CN104032229A

CN104032229A - 五金工具专用钢及其制备方法

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Publication number: CN104032229A
Application number: CN201410238789.4A
Authority: CN
Inventors: 陈庆丰; 张贤忠; 陈华强; 余爱华; 汪菊华; 许竹桃; 杜方; 李献忠; 孙晶; 邵兰; 李伟; 万升
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Baowu Group Echeng Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: CN104032229B

Abstract

本发明公开了一种五金工具专用钢及其制备方法。该钢的化学成分按重量百分数计为：C：0.50～0.60％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.50％，P：0.008～0.020％，S：0.001～0.005％，Cr：0.25～0.60％，Ni：0.20～0.35％，Cu：0.07～0.25％，Ti：0.010～0.030％，其余为铁和不可避免的夹杂。其制备方法，按通常纯净钢工艺进行，包括钢的冶炼、LF炉精炼、连铸、铸坯加热、轧制、冷却、卷取的步骤。本发明通过设计钢中各合金元素成分，适当提高碳含量、降低贵重金属Ni、Cr等含量，控制冶炼和轧制工艺，得到具有高淬硬的表面和低硬度坚韧的心部材料基体的五金工具专用钢，该钢能满足五金工具所需性能及最佳经济效益的目标。

Description

五金工具专用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于五金工具专用钢技术领域，特别是指一种五金工具专用钢及其制备方法。

背景技术

五金工具是重要的基础件，在大多数机械产品加工、工程结构建造、所有产品的维修以及日常生活中应用十分广泛。五金工具用钢是专业性较强的钢种，它应具有高淬硬的表面和低硬度坚韧的心部，同时还具有高速切削、加工性能，具有一定的加工红硬性，特别是剪切不能蹦口、掉块、剥落等。由于钢种应具有这些特殊的性能，常规的五金工具用钢主要是在中碳钢中添加大量合金元素铬Cr、镍Ni、钼Mo、钒V等，甚至还增加钨W、钛Ti和钴Co等贵重稀有重金属，通过控制冶炼合金化、轧制(锻制)控温冷却、加工热处理，形成弥散的固熔组织、析出碳化合物强化相，即可获得以上五金工具所要求的力学性能、加工性能等。众所周知，合金元素铬Cr、镍Ni、钼Mo、钒V等，或钨W、钛Ti和钴Co等价格昂贵，采用这些合金元素生产的钢种成本极高，制造的五金工具必然售价高、市场销售量少。同时，采用这些昂贵钢材制造的工具，使用寿命极大富裕，资源有所浪费。另外，随着冶金技术的发展，钢铁材料纯净度提高，加工热处理等工艺水平专业化，五金工具钢中添加的合金逐步减少。

由于五金工具的特殊要求，即其工作部位(剪切口、咬合口、啮合口等)表面要很高的硬度及芯部一定的韧性，而以前通常采用的工具钢T7、T8、9SiCr等，虽然经热处理后其工作部位硬度要求能满足，但芯部韧性差，工具使用的疲劳寿命低，特别是高碳系列钢种，如9SiCr钢制工具易出现蹦口。而45、40Cr、38CrSi等钢制成工具并热处理后，工作部位的硬度及疲劳寿命均不理想。45～50CrNi等钢性能可满足五金工具要求，但其合金元素Cr、Ni都高，特别是Ni含量高达1.0～1.4％，仅Ni元素的价格就2000元以上。故五金工具用钢市场极为混乱，没有统一的标准。

发明内容

本发明的目的在于通过设计钢中各合金元素成分，适当提高碳含量、降低贵重金属Ni、Cr等含量，控制冶炼和轧制工艺，得到具有高淬硬的表面和低硬度坚韧的心部材料基体的五金工具专用钢及其制备方法，该钢能满足五金工具所需性能及最佳经济效益的目标。

