CN101153374A

CN101153374A - 一种切纸机刀片用钢及其制造方法

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Publication number: CN101153374A
Application number: CNA2006101166014A
Authority: CN
Inventors: 续维; 胡俊辉; 顾新根; 吴振毅; 曹方杰
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: CN101153374B

Abstract

一种切纸机刀片用钢，成分重量百分比为：C：0.70～0.80；Mn：0.30～0.45；Cr：1.90～2.40；W：0.80～1.20；Si：0.70～1.00；Mo：0.70～1.00；V：0.20～0.35；P：≤0.020；S：≤0.015；其余为Fe和不可避免杂质。切纸机刀片用钢的制造方法包括如下步骤：采用电炉和炉外冶炼后浇注成钢锭；钢锭在初轧加热炉内加热至1200℃～1230℃后保温4～6小时，在保温过程中，需在保温开始后1.5～2小时进行一次翻钢处理；初轧机初轧的开轧温度为1100℃～1150℃、终轧温度为1000℃～1050℃；轧机轧制成材。轧制开坯比现有的3火次锻造开坯方式，降低了开坯成本，也节约了能耗，降低了钢的制造成本。

Description

一种切纸机刀片用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及到一种冷作模具钢及其冶金制造方法，尤其是涉及一种纸业加工行业制造切纸刀片用的高性能切纸刀片用钢及其制造方法。

背景技术

模具钢一般可以分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三类，切纸机刀片用钢属于冷作模具钢类中较为常用的一种，广泛使用于纸业加工行业制造切纸机刀片。我国目前使用的切纸机刀片用钢是采用国家标准GB/T1299-2000合金工具钢中的材料序号为3-6，钢号为CrWMn，这种切纸机刀片标准用钢的化学成分采用C 0.95-1.05wt％、Mn 0.80-1.10wt％、Cr 0.90-1.20wt％、W 1.20-1.60wt％、Si 0.10-0.40wt％、P≤0.030wt％、S≤0.030wt％，切纸机刀片用钢的关键技术指标，如珠光体显微组织、碳化物网状组织、碳化物带状组织、抗弯强度、冲击韧性，CrWMn钢的标准、实样指标较低(珠光体显微组织5级、碳化物网状组织3.0级、碳化物带状组织3.5级、抗弯强度380MPa、冲击韧性100J/cm2)，由于碳、钨、锰含量较高，有无其他合金元素的配合作用，如钒、钼元素等，因此指标低，不能满足高质量切纸机刀片用钢的要求。

上述现有的切纸机刀片钢的制造工艺是采用电弧炉冶炼，浇注成小钢锭锻造开坯和轧钢机轧制成材的工艺，具体步骤依次为：炼钢、锻造开坯、轧制成材、热处理，最后形成产品。

具体地，电弧炉冶炼完成之后浇注成700Kg-1200Kg小钢锭，将该小钢锭置入锻造加热炉中，以80℃～100℃/h的加热速度将小钢锭加热到1170℃～1180℃，保温2小时，出炉锻造至工件950℃时将其放回炉温为1150℃～1170℃的保温炉内保温1小时，出炉再锻造至工件950℃后再放回炉温为1150℃～1170℃的保温炉内保温1小时，再次出炉锻造成材，一共锻造3个火次(加热-锻造-回炉，循环一次称为一个火次)。

现有的这种制造工艺存在如下问题：

1)浇注锭型较小，小锭型降低了产品的成材率；

2)采用的是锻造开坯生产，冶金制造的锻造开坯成本较高；

3)锻造开坯需要3火次进行，从而增加了开坯所需的能耗，增加了产品制造成本；

4)珠光体显微组织、碳化物网状组织、碳化物带状组织、抗弯强度、冲击韧性等产品的主要性能指标较低。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高性能切纸机用钢及其制造方法，全面提高钢的珠光体显微组织、碳化物网状组织、碳化物带状组织、抗弯强度、冲击韧性等性能指标，满足高质量切纸机刀片用钢的要求。

