[0001] 本发明涉及金属材料领域，尤其涉及耐碱性煤水腐蚀的耐磨钢及其制备方法。

[0002] 低合金耐磨钢以其优异的综合性能广泛应用于采矿选矿、冶金化工和运输等领域，作为耗损材料其寿命不仅取决于使用工况的磨损强度，而且强烈地受到使用工况腐蚀环境的影响。刮板运输机是煤矿采运主要设备，在煤矿井下服役期间长期承受煤矿、矸石等对其高强度磨损，其中板、底板等主要使用低合金耐磨钢。同时由于煤矿矿井水对其耐磨钢的腐蚀极为严重，这会使耐磨钢服役条件由单一磨损工况转变为腐蚀磨损工况，加剧耐磨钢的磨损。因此，有必要针对矿井环境开发耐腐蚀耐磨钢板，降低耐磨钢耗损，提高耐磨钢及相关设备的使用寿命。

[0003] 公开号CN114774772A公开了一种耐腐蚀500HB马氏体耐磨钢板，虽然该耐磨钢板的抗腐蚀能力显著增强，但因其添加了大量的Ni、Cr和Mo元素，合金成本高。

[0004] 公开号CN110387507B公开了一种腐蚀性浆体运输容器用HB500级耐磨钢，该专利文件中没有通过试验明确耐蚀或耐磨蚀效果，并且其制造工艺包含在线淬火，由不低于825℃冷却至室温，冷速为55～65℃/s，此工艺不利于高等级耐磨钢板的内裂纹控制。

[0005] 公开号CN112267073A公开了具有优异低温韧性和焊接性能的耐腐蚀磨损钢板，通过添加Sb和Sn元素增强钢的耐腐蚀能力，但没有考虑到Sb和Sn元素也会增加耐磨钢出现裂纹风险，而且没有相应技术缓解或避免Sb和Sn元素对耐磨钢裂纹的负面作用，同时没有通过试验明确耐蚀或耐磨蚀效果。

[0006] 公开号CN113106341B公开了一种高强韧性可焊接耐腐蚀磨损钢板，成分控制Mo/Ti：1.8％～7.0，Ti/Als：3～13；同样该专利没有通过试验明确耐蚀或耐磨蚀效果，并且其制造工艺包含在线淬火，由820～860℃冷却至220～320℃，冷速为35～50℃/s，此工艺不利于高等级耐磨钢板的内裂纹控制。

[0007] 可以看到，目前对碱性煤矿矿井水服役条件用耐磨钢仍未有成熟的技术方案。

[0008] 有鉴于此，本公开提供了一种耐碱性煤水腐蚀耐磨钢的制备方法，不仅可以提高耐磨钢在碱性煤水工况下具有良好的耐腐蚀磨损能力，并且保证钢板在制造过程不发生裂纹，在服役过程具有较强的抗延迟裂纹能力。

[0009] 另外，本公开还提供了通过上述制备方法制得的耐磨钢。

[0010] 第一方面，所述的耐碱性煤水腐蚀耐磨钢的制备方法，按照重量百分含量计，将所述耐磨钢的合金元素设置为：

[0011] C：0.24％～0.40％，Si：1.10％～1.70％，Mn：1.20％～1.80％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Cr：1.10％～1.70％，Cu：0.10％～0.40％，Ni：0.10％～0.40％，Mo：0.10％～
0.55％，Sb：0.06％～0.10％，Ti：0.10％～0.18％，Als：0.015％～0.05％，B：0.0008％～
0.0016％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0012] 在本公开及可能的实施例中，所述制备方法包括连铸连铸坯缓冷及加热、轧制及热处理工序，其中：

[0013] 在所述连铸坯缓冷及加热工序中，使连铸坯进入带加热功能缓冷坑或加热炉内进行加热缓冷，开始缓冷时所述连铸坯温度≥430℃，所述连铸坯在500℃～580℃保温24h～36h，随后停止加热后使所述连铸坯在所述缓冷坑或所述加热炉内冷却24h～36h；

