CN1043478C - 金属带锯的有优良疲劳强度焊接区的背衬材料及金属带锯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于金属带锯的背衬材料和金属带锯。其中背衬体就其焊接区来说具有优越疲劳强度，其特征是：含有以重量计的0.40到0.50%C、不大于1.0%Si、小于1.5%Mn、1.0到1.5%Cr、至少一种选自Mo和W的元素，其量按Mo+0.5×W计算为0.5到0.9%、0.1到0.5%V、0.01到0.1%Al、以及余量Fe和伴随的杂质。在本成分中可加入小于0.2%的Nb。

Description

金属带锯的有优良疲劳强度焊接区的背衬材料及金属带锯
本发明涉及用于金属带锯的背衬材料和金属带锯，所述背衬材料被焊于高速钢刃口材料上。
金属带锯由下列步骤制成：使用电子束焊、激光束焊、惰性气体焊等将高速钢刃口毛坯和低价的低级钢背衬毛坯彼此结合成一体，从而节约昂贵的高速钢；使被接合的刃口毛坯形成刃口，并使其在适于作为刃口材料用的高速钢的条件下进行热处理，也就是，在约1200到1220℃淬火并在540到570℃下回火。
作为背衬材料要求具有高韧性和高疲劳强度的材料，其中，甚至当材料经受如高速钢那样相同的热处理时也不会发生晶粒粗化或类似情况。为了满足这种要求，本发明的发明人曾研制了在与高速钢热处理相同条件下进行热处理而可靠地具有合适性能的材料，并且发展了公布于如下专利文件的新型合金钢：特公昭49-16008、特公昭54-5366、特公昭55-32778、特公昭56-11744、特公昭59-10991、特公昭61-12022、特开平2-115353和特开平4-354852,这些合金钢业已付诸实际应用。
金属带锯通常按下述步骤制造：将刃口毛坯焊到背衬毛坯上；制成刃口；将焊好的产品进行热处理；将带状背衬毛坯的两端对接焊以便形成环状；并就其焊接区进行局部退火。
将金属带锯在安装于切割机上的两轮之间旋转，并对固定于两轮之间的材料(主要是钢)切割。
为了防止要切割材料在切割过程中弯曲，对处于两轮之间的金属带锯施加张力，同时，在金属带锯被驱动时，它沿着两轮反复受到弯曲应力。
并且，由于轮子是从水平面倾斜的，金属带锯对应于轮子的倾斜度而受到扭转应力。因此，在金属带锯被驱动时，其背衬材料经受苛刻条件、诸如张应力、弯曲应力和扭转应力的重复影响。特别是，在现代锯床上金属带锯受到更大应力，以便防止材料在切割过程中弯曲；并使机器紧凑化以及改善锯断能力。
作为具有对上述各种应力的高度疲劳强度的背衬材料，本发明的发明人已开发了在上述出版物中公开的钢，并且已付诸实用。结果，大大地改善了金属带锯的抗断裂持续时间。
由于近代金属带锯的发展，导致背衬材料本身的疲劳强度的改善，然而，金属带锯的断裂有50％是发生在焊接区(具体地是沉积区和邻近沉积区的热影响区。以下这两个区一起称之为焊接区)，通过该区，背衬材料的两端被焊接起来而形成环状。
通常，为了将金属带锯焊接成环状，将背衬体的两端相互对接，通过在施加大电流和对其强力加压的同时使背衬体两端熔化而将它们焊接在一起。在这样的电阻对焊后，将焊接区在低温短期间退火。为保持焊接区的疲劳强度在良好状态，焊接区的完整性是重要的。
在将金属带锯焊接成环状，如上所述，将同一背衬体的相对端熔化并相互焊接，电阻对焊区的性能受背衬材料成分的影响很大。
发明人研究了不使其疲劳强度恶化的背衬材料成分，该成分能够在焊接刃口毛坯和背衬毛坯两者时防止产生砂眼，并且该成分在背衬毛坯两端被焊接成环状时能改进电阻对焊区的完整性，也就是：在焊接后短时间低温退火之后，该成分能降低背衬体硬度和焊接区硬度之间的差异。
在下列说明中，所谓“焊接区”，除了另有特别释义外，是指背衬毛坯的两端相互连接在一起的部分。