为实现上述目的，本发明首先提供一种高性能切纸机刀片用钢，其成分为：C 0.70～0.80wt％、Mn 0.30～0.45wt％、Cr 1.90～2.40wt％、W0.80～1.20wt％、Si 0.70～1.00wt％、Mo 0.70～1.00wt％、V 0.20～0.35wt％、P≤0.020wt％、S≤0.015wt％，其余为Fe和不可避免杂质。

以下是本发明主要元素的作用及其限定说明：

C：0.70-0.80wt％。碳元素是形成各种碳化物的基本元素，也是影响钢的成分偏析和钢的碳化物网状和碳化物带状组织的重要元素，碳含量高于此成分设计范围会造成碳化物网状和带状组织的恶化趋势，影响钢的综合性能，特别是造成钢的抗弯强度和冲击韧性降低；碳元素低于此成分的设计范围要造成碳元素和其他合金元素结合形成碳化物的当量发生偏差，不能够有效地形成稳定的碳化物，影响钢的强度和钢的淬硬性。

Mn：0.30-0.45wt％。锰元素不是碳化物形成元素，一定量的锰元素可以增加钢的基体强化作用并能推迟贝氏体的转变，但是，锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加的趋势。这里，锰不是主要的合金成分元素，锰元素太高会造成钢的冲击韧性的下降，因此锰含量的设计要较原来CrWMn钢的锰含量下降了很多，有利于提高钢的综合性能。

Cr：1.90-2.40wt％。铬元素在本专利成分设计中起着重要的作用，成分含量比原来CrWMn钢的铬含量提高了将近一倍，铬元素在钢种形成稳定的多种碳化物类型，主要是Cr7C3和Cr23C6类型强化基体，铬元素提高钢锭淬透性，钢在回火的过程中析出稳定的弥散相，这种弥散相M7C3不但能够提高钢的抗回火性能，而且能够使得钢产生一定的红硬性，提高钢的抗弯强度。

W：0.80-1.20wt％。钨元素是碳化物形成元素，在钢的回火处理之后形成W3C类型的钨的碳化物强化相，由于钨元素在钢种可以引起钢的冲击韧性的降低，因此本发明在钨元素的设计思路中，稍微降低了钨的含量，其目的是提高钢的冲击韧性，但是钨含量低于成分设计范围同样也会造成钢的抗弯强度的下降。

Si：0.70-1.00wt％。硅元素不是碳化物形成元素，硅元素较原来的CrWMn钢中的硅含量有明显的增加，主要是增加了硅含量可以使得钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，这种作用相当明显，硅元素有效阻碍马氏体的分解主要是通过拟制ε碳化物质点的长大和扩大ε碳化物稳定区，延迟了ε碳化物向Fe3C的转变。

Mo：0.70-1.00wt％。钼元素为本发明新加入的元素，钼元素的加入提高了钢奥氏体的稳定性以及钢的淬透性，并且在钢的回火过程中形成稳定的M3C合金碳化物的析出，这种析出过程是一种弥散的质点强化相析出，较为均匀的分布在钢的基体中，产生重要的弥散析出碳化物的基体强化作用。钼元素的加入提高了钢的抗弯强度，对钢的综合性能的提高起到了重要的作用。

V：0.20-0.35wt％。钒元素也是本发明新加入的元素，钒元素是强碳化物形成元素，其在钢中的强化作用和钼元素相似，但是钒元素在钢中形成的是M2C和MC类型的碳化物，产生弥散强化相提高钢的强度性能。钒元素在钢中也起到了细化钢的晶粒的作用。

P≤0.020wt％。磷是钢中的有害元素，增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性，磷元素控制低一些，可以提高钢的性能。

S≤0.015wt％。硫元素在一定的程度上容易造成钢的加工性能的恶化，容易使得钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象。控制硫含量的一些可以提高钢加工性能和机械性能。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种切纸机刀片用钢的制造方法，该方法包括如下步骤：按照本发明的化学成分的配比，采用电炉和炉外精炼冶炼之后浇注成2000Kg-2500Kg钢锭；钢锭在初轧加热炉内以100℃/h-150℃/h的升温速度加热至1200℃-1230℃后保温4小时，在4小时的保温过程中，需在保温开始后1.5小时进行一次翻钢处理；初轧机初轧开坯开轧温度为1100℃-1150℃、终轧温度为1000℃-1050℃；轧机轧制成材。