[0014] 缓冷后的所述连铸坯送至加热炉，入炉温度≥300℃，加热温度为1100℃～1200℃，连铸坯在炉时间为0.45min/mm～0.7min/mm。

[0015] 在本公开及可能的实施例中，在所述轧制中，采用热轧方式，开轧温度为950℃～1050℃，终轧温度为900℃～1050℃。

[0016] 在本公开及可能的实施例中，在所述缓冷工序中，所述轧制后使钢板下线堆垛缓冷，540℃≤堆垛缓冷钢板温度≤640℃，冷却至≤150℃。

[0017] 在本公开及可能的实施例中，所述热处理工序设置为淬火处理和回火处理，在淬火热处理炉进行钢板淬火加热的过程分为高温段和降温段；淬火热处理炉高温段温度为840℃～880℃，高温段在炉时间为1.4min/mm～2.0min/mm；降温段温度为740℃～780℃，降温段在炉时间为0.8min/mm～1.4min/mm。

[0018] 在本公开及可能的实施例中，所述钢板出淬火热处理炉后进入辊压式淬火机淬火，淬火平均冷却速度为9℃～52℃/s，淬火终了温度为280℃～380℃。

[0019] 在本公开及可能的实施例中，所述淬火处理后，使所述钢板随即进入回火炉，所述钢板的入炉温度≥180℃，回火加热温度为180℃～240℃，回火保温时间为4.0min/mm～6.0min/mm。

[0020] 第二方面，所述的耐碱性煤水腐蚀耐磨钢，采用第一方面是的方法制得。

[0021] 本发明具有如下有益效果：

[0022] (1)本发明的耐磨钢，通过合理添加Cr、Cu、Ni、Sb等元素，提高了钢板的自腐蚀电位和硬度a，有效增强了耐磨钢耐碱性煤矿矿井水腐蚀能力，同时获得了组织为下贝氏体+马氏体+残余奥氏体耐磨钢，提升了碱性煤矿矿井工况下耐磨钢的抗腐蚀磨损能力，相对耐磨性为同硬度级别低合金耐磨钢1.18～1.35倍。

[0023] (2)本发明通过工艺设计，有效抑制了生产过程中含Sb耐磨钢裂纹发生问题，避免了Sb低熔点元素导致钢板裂纹的危害，在组织内部保留大量Ti析出相作为氢陷阱，降低这种含Sb耐磨钢板在使用过程中出现延迟裂纹风险；并通过Ti、Mo复合添加，配合缓冷工艺和热处理工艺设计，实现了淬火钢板中保留大量Ti、Mo复合碳化物，并以此作为氢陷阱，大幅提高含Sb耐磨钢服役过程抗氢致裂纹能力，获得了力学性能优异的、抗氢致裂纹的耐碱性煤矿矿井水腐蚀的耐磨钢。

[0024] 以下基于实施例对本公开进行描述，但是值得说明的是，本公开并不限于这些实施例。在下文对本公开的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本公开。同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

[0025] 本公开通过实施例1‑15对所述的耐碱性煤水腐蚀耐磨钢及其制备方法进行详细的描述，其中，组成所述耐碱性煤水腐蚀耐磨钢的合金元素，按照重量百分含量计分别是：

[0026] C：0.24～0.40％，Si：1.10～1.70％，Mn：1.20～1.80％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Cr：1.10～1.70％，Cu：0.10～0.40％，Ni：0.10～0.40％，Mo：0.10～0.55％，Sb：
0.06～0.10％，Ti：0.10‑0.18％，Als：0.015‑0.05％，B：0.0008～0.0016％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0027] 本公开实施例选择上述合金元素种类及其含量是因为：

[0028] C：是决定耐磨钢强度和硬度的主要元素，随着碳的增加，过饱和马氏体和下贝氏体畸变更剧烈，强度硬度越高，但同时脆性增加，考虑TiC对C的消耗会降低基体的硬度，范围控制在0.24～0.40％。

[0029] Si：是固溶强化元素和强脱氧元素，也是抑制碳化物形成元素、奥氏体稳定和元素。本专利中Si能够在轧制和缓冷阶段抑制TiC粗化，控制TiC弥散、细小，能够保留更多过冷奥氏体至下贝氏体相变区间，提高最终组织耐磨性，范围控制在1.10～1.70％。

[0030] Mn：是固溶强化元素，是奥氏体稳定化元素，有利于将更多奥氏体保留至室温，但Mn含量过高会加重钢坯的偏析，导致裂纹萌生，因为为降低裂纹风险，范围控制1.2～1.8％。

[0031] P、S：是钢中不可避免杂质，范围控制P≤0.015％、S≤0.003％。

[0032] Cr：是固溶强化元素，能够提高基体的自腐蚀电位，当Cr含量较高时，钢基体的抗碱性腐蚀效果显著增强；Cr与C能够形成细小的析出相，增强钢的耐磨性能；Cr与Mo复合添加能够有效增强钢板的淬透性，增加钢的硬化层，是有效提升钢耐腐蚀磨损性能的合金元素；Cr也是奥氏体稳定元素，配合但Cr大量添加会造成钢坯的偏析加重，且不利于成本控制和钢的焊接性，范围控制0.30～0.70％

