CN103484790B

CN103484790B - 双金属带锯条背部材料及其带锯条

Info

Publication number: CN103484790B
Application number: CN201310448538.4A
Authority: CN
Inventors: 王九平; 陈荣发; 李志龙
Original assignee: JIANGSU HUAJIU SPECIAL STEEL TOOL CO Ltd
Current assignee: JIANGSU HUAJIU SPECIAL STEEL TOOL CO Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103484790A

Abstract

本发明公开了一种双金属带锯条背部材料其合金组份：C：0.32%；Si：0.25%；Mn：0.85%；Nb：0.002%；B：0.001%；Mo：1.12%；Cr:1.2%；V：0.31%；Al：0.015%；N：0.012%；Ni：0.66%；S：0.003%；P：0.011%；RE：0.24%，余量为Fe。以该材料为背材的带锯条，在锯条背部上设有缺失齿尖的锯齿，在该锯齿顶部焊接有锯条齿尖，所述锯条齿尖的锯齿前角γ＝10°，锯齿后角α＝30°，锯齿偏齿角φ＝10°，锯齿偏齿量λ＝0.6mm。，本发明提高了背材钢的机械性能，其锯条的切削效率高、锯条损耗量小，有效延长了锯带的使用寿命。

Description

双金属带锯条背部材料及其带锯条

技术领域

本发明涉及一种用于切割金属材料的带锯条，尤其涉及双金属带锯条的背部材料。本发明还涉及以该背部材料制作而成的带锯条。

背景技术

双金属带锯条主要是指齿尖材料为高速钢或其他高性能钢材，背部材料（锯带材料）是合金弹簧钢的金属切割带锯条，它是由高速钢和合金弹簧钢经真空电子束焊接后，再经过一系列冷、热加工工序制造而成。双金属带锯条用途广泛，可与任何类型的带锯床配套使用，适用于几乎所有类型的金属连续锯切，如：结构钢、耐候钢、合金钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢、铝合金、模具钢等。

与传统的圆盘锯和弓形锯相比较而言，双金属带锯条具有柔韧性好、抗疲劳性强、能承受巨大张力、齿部硬度高等诸多机械性能优点，具有切割效率高、加工精度高和节能环保的特点。然而，现有的背部材料和齿形结构存在较多的缺陷，不能满足快速切削和加工的要求，其中背部材料存在合金成分不合理，机械性能达不到要求，齿形结构参数设计范围较大，影响锯条的切削效率和使用寿命，其主要失效形式为背部材料疲劳断裂和齿部材料严重磨损。

双金属带锯条是靠张紧于带锯床两个主、从动轮上，作扭转45°～90°的环行运动。在实际使用中，该双金属带锯条处于周期性的拉伸、冲击、弯曲以及扭转复杂应力状态，此外，还处于锯床切削乳化剂水溶液中，服役条件恶劣，因此要求双金属带锯条基体强度与抗疲劳性能较高。

目前双金属带锯条在背材开发和齿形设计方面均存在不足之处，常用的弹簧钢背材，其主要的化学成分（%）为：C 0.5 6 ， Cr0. 67，S i1.4 9，M n 0.67，在使用过程中过早的出现疲劳裂纹，抗疲劳性能较差的现象，该弹簧钢背材合金化程度较低，碳含量过高，虽然高的含碳量可以获得较高的强度，但是钢的塑性、韧性也会急剧下降。硅是最常用的合金元素之一，主要目的是为了提高钢的强度和弹性，目前其含量大多数在1% 以上，但是作为双金属锯条的背部材料使用则含量偏高，硅元素能够提高钢的脱碳倾向，从而导致锯条在使用过程中基体表面容易造成微裂纹产生。同时，目前使用的锰含量偏低，可能会导致淬透性不足，从而影响背材钢的机械性能。