主要工艺参数控制如下：

采用电炉和炉外精炼冶炼之后浇注成2000Kg～2500Kg的钢锭：由于2000Kg-2500Kg重量的钢锭较为适合初轧机轧制开坯，成材率比小钢锭高，并能够获得较大的轧制压缩比，从而能改善化学成分的偏析，有利于钢材的内部成分的均匀性。

钢锭在初轧加热炉内以100℃/h～150℃/h的升温速度加热至1200℃～1230℃后保温4小时：由于这种大钢锭热应力敏感性较高，容易在加热的过程中产生应力裂纹，钢锭的入炉温度控制在700℃～900℃升温速度控制在100℃/h～150℃/h可以防止钢锭在加热的过程中产生热应力裂纹，在加热至1200℃～1230℃后保温4～6小时可以改善钢锭的碳化物带状组织指标，提高钢的内在质量。

在上述4～6小时的保温过程中，需在保温开始后1.5～2.0小时进行一次翻钢处理：这种翻钢处理是为了使得钢锭获得更加均匀的温度，防止钢锭产生阴阳面温差，有利于钢锭在初轧机开坯轧制的过程中不发生开裂现象。

初轧机初轧开轧温度为1100℃～1150℃：从热模拟温度分析数据显示，1100℃～1150℃温度范围是钢的奥氏体单相组织区域，有着最佳的高温热塑性，有利于高温变形加工处理，不容易产生高温热加工开裂。

终轧温度为1000℃～1050℃：由于钢锭终轧温度对钢锭轧制质量有着重要的影响，终轧温度低于所规定的控制范围，非常容易引起钢锭在轧制过程中产生开裂，终轧温度高于控制范围容易引起钢在轧制之后产生粗晶现象。

本发明与现有技术相比：化学成分的配比更加合理，全面提升了钢的珠光体显微组织、碳化物网状组织、碳化物液析组织、抗弯强度、冲击韧性等性能指标。

降低了碳元素的含量，减少了钢的碳偏析趋势，有利于降低钢的网状碳化物和液析碳化物级别，提高钢的性能；降低了钢中的钨元素的含量可以减少钨碳化合物有利于提高钢的冲击韧性；提高钢中铬元素含量可以使得钢的显微组织中产生更多的M7C3、M23C6类型的碳化物；增加了钼和钒的元素成分，可以使得钢中获得弥散的MC、M2C、M3C碳化物强化钢的显微组织提高钢的淬透性和抗弯强度；提高硅的含量合减少锰含量为获得更好的显微组织，减缓马氏体的分解，提高钢的基体强度，从而能够提高钢的抗弯强度；降低磷和硫的含量可以使得钢液更加纯净，减少钢的非金属夹杂物形成趋势，降低钢调质回火脆性。

此外，本发明的制造方法中，浇注成大钢锭可以提高钢的初轧机轧制开坯成材率，初轧机开坯是一火次轧制完成的，这种轧制开坯比现有的3火次锻造开坯方式不仅仅降低了开坯成本，而且也节约了能耗，降低了钢的制造成本，提高了产品的经济效益。

钢锭加热至1200℃～1230℃后保温4～6小时起到了扩散元素的作用，可以改善钢锭的碳化物的带状组织指标，碳化物带状组织级别下降一倍。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的对钢锭进行初轧开坯的钢锭加热处理的工艺曲线图，钢锭的加热升温速度、高温段均热时间控制合理，在高温段的翻钢操作有利于钢锭的加热过程中的传热均匀性。

图2是根据本发明优选实施例的对钢锭进行了初轧开坯、轧制成材处理之后的碳化物带状组织的金相照片按照国家冶金标准YB9-68对带状组织进行评定为1.5级，远远低于切纸机行业要求的3.5级碳化物带状组织水平。

