47％、v：0.027％，b：0.0015％，alt：0.065％，其余为fe和微量杂质，其中c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.352％。
本实施例的高强韧性高铝无镍易焊接耐磨钢板厚度为40mm，钢板宽度为2500mm，具体制备方法如下：
(1)冶炼：铁水经过kr预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、120吨lf钢包炉精炼、120吨rh真空脱气精炼及板坯连铸机等工艺过程获得断面尺寸为250mm×1800mm的连铸坯；连铸坯的厚度为250mm；
(2)有效冶金压缩比为4.50；
(3)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，72h后堆垛缓冷温度为468℃；
(4)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1210℃；
(5)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为930℃，奥氏体未再结晶区开轧厚度为112mm，奥氏体未再结晶区开轧温度与成品钢板厚度之间的比值为2.8；
(6)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，24h后堆垛缓冷钢板的温度不低于460℃；
(7)淬火热处理：钢板加热至910℃，淬火保温时间为23min；保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温；
(8)回火热处理：随后进行550℃回火热处理，回火保温时间为20min；
通过上述工艺得到的40mm厚度耐磨钢板的抗拉强度为933mpa，断后伸长率(a5)为16.5％，表面布氏硬度平均值为335hbw，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为311hbw，-40℃低温冲击功为74j。
实施例2
一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
其化学成分及重量百分比含量为：c：0.17％、si：0.26％、mn：1.38％、p：0.010％、s：0.002％、nb：0.015％、cr：0.31％、mo：0.48％、v：0.028％，b：0.0018％，alt：0.069％，其余为fe和微量杂质，其中c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.372％。
本实施例提供的耐磨钢板的制备方法与实施例1存在以下区别：
(1)成品钢板厚度为50mm，宽度为2600mm，有效冶金压缩比为3.46；
(2)连铸坯缓冷：连铸坯的厚度为280mm；连铸坯下线后进行入坑缓冷，72h后堆垛缓冷温度为521℃；
(4)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1215℃；
(5)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为922℃。奥氏体未再结晶区开轧厚度为125mm，奥氏体未再结晶区开轧温度与成品钢板厚度之间的比值为2.5；
(6)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，36h后堆垛缓冷钢板的温度不低于460℃；
(7)淬火热处理：钢板加热至915℃，淬火保温时间为23min；保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温；
(8)回火热处理：随后进行563℃回火热处理，回火保温时间为30min；
通过上述工艺得到的50mm厚度耐磨钢板的抗拉强度为978mpa，断后伸长率(a5)为15.0％，表面布氏硬度平均值为356hbw，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为324hbw，1/4钢板厚度处的-40℃低温冲击功为79j。
实施例3
一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
c：0.17％、si：0.25％、mn：1.45％、p：0.012％、s：0.001％、nb：0.018％、cr：0.33％、mo：0.55％、v：0.035％，b：0.0022％，alt：0.071％其余为fe和微量杂质，其中c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.387％。
本实施例提供的耐磨钢板的制备方法与实施例1存在以下区别：
(1)成品钢板厚度为60mm，宽度为2400mm，有效冶金压缩比为3.13；
(2)连铸坯缓冷：连铸坯的厚度为300mm；连铸坯下线后进行入坑缓冷，72小时后堆垛缓冷温度为603℃；
(4)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1220℃；
(5)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为916℃，奥氏体未再结晶区开轧厚度为145mm，奥氏体未再结晶区开轧温度与成品钢板厚度之间的比值为2.42；
(6)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，48h后堆垛缓冷钢板的温度不低于460℃；
(7)淬火热处理：钢板加热至918℃，淬火保温时间为28min；保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温；
(8)回火热处理：随后进行570℃回火热处理，回火保温时间为37min。
通过上述工艺得到的60mm厚度耐磨钢板的抗拉强度为965mpa，断后伸长率(a5)为16.0％，表面布氏硬度平均值为360hbw，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为330hbw，1/4钢板厚度处的-40℃低温冲击功为88j。
实施例4
一种高强韧性高铝无镍易焊接40-70mm厚度耐磨钢板，其化学成分及重量百分比如下：
c：0.18％、si：0.29％、mn：1.48％、p：0.009％、s：0.001％、nb：0.018％、cr：0.34％、mo：0.57％、v：0.038％，b：0.0021％，alt：0.077％，其余为fe和微量杂质，其中c+0.1mn+0.1mo+0.05cr≤0.402％。
本实施例提供的耐磨钢板的制备方法与实施例1存在以下区别：
(1)成品钢板厚度为70mm，宽度为2100mm，有效冶金压缩比为3.06；
(2)连铸坯缓冷：连铸坯下线后进行入坑缓冷，72h后堆垛缓冷温度为646℃；
(4)连铸坯加热：连铸坯加热温度控制在1218℃；
(5)成形轧制：钢坯的奥氏体未再结晶区开轧温度为911℃，奥氏体未再结晶区开轧厚度为141mm，奥氏体未再结晶区开轧温度与成品钢板厚度之间的比值为2.01；
(6)钢板缓冷：轧制后钢板进行堆垛缓冷，72h后堆垛缓冷钢板的温度不低于460℃；
(7)淬火热处理：钢板加热至918℃，淬火保温时间为25min，保温后入淬火机将钢板淬火冷却至室温；
(8)回火热处理：随后进行577℃回火热处理，回火保温时间为36min。
通过上述工艺得到的70mm厚度耐磨钢板的抗拉强度为991mpa，断后伸长率(a5)为16.0％，表面布氏硬度平均值为347hbw，钢板厚度方向上的布氏硬度平均值为321hbw，1/4钢板厚度处的-40℃低温冲击功为90j。
在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域技术人员对发明的修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。