为实现上述目的，本发明的五金工具专用钢，其特殊之处在于，它的化学成分按重量百分数计为：C：0.50～0.60％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.50％，P：0.008～0.020％，S：0.001～0.005％，Cr：0.25～0.60％，Ni：0.20～0.35％，Cu：0.07～0.25％，Ti：0.010～0.030％，其余为铁和不可避免的夹杂。

优选地，所述五金工具专用钢的化学成分按重量百分数计为：C：0.53～0.58％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.40％，P：0.008～0.020％，S：0.001～0.005％，Cr：0.30～0.45％，Ni：0.23～0.30％，Cu：0.08～0.20％，Ti：0.010～0.020％，其余为铁和不可避免的夹杂。

本发明的五金工具专用钢的制备方法，按通常纯净钢工艺进行，包括钢的冶炼、LF炉精炼、连铸、铸坯加热、轧制、冷却、卷取的步骤，其特殊之处在于：

采用转炉或电炉冶炼时，出钢温度1630～1680℃，出钢目标C重量百比分含量≥0.15％、出钢P重量百比分含量≤0.015％，出钢1/3时加入活性石灰、脱氧铝及Mn-Si、高C-Cr、Ni合金；

对钢水进行LF炉精炼，送电化好渣后，再加入电石、SiC脱氧剂加强脱氧，造白渣且保持时间≥15min，成份全部调整好后软吹氩≥10min；

连铸时控制连铸过热度15～35℃(本钢种液相线温度1490℃)，拉速为0.8～2.2m/min；

铸坯加热采用高温加热工艺，连铸方坯的加热温度为1140～1220℃；这样有利于提高碳化物溶解于奥氏体中速度，使其呈弥散分布；

轧制时，开轧温度保持在1040～1120℃，终轧温度保持在870～960℃，压下量≥12倍，可以使沉淀析出优先于再结晶，这样沉淀速度便会大大加快，起到明显地抑制奥氏体晶粒长大的作用，而形变会明显地提高沉淀速度，有利于细化晶粒。

热轧棒材经过精轧后在冷床进行控制冷却，冷却速度为5～20℃/min，打捆后入坑缓冷。

进一步地，钢的冶炼时，所脱氧铝加入量为每吨钢0.8～1.2kg。

更进一步地，所述连铸时拉速为：当200×200mm＜连铸坯断面尺寸≤250×250mm时控制拉速0.8～1.2m/min；当150×150mm＜连铸坯断面尺寸≤200×200mm时控制拉速1.3～1.7m/min；当连铸坯断面尺寸≤150×150mm时控制拉速1.8～2.2m/min。

再进一步地，所述轧制时，开轧温度保持在1065～1110℃，终轧温度保持在890～950℃。

本发明五金工具专用钢中各元素含量控制的机理及作用和制备过程中工艺参数设置原理如下：

本发明钢的成分设计方案如下所示：

C：基体钢的硬度取决于含碳量，特别是中碳钢，主要是碳的存在形式及碳化物的形状、大小、以及分布状态(不同的金相组织形式)。随着碳含量的增加，使钢中的铁素体和珠光体变细、减少，珠光体、碳化物数量增加，使钢的强度提高、硬度增加。碳过高时，钢中易形成大块碳化物，导致钢的韧性急剧下降。因此，根据五金工具所需性能，碳含量设计为0.50～0.60％，最好在0.53～0.58％，可以保证基体钢强硬韧相最佳匹配。

Si：Si在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能。为了五金工具钢的性能，设计的钢中Si含量为0.17～0.37％。

Mn：锰和铬一样是碳化物形成元素，能代替部分铁原子形成(Fe·Mn)₃C型碳化物。但是这种碳化物与铬的碳化物(Fe，Cr)₃C不同，加热时易溶于奥氏体，回火时也易析出和聚集。锰能显著提高钢的淬进性，部分锰溶于铁素体中，提高铁素体的硬度和强度。因此，Mn含量为0.10～0.60％时对钢性能有良好的作用，本钢种设计Mn含量为0.20～0.50％，优选为0.20～0.40％。