图3是根据本发明优选实施例的对钢锭进行了初轧开坯、轧制成材处理之后的碳化物网状组织的金相照片按照国家冶金标准YB9-68对网状组织进行评定为1.5级，远远低于切纸机行业要求的3.0级碳化物网状组织水平。

图4是根据本发明优选实施例的对钢锭进行了初轧开坯、轧制成材处理之后的珠光体组织的金相照片按照国家标准GB/T1299-2000对轧制钢材珠光体组织进行评定为2.0级，远远低于国家标准规定的小于4.0级珠光体组织要求。

具体实施方式

以下是本发明实施例1～4的具体说明。表1为本发明实施例1～4的化学组分表。表2为本发明实施例1～4的工艺参数控制表。表3为本发明实施例1～4的组织和性能特性表。

表1

实施例	C	Mn	Cr	W	Si	Mo	V	P	S
实施例	C	Mn	Cr	W	Si	Mo	V	P	S	1	0.76	0.38	2.15	0.99	0.78	0.81	0.25	0.013	0.009
2	0.70	0.30	2.10	0.80	1.00	0.70	0.20	0.020	0.015	1	0.76	0.38	2.15	0.99	0.78	0.81	0.25	0.013	0.009
2	0.70	0.30	2.10	0.80	1.00	0.70	0.20	0.020	0.015	3	0.74	0.45	2.40	1.20	0.70	0.78	0.35	0.010	0.008
4	0.80	0.33	1.90	1.00	0.90	1.00	0.22	0.012	0.011	3	0.74	0.45	2.40	1.20	0.70	0.78	0.35	0.010	0.008

表2

实施例	钢锭入炉温度℃	钢锭升温速度℃/h	钢锭加热温度℃	钢锭翻钢时间H	钢锭保温时间H	钢锭开轧温度℃	钢锭终轧温度℃
实施例	钢锭入炉温度℃	钢锭升温速度℃/h	钢锭加热温度℃	钢锭翻钢时间H	钢锭保温时间H	钢锭开轧温度℃	钢锭终轧温度℃	1	800	120	1210	1.7	5	1130	1010
2	700	100	1230	1.5	4	1100	1000	1	800	120	1210	1.7	5	1130	1010
2	700	100	1230	1.5	4	1100	1000	3	800	120	1220	1.6	5	1130	1010
4	900	150	1200	2.0	6	1150	1050	3	800	120	1220	1.6	5	1130	1010

表3

实施例	珠光体显微组织(级别)	碳化物网状组织(级别)	碳化物带状组织(级别)	抗弯强度MPa	冲击韧性J/cm²
实施例	珠光体显微组织(级别)	碳化物网状组织(级别)	碳化物带状组织(级别)	抗弯强度MPa	冲击韧性J/cm²	1	2.0	2.0	1.5	500	180
2	2.0	1.0	1.5	478	160	1	2.0	2.0	1.5	500	180
2	2.0	1.0	1.5	478	160	3	2.0	1.5	2.0	465	190
4	2.0	1.0	1.5	470	178	3	2.0	1.5	2.0	465	190

根据表1～表3对实施例1～4具体说明如下：

实施例1

如表1，钢的化学成分为：C：0.76wt％、Mn：0.38wt％、Cr：2.15wt％、W：0.99wt％、Si：0.78wt％、Mo：0.81wt％、V：0.25wt％、P：0.013wt％、S：0.009wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；

见表2，电炉和炉外精炼之后浇注成2300Kg的钢锭，钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度800℃，钢锭在初轧加热炉内以120℃/h的升温速度加热至1210℃后保温5小时，在5小时的保温过程中，在保温开始后1.7小时进行一次翻钢处理，加热工艺曲线见图1所示；

钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1130℃，终轧温度为1010℃。坯料轧制成成品材，碳化物带状组织见图2、碳化物网状组织见图3、珠光体组织见图4。

如表3所示，采用本实施例的切纸机刀片钢的主要性能指标明显提高，珠光体显微组织2级、碳化物网状组织2.0级、碳化物带状组织1.5级、抗弯强度500MPa、冲击韧性180J/cm²。

