CN102796958A - 防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械刀片的技术领域，尤其是一种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片。首先制备一种合金设计刃钢，刃钢的成分含有（wt%）C0.90～1.05，Si0.15～0.35，Mn0.8～1.1，Cr0.9～1.2，W0.6～1.6，Mo0.3～0.5，Co或Ni为0.18～0.30，S≤0.02，P≤0.025，Fe余量，其制备包括采用感应电炉或感应电炉+电渣重熔及其850℃～1100℃锻轧工艺步骤；其次采用高温无氧化压轧焊接在低碳钢板上制成刀坯；最后进行退火、淬火及回火，制造成机械刀片。这种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片防止了原CrWMn钢机械刀片刃钢常出现网状碳化物的质量问题。

Description

防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片

技术领域

本发明涉及一种机械刀片的技术领域，尤其是一种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片。 

背景技术

CrWMn钢镶钢机械刀片被广泛地用于印刷、造纸、包装及木材加工领域，刀片具有高硬度、高耐磨性及良好的尺寸稳定性。然而，该钢在热轧镶钢冷却过程中容易析出网状碳化物，甚至退火温度较高也会延着细小晶界析出网状碳化物。网状碳化物会使刀具在使用中会发生裂纹而早期失效，即使轻微的网状也会影响刃口的锋利度和耐磨性。一直以来，都是以降低终锻轧温度、加快冷却速度或辅加正火处理的方法防止网状碳化物的析出，但机械刀片热轧镶钢需要较高的始轧温度，而终轧温度又不能太低，常常因加工工艺上受到限制而难于有效地消除网状碳化物，因此，机械刀片行业在实施CrWMn钢镶钢消网的辅加工艺上也耗费较多地人力和资源。 

众所周知，CrWMn钢历史悠久，性能优越，应用十分广泛，然而，一直以来，显微组织中的网状碳化物严重问题都是CrWMn钢模具、刃具等制造业的棘手问题，而机械刀片镶钢工艺的特殊性使之凸显成为难题，且薄刃刀具抗冲击抗崩口的重要性更使之凸显成为关键。由于CrWMn钢在无碳化物网状表现出的优异的性能，所以，很难以其它钢种替代它。也有研究表明，合适的Cr-W-Mo-V多元合金高碳工具钢中的多类型碳化物数量分配合适时，碳化物分布均匀细化，可获得超细碳化物组织，如中国专利ZL. 200710010537.6公开了一种多类型超细碳化物高碳中合金工具钢，实际生产还表明，这种钢以常规的镶钢机械刀片生产工艺也不易出现网状碳化物。然而，Cr-W-Mo-V多元合金高碳工具钢无法替代CrWMn钢镶钢机械刀片较低的材料成本和工艺成本，更无法替代CrWMn钢镶钢机械刀片在合适的切削或剪切对象时的高耐磨性。 

发明内容

为了克服现有的机械刀片存在网状碳化物、产品成品率低以及产品质量低的不足，本发明提供了一种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片，其方法包括以下步骤： 

首先制备在CrWMn钢基础上含有Mo（wt%）0.3～0.5的一种合金设计刃钢，这种刃钢的成分含有（wt%）C0.90～1.05，Si0.15～0.35，Mn0.8～1.1，Cr0.9～1.2，W0.6～1.6，Mo0.3～0.5，或者还含有 Co或Ni为0.18～0.30，S≤0.02，P≤0.025，Fe余量，其制备包括采用感应电炉或感应电炉+电渣重熔及其850℃～1100℃锻轧工艺步骤；

其次采用高温无氧化压轧焊接在低碳钢板上制成刀坯；

最后进行退火、淬火、回火的工艺步骤制造成机械刀片；其工艺条件为：

（1）退火，加热770℃～800℃，保温2～6小时后随炉冷；

（2）淬火，加热820℃～850℃，保温1.8～2.5min/mm后水冷或油冷；

（3）回火，加热180℃～200℃，保温2～4小时。

本发明的有益效果是，这种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片无须特殊消网措施及其辅加的正火工艺，减少了人力和水电等消耗，防止了原CrWMn钢机械刀片刃钢常出现网状碳化物的质量问题，也使碳化物更细化，提高了该类型机械刀片的产品合格率，同时，保证了机械刀片的质量，刃口锋利耐磨以及不崩不卷，完全避免了因碳化物网状引起的崩刃现象，易于使用推广。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是本发明机械刀片的结构示意图； 

图2是本发明机械刀片的侧视图；

图3是按照CrWMn钢成分计算的平衡相组成随温度变化的相图；

图4是CrWMn钢的网状碳化物示意图；

图5是CrWMn加0.3% Mo钢的平衡相组成随温度变化的相图；

图6是CrWMn加0.5% Mo钢的平衡相组成随温度变化的相图；

图7是CrWMnMo_0.38钢的热处理显微组织光学显微镜照片；

图8是CrWMnMo_0.38钢的热处理显微组织扫描电子显微镜照片。

  