以下对焊接区进行详细解释。焊接后的焊接区包括，熔化区、延伸接近熔化区并且最受熔化热影响的再急冷层、以及邻接再急冷层的高温回火区。熔化区、再急冷层和高温回火区具有硬度分布，其中每层或每区的硬度是不同的。作为在焊接后局部短时间退火的结果，这些层软化并且硬度降低。此时，最好使背衬体的硬度控制在与焊接区的各层硬度相同水平上，并且使每一层显微部分上硬度变化降至最小。
从该观点出发，曾再研究了用于金属带锯所开发的常用背衬材料，本发明人发现通常进行的开发主要是为了强化背衬材料以及改进疲劳强度，并且有一种使用高合金钢作背衬材料的趋势。结果，发明人发现，即使通过控制焊接条件和局部退火条件两者而控制焊接区各层的硬度以使其具有与背衬材料相同的水平，但在焊接区各层的显微部分中还是发生硬度变化，因此造成焊接区早期断裂。
本发明的目的在于提供一种用于金属带锯的背衬材料和金属带锯，在该金属带锯中，背衬体具有高疲劳强度并其焊接区具有与背衬体平均硬度相同水平的硬度，并在焊接区的硬度偏差降至最小，同时，该焊接区具有优良的疲劳强度。
本发明具有优良疲劳强度的用于金属带锯的背衬材料就其焊接区来说，必须具有至少维氏硬度450HV或更高，并且当背衬在与高速钢刃口相同条件下热处理时，具有高的疲劳强度。因此，背衬材料必须具有这样的化学成份，以致甚至当背衬材料在高温淬火时也能抑制晶粒粗化，并且在作为高速钢回火温度的约540到570℃下回火后也能得到约450到570HV的硬度。再者，按照本发明，背衬毛坯两端的电阻对焊是在上述热处理之后完成的，而随后的局部退火就焊接区是在低温下短期间完成的，其中，焊接区的完整性是必要的；并且为了降低在背衬体和焊接区之间的硬度差异，仅满足上述热处理条件和背衬体的硬度性能是不够的，需要对该成分作更多的补充限制。
在本发明的用于金属带锯的背衬材料中具有上述这种限制的在其制造上受到相当大的限制，最少量的V是主要添加元素，以便与在必要时加入的Nb一起形成MC型碳化物，从而甚至从高温淬火也能防止晶粒粗化。此外，必须加入C、Cr和Mo和/或W以便形成碳化物并提高抗回火软化性，因此，背衬材料具有在其用于金属带锯时是适宜硬度的450～550HV硬度并且在高速钢刃口材料的回火温度约540到570℃下回火后具有适宜的耐磨性。
此外，上述元素C、Cr和Mo和/或W每一种都需以最小量加入，以提高抗回火软化性。因此，当背衬毛坯的两相对端彼此焊接时，在邻接熔化区的背衬毛坯部分的硬度不低于背衬体，甚至当背衬毛坯部分被熔化热高温回火也是如此。另一方面，必须将C、Cr和Mo和/或W每一种元素限于小范围内，以便使背衬材料具有如此适当的抗回火软化性，以使熔化区和再急冷层两者可以软化到与通过焊接后焊接区实施局部短期退火的背衬材料的同样硬度状况。特别是，当这些元素含量提高的情况下，熔化区和再急冷层的硬度成为高于背衬体的硬度。为了补偿这种过高的硬度水平，如果将局部退火条件改变为高温或延长退火时间，则就会引起另一个问题，即邻近部分在高温回火的焊接区的背衬材料部分的硬度大大低于背衬体。因此，元素含量的上限必须严格限制。本发明人发现，为满足所有上述特性，这些元素的含量限制如下：0.40到0.50％ C、1.0到1.5％Cr以及0.5到0.9％的选自Mo和W中的至少一种，其量按Mo+0.5×W计算。
在实际使用中的许多常用材料(用作背衬体)要加入Ni以获得韧性，这导致在焊接后出现残留奥氏体，该奥氏体通过随后短时间加热而转成不稳定的马氏体结构，结果，焊接区的硬度局部地更高于背衬体硬度。本发明背衬材料的特征在于不含Ni。
通过上述在成分范围上的限制，本发明首次在生产金属带锯中获得成功，其中，在背衬毛坯两端对焊和局部退火后，在焊接区的硬度和背衬体的平均硬度间之差异是在±30HV范围内或更小。