P：P能强化铁素体相，因此在材料加工过程中表现出很好的抑制变形的能力，但P在钢中的饱和度有限，过高的P对钢的表面成型性能表现不利，因此设计钢中P含量0.008～0.020％。

S：控制S元素，使钢中形成MnS夹杂物，特别是使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而使钢的切削加工性能增加，同时，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也以MnS为核心析出，从而细化了铁素体-珠光体组织，但S含量高时钢易热脆，影响工具的韧性及使用寿命，因此设计的S含量为0.001～0.005％。

Cr：铬是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，并可提高强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。在钢中铬能显著改变钢中碳化物的分布及其颗粒大小，使含铬的渗碳体型碳化物(Cr.Fe)₃C退火聚集的倾向性变小。因此，铬使钢中碳化物变得细小、分布均匀，并扩大了退火的温度范围，一部分铬溶于奥氏体中，提高马氏体回火稳定性，提高钢红硬性能。铬还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。但Cr含量过高的铬含量容易形成大块碳化物，如Cr₇C₃，这种最难熔碳化物使钢的韧性降低，因此设计的Cr含量为0.25～0.60％，优选为0.30～0.45％。

Ni：镍在钢中不与碳形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，Ni与Fe以互溶的形式存在钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是降低钢的低温脆性转变温度。Ni降低珠光体转变温度，使珠光体变细，从而提高钢的强度及韧性。另外，镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性，剪切时不蹦口、掉块、剥落等。但镍是一种比较稀缺的贵重金属元素，大批量使用将会提高工具的制造成本，因此设计的Ni含量为0.20～0.35％，优选为0.23～0.30％。

Cu：铜在钢中一般以CuS颗粒、CuTi(CN)复合夹杂物、ε-Cu析出相等形态存在，属低熔点金属。铜是扩大奥氏体相区的元素，也能提高钢的疲劳强度、冲击韧性、抗大气腐蚀性能等，但含铜较高的钢，在热加工时容易开裂，即铜热脆。一定含量的Cu有利钢材的热加工性能，同时ε-Cu析出相在高温能钉扎晶界，提高钢的红硬性，故设计的Cu含量为0.07～0.25％，优选为0.08～0.20％。

Ti：钛在钢中易于形成细小的TiN、TiO₂等颗粒，阻碍奥氏体晶粒粗大化，产生微钛效应，即结合钢中N、O生成弥散的氮化钛和氧化钛微粒，起到弥散强化作用。同时，这些弥散均匀微粒在高温下能钉扎晶界，提高钢的红硬性，故设计的Ti含量为0.010～0.030％，优选为0.010～0.020％。

与现有技术相比，本发明技术特点是只需进行适当合金体系设计，无需改造任何生产设备、无需对现有生产工艺作重大调整，就可以生产出适应五金工具所需圆钢。本发明中加入微量的Cu、Ti合金，起到了提高钢材的红硬性能，试验证明本发明钢种与常规的50CrNi合金钢(Cr含量：0.45～0.75％，Ni含量：1.00～1.40％)相比，本钢种红硬性比50CrNi钢高1.5～4HRc。另外，本发明钢种与50CrNi钢相比，调整了C、Mn、Cr等元素含量(提高C含量、降低Mn、Cr含量)，在保证强度的同时，提高了材料的延展性、韧性，特别是冲击功由常温的39J提高到～20℃条件下47J，使本材料能满足低温环境下工具的正常使用。最后，本发明将Ni含量的设计为0.23～0.30％，与常规的50CrNi合金钢(Ni含量：1.00～1.40％)相比，仅Ni含量就降低了0.77～1.10％，按Ni板15万元/t计算，吨钢节约成本1155～1650元/t。即节约能源、保护环境、又提高了产品的性价比和市场竞争力。

