CN104451421B - 一种高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法，该双金属带锯条背材用钢其成分组成的重量百分比为：C：0.34～0.45%；Si：0.20～0.40%；Mn：0.70～0.90%；Cr：3.30～3.60%；Ni：0.50～0.70%；Mo：0.90～1.20%；V：0.30～0.40%；Nb：0.08～0.20%；Al：0.015～0.05%；其余为Fe和不可避免的杂质。该双金属锯条背材用钢具有高强度，兼有良好塑韧性，在保证强度的前提下，降低成本，提高塑韧性。

Description

一种高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法
技术领域
本发明属于合金钢领域，具体涉及一种切割金属用的高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法。
背景技术
双金属带锯条因其具有高效、低耗、节能等特点，而被机械制造、冶金、化工、军工等行业广泛应用，是当今世界最先进的锯切割材料之一。双金属带锯条是将两种不同特征的钢材通过电子束焊接、机加工及热处理等一系列工艺加工而成的一种高新技术产品，是和带锯床配套使用的工业消耗品，主要用来切割钢材以及铜、铝等有色金属。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，使其无论在切割效率、节能环保亦或是加工精度等方面较传统的圆盘锯和弓形锯来说均存在明显优势。因此，越来越多的制备加工企业为了追求高效率的工作而选择使用双金属带锯条。
双金属带锯条背材采用特种合金钢带，要求具有极佳的柔韧性，适合切割不同尺寸、不同形状的零件，目前最成功的是美国研制开发的RM80背材用钢,其典型成分为：0.35%C，0.68%Mn，0.46%Si，3.05%Cr，1.98%Mo,0.54%Ni，0.36%V，0.0015%S，0.010P%。国内目前开发出用于双金属锯条的背材用钢还很少，几乎90%以上仍依赖进口，致使国内双金属锯条制备成本一直居高不下。因此，研究开发高强度、高韧性的双金属锯条背材用钢，对加快我国双金属锯条行业的发展意义重大。
通过查新，检索到和本发明最相近的涉及到用于制造高强韧性双金属锯条背材用钢的专利共3个。
中国专利公开号CN101358321A公开了一种高强韧性双金属带锯条用背材钢，钢中C含量在0.29-0.33%，其强度偏低，韧性较好，钢中没有添加能改善基体韧性的Ni、Nb等元素。中国专利公开号CN102337474A公开了一种锯条背材钢及其在双金属带锯条中的应用，该发明钢中将C含量提高至0.51-0.58%，强度有所提高，且添加了0.70-0.80%Ni元素用于改善基体韧性，但由于C含量较高，塑韧性仍保持在较低水平，同时焊接性能也变差。专利公开号EP78254公开了一种用于双金属带锯条的可热处理低合金钢带，该发明钢通过添加B和Ti元素提高钢的淬透性和起到细化晶粒的作用，但钢中Cr含量较低，耐磨性较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法，该双金属锯条背材用钢具有高强度，兼有良好塑韧性，在保证强度的前提下，降低成本，提高塑韧性，其屈服强度1500MPa以上，延伸率9.5%以上。
本发明的技术解决方案如下：本发明提供一种高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，其成分组成的重量百分比为：C：0.34～0.45%；Si：0.20～0.40%；Mn：0.70～0.90%；Cr：3.30～3.60%；Ni：0.50～0.70%；Mo：0.90～1.20%；V：0.30～0.40%；Nb：0.08～0.20%；Al：0.015～0.05%；其余为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的C：0.38～0.43%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的C：0.39～0.42%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Si：0.27～0.39%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Si：0.31～0.35%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Mn：0.73～0.88%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Mn：0.80～0.85%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Ni：0.54～0.65%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Ni：0.58～0.60%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的V：0.32～0.38%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的V：0.35～0.36%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Nb：0.09～0.18%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Nb：0.12～0.14%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Al：0.020～0.043%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Al：0.031～0.035%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Cr：3.41～3.55%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Cr：3.45～3.46%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述成分中的Mo：0.93～1.15%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，进一步优选的是，所述成分中的Mo：0.99～1.07%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述的双金属带锯条背材用钢的屈服强度1500MPa以上。