目前，广泛的带锯条前角为0°或7°两种，另外还有各种角度的锯条，对于锯齿结构参数的规定没有一个统一的标准，但齿形结构参数的变化对锯条的使用性能及使用寿命有很大的影响，锯齿前角太大或太小都会对锯齿的强度产生明显的影响。前角较小时，切削过程中，刀具对钢材的挤压作用较为显著，接触面处摩擦较大，从而使得刀具对被切削钢材的切削力较大。而当前角太大时，虽然刀具对钢材的“犁削”作用使得彼此间接触处摩擦较小，刀具对钢材的切削力减小，但是在刀刃处，由于受力较为集中，仍然会产生较大的等效应力，从而影响刀具的强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带锯条带锯条背部材料，它能通过多元合金元素的协同合金化，有效提高了背材钢的机械性能，延长锯带的使用寿命。本发明所要解决的另一技术问题是提供一种切削效率高、锯条损耗量小的双金属带锯条。

对于双金属带锯条的背部材料来说，本发明解决上述技术问题的技术方案是：该背部材料合金组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.32%； Si：0.25%； Mn：0.85%； Nb：0.002%；B：0.001%；Mo：1.12%； Cr:1.2%； V：0.31% ； Al：0.015%；N：0.012%；Ni：0.66%； S：0.003%； P：0.011% ； RE：0.24%，余量为Fe。

对于采用上述背部材料的带锯条，本发明的带锯条，包括锯条背部，在该锯条背部设有缺失齿尖的锯齿，在该锯齿顶部焊接有锯条齿尖，所述锯条齿尖的锯齿前角γ＝10°，锯齿后角α＝30°，锯齿偏齿角φ＝10°，锯齿偏齿量λ＝0.6mm。

所述锯条齿尖沿锯条背部长度方向交错地向左右两侧偏斜。

所述锯条齿尖的锯齿齿尖角β＝50°，所述锯齿前角γ、锯齿后角α和锯齿齿尖角β之和为90°。

位于所述锯条背部（1）的齿腹（4）为半圆弧凹槽，该半圆弧凹槽半径r=5-12 mm。

所述锯齿偏齿量λ与锯条宽度h之比λ/h=1:(4-6)。

本发明通过多种合金元素的选择组合和成分范围的优化配比，并充分利用多元合金的协同合金化效应，显著提高了背材钢的强度和机械性能，延长了锯带的使用寿命。在本发明的技术方案中，合金材料在淬火加热时让Ni、Mo、Cr、V充分溶入奥氏体，生成细小弥散且硬度高的MC型碳化物，其强化效果超过M₂C和M₃C碳化物，且所需数量很少。Si和V配合加入又有助于提高弹减抗力，硅具有强烈的固溶强化能力，而且能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成和长大，改变渗碳体的形状和间距；钒是强碳化物形成元素，在钢中具有沉淀强化和细晶强化的作用。所以在Si-Ni-Cr-Mo钢中加入V有助于提高弹减抗力，同时还能改善塑性、韧性和屈强比；从而很好地适应带锯条工作条件恶化、寿命期要求长的工作要求。通过反复的试验和各种工况下的实际使用，该带锯条背材钢具有理想的力学性能(强度、硬度、弹性、塑性、韧性、疲劳性能等)、理化性能(耐高温、低温,耐蚀、防锈等)和工艺性能(淬透性、脱碳性、回火脆性、抗回火稳定性等)。

本发明采用了较低的碳含量和硅含量，以及适宜的锰含量。目前锯条背材的标准弹簧钢中碳含量一般都较高(>0.50 %)，而本发明中的碳含量是0.32%；虽然较高的碳含量对强度、硬度、弹性等有利，但对锯条背材塑性和韧性不利，而塑性和韧性对带锯条来说在实际工作中显得更为重要；在Si-Mn-Ni-Cr-Mo-V锯条背材钢中的碳含量超过0.5%时，不仅塑性和韧性急剧下降,屈强比也大幅度降低，采用较低碳含量后，热处理得到的是低碳板条马氏体组织，塑性、韧性特别好。因碳含量降低所造成的强度和硬度降低则通过优化合金元素和降低回火温度来实现。此外，该背材淬火后可自回火，加工性能好，价格便宜。