所以，本发明通过应用合金元素对钢材性能不同方面的影响，结合工具使用状况的特殊要求，设计全新钢种，采用合理的工序流程，达到了能完全满足五金工具要求且钢材成本低廉的目的。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的五金工具专用钢及其制备方法做进一步详细说明。

实施例1

一种五金工具专用钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.53％，Si：0.18％，Mn：0.39％，P：0.008％，S：0.00355，Cr：0.45％，Ni：0.23％，Cu：0.20％，Ti：0.010％，其余为铁和不可避免的杂质。

该钢的制备方法，按通常纯净钢工艺进行，包括钢的冶炼、LF炉精炼、连铸、铸坯加热、轧制、冷却、卷取的步骤，其中：

电炉冶炼，出钢温度1630℃，出钢目标[C]：0.15％、出钢P：0.004％，出钢1/3时加入活性石灰、脱氧铝1.2kg/t及Mn-Si、高C-Cr、Ni合金；

LF炉精炼，送电化好渣再加入电石、SiC等脱氧，造白渣且保持时间22min，成份调好后软吹氩10min；

连铸过热度16℃(本钢种液相线温度1490℃)，连铸坯尺寸150×150mm，典型拉速1.85m/min。

铸坯的加热温度为1160℃，保温35min；

开轧温度控制在1050～1065℃，终轧温度保持在890～910℃，轧制Φ25mm圆钢，压下比45.8倍；

经冷床控冷，冷却速度19.5℃/min，打捆后入坑缓冷。

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：Rm：1198MPa，Rel：885MPa，A：12％，Z：46％，～20℃A_ku2：67J，红硬性(600℃)：21.5HRc。

实施例2

一种五金工具专用钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.58％，Si：0.35％，Mn：0.20％，P：0.020％，S：0.005％，Cr：0.30％，Ni：0.30％，Cu：0.08％，Ti：0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。

转炉冶炼，出钢温度1680℃，出钢目标[C]：0.30％、出钢P：0.015％，出钢1/3时加入石灰、脱氧铝0.8kg/t及合金；

LF炉精炼白渣：15min，成份调好后软吹氩：20min；

连铸过热度30℃(本钢种液相线温度1490℃)，连铸坯尺寸：200×200mm，典型拉速1.3m/min；

铸坯的加热温度为1190℃，保温55min；

开轧温度控制在1095℃，终轧温度：932℃，轧制Φ55mm圆钢，压下比：16.8倍；

经冷床控冷，冷却速度：8.3℃/min，打捆后入坑缓冷。

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：Rm：1235MPa，Rel：925MPa，A：12％，Z：48％，～20℃A_ku2：76J，红硬性(600℃)：24HRc。

实施例3

一种五金工具专用钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.55％，Si：0.24％，Mn：0.30％，P：0.012％，S：0.001％，Cr：0.355，Ni：0.25％，Cu：0.12％，Ti：0.015％，其余为铁和不可避免的杂质。

电炉冶炼，出钢温度1652℃，出钢目标[C]：0.19％、出钢P：0.007％，出钢1/3时加石灰、脱氧铝1.0kg/t及合金；

LF炉精炼白渣保持时间：18min，成份调好后软吹氩：17min；

连铸过热度22℃(本钢种液相线温度1490℃)，连铸坯尺寸：240×240mm，典型拉速0.8m/min；

铸坯的加热温度为1210℃，保温75min；

开轧温度控制在1120℃，终轧温度：950℃，轧制Φ75mm圆钢，压下比：13.0倍；

冷床冷速：5℃/min，打捆后入坑缓冷。

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：Rm：1137MPa，Rel：855MPa，A：15％，Z：55％，～20℃A_ku2：82J，红硬性(600℃)：22HRc。

实施例4

一种五金工具专用钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.56％，Si：0.22％，Mn：0.31％，P：0.017％，S：0.004％，Cr：0.34％，Ni：0.255，Cu：0.16％，Ti：0.0255，其余为铁和不可避免的杂质。