[0033] Cu：是提高钢耐碱性腐蚀作用元素，能够提高基体的自腐蚀电位，提高钢的抗碱性腐蚀能力，但Cu是添加过多会增加钢板的裂纹风险，范围控制0.10～0.40％

[0034] Ni：是提高钢耐碱性腐蚀作用元素，能够提高基体的自腐蚀电位，提高钢的抗碱性腐蚀能力，同时Ni能够提高钢的韧性，抑制由Cu添加导致的钢板表面裂纹，同时Ni是晶界偏聚元素，增强晶界强度，提高钢的抗裂纹能力，且能够降低钢相变温度，但由于Ni价格较高，范围控制0.1～0.4％。

[0035] Mo：能够推迟铁素体相变，是有效提高钢淬透性元素，其能够增加钢硬化层深度，提高钢的耐磨性。同时Mo是强碳化物形成元素，其与Ti复合添加能够促进Ti‑Mo复合碳化物的析出，细化析出相，范围控制0.1～0.55。

[0036] Sb：获得致密锈层是提高钢板耐蚀性能的重要手段，使钢板表面快速形成致密锈层能够隔离开腐蚀性离子，但锈层相对于基体硬度大幅降低，且易脱落，综合考虑磨损与腐蚀的作用，反而会不利于钢板的磨蚀性能。因此对于弱腐蚀磨损条件，并不关注锈层，而更关注基体的自腐蚀电位和硬度的综合性能。

[0037] 而Sb则能够使腐蚀产物致密，抑制H2O、O2、Cl‑和SO42‑等向钢基体扩散，能够在碱性环境下富集在钢基体附近，与富集的Cu形成难溶于碱的Cu2Sb，抵抗对于钢基体的进一步侵蚀。但Sb是低熔点元素，其容易在晶界处富集造成晶界裂纹，随着Sb含量的添加，钢板裂纹风险迅速增加，范围控制在0.06～0.10％。

[0038] Ti：是强碳化物形成元素。TiC析出相能够形成氢陷阱，有效固定钢中游离H，避免H在裂纹源处聚集而发生延迟裂纹，是本发明耐磨钢抗裂纹关键技术，范围控制在0.10％～0.18％。

[0039] Als：是强脱氧元素，范围控制在0.015％～0.045％。

[0040] B：能够推迟铁素体相变，是有效提高钢淬透性元素，但其容易偏聚在晶界处，当B含量过多时会在晶界析出，降低晶界强度，恶化钢的韧性，范围控制在0.0008～0.0016％。

[0041] 本公开实施例1‑15的耐磨钢的化学成分如表1所示：

[0042] 表1实施例钢的化学成分(wt％)

[0043]   C Si Mn P S Cr Cu Ni Mo Sb Ti Als B实施例1 0.24 1.25 1.46 0.0150 0.0022 1.25 0.19 0.19 0.31 0.06 0.13 0.050 0.0012实施例2 0.26 1.47 1.55 0.0095 0.0028 1.56 0.23 0.37 0.23 0.06 0.18 0.042 0.0011实施例3 0.25 1.17 1.20 0.0133 0.0016 1.64 0.1 0.1 0.10 0.09 0.12 0.026 0.001实施例4 0.26 1.50 1.60 0.0087 0.0024 1.38 0.17 0.25 0.15 0.09 0.16 0.036 0.0011实施例5 0.29 1.25 1.68 0.0094 0.0017 1.58 0.1 0.29 0.24 0.09 0.11 0.015 0.0008实施例6 0.30 1.36 1.34 0.0118 0.0017 1.38 0.14 0.25 0.23 0.07 0.15 0.043 0.0014实施例7 0.31 1.10 1.66 0.0113 0.0028 1.34 0.22 0.35 0.54 0.10 0.18 0.041 0.001实施例8 0.32 1.18 1.68 0.0104 0.0021 1.1 0.35 0.26 0.36 0.10 0.1 0.025 0.0012实施例9 0.33 1.52 1.32 0.0094 0.0017 1.30 0.29 0.2 0.34 0.06 0.16 0.02 0.0015实施例10 0.24 1.42 1.80 0.0118 0.0027 1.29 0.19 0.40 0.3 0.09 0.18 0.031 0.0014实施例11 0.36 1.33 1.7 0.0127 0.003 1.55 0.40 0.23 0.51 0.09 0.14 0.045 0.0013实施例12 0.39 1.39 1.30 0.0084 0.002 1.70 0.17 0.16 0.55 0.06 0.17 0.045 0.0011实施例13 0.38 1.29 1.71 0.0144 0.003 1.43 0.18 0.35 0.18 0.09 0.18 0.045 0.0016实施例14 0.29 1.70 1.24 0.0109 0.0021 1.42 0.13 0.31 0.42 0.07 0.1 0.038 0.0011实施例15 0.40 1.62 1.72 0.0135 0.002 1.53 0.12 0.22 0.27 0.08 0.16 0.031 0.0015[0044] 本公开的实施例1‑15，按照表1设计的化学成分及含量制备耐磨钢，具体工艺路线为：铁水预处理、转炉炼钢、LF炉精炼、RH真空脱气、连铸坯、连铸坯缓冷、加热、轧制、钢板缓冷、热处理，其中：