所需说明的是，表3中所达到的低倍偏析、珠光体显微组织、碳化物网状组织、碳化物带状级别以及抗弯强度和冲击韧性值是纸业行业公认的切纸机刀片钢的高性能指标范围值。

实施例2

如表1，钢的化学成分为：C：0.70wt％、Mn：0.30wt％、Cr：2.10wt％、W：0.80wt％、Si：1.00wt％、Mo：0.70wt％、V：0.20wt％、P：0.020wt％、S：0.015wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；

见表2，电炉和炉外精炼之后浇注成2000Kg的钢锭，钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度700℃，钢锭在初轧加热炉内以100℃/h的升温速度加热至1230℃后保温4小时，在4小时的保温过程中，在保温开始后1.5小时进行一次翻钢处理，加热工艺曲线见图1所示；

钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1100℃，终轧温度为1000℃。坯料轧制成成品材，碳化物带状组织见图2、碳化物网状组织见图3、珠光体组织见图4。

如表3所示，采用本实施例的切纸机刀片钢的主要性能指标明显提高，珠光体显微组织2级、碳化物网状组织1.0级、碳化物带状组织1.5级、抗弯强度478MPa、冲击韧性160J/cm²。

实施例3

如表1，钢的化学成分为：C：0.74wt％、Mn：0.45wt％、Cr：2.40wt％、W：1.20wt％、Si：0.70wt％、Mo：0.78wt％、V：0.35wt％、P：0.010wt％、S：0.008wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；

见表2，电炉和炉外精炼之后浇注成2400Kg的钢锭，钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度800℃，钢锭在初轧加热炉内以120℃/h的升温速度加热至1220℃后保温5小时，在5小时的保温过程中，在保温开始后1.6小时进行一次翻钢处理，加热工艺曲线见图1所示；

如表3所示，采用本实施例的切纸机刀片钢的主要性能指标明显提高，珠光体显微组织2级、碳化物网状组织1.5级、碳化物带状组织2.0级、抗弯强度465MPa、冲击韧性190J/cm²。

实施例4

如表1，钢的化学成分为：C：0.80wt％、Mn：0.33wt％、Cr：1.90wt％、W：1.00wt％、Si：0.90wt％、Mo：1.00wt％、V：0.22wt％、P：0.012wt％、S：0.0011wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；

见表2，电炉和炉外精炼之后浇注成2500Kg的钢锭，钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度900℃，钢锭在初轧加热炉内以150℃/h的升温速度加热至1200℃后保温6小时，在6小时的保温过程中，在保温开始后2小时进行一次翻钢处理，加热工艺曲线见图1所示；

钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1150℃，终轧温度为1050℃。坯料轧制成成品材，碳化物带状组织见图2、碳化物网状组织见图3、珠光体组织见图4。

如表3所示，采用本实施例的切纸机刀片钢的主要性能指标明显提高，珠光体显微组织2级、碳化物网状组织1.0级、碳化物带状组织1.5级、抗弯强度470MPa、冲击韧性178J/cm²。

Claims

1.一种切纸机刀片用钢，其特征在于，成分重量百分比为：

C： 0.70～0.80；

Mn：0.30～0.45；

Cr：1.90～2.40；

W： 0.80～1.20；

Si：0.70～1.00；

Mo：0.70～1.00；

V： 0.20～0.35；

P： ≤0.020；

S： ≤0.015；

其余为Fe和不可避免杂质。

2.一种如权利要求1所述的切纸机刀片用钢的制造方法，该方法包括如下步骤：

1)采用电炉和炉外精炼冶炼之后浇注成钢锭；

2)钢锭在初轧加热炉内以100℃/h～150℃/h的升温速度加热至1200℃～1230℃后保温4～6小时，保温开始后1.5～2小时进行一次翻钢处理；

3)初轧机初轧的开轧温度为1100℃～1150℃、终轧温度为1000℃～1050℃；

4)轧机轧制成材。