具体实施方式

一种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片，其方法包括以下步骤： 

首先制备在CrWMn钢基础上含有Mo（wt%）0.3～0.5的一种合金设计刃钢，这种刃钢的成分含有（wt%）C0.90～1.05，Si0.15～0.35，Mn0.8～1.1，Cr0.9～1.2，W0.6～1.6，Mo0.3～0.5，或者还含有 Co或Ni为0.18～0.30，S≤0.02，P≤0.025，Fe余量，其制备包括采用感应电炉或感应电炉+电渣重熔及其850℃～1100℃锻轧工艺步骤；

其次采用高温无氧化压轧焊接在低碳钢板上制成刀坯；

最后进行退火、淬火、回火的工艺步骤制造成机械刀片；其工艺条件为：

（1）退火，加热770℃～800℃，保温2～6小时后随炉冷；

（2）淬火，加热820℃～850℃，保温1.8～2.5min/mm后水冷或油冷；

（3）回火，加热180℃～200℃，保温2～4小时。

  

制备本发明的合金设计刃钢，其化学成分与CrWMn钢成分对照如表1所示：

表1成分（wt%）

本发明刃钢高温无氧化压轧焊接在低碳钢板上制成刀坯的热加工参数如表2：

表2

 

本发明刃钢镶接机械刀片的热处理工艺及技术指标如表3：

表3

工序	工艺参数	硬度	组织
				退火	770℃-800℃加热2~6小时后随炉冷	HB197~227	网状碳化物≦2级
淬火	820℃~850℃加热1.5~ 2.5分/mm后水冷或油冷	HRC64~67	马氏体≦2.5级，未溶碳化物≦0.1μm
				回火	180℃~200 ℃恒温2~4小时	HRC61~63	回火马氏体,残余奥氏体≤8%

镶钢机械刀片制造工艺路线为：

（1）刃钢锻轧→退火→下料→校平→机加工，（2）刀体下料→校平→刨槽，（3）无氧化焊接→热轧镶接，（4）退火→校平，（5）淬火、回火，（6）校平→粗磨→刨稍→磨刃→铣背→切头，（7）精磨面→精磨稍→精校平，（8）孔槽加工→攻丝→精校平，（9）检验→包装。

本发明的刃钢镶接机械刀片替代CrWMn钢结构示意图如图1和图2所示，其常规尺寸如表4： 

表4刀片常规尺寸(mm)

图3为按照CrWMn钢成分计算的平衡相组成随温度变化的相图。由图3的平衡相变化可见，自880℃以上高温区是单一的γ相，降温880℃以下，首先出现M₆C，接着860℃出现M₂₃C₆，然后810℃出现M₃C；至780℃M₂₃C₆消失之后，M₃C急剧增加，M₆C也迅速增加，实际连续降温过程的碳化物析出过程会有很大差别，锻轧后冷速很快，退火自790℃开始降温速度也较快，M₂₃C₆的析出会被抑制，400℃以下M₇C₃也难于发生，所以，实际的碳化物转变主要是M₃C和M₆C的析出过程。

CrWMn钢经1100℃热轧至870℃，空冷至650℃堆放，然后经退火、淬火及回火处理后的网状碳化物形貌示于图4。由图4可见，大网套着小网，大网多是连续网状，小网多是断续网状。网状碳化物反映了热轧之后的碳化物析出过程，高温加热形成的大晶粒因压轧变形，不是典型的等轴晶，大晶界连续网上断续分布亮黄色的颗粒，探针分析表明属于含W较多的M₆C；颗粒的连线是细长的亮白色，探针分析表明属于含Cr较多的M₃C。而压轧形变造成大晶粒内部的亚结构会形成小晶粒，小晶界上多是断续网状，主要则是亮白色含Cr较多的M₃C。对照图3和图4分析表明，在奥氏体区晶界上优先析出的M₆C和M₃C碳化物是形成网状碳化物的导因，随后在铁素体区的碳化物析出及集聚使网状继续加重。 

对含Mo量分别为（wt%）0.2、0.3、0.4、0.5直到0.9的CrWMn钢的平衡相组成随温度变化的相图计算表明，含0.2Mo的CrWMn钢奥氏体区的M₃C的析出温度降低，其最大质量分数将降低，但仍然存在；随着含Mo量增加到0.3～0.5，奥氏体区的M₃C消失而M₂₃C₆数量加大，如图5和图6所示。在γ→α温度区发生M₂₃C₆→M₆C转变，可使分布更细化；降温至铁素体区，M₂₃C₆也参入析出聚集的竞争，减轻了在晶界集中的可能，同样地，在α→γ转变的反过程也使碳化物分布细化。由此可见，在同样的热加工条件下，含0.3～0.5Mo的CrWMn钢能够避免或减轻碳化物网状，同时碳化物更细化。含Mo量自0.6至0.9也有同样的有防止网状碳化物的作用，但碳化物开始粗化，也改变了原CrWMn钢的基本属性。考虑到薄刃刀具的特点，添加少量的Co或Ni有利于增强碳化物与基体的结合力，可根据需要加入0.18～0.30，但Ni加入量过多，会影响退火球化，Co加入量过多，会影响韧性。同时，如需保持CrWMn钢相同的碳化物数量，在加入少量Mo时，亦可降低合适的含W量，因此，含W量范围下限扩大至0.6，可视机械刀片性能及成本要求确定。 