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，所述的双金属带锯条背材用钢的延伸率9.5%以上。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢，优选的是，其成分组成杂质元素的重量百分比低于0.05wt%。
本发明还提供一种所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，包括以下步骤：
采用转炉或电炉炼钢→炉外精炼→模铸或连铸→热轧→球化退火→冷轧；
所述热轧步骤：将钢水经转炉或电炉炼钢→炉外精炼→模铸或连铸制成的钢锭或板坯，加热至温度1150～1220℃，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度800～950℃，终轧后得钢板冷至200℃以下；
所述球化退火步骤：所述热轧所得钢板进入退火炉，以≤100℃/h的速度升温至780±5℃，保温1-4小时，再以≤20℃/h的速度降温至550℃以下后出炉空冷，冷轧得到所述背材用钢带。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述热轧步骤：将钢水经转炉或电炉炼钢→炉外精炼→模铸或连铸制成的钢锭或板坯，加热至温度1180～1200℃，开轧温度为1000-1060℃，终轧温度850～920℃。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述球化退火步骤：所述热轧所得钢板进入退火炉，以≤80℃/h的速度升温至750±5℃，保温1-4小时，再以≤20℃/h的速度降温至550℃以下后出炉空冷，冷轧得到所述背材用钢带。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，所述冷轧后还包括热处理步骤，所述热处理步骤：将钢带快速加热至1180-1220℃，保温2-5min后，在氮气保护下进行淬火；在低于-80℃以下冷处理≥4小时；最后在540-560℃回火2小时，回火2次。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述淬火和回火在有保护气氛的热处理炉或真空炉中进行。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，所述双金属带锯条背材用钢的成分组成的重量百分比为：C：0.34～0.45%；Si：0.20～0.40%；Mn：0.70～0.90%；Cr：3.30～3.60%；Ni：0.50～0.70%；Mo：0.90～1.20%；V：0.30～0.40%；Nb：0.08～0.20%；Al：0.015～0.05%；其余为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的C：0.38～0.43%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的C：0.39～0.42%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Si：0.27～0.39%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Si：0.31～0.35%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Mn：0.73～0.88%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Mn：0.80～0.85%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Ni：0.54～0.65%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Ni：0.58～0.60%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的V：0.32～0.38%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的V：0.35～0.36%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Nb：0.09～0.18%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Nb：0.12～0.14%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Al：0.020～0.043%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Al：0.031～0.035%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Cr：3.41～3.55%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Cr：3.45～3.46%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，优选的是，所述成分中的Mo：0.93～1.15%，以重量百分比计。