硅是最常用的合金元素之一，目前弹簧钢中使用的硅含量均在1% 以上，标准中弹簧钢的最高含硅量是1.8%～2.2%，硅含量过高将促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，从而导致锯条在使用过程中基体表面容易造成微裂纹产生，这种偏高的硅含量对双金属锯条的背部材料是不允许的。本发明中的背材钢硅含量仅有0.25%，保证了锯条在使用过程中基体表面不易出现微裂纹。本发明又采用多元合金的复合作用来增强低含量硅的合金作用，如Si、Mo相互作用提高钢的淬透性。硅抑制奥氏体向贝氏体转变的作用大于抑制奥氏体向铁素体、珠光体转变的作用。但钼抑制奥氏体向铁素体、珠光体转变的作用大于抑制奥氏体向贝氏体转变的作用。因此，当硅和钼同时存在于钢中时，出现复合淬透性作用，使钢的实际淬透性大于用合金化乘积效应预测的数值。

在本发明中锰的含量为0.85%，锰是提高淬透性最有效的合金元素，锰有利于消除硫的有害作用，又有利于脱氧，它溶入铁素体中有固溶强化作用，但过高、过低的锰含量都会对背材带来不良影响。锰含量小于 0.1%时作用很小，当锰含量超过 1%时由于淬透性增强，热轧后钢的组织很可能转变为贝氏体和马氏体，使钢的韧性变坏，以致使钢带不易生产且稳定性变坏。

本发明中其它元素的作用机理如下：

本发明中硅和铬含量都比较低，避免了硅和铬的相互冲突。铬能显著提高钢的淬透性，与锰共用效果更好。铬可降低钢中碳的活度，又是碳化物形成元素，提高钢中碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向。但铬含量超过1.5%时，钢的回火组织不均，不利于抗弹减性，其原因是回火时硅和铬的倾向不同，硅倾向于稳定ε碳化物，阻碍向θ碳化物(Fe₃C)转变，使硅脱离Fe₃C位置，而铬倾向于聚集在Fe₃C中。

本发明中加入了0.66%的镍，镍改善钢的淬透性和韧性，镍能与γ-Fe生成无限互溶的固溶体，具有扩大γ相区的作用，不形成碳化物。镍能稳定奥氏体，增强钢的淬透性。现有的弹簧钢的标准中基本不加镍，但是作为双金属带锯条的背材钢要求具有较高的强度，镍含量<0.2%达不到背材要求的效果，而如果镍含量>2%，在淬火时可能增加残留奥氏体。

钼可以提高钢的淬透性，防止回火脆性，改善疲劳性能。目前标准钢材中加钼的弹簧钢不多，加入量一般在0.4%以下。因为钼可以生成细小弥散的碳化物阻止位错运动，所以可以提高钢的强度。在C-Si-Mn-Cr-V钢中加入Mo，可以提高钢的抗回火软化能力。

钒和铌都是强碳化物形成元素，固态下所析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果，它们除提高钢的强度和硬度外，还可提高钢的抗弹减性。随奥氏体化温度提高，钒、铌碳化物的溶解量增加。提高奥氏体化温度会产生更大的沉淀硬化效果。由于钒、铌抑制钢回火时的软化，所以，在相同的回火温度下，加钒、铌的钢强度高于不加钒、铌的钢。在回火硬度相同时，钒、铌钢的0.05%屈服强度及0.2%屈服强度均比不含钒、铌的钢高出98MPa。

硼是强烈提高淬透性的元素，含0.001% ~0.003%的硼的作用分别相当于含0.6%Mn、0.7%Cr、0.15%Mo、1.5%Ni。硼能提高钢的抗弹减性，因为硼以间隙原子形式溶入奥氏体、铁素体时，特别容易聚集在位错线附近，阻碍位错运动，抑制变形过程。在弹簧钢中加硼的目的多数是为了提高钢的淬透性，但也可以提高钢的塑性，硼优先渗透进入晶界，可以控制磷的晶间偏析，从而防止晶界脆化。一般认为Si-Cr-V-Ni -Nb-B弹簧钢的冲击韧度值高于其它常规弹簧钢就是这个原因。