对含Mo量为0.35的CrWMn钢（以下简称为CrWMnMo_0.35钢）与CrWMn钢在850℃和840℃的淬火奥氏体成分及剩余碳化物数量的计算值示于表5。可见，CrWMnMo_0.35钢850℃时的淬火加热奥氏体成分及剩余碳化物数量与CrWMn钢的840℃的接近，由于 CrWMn钢常用的淬火温度是840℃，因此，CrWMnMo_0.35钢常用的淬火温度应是850℃。 

  

表5 两种钢淬火加热奥氏体成分及剩余碳化物数量的计算値/wt%

按照CrWMnMo_0.35钢平均成分计算的热处理工艺及硬度值示于表6，可见，在830℃～850℃加热淬火，然后经200℃回火，回火最高硬度HRC63.4～63.9，预测平均硬度HRC62.4～62.7，淬火剩余碳化物体积分数为6.5%～5.7%，能够有效地阻碍奥氏体晶粒长大，满足技术质量要求。 

  

表6 CrWMn Mo_0.35钢的热处理工艺及硬度的计算结果

实施例

本发明实施例刃钢成分如表7所示： 

表7 刃钢实施例的材料成分/wt%

	C	Si	Mn	Cr	W	Mo	Co或Ni	S	P
										刃钢	0.99	0.35	1.05	1.15	1.22	0.38	-	0.017	0.022

按实施例刃钢成分，自钢厂订货为L×110mm×10mm的扁钢（以下称CrWMnMo_0.38钢），经过热轧镶接在Q235刀体上，始轧温度1080℃～1090℃，终轧温度880℃～870℃，然后空冷至650℃再堆放缓至室温；最后经790℃退火，850℃淬火及200℃回火的热处理工艺步骤，制造成镶钢机械刀片。在热轧镶钢只按常规消网措施的情况下，实际CrWMnMo_0.38钢和CrWMn钢机械刀片的生产的热轧及热处理检测结果示于表8。在同样的热轧及冷却条件下，CrWMn钢的严重网状碳化物出现几率为50%，而CrWMnMo_0.38钢的严重网状碳化物几率为零。刀片刃钢的显微组织示于图7和图8，其中，光学显微镜观察的剩余碳化物分布均匀细化，如图7所示；扫描电镜高倍观察的剩余碳化物尺寸小于1μm，如图8所示；除个别原奥氏体晶界的局部有断续碳化物分布外，碳化物网状不合格级别基本消除，更无连续网状碳化物存在。

表8 CrWMnMo_0.38钢和CrWMn钢切纸刀的网状及硬度实际检测结果 

CrWMnMo_0.38钢在850℃淬火的硬度是HRC65.5～66，之后200℃回火的硬度是HRC62～63，与CrWMn钢840℃淬火200℃回火的硬度相同，符合合金设计预测值。所制造的刀片在用户中应用表明，刃口锋利耐磨、不崩不卷，性能优于原CrWMn钢镶钢机械刀片。

表9 为实施例CrWMnMo_0.38钢切纸刀和旋切刀的工艺及性能。 

  

表9

Claims (1)

1.一种防止CrWMn钢网状碳化物的合金设计钢机械刀片，其特征是，其方法包括以下步骤：

首先制备在CrWMn钢基础上含有Mo（wt%）0.3～0.5的一种合金设计刃钢，这种刃钢的成分含有（wt%）C0.90～1.05，Si0.15～0.35，Mn0.8～1.1，Cr0.9～1.2，W0.6～1.6，Mo0.3～0.5，或者还含有 Co或Ni为0.18～0.30，S≤0.02，P≤0.025，Fe余量，其制备包括采用感应电炉或感应电炉+电渣重熔及其850℃～1100℃锻轧工艺步骤；

其次采用高温无氧化压轧焊接在低碳钢板上制成刀坯；

最后进行退火、淬火、回火的工艺步骤制造成机械刀片；其工艺条件为：

（1）退火，加热770℃～800℃，保温2～6小时后随炉冷；

（2）淬火，加热820℃～850℃，保温1.8～2.5min/mm后水冷或油冷；

（3）回火，加热180℃～200℃，保温2～4小时。

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