根据本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，进一步优选的是，所述成分中的Mo：0.99～1.07%，以重量百分比计。
本发明通过配比合理C含量提高钢的强度，添加Ni、Nb等元素来改善钢的强韧性；韧性较好，同时提高Cr、Mo含量，提高耐磨性和回火稳定性，使钢具有优良的综合性能；本发明钢中不添加B、Ti元素，而通过提高Nb含量达到细化晶粒的作用，来改善钢的强韧性，并通过提高Cr含量，使钢具有高强度和高耐磨性。
本发明中各个合金元素的作用：
C：钢中加入0.34～0.45%C，是保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。含碳量太低，强度硬度不足；太高，塑性、韧性降低；为达到两者兼顾，取中碳范围。
Si：钢中加入0.20～0.40%Si主要是起到脱氧作用。
Mn：是主要的强韧化元素，Mn可以提高淬透性并确保强度，且能提高V在奥氏体中的固溶度，增强其沉淀强化效果；Mn的加入将细化钢的组织，提高韧性。若达到上述效果，Mn含量必须在0.70%以上，另一方面，若Mn含量过高，则钢的韧性降低。为此，优选的Mn含量为0.70～0.90%。
Cr：Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。优选在3.30～3.60%。
Ni：Ni是非碳化物形成元素，在钢中主要以固溶态存在。固溶于钢中的Ni能显著提高铁素体基体的韧性。Ni含量低于0.50%作用不明显，高于0.70%不经济。优选在0.50～0.70%。
Mo：主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，含量低于0.90%效果不明显，超过1.2％会降低钢的韧性。优选Mo含量为0.90～1.20%。
Al：Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用。当加入量低于0.015%时，效果不明显，加入量超过0.05%时会使铝系夹杂物颗粒增大，使力学性能变差。优选在0.015～0.05%。
V：V在钢中主要起沉淀强化作用，适量的V可提高钢的强度和塑性，V太高不会使强度明显增加，但会显著降低钢的塑韧性。如果V含量超过0.40%，则韧性就降低很多。为了保证钢具有高强度，本发明选择在0.30～0.40%范围。
Nb：Nb在钢中可以与C结合，生成少量NbC并溶入其他合金碳化物中增加材料的稳定性，并细小均匀分布，抑制动态再结晶，细化晶粒，从而对钢的强韧化产生影响。本发明选择在0.08～0.20%范围。
本发明制备方法钢水经转炉或电炉冶炼，再经炉外精炼后，浇铸制成钢锭或板坯。钢锭或板坯经1150～1220℃加热后轧成3.2mm厚钢板，终轧温度在800～950℃之间，空冷至室温后，进行球化退火，然后将退火后的3.2mm钢板冷轧成0.9mm厚薄钢板，最后分条成背材用钢带，钢带经最终热处理后即可达到高强高韧性要求。
本发明钢采用转炉或电炉→炉外精炼→模铸或连铸→热轧→球化退火→冷轧工艺制备。钢水经转炉或电炉冶炼，再经炉外精炼后，浇铸制成钢锭或板坯。为了提高钢的塑韧性，应对钢液进行充分的精炼，保证钢中有害元素、非金属夹杂物和气体含量降至最低。钢锭或板坯经1150～1220℃加热且保温足够长的时间后，轧成3.2mm厚钢板，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度在800～950℃之间，终轧后空冷至室温，然后进退火炉进行球化退火，以≤100℃/h的速度升温至780±5℃，保温1-4小时，再以≤20℃/h的速度降温至550℃以下后出炉空冷，然后将3.2mm厚钢板冷轧成0.9mm厚钢板，最后分条成背材用钢带。钢带经最终热处理即可达到高强高韧性要求，其热处理工艺为：将钢带快速加热至1180-1220℃保温2-5min后，在氮气保护下进行淬火；接着在低于-80℃以下冷处理≥4小时；最后在540-560℃回火2小时，回火2次。上述淬火和回火加热均在有保护气氛的热处理炉或真空炉中进行。
目前，国内制备双金属带锯条所需要的背材主要依靠进口，本发明产品具有高强度，兼有良好塑韧性，在保证强度的前提下，降低成本，提高塑韧性。该钢的研制成功，可以完全替代双金属锯条进口背材用钢，极大解决国内市场对高强韧性双金属锯条背材用钢的需求，对加快我国双金属锯条行业的发展具有重大意义。
本发明有益的技术效果：
本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法，该双金属锯条背材用钢具有高强度，兼有良好塑韧性，在保证强度的前提下，降低成本，提高塑韧性；本发明产品与RM80钢相比，将钢中的Mo从1.98%降至0.90～1.20%，Cr从3.05%提高至3.30～3.60%，并添加微量细晶强韧化元素Nb，使钢的抗拉强度与RM80钢相当，而屈服强度和延伸率均优于RM80钢；本发明提供的双金属带锯条背材用钢的屈服强度1500MPa以上，延伸率9.5%以上。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
根据本发明所设计的化学成分和生产方法生产了9炉合金，合金的具体成分如表1所示。对9炉合金进行取样，分别进行室温拉伸试验，其结果如表2所示。为了便于比较，RM80钢的性能指标也列于表2中。
1、本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢实施例中的各组分，如表2所示：
表2本发明钢的化学成分，wt%
炉次 C Si Mn Cr Ni Mo V Nb Al
1 0.35 0.22 0.75 3.32 0.60 0.95 0.36 0.10 0.030
2 0.40 0.31 0.82 3.54 0.55 0.99 0.32 0.15 0.025