本发明中含有0.015%Al，0.012%N，目的是为了生成适量细小的AlN颗粒，改善钢的抗弹减性和耐久性，提高韧性及塑性变形抗力。但传统理论认为除脱氧用铝外，一般弹簧钢中不加铝，氮也是做为有害元素，尽可能去除。铝还可以与稀土元素饵生成Al₃Er强化相，同时弥散分布的Al₃Er颗粒可以对位错起到钉扎作用，从而抑制再结晶，提高再结晶温度。

稀土元素可以有效的提高合金流动性，从而改善钢的铸造性能，同时合金中添加稀土元素可以控制合金中的气体和杂质含量，从而减少铸件在凝固过程中产生气孔、裂纹、缩松等缺陷。可以为合金的凝固过程提供大量的结晶核心同时形核，同时稀土元素可以在晶粒长大过程中吸附在晶粒表面从而阻碍晶粒的长大，细化晶粒。稀土与合金基体发生作用，形成第二相粒子，此时的粒子尺寸细小且成弥散分布，是合金晶粒发生细化球化现象，使得合金基体得到强化。稀土加入背材钢中能起到除气，改变夹杂物形态，减小夹杂物粒度的作用，能提高钢的抗疲劳强度。添加 RE可有效净化钢液、细化组织，提高背材钢的强度和塑性。钢中夹杂物是微观裂纹产生的原因之一，也是最终断裂的因素。尤以颗粒大，易变形和尖角状夹杂物危害最大。稀土可使夹杂物颗粒由大变小，由易变形变为不易变形，由尖角状变成近圆形，并可使夹杂数量减少，稀土加人量小于0.15%使钢中夹杂物颗粒变小22.08～37.73%，变形后夹杂物尺寸大小减少56.5%～95.60%，夹杂物数量降低，从而使弹簧使用寿命提高35.40～103.15%，旋转弯曲疲劳极限值提高4～6MPa。故稀土有利于提高背材钢疲劳极限。

通过大量的实验和实际使用验证，本发明的背材钢所能达到的力学性能，冷轧状态： HV ：275-310 σb :745-843MPa，热处理状态：HV≥500 σb≥1500MPa。

本钢材制备的双金属锯带与50CrNiMoVA、X32做对比切削试验的结果如下∶被加工材料为45钢，硬度178 HB，切削速度分别为30m/min，50 m/min，70 m/min，冷却液流量为5 L/min，吃刀深度为1mm；各条件下分别经30分钟切削，发现本钢材所制锯带背部磨损与X32相当；但该锯带在转速30m/min条件下，疲劳极限达到703.2MPa；而通用50CrNiMoVA的疲劳极限只有675MPa。可见，本发明双金属带锯条的背部材料具有机械性能、理化性能和工艺性能等综合性能，有效延长了锯带的使用寿命。

本发明的带锯条采用上述的结构参数后，由于锯齿前角γ＝10°，能在保证加工质量前提下，最大限度的提高生产率和降低成本，并减小锯切时的阻力，防止锯条在锯轮上滑移脱落。又由于锯齿后角α＝30°，锯齿后刀面和加工表面摩擦小，锯条的耐用度高，提高了锯切质量和锯条寿命。还由于采用锯齿偏齿角φ＝10°和锯齿偏齿量λ＝0.6mm，使锯条具有合理的主切削力和进给抗力，提高了锅削去除的材料的速度，本发明的偏齿参量使刨床处于斜角切削,切入平稳,这样提高了带锯的耐用度。更由于上述的结构参数组合使得主切削力最小，进给力最大，锯带获得最高的切削效率和最小的损耗量。同时合理的齿腹半圆弧凹槽尺寸具有合适容屑空间；适宜的锯齿偏齿量λ与锯条宽度h之比既能保证锯切效果和锯切效率，又能保证锯条具有足够的强度和寿命。

附图说明

图1是以本发明双金属带锯条背部材料为背材的带锯条的主视结构示意图；

图2是图1所示结构的左视图；

图3是图1所示结构的俯视图。

图中，1-锯条背部，2-锯条齿尖，3-齿顶，4-齿腹，5-齿背，6-齿底。

具体实施方式

本发明的双金属带锯条背部材料合金组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.32%； Si：0.25%； Mn：0.85%； Nb：0.002%；B：0.001%；Mo：1.12%； Cr:1.2%； V：0.31% ； Al：0.015%；N：0.012%；Ni：0.66%； S：0.003%； P：0.011% ； RE：0.24%，余量为Fe。

