一種布氏硬度400級耐磨鋼及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鋼鐵制造領域，具體涉及一種布氏硬度400級耐磨鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 耐磨鋼是廣泛應用于各種磨損工況下的一類鋼鐵材料，其目的在于減緩機械部件 的磨損消耗，提高產品的壽命，延長機械產品因磨損而發生失效行為的時間，要求具有較高 的硬度值以保證惡劣工況下的耐摩擦磨損性能。
[0003] 殘余應力是影響耐磨鋼使用的關鍵參數，與鋼板的開裂以及表面的耐磨性有直接 關系。而通常的耐磨鋼硬度值高，其內殘余應力大，均勻性不好，很容易在使用過程中發生 鋼板開裂的問題；另外，表面的殘余應力還與耐磨性有一定關系，鋼板表面如果是壓應力， 則對提高鋼板的耐磨性能和疲勞性能有提升作用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種布氏硬度400級耐磨鋼及其制造方法，制造方法通過 對殘余應力有較大影響的重要化學成分C、Si、Mn、Cr、B等元素的控制，并采用合理的淬火、 回火熱處理工藝，使耐磨鋼在擁有優良耐磨性和較高韌性的同時，在其表面具有均勻壓應 力，進一步增強其耐磨性能和抗疲勞性能；本耐磨鋼的殘余應力均勻性好，在使用過程中不 發生開裂和變形，耐磨，使用壽命長。
[0005] 本發明是這樣實現的：
[0006] -種布氏硬度400級耐磨鋼，鋼的化學成分按質量百分比為：C0. 14~0. 21%，Si 0.20~0.40%，Mn0.9~1.4%，P<0.015%，S$ 0.008%，Cr0.5~0.8%，Ni0.05~ 0? 08%，Mo0? 2 ~0? 4,Als0? 02 ~0? 05%，Ti0? 02 ~0? 03,V彡 0? 02%，B彡 0? 005%， 其余為鐵和不可避免的雜質。
[0007] 本發明的碳（C)含量為0. 14~0. 21%。碳是影響耐磨鋼強度、硬度、韌性及淬透 性的重要元素，也是影響鋼顯微組織最為重要的元素；隨著碳含量增加，鋼的硬度增加，沖 擊韌性顯著下降，耐磨性逐漸提高；碳含量過高，鋼中的碳化物量過多，熱處理后形成的是 高碳片狀馬氏體，鋼的硬度高而韌性低，且熱處理過程中容易開裂；碳含量過低，鋼的淬硬 性不足，硬度過低，耐磨性不足。
[0008] 本發明的硅（Si)含量為0. 20~0. 40%。在煉鋼過程中，硅用作還原劑和脫氧劑。 硅是非碳化物形成元素，是以固溶體的形態存在于鐵素體或奧氏體。因此可以強化鐵素體， 提高鋼的強度和硬度，同時可以降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。硅還可提高鋼的 回火穩定性和抗氧化性，它提高鋼中固溶體的強度和冷加工變形硬化率的作用極強，僅次 于磷，但同時也在一定程度上降低鋼的韌性和塑性。另外，硅使鋼呈帶狀組織，使鋼材的橫 向性能低于縱向性能。但硅含量過高會出現塊狀鐵素體，使鋼的韌性降低并易產生淬火裂 紋；并且殘余奧氏體顯著增加，使鋼的硬度降低。當硅的含量較高時，可能使碳化鐵（Fe3C) 分解，使碳游離而呈石墨狀態存在，即有所謂的石墨化作用。在退火時，表面也容易脫碳。
[0009] 本發明的錳（Mn)的含量為0.9~1.4%。錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，能消除或 減弱因硫所引起的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。猛和鐵形成固溶體，提尚鋼中鐵素體 和奧氏體的硬度和強度，強化基體；同時又是碳化物形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵 原子，生成碳化錳（Mn3C),它與碳化鐵（Fe3C)能相互溶解，在鋼中形成在合金（碳化物（Fe Mn) 3C型化合物），從而提高鋼的強度、硬度和耐磨性。錳可降低臨界冷卻速度，促進馬氏體 形成，提高鋼的淬透性。錳在鋼中由于降低臨界轉變溫度，起到細化珠光體的作用，也間接 地起到提高珠光體鋼強度的作用。錳擴大鐵碳平衡相圖中的Y相區，它使鋼形成和穩定奧 氏體組織的能力僅次于鎳。淬火后易得到馬氏體組織。但錳是過熱敏感性元素，淬火時加 熱溫度過高會引起晶粒粗大；錳在凝固時偏析系數較大，很容易在晶界偏聚，對鋼的性能產 生不利影響，并會導致鋼的淬火組織中殘余奧氏體量增加，所以錳含量控制在〇. 9~1. 4% 之間。