更具体地，按照本发明第一方面，提供一种用于具有背衬体和通过焊接区焊接到背衬体的刃口的金属带锯的背衬材料，所述背衬材料就其焊接区来说具有优越疲劳强度，其特征在于，所述背衬材料以重量计主要含有0.40到0.50％ C、不大于1.0％ Si、不大于1.5％ Mn、1.0到1.5％ Cr、至少一种选自Mo和W的元素，其含量按Mo+0.5×W计算为0.5到0.9％、0.1到0.5％ V、0.01到0.1％ Al、以及余量Fe和伴随的杂质。按照本发明第二方面，提供一种用于具有背衬体和通过焊接区焊接到背衬体的刃口的金属带锯的背衬材料，所述背衬材料就其焊接区来说具有优越疲劳强度，其特征在于，所述背衬材料以重量计主要含有0.40到0.50％ C、不大于1.0％ Si、不大于1.5％ Mn、1.0到1.5％ Cr、至少一种选自Mo和W的元素，其含量按Mo+0.5×W计算为0.5到0.9％、0.1到0.5％ V、0.01到0.1％ Al、不大于0.2％ Nb、以及余量Fe和伴随的杂质。
按照本发明第三方面，提供一种金属带锯，该金属带锯通过焊接区将背衬材料两端相互对焊并且随后局部退火而制成，所述金属带锯就其焊接区来说具有优越疲劳强度，其特征在于，焊接区硬度和背衬体平均硬度间之差为±30HV或更小。按照本发明第四方面，提供一种金属带锯，该金属带锯由具有按照本发明第一和第二方面组分的背衬材料所形成，其两端通过焊接区相互对焊，随后局部退火，所述金属带锯就其焊接区来说具有优越疲劳强度，其特征在于，焊接区的硬度和背衬体的平均硬度间之差异为±30HV或更小。
以下就化学成分限制的理由和若干限制进行解释。
C是一种为获得背衬体和焊接区强度和韧性以及为将焊接区的退火结构改变为稳定马氏体相的重要元素。C也与形成碳化物的元素诸如Cr、Mo、W、V和Nb化合，使这些元素在约540到570℃回火期间以微细碳化物形式沉淀，因此，提高抗回火软化性。此外，为在回火背衬材料后获得450HV或更高的硬度以及为使退火后的焊接区硬度与背料体硬度相比并不降低，则不低于0.40％ C是必要的。
另一方面，当C的加入大于0.50％时，导致在约540到570℃回火后的硬度大于550HV。结果，不仅背衬体的疲劳强度恶化，而且在焊接区中的残留的奥氏体量也增加，因此，不能得到退火状态的硬度，所以C的上限量置于0.50％。
当细化背衬材料时，Si用作脱氧剂，Si在提高抗回火软化性是有效的。当Si加入过量时，特别是在电阻对焊的情况下，在短时低温退火后，焊接区的硬度变得过高。因此，Si含量的上限置于1.0％，最好，Si含量不大于0.6％。
Mn类似于Si，当细化背衬材料时用作脱氧剂。然而，过量加Mn则使背衬材料的冷加工性恶化，因此，Mn含量的上限置于1.5％，最好Mn含量不大于1.0％。
Cr改进背衬材料的可淬硬性、提高在约540到570℃回火时所发生软化的抗力，以便得到上述450HV或更高的硬度，并防止焊接区硬度的降低。因此，Cr最低需要1.0％。然而，当过量加Cr时，在热影响区的再急冷层产生具有高硬度的部分，甚至在退火后也如此，因此，使热影响区具有不均匀的硬度分布。所以Cr含量的上限置于1.5％。
Mo和W二者都提高背衬材料的抗回火软化性，并在获得高硬度方面是有效的，甚至当背衬材料同时与高速钢经受热处理时也是如此。而且，Mo和W是用于防止在电阻对焊情况下焊接区的硬度降低的重要元素，因此，Mo和W中必须加入至少一个元素。Mo是改善韧性的有效元素，而W是改善耐磨性的有效元素。Mo和W可选择性地加入，而其加入量按Mo+0.5×W计算在0.5到0.9％范围内。为了获得上述功效，必须加入不低于0.5％Mo+0.5×W。然而，当过量加入Mo和W时，Mo和W的碳化物在二次硬化时易于聚集，因此，使韧性恶化，并使焊接区的硬度太高。所以，它们的上限按Mo+0.5×W计算限于0.9％。