3 0.38 0.35 0.80 3.60 0.58 0.93 0.40 0.14 0.020
4 0.45 0.34 0.88 3.46 0.65 1.15 0.38 0.08 0.043
5 0.43 0.27 0.73 3.40 0.52 1.01 0.33 0.18 0.046
6 0.39 0.39 0.80 3.55 0.54 1.07 0.35 0.14 0.035
7 0.42 0.39 0.82 3.41 0.66 1.18 0.32 0.14 0.030
8 0.42 0.35 0.85 3.45 0.60 1.06 0.35 0.09 0.031
9 0.41 0.36 0.79 3.52 0.59 1.05 0.37 0.12 0.028
2、本发明提供高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，具体工艺如下：
（1）采用电弧炉+LF+VD工艺冶炼表2中所示成分的钢水。电弧炉冶炼时，选用优质原材料，严格控制钢中的砷、铅等有害元素；LF精炼时间≥40分钟，VD在真空度≤100Pa时，保持时间≥15分钟，进行充分的精炼，保证钢中有害元素、非金属夹杂物和气体含量降至最低。
（2）采用连铸铸成板坯。板坯空冷至300℃后红送退火，退火温度650～740℃，保温8～15h炉冷至500℃以下空冷。
（3）板坯经修磨清理后进行热轧，板坯加热温度1150～1220℃，开始轧制温度1020～1100℃，终轧温度800～950℃，轧制规格为3.2mm厚，然后空冷至室温，及时退火。
（4）热轧板退火：钢板冷装退火炉，密封后通气体保护。以≤100℃/h的速度升温至780±5℃，保温1-4小时，再以≤20℃/h的速度降温至550℃后出炉空冷。获得完全的球状碳化物+铁素体组织。
（5）冷轧：将酸洗后的3.2mm厚钢板冷轧成0.9mm厚钢板，最后分条成背材用钢带。
（6）热处理：将钢带快速加热至1180-1220℃保温2-5min后，在氮气保护下进行淬火；接着在低于-80℃以下冷处理≥4小时；最后在540-560℃回火2小时，回火2次。上述淬火和回火加热均在有氮气保护的热处理炉中进行。
本发明合金钢经冶炼、轧制和热处理后便可得到优良的性能指标，其力学性能完全达到甚至超过RM80钢的力学性能，对比结果如表2所示。力学性能测试是进行室温拉伸试验，其试验方法和参数按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行。
表2本发明钢和对照钢的力学性能
3、原有专利和本发明的成分对比见表3所示。
表3原有专利钢和本发明钢的化学成分对比
本发明提供的高强韧性双金属带锯条背材用钢及其制备方法，该双金属锯条背材用钢具有高强度，兼有良好塑韧性，在保证强度的前提下，降低成本，提高塑韧性；本发明产品与RM80钢相比，将钢中的Mo从1.98%降至0.90～1.20%，Cr从3.05%提高至3.30～3.60%，并添加微量细晶强韧化元素Nb，使钢的抗拉强度与RM80钢相当，而屈服强度和延伸率均优于RM80钢，且综合成本降低。
本发明的合金钢由于其强度高、韧性好、价格便宜，可完全替代双金属锯条进口背材用钢，极大解决国内市场对高强韧性双金属锯条背材用钢的需求，它的成功开发使用将带来巨大的经济效益，其市场前景广阔。

Claims (8)

1.一种高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，其成分组成的重量百分比为：C：0.38～0.43％；Si：0.20～0.40％；Mn：0.70～0.90％；Cr：3.30～3.60％；Ni：0.50～0.70％；Mo：0.90～1.20％；V：0.32～0.38％；Nb：0.08～0.20％；Al：0.015～0.05％；其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，所述成分中的Cr：3.41～3.55％，以重量百分比计。
3.根据权利要求1所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，所述成分中的Mo：0.93～1.15％，以重量百分比计。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，所述的双金属带锯条背材用钢的屈服强度1500MPa以上。
5.根据权利要求1-3任一项所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，所述的双金属带锯条背材用钢的延伸率9.5％以上。
6.根据权利要求1所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢，其特征在于，其成分组成杂质元素的重量百分比低于0.05wt％。
7.一种权利要求1所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用转炉或电炉炼钢→炉外精炼→模铸或连铸→热轧→球化退火→冷轧；
所述热轧步骤：将钢水经转炉或电炉炼钢→炉外精炼→模铸或连铸制成的钢锭或板坯，加热至温度1150～1220℃，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度800～950℃，终轧后得钢板冷至200℃以下；
所述球化退火步骤：所述热轧所得钢板进入退火炉，以≤100℃/h的速度升温至780±5℃，保温1-4小时，再以≤20℃/h的速度降温至550℃以下后出炉空冷，冷轧得到所述背材用钢。
8.根据权利要求7所述的高强韧性双金属带锯条背材用钢的制备方法，其特征在于，所述冷轧后还包括热处理步骤，所述热处理步骤：将钢板快速加热至1180-1220℃，保温2-5min后，在氮气保护下进行淬火；在低于-80℃以下冷处理≥4小时；然后在540-560℃回火2小时，回火2次。
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