[0045] 对于连铸坯缓冷及加热工艺，连铸坯进入带加热功能缓冷坑或加热炉内加热缓冷，开始缓冷连铸坯温度≥430℃，连铸坯加热至500～580℃保温24～36h，随后停止加热，连铸坯在缓冷坑或加热炉内缓慢冷却24h～36h。

[0046] 连铸坯缓冷后送至加热炉，入炉温度≥300℃，加热温度1100～1200℃，连铸坯在炉时间0.45～0.7min/mm。本公开实施例1‑15的连铸坯缓冷及加热工艺参数见下表2：

[0047] 表2实施例连铸坯缓冷及加热工艺

[0048]

[0049]

[0050] 在轧制及缓冷工序中，采用热轧方式，开轧温度950～1050℃，终轧温度900～1050℃。

[0051] 轧制后钢板快速下线堆垛缓冷，540℃≤堆垛缓冷钢板温度≤640℃，缓慢冷却至≤150℃。本公开实施例1‑15的轧制及缓冷工艺参数见下表3：

[0052] 表3实施例钢的轧制和缓冷工艺

[0053]

[0054] 在热处理工序设置为淬火处理和回火处理，其中，钢板淬火加热分为高温段和降温段。淬火热处理炉高温段温度840～880℃，高温段在炉时间1.4～2.0min/mm；降温段温度740～780℃，降温段在炉时间0.8～1.4min/mm。本公开实施例1‑15的淬火加热工艺参数见下表4：

[0055] 表4实施例钢的淬火加热工艺

[0056]

[0057]

[0058] 上述钢板出淬火热处理炉后进入辊压式淬火机淬火，淬火平均冷却速度9～52℃/s，淬火终了温度280～380℃。

[0059] 淬火后钢板马上进入回火炉，钢板入炉温度≥180℃，回火加热温度180～240℃，回火保温时间4.0～6.0min/mm。本公开实施例1‑15的淬火冷却和回火工艺参数见表5：

[0060] 表5实施例钢的淬火冷却和回火工艺

[0061]

[0062] 在本公开制备方法中的上述工序中，选择相应参数的原因如下：

[0063] 耐磨钢延迟裂纹与H含量及其状态密切相关，在使用过程中避免延迟裂纹基本的要求是钢中H含量较低，钢坯加热缓冷能够使氢充分的释放出来。入炉温度≥430℃是避免钢坯温度过低，H在钢坯内偏析、夹杂等处聚集产生裂纹；钢坯加热至500～580℃，是因为在H在铁素体相内固溶度低，温度较高时H扩散速率快，同时考虑到Sb熔点低，容易在晶界富集产生裂纹，因此加热温度不宜过高；当氢降低至一定水平后扩散效率下降，且已消除铸坯氢致裂纹风险，为平衡生产效率和钢坯质量，控制保温时间24～36h，随后停止加热待钢坯在缓冷坑或加热炉内缓慢冷却24h～36h。

[0064] Sb是低熔点元素，容易在晶界富集造成钢坯及轧后钢板裂纹，因此要求低温烧钢，加热温度1100～1200℃；同时采用热送工艺，钢坯入炉温度≥300℃，缩短加热时间，钢坯在炉时间为0.45～0.7min/mm。