V产生MC-型特定碳化物，并且没有一种碳化物溶解入基体内，甚至在高速钢的淬火温度时也是如此，因此防止在淬火时的晶粒粗化。该碳化物在提高抗回火软化性也有显著效果，并且V是防止背衬材料的强度和焊接区硬度降低的重要元素。本发明特征之一就是当V作为主要元素加入时，用于提高抗回火软化性的元素诸如Cr、Mo、W和Nb要控制到最小量，以便获得用于金属带锯的背衬材料的适当硬度并且使在由电阻对焊所形成的焊接区中的硬度差(即硬度变化)减到最小。
为了获得上述效果，至少需要加入0.1％ V。然而，当V过量加入时，当固化时晶化的MC-型的原碳化物就易于聚集，从而使背衬体的韧性恶化和焊接区的硬度变得过高，因此，V量的上限置于0.5％。
Al是一种强脱氧剂并是一种改变因背衬材料进行铸锭时所引起的非金属夹杂物形态的元素。更具体地，通过加入Al，当铸锭时使在熔融金属中造成的Mn和/或Si氧化物的夹杂物由于Al2O3的发生而被降低，因此，当刃口毛坯和背衬毛坯彼此焊接时能防止砂眼的产生。再者，Al在熔融金属中与N化合而生成微细AlN，因此，是用于抑制晶粒粗化的有效元素。为获得上述效果，至少需加入0.01％Al。然而，过量加入Al会导致所产生的Al2O3的粗化，从而，使韧性恶化。因此，Al含量的上限置于0.1％。
Nb在必要时加入，因为Nb形成高熔点的MC-型碳化物并且当背衬材料和高速钢刃口材料同时硬化时能防止背衬材料的晶粒粗化。然而，当过量加入Nb时，MC-型碳化物易于聚集，因此，Nb含量的上限置于0.2％。
Ni是改进由通常塑性加工诸如锻造和轧制所加工材料的淬硬性和韧性的有效元素。然而，在本发明背衬材料中，其两端相互焊接，在熔化区易于产生具有高Ni浓度的微细离析，而就是这种离析部分变成残留的奥氏体。
当随后进行短时退火时，残留的奥氏体部分转变为马氏体并且变成不稳定结构，其中，增加了熔化区的显微硬度的变化。因此，在本发明背衬材料中不加Ni。
在下面的实施例中，进行了本发明金属带锯焊接区的切口疲劳试验并测量了焊接区的显微硬度分布。从结果可知，在局部退火后测量的焊接区硬度和背衬体平均硬度之间的差大于±30HV时，焊接区的疲劳强度降低。因此，硬度差必须是±30HV或更小。
而且，本发明金属带锯最好用具有按照本发明第一或第二方面成分的背衬材料制造。
附图的简述：
图1是表示平板材料(板厚：1mm)的疲劳试样形状图；
图2是表示平板材料(板厚：1mm)的疲劳试样的焊接区形状图；
图3A表示焊接区的硬度测量位置；
图3B表示在焊接区的硬度曲线图；
图4A和4B表示金属带锯的部分图。
在如下实施例基础上对本发明说明如下：
实施例1
为了评价用于本发明金属带锯(1)的背衬材料(以下称之为发明钢)，用熔炼方法制备了示于表1的发明钢、普通钢和比较用钢。作为比较用钢，制备和试验了含有Ni、Cr、Mo和C不同量的材料，从而就可证实按照本发明关于其成分和含量限制的重要性。
表1
  号                         化学成分(重量％)
    C     Si     Mn     Ni     Cr     W
发明钢  1234567  0.450.410.480.440.450.460.44  0.300.210.370.220.270.410.31   0.700.530.550.540.510.620.57   -------     1.401.451.211.451.101.471.33       --0.411.56-1.310.56