上述合金材料的熔炼工艺流程为：铁水预处理与转炉炼钢、LF精炼、VD真空处理、中间包连铸。熔炼工艺所使用的设备有可控硅熔炼炉KGPS3 、LF-6精炼炉、VD真空精炼炉。

铁水预处理与转炉炼钢，对铁水采用脱硫预处理后，温度为1335℃。转炉冶炼采用双渣操作，化渣去P。控制转炉出钢温度，要求钢包洁净，底吹畅通，并没有包沿。转炉出钢采用挡渣及留钢操作。出钢过程向钢包内分别加入活性灰和SiMn、SiFe、CrFe、VFe合金，调节钢液合金成分。出钢过程中分别加入铝对钢水进行预脱氧，出钢后渣面加铝，进一步降低炉渣中的氧活度。

LF精炼，钢水到站后预吹氩，要求在钢液面不裸露前提下尽量采用最大吹氩流量。测量到站温度。在精炼过程加入二元合成渣、埋弧渣、萤石等造渣料。此外还分别加入了铝粒、电石粉、碳素铬铁、SiFe，根据钢液成分加入高碳锰铁或中碳锰铁。白渣形成以后，调整C，Si，Mn成分，使用低氮增碳剂调碳。

VD真空处理，抽真空前向渣面撒加铝粒，尽快达到深真空状态，并保持深真空脱气时间，根据包内沸腾情况调整氩气流量，防止溢渣；真空处理毕，取样、定氧、测温，喂SiCa线，软吹氩按大于10min控制。

连铸过程中间包，使用碱性中间包，确保烘烤质量，吹扫中间包保证清洁。大包采用带氩封铝碳长水口，中包采用整体浸入式水口保护浇注，中间包用高碱性覆盖剂。要求中间包液位、结晶器液位保持稳定，中间包液面按高于700mm控制。

造成弹簧钢背材疲劳破坏的主要因素之一是钢中非金属夹杂物和显微氧化夹杂物，本项发明的熔炼技术能够生产出高洁净弹簧钢背材，大大降低夹杂物含量，控制夹杂物类型，提高钢的品质，以适应双金属带锯条背材钢的使用性能要求。

如图1所示的双金属带锯条，它包括锯条背部1，在该锯条背部1设有缺失齿尖的锯齿，在该锯齿顶部焊接有锯条齿尖2；在本发明的带锯条上还包括锯条齿尖2尖顶部的齿顶3，位于锯条背部1上的齿腹4、齿背5、齿底6。锯条背部1上的齿腹4为半圆弧凹槽，该半圆弧凹槽半径根据齿距和工作状况优先选择为r=5-12 mm。锯条齿尖2沿锯条背部1长度方向交错地向左右两侧偏斜，即相邻的两个锯条齿尖2一向左两侧偏斜，另一向左右两侧偏斜。

锯条背部1的材料合金组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.32%； Si：0.25%； Mn：0.85%； Nb：0.002%；B：0.001%；Mo：1.12%； Cr:1.2%； V：0.31% ； Al：0.015%；N：0.012%；Ni：0.66%； S：0.003%； P：0.011% ； RE：0.24%，余量为Fe。锯条齿尖2为高速钢或其他高性能钢材。锯条背部1和锯条齿尖2通过真空电子束焊接后，再经过相应的冷、热加工工序制造成双金属带锯条。

本发明在实践的基础上确定对带锯条机械性能和使用寿命具有直接影响的结构参数，选取前角、后角、偏齿量、偏齿角度为锯削齿形的4个因素,采用L9(3⁴)正交表,通过数据分析，寻求获得最佳指标的因素的组合。最终确定所述锯条齿尖2的锯齿前角γ＝10°，锯齿后角α＝30°，锯齿偏齿角φ＝10°，锯齿偏齿量λ＝0.6mm。此时主切削力最小，进给力最大，是锯带获得最高的切削效率和最小的损耗量。锯条齿尖2的锯齿齿尖角β＝50°，上述的锯齿前角γ、锯齿后角α和锯齿齿尖角β之和为90°。锯齿偏齿量λ与锯条宽度h之比λ/h优先选择为1:(3-5)。