[0010] 本發明的磷（P)的含量彡0. 015%，硫（S)的含量彡0. 008%。硫存在于鋼鐵中會 使鋼變的熱脆，而磷在結晶過程中易產生偏析，從而在鋼中的局部區域產生冷脆。硫、磷對 于耐磨鋼殘余應力控制而言是有害雜質元素，應盡力消除。
[0011] 本發明的鉻（Cr)的含量為0.5~0.8%。鉻有利于鋼的固溶強化并適宜碳化物的 形成，進而提高鋼的高溫強度、硬度和耐磨性能。鉻增加鋼的淬透性，尤其與錳、硅合理搭配 能大大提高淬透性，但同時也增加鋼的回火脆性傾向。鉻能固溶于鐵素體中而產生固溶強 化效應，提高焊縫金屬的抗拉強度和屈服點。但其含量超過0. 8%，會使焊縫金屬韌性明顯 下降。
[0012] 本發明的鎳（Ni)的含量為0. 05~0. 08%。鎳和碳不形成碳化物，是形成和穩定 奧氏體的主要合金元素，加入一定的鎳可提高淬透性，使鋼的組織在常溫下保留少量殘余 奧氏體，以提高其韌性。鎳元素能夠提高鋼材本身的沖擊韌性，尤其是對鋼材的低溫沖擊改 善較大。
[0013]本發明的鉬（Mo)的含量為0.2~0.4。鉬在鋼中以固溶體相和碳化物相的形式存 在。可降低臨界冷卻速度，促進馬氏體形成，提高鋼的淬透性。與碳（C)形成碳化鉬（MoC)， 提高鋼的硬度；并通過固溶強化來強化基體，提高硬化相的密度，同時也提高碳化物的穩定 性，對鋼的強度產生有利的作用。鉬對回火脆性的影響頗為復雜，作為單一的合金元素存 在，提高鋼的回火脆性，但和其他導致回火脆性的元素并存時，鉬又降低或抑制其他元素所 導致的回火脆性。
[0014] 本發明的酸溶鋁（Als)的含量為0. 02~0. 05%。鋼中加入少量的酸溶鋁，可以細 化晶粒，提尚沖擊初性。
[0015] 本發明的鈦（Ti)的含量為0. 02~0. 03。鈦通過細化晶粒和沉淀強化提高鋼的強 度，鈦在連鑄冷卻條件下生成彌散的碳化鈦（TiN)顆粒，由于它的熔點很高，在焊接熱影響 區能顯著抑制晶粒長大，加微量鈦能顯著改善熱影響區的韌性。
[0016] 本發明的釩（V)的含量< 0. 02%。釩通過細化晶粒提高鋼的強度，適量的釩含量 能夠提高基體的耐磨性，但是釩含量的增加對沖擊韌性亦有影響。
[0017] 本發明的硼（B)的含量< 0. 005%。微量的硼可吸附在奧氏體晶界上，降低晶界的 能量，提高鋼的淬透性。
[0018] 本發明還提供上述布氏硬度400級耐磨鋼的制造方法，包括如下步驟：超純凈鋼 工藝進行冶煉一鐵水脫硫一轉爐頂底復合吹煉一真空處理一連鑄成板坯一板坯加熱一乳 制一冷卻一淬火一低溫回火一鋼板成品，其中，
[0019] 在板坯加熱步驟中，為了保證微合金元素充分溶解以及具有一定的奧氏體晶粒 度，減小殘余應力分布不均可能性，均熱溫度采用1190°c~1250°C，加熱速率為8~IOmin/ cm；
[0020] 在乳制步驟中，乳制步驟的開乳溫度多1050°C，終乳溫度多980°C，單道次壓下率 大于20%，低度打壓可以細化鋼板心部晶粒，使得板材厚度上組織及殘余應力分布趨于均 勻；
[0021] 在淬火步驟中，淬火溫度為870°C，保溫時間為I. 0~2.Omin/mm*板厚；
[0022] 在低溫回火步驟中，回火溫度為190°C，保溫時間為3~4min/mm*板厚，低溫回火 保留了板材表面的壓向應力，充分的回火時間對于板材內殘余應力分布的均勻化起到重要 作用，回火后得到回火馬氏體組織。
[0023] 本方法按配比化學成分進行真空冶煉并澆鑄成坯，然后再將板坯加熱到1190°C~ 1250°C，隨后再進行乳制，再冷卻至室溫，隨后再進行淬火和低溫回火得到耐磨性較好的鋼 板，低溫回火保留了板材表面的壓向應力，對提高鋼板的耐磨性能和疲勞性能有明顯提升 作用。
[0024] 本發明在優化殘余應力的同時，保證了耐磨鋼表面硬度值在390左右，抗拉強度 約1300Mpa，具有較高的表面硬度，保證了其耐磨性能，具有較高的抗拉強度及較好的韌性； 充分的回火時間使得板材內殘余應力更加均勻，有利于減少板材的開裂傾向。
[0025] 本發明中碳（C)含量為0.14~0.21%，碳含量過高，則鋼的硬度高而韌性低，熱 處理過程中容易開裂，碳含量過低，鋼的淬硬性不足，硬度過低，耐磨性不足。成分中含有的 Mn、Cr、Ni、B元素可以提高鋼的淬透性，從