普通钢  11121314  0.430.440.270.30  0.210.300.500.25   0.740.351.200.40  0.75--0.60     1.982.006.004.00       --1.50-
比较用钢  21222324  0.450.420.550.45  0.320.300.330.32   0.710.750.750.71  0.80---     1.421.721.501.43       ----
表1(续)
  号                   化学成分(重量％)
  Mo     V     Nb     Al    Fe
发明钢  1234567  0.700.810.43-0.57-0.44     0.300.260.480.270.280.330.21       --0.07-0.050.09-     0.050.080.050.070.020.030.05 余量余量余量余量余量余量余量
普通钢  11121314  1.150.601.502.00     0.130.650.070.15       -0.10--     0.030.070.070.01 余量余量余量余量
比较用钢  21222324  0.710.690.701.10     0.290.280.290.31       ----     0.060.040.030.04 余量余量余量余量
注：普通钢11号是公布于特公昭61-012022的材料
普通钢12号是公布于特公昭54-005366的材料
普通钢13号是公布于特公昭55-032778的材料
普通钢14号是公布于特开平4-354852的材料
发明钢、普通钢和比较用钢以20Kg量冶炼、制锭和初轧成坯。随后将钢经热轧、退火、冷轧和退火和终轧成为具有厚1.0mm和宽30mm的带材。接着，将该带材在1200℃淬火和在560℃回火，然后就各材料检测其硬度、疲劳性能、电阻对焊区的硬度分布、电阻对焊区的疲劳性能，结果示于表2。在试验前，去除由于电阻对焊所致的毛口(凸出部分)，以通电20秒钟方式将材料在700℃局部加热有关焊接区，并磨平材料的表面。
使用示于图1形状的试样进行背衬体的疲劳试验。用与背衬体试样相同形状的试样进行焊接区的疲劳试验，如图2所示，在每一试样中将切口的底部位于焊接区。另外，按横过焊接区测量硬度的方式在纵向上沿每一扁平试样的侧边面进行硬度测量(如附图3所示)。
表2
  号      热处理(在1200℃淬火，在560℃回火)硬度(HV)  在焊接区内的硬度变化(HV)
    +△    -△
发明钢  1234567     541532547537521545549     2017251552120     1215920301117
普通钢  11121314     547545520540     41437062     13155710
比较用钢  21222324     537551574550     47354418     12212015
表2(续)
  号    重复施加载荷直至到断裂的数值  在加工成金属带锯后的空转断裂时间(h)
   筒状材料的疲劳强度     焊接区的疲劳强度
发明钢   1234567     1.36×1041.32×1041.39×1041.42×1041.30×1041.40×1041.47×104     1.30×1041.29×1041.35×1041.33×1041.26×1041.32×1041.35×104     62.766.9未试未试未试未试未试
普通钢  11121314     1.39×1041.51×1041.27×1041.35×104     1.18×1041.15×1041.11×1041.22×104     51.354.9未试未试