上述双金属带锯条锯齿结构参数定义是：锯齿前角γ是由齿高线和齿喉线相交所形成的夹角叫前角，也叫齿喉角；锯齿后角α是由齿顶线和齿背线相交成的夹角叫后角，也叫齿背角。偏齿量λ是锯齿经偏齿后，锯齿尖到带锯条平面的垂直距离。锯齿偏齿角φ是锯齿经偏齿后，齿刃侧面与带锯条平面形成的夹角叫偏齿角。齿顶3锯齿的尖顶端部位叫齿顶，是锯齿进行切削工作的主体部位。齿顶与齿顶的连线叫齿顶线。

上述双金属带锯条锯齿结构参数的确定分析：

本发明选择上述的前角、后角、偏齿量和偏齿角度四个结构因素，以主切削力、进给抗力和切屑形态为评价目标，以实现较高的切削效率、较低锯条损耗量，从而确定最佳的锯条结构参数。

锯齿前角γ越大，切削阻力越小，但锯齿强度下降，散热条件变差。由此可见，前角过大或过小都不好，前角的最佳数值，即是锯条磨制出这样前角，能在保证加工质量前提下，最大限度的提高生产率和降低成本。在通常的情况下，为了减小锯切时的阻力，防止锯条在锯轮上滑移脱落，应尽量的选择大的前角。

锯齿后角α的功用主要是减少锯齿后刀面和加工表面之间的摩擦。后角越大，锯齿后刀面和加工表面摩擦越小，锯条的耐用度越高，但锯齿的强度下降。所以和前角一样，后角不能过大，也不能过小，应当有个合理的数值。随着锯齿后角α的增大，主切削力和进给抗力的变小，但趋势没前角影响的效果明显，实验显示随着后角的增大，切屑半径变大，即切屑变形增大。综合分析，后角的功用主要是减少锯齿后刀面和加工表面之间的摩擦。后角越大，锯齿后刀面和加工表面摩擦越小，锯条的耐用度越高，但锯齿的强度下降。

偏齿量λ和锯齿偏齿角φ的增加对主切削力和进给抗力有影响，虽规律不明显，但随着偏齿量的增大,切屑半径增加,切屑变形增大。主要原因是由于偏齿改变了流屑角度,切屑的流出方向也改变,使得在流屑平面内起作用的刀具角度也发生改变。刃倾角的变化,将导致流屑剖面内的刀具前角增大,而刀具前角的增大将使得主切削力减小,这样就提高了锅削去除的材料的速度。并且切屑流向的改变使得切屑在银齿与银锋形成的密闭空间里更加利于断屑。而且偏齿处于斜角切削,切入平稳,这样提高了带锯的耐用度。

Claims

1.一种双金属带锯条，包括锯条背部（1），在该锯条背部（1）设有缺失齿尖的锯齿，在该锯齿顶部焊接有锯条齿尖（2），其特征在于：所述锯条齿尖（2）的锯齿前角γ＝10°，锯齿后角α＝30°，锯齿偏齿角φ＝10°，锯齿偏齿量λ＝0.6mm；

所述锯条齿尖（2）沿锯条背部（1）长度方向交错地向左右两侧偏斜；

所述锯齿偏齿量λ与锯条宽度h之比λ/h=1:(4-6)；

其背部材料合金组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.32%； Si：0.25%； Mn：0.85%； Nb：0.002%；B：0.001%；Mo：1.12%； Cr:1.2%； V：0.31% ； Al：0.015%；N：0.012%；Ni：0.66%； S：0.003%； P：0.011% ； RE：0.24%，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的带锯条，其特征在于：所述锯条齿尖（2）的锯齿齿尖角β＝50°，所述锯齿前角γ、锯齿后角α和锯齿齿尖角β之和为90°。

3. 根据权利要求1所述的带锯条，其特征在于：位于所述锯条背部（1）的齿腹（4）为半圆弧凹槽，该半圆弧凹槽半径r=5-12 mm。