转炉冶炼，出钢温度1642℃，出钢目标[C]：0.18％、出钢P：0.014％，出钢1/3时加石灰、脱氧铝1.1kg/t及合金；

LF炉精炼白渣时间：17min，成份调好后软吹氩：12min；

连铸过热度21℃(本钢种液相线温度1490℃)，连铸坯尺寸：150×150mm，典型拉速2.2m/min。

铸坯的加热温度为1165℃，保温45min；

开轧温度：1088℃，终轧温度：916℃，轧制Φ36mm圆钢，压下比：22.1倍；

经冷床冷速：9.5℃/min，打捆后入坑缓冷；

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：Rm：1188MPa，Rel：879MPa，A：14％，Z：50％，～20℃A_ku2：49J，红硬性(600℃)：23.5HRc。

通过上述实施例可以看出，本发明钢的性能满足：Rm≥1100MPa，Rel≥850MPa，A≥10％，Z≥45％，～20℃A_ku2≥47J，红硬性(600℃)≥21HRc。与国内现应用的五金工具钢相比，本发明产品完全能够满足五金工具所需的各项性能指标，且价格便宜，节约能源、减轻环境污染，提高工具使用寿命。

Claims

1.一种五金工具专用钢，其特征之处在于，它的化学成分按重量百分数计为：C：0.50～0.60％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.50％，P：0.008～0.020％，S：0.001～0.005％，Cr：0.25～0.60％，Ni：0.20～0.35％，Cu：0.07～0.25％，Ti：0.010～0.030％，其余为铁和不可避免的夹杂。

2.根据权利要求1所述五金工具专用钢，其特征在于，它的化学成分按重量百分数计为：C：0.53～0.58％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.40％，P：0.008～0.020％，S：0.001～0.005％，Cr：0.30～0.45％，Ni：0.23～0.30％，Cu：0.08～0.20％，Ti：0.010～0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。

3.一种五金工具专用钢的制备方法，按通常纯净钢工艺进行，包括钢的冶炼、LF炉精炼、连铸、铸坯加热、轧制、冷却、卷取的步骤，其特殊之处在于：

钢的冶炼时，出钢温度1630～1680℃，出钢目标C重量百比分含量≥0.15％、出钢P重量百比分含量≤0.015％，出钢1/3时加入活性石灰、脱氧铝及Mn-Si、高C-Cr、Ni合金；

LF炉精炼时，送电化好渣后，再加入脱氧剂加强脱氧，造白渣且保持时间≥15min，成份全部调整好后软吹氩≥10min；

连铸时控制连铸过热度15～35℃，拉速为0.8～2.2m/min；

铸坯加热采用高温加热工艺，连铸方坯的加热温度为1140～1220℃；

轧制时，开轧温度保持在1040～1120℃，终轧温度保持在870～960℃，压下量≥12倍；

4.根据权利要求3所述五金工具专用钢的制备方法，其特征在于：钢的冶炼时，所脱氧铝加入量为每吨钢0.8～1.2kg。

5.根据权利要求3或4所述五金工具专用钢的制备方法，其特征在于：所述连铸时拉速为：当200×200mm＜连铸坯断面尺寸≤250×250mm时控制拉速为0.8～1.2m/min；当150×150mm＜连铸坯断面尺寸≤200×200mm时控制拉速为1.3～1.7m/min；当连铸坯断面尺寸≤150×150mm时控制拉速为1.8～2.2m/min。

6.根据权利要求3或4所述五金工具专用钢的制备方法，其特征在于：所述轧制时，开轧温度保持在1065～1110℃，终轧温度保持在890～950℃。

7.根据权利要求5所述五金工具专用钢的制备方法，其特征在于：所述轧制时，开轧温度保持在1065～1110℃，终轧温度保持在890～950℃。