比较用钢  21222324     1.35×1041.47×1041.50×1041.50×104     1.10×1041.01×1040.98×1041.25×104     未试未试未试未试
在疲劳试验中，使试样在拉应力244N/mm2和另一拉应力882N/mm2间重复加载，并计算每一试样的似正弦形载荷直到断裂的重复数值。在相同条件下试验重复五次，以便从五次试验导出其平均值，从而评价疲劳性能。
另外，通过在1Kg载荷下的显微维氏硬度测量仪、按背衬体、热影响区、熔化区、热影响区和背衬体次序测定每一试样厚度中心部分的硬度分布，从而测定电阻对焊区的硬度分布，如图3A所示。在图3B中，相对于背衬体的硬度来说，硬度增加以符号+△表示；而硬度减少则以符号-△表示。
从表2可知，发明钢的焊接区具有的硬度变化小，并且其疲劳强度与背衬材料的差异小，因此，在焊接区中难以发生断裂。
普通钢11号含有0.75％ Ni和比发明钢更多的Cr，当与背衬体的硬度比较时，普通钢11号的焊接区硬度大大地偏向较高硬度方面。因此，可以理解，不加Ni和加Cr不大于1.5％可导致如发明钢所示的良好结果。比较用钢21到24号所含元素在发明钢成分范围之外。在这样的比较用钢中，焊接区的硬度偏差大，因此，使疲劳强度恶化。
实施例2
为了证实上述试验结果，将每一个具有背衬体2和刃口3的真实带锯1以发明钢1号和3号以及普通钢11号和12号制成。将带锯装在锯床上，使处于以预定量增加的张力下，并使空转，以便测量直到断裂的时间周期。结果示于表2。三个试样直到断裂的平均时间就发明钢1号是62.7小时，而发明钢3号是66.9小时，每种情况的断裂都是发生在背衬体上。另一方面，三个试样直到断裂的平均值就普通钢11号是51.3小时(其中有二个试样断裂在焊接区)而普通钢12号是54.9小时(其中有一个试样断裂在焊接区)。
从以上试验结果可了解到发明钢作为金属带锯的背衬材料是优越的。
如上所述，在本发明背衬材料中不发生晶粒粗化，甚至当使背衬材料经受与高速钢刃口材料相同的热处理也是如此。又由于可得到预定硬度，背衬体也具有高疲劳强度。而且，对接焊区的硬度变化小以及电阻对焊区基本上具有与背衬体相同的硬度。结果，作为具有比通常钢的疲劳强度优越的金属带锯，本发明的背衬材料是有效的。

Claims (4)

1、用于具有背衬和通过焊接区焊到背衬上的刃口的金属带锯的背衬材料，所述背衬材料就其焊接区来说具有优良疲劳强度，其特征在于，所述背衬材料主要含有以重量计的0.40到0.50％ C、不大于1.0％的Si、不大于1.5％的Mn、1.0到1.5％ Cr、至少选自Mo和W中的一种元素，其含量按照Mo+0.5×W计算为0.5到0.9％、0.1到0.5％V、0.01到0.1％Al，其余量是Fe和伴随的杂质。
2、权利要求1的背衬材料，其特征在于，所述背衬材料主要含有以重量计的0.40到0.50％ C、不大于1.0％的Si、不大于1.5％的Mn、1.0到1.5％ Cr、至少选自Mo和W中的一种元素，其含量按照Mo+0.5×W计算为0.5到0.9％、0.1到0.5％V、0.01到0.1％Al，不大于0.2％的Nb，其余量是Fe和伴随的杂质。
3、金属带锯，通过将具有按照权利要求1成分的背料毛坯对接焊而制成，其背衬毛坯的两端通过焊接区相互对接焊并进行局部退火，该金属带锯就其焊接区来说具有优良疲劳强度，其特征在于，在焊接区的硬度和背衬体平均硬度之间的差异是在±30HV或更小的范围内。
4、权利要求3的金属带锯，其中所述的背衬毛坯具有权利要求2的成分。
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