[0065] 采用热轧轧制方式，避免轧制过程析出TiC，并为后续堆垛缓冷创造温度条件，开轧温度为950～1150℃，终轧温度为900～1050℃。

[0066] 轧制后钢板处于高温状态，且厚度规格减小，快速下线堆垛缓冷，有利于氢再次向外扩散，降低钢板中H含量，抑制钢板氢致裂纹的出现。本专利中添加了大量Si元素，需要高温长时间堆垛促使钢板内部形成大量TiC析出相，这种TiC析出相更细小且不会在淬火加热过程回溶，会保留至最终使用组织，因此缓冷工序极为关键，堆垛温度应≥540℃以创造TiC析出动力学条件，同时考虑到温度过高会造成Sb富集，导致裂纹风险，因此堆垛温度应≤640℃。

[0067] 热处理包括淬火和回火，钢板淬火加热包括高温段和降温段。淬火热处理炉高温段温度840～880℃，高温段在炉时间1.4～2.0min/mm，其目的是快速将钢板温度加热至奥氏体化温度，为后续钢板淬火获得马氏体和下贝氏体提供组织保障，但温度过高会导致晶界Sb富集，增加裂纹风险，且使奥氏体晶粒增大，降低钢板低温韧性，同时温度过高、在炉时间过程会促使TiC回溶，使钢板内部氢陷阱数量下降，因此保温时间也不宜超过2.0min/mm；降温段温度740～780℃，降温段在炉时间0.8～1.4min/mm，其目的是使奥氏体在降温段降低至Ar3温度以上，即保证钢板全奥氏体化状态，使淬火钢板得到充分硬化，同时钢板开始淬火温度越低，淬火过程钢板应力水平越低，避免耐磨钢因淬火过程出现开裂情况，同时钢板保温时间的设计了考虑钢板的均热和Sb导致裂纹的影响。

[0068] 钢板出淬火热处理炉后进入辊压式淬火机淬火，为获得充分马氏体转变，同时避免冷速过大造成钢板应力过大，出现淬火裂纹，设计淬火平均冷却速度9～52℃/s；限定了淬火终了温度280～380℃，目的是保证过冷奥氏体快速冷却至下贝氏体相变区间，同时降低钢板淬火过程应力，避免出现淬火裂纹。

[0069] 淬火后钢板马上进入回火炉，钢板入炉温度≥180℃，是为了降低过冷奥氏体转变马氏体比例，使奥氏体向下贝氏体转变，以增强钢的耐磨性；同时为了形成残余奥氏体；回火加热温度为180～240℃，回火保温时间为4.0～6.0min/mm，目的是使一次马氏体中C充分扩散至奥氏体中，充分发生贝氏体转变，并保留更多残余奥氏体至室温，增强钢板的韧性和阻碍裂纹扩展能力。

[0070] 对本公开实施例1‑15制备的耐磨钢进行力学性能测试，实施例钢及对比例钢的力学性能见下表6：

[0071] 表6实施例钢的力学性能

[0072]

[0073] 本公开对实施例2、4、5、6、14、15试验钢进行磨损试验，选取厚度为20mm的NM400、NM450和NM500普通低合金耐磨钢作为对比例。磨损试验设备为湿式橡胶轮磨粒磨损试验机，磨损试样尺寸及试验方法依据ASTM G105，SiC砂子粒度为80～120目，溶剂为模拟碱性煤矿井水溶液，其化学组成见表7，试验力120KN，转速200r/min，磨损时间10min，对比例钢力学性能见表8，磨损试验结果见表9。

[0074] 表7模拟煤矿酸性矿井水主要化学组成(mg/L)

[0075] Cl‑ SO42‑ Na+ Ca2+ Mg2+ pH133.2 1717.2 162.5 317.7 125.8 5

[0076] 表8对比例钢力学性能

[0077]

[0078] 表9腐蚀磨损试验结果

[0079]

[0080] 根据表6、表8和表9，可以看到实施例2、4与对比例1均为NM400耐磨钢，各项力学性能相当，但实施例2、4为对比例1相对耐磨性能1.24和1.26倍；实施例5、6与对比例2均为NM450耐磨钢，各项力学性能相当，但实施例5、6为对比例2相对耐磨性能1.19和1.22倍；实施例14、15与对比例3均为NM500耐磨钢，各项力学性能相当，但实施例14、15为对比例3相对耐磨性能1.12和1.14倍。综上所述，利用本发明方法制得的耐磨钢在碱性煤矿井水条件下具有更优异的耐磨损性能。

[0081] 以上所述实施例仅为表达本公开的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本公开专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。