CN106048177A - 一种大马士革钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种大马士革钢的制备方法，属于刀具用钢制备技术领域。这种制备方法采用的原料基材可采用低、中碳钢，被包覆材可采用高碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁等合金。主要工序有坯材设计、组坯、表面处理、熔炼、铸锭、锻造、轧制、均匀化退火及表面浸蚀等过程。采用这种方法制备的大马士革钢，其表面呈现木结构类花纹，用其制备的刀具具有较高的锋利度。

Description

一种大马士革钢的制备方法
技术领域
本发明属于刀具用钢制备技术领域，涉及一种大马士革钢的制备方法。
背景技术
大马士革刀的显著特征是刀的表面有着纷繁的水纹状图案。这些图案通常称之为大马士革花纹。该刀具有出色的强韧性,抗断裂性；刀锋锐利无比,长久以来被认为是冷兵器时代的兵器之王。由于当时工匠们严守制刀工艺秘密，导致大马士革刀的制造工艺失传。
对大马士革刀的研究和复制是近代钢铁冶金学的重要课题。林卓毅在金属世界(2001,(5)：14)上的发表的文章“神秘的大马士革钢”中介绍了美国斯坦福大学的冶金学家仿照古老的大马士革钢的金相结构，成功地将新的大马士革钢制造出来。他们的主要工艺是:第一步，将含碳量1.5％-1.6％的超高碳钢冶铸成钢坯。当钢坯冷却到1100-1150℃时,使用轧制、锻造、挤压等方式对钢坯实施反复的压力加工，从而打碎钢中内部铸造结构的网状渗碳体，迫使渗碳体细化成微粒分布在钢的金属晶界上，从而减轻了渗碳体对基体金属强度的危害，而且由于渗碳体在钢中呈弥散状分布,故起到阻碍金属晶粒长大的作用，使钢的内部晶粒呈现得很细小；第二步，当钢坯冷却到600-700℃时，再次对钢坯进行反复的压力加工,目的是使钢的金属显微组织进一步细化均匀；最后使金属晶粒细化到1μm左右。经过以上两个步骤的工艺程序，高碳钢完全进人了超塑性状态。应用这种钢制造工具或机器零件,其强度，韧性完全等同于大马士革钢的特性。
为了制造出大马士革花纹，人们也提出了一些制造花纹的方法，如专利一种刀具用花纹复合钢板及其生产方法(申请号：201010118928.1)公开了一种刀具用花纹复合钢板及其生产方法，该花纹复合钢板包括由刀刃钢构成的基层，在其两层覆盖有装饰层。该花纹复合板的生产方法包括凹式切削、切割、脱碳、喷焊和压延。
本发明提出了一种区别于现有公开报道的大马士革钢的制造方法，即在原料基材主要是低、中碳钢，被包覆材主要是高碳钢、不锈钢、合金钢、合金和铸铁，主要是通过坯材设计、组坯、表面处理、熔炼、铸锭、锻造、轧制、均匀化退火及其表面浸蚀等工艺过程进行制备。
发明内容
本发明对低、中碳钢外模框和栅格，以及由高碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁等合金作为被包覆材组成的复合坯料铸锭，主要利用不同材料在热变形时所具有的塑性特点，通过控制镦粗、拔长、扭转锻造、轧制、均匀化退火以及表面侵蚀工艺方法来实现大马士革钢的制备。
本发明通过以下技术措施实现：
一种大马士革钢的制备方法，其特征在于：采用的原料基材是低、中碳钢，被包覆材是高碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁合金通过坯材设计、组坯、表面处理、熔炼、铸锭、锻造、轧制、均匀化退火及其表面浸蚀工艺过程进行制备；
所述的制备过程为：
(1)组坯：指以低/中碳钢为原料，将其制成一定形状和尺寸的外模框，其内布置有由低/中碳钢制成的栅格，栅格由各栅格板之间的榫卯方式组成；
(2)表面处理：指对外模框、栅格表面进行喷丸活化处理，之后再对其进行涂覆低熔点防氧化涂料或高模数水玻璃的防氧化处理，该表面防氧化剂在浇注时会浮现在铁水表面，在锻造时会随水口、冒口端的切除而去；
(3)熔炼：指对被包覆材原料在真空感应炉内进行高温熔化；
(4)铸锭：指将熔炼的被包覆材注入由外模框、栅格组成的空间内形成复合坯料的铸锭过程；
(5)锻造：指对复合铸坯加热并对其进行镦粗、拔长、扭转的热锻变形操作，其中，镦粗用于增加钢锭的热塑性，拔长用于保证锻坯的质量，扭转用于保证花纹的多样性；
(6)轧制：指对经锻造后的坯料进行加热并对其进行热轧，以轧制出具有一定厚度的板坯；
(7)均匀化退火：对板坯进行退火处理，以使板坯成分均匀；
(8)侵蚀：是对板坯进行表面酸侵，以使其表面出现木结构类花纹，从而制备出大马士革钢。
坯材结构不同，对应的板坯表面呈现出的花纹样式不同。本发明提出的坯材结构设计为：(1)栅格板相互平行布置；(2)栅格板相互垂直布置；(3)栅格板在外模框两端平行布置，中间相互垂直布置；(4)栅格板在外模框两端相互垂直布置，中间平行布置；(5)平行栅格板与相互垂直栅格板的相间布置；(6)栅格板相互成某一角度布置(即可相等，也可不等)；(7)栅格板在外模框两端相互平行布置，中间相互成某一角度布置(即可相等，也可不等)；(8)栅格板在外模框两端相互成某一角度布置(即可相等，也可不等)，中间相互平行布置；(9)平行栅格板与相互成某一角度(即可相等，也可不等)的栅格板的相间布置。
外模框的结构形式或由平面组成、或由曲面组成，或由平面和曲面复合组成，其尺寸范围为10～600mm；
栅格板的结构形式或由平面组成、或由曲面组成，或由平面和曲面复合组成，各栅格板间组成的内部空间尺寸范围为1～600mm；
外模框、栅格板用原料基材主要是C含量0.1～0.6％的低、中碳钢。
被包覆材用高碳钢的C含量范围为0.6～2.11％；被包覆材用马氏体不锈钢的C含量≥0.3％；被包覆材用合金钢的碳当量范围为0.6～2.11％；被包覆材用铸铁的C含量范围为2.11～3.60％；Cr含量范围为11.0～30.0％。
本发明的有益效果：
通过实验研究和理论分析表明，本发明提出的大马士革钢，其表面具有木结构类花纹，且贯穿整个钢；用其制备的刀具锋利、坚韧、耐用。该方法将为企业提供一项制备花纹钢板的新技术。
附图说明
图1是本发明所采用的技术路线图。
图2是本发明提出的外模框内栅格板相互平行布置的坯材结构设计示意图。
2-1-外模框；2-2-相互平行布置的栅格板
图3是本发明提出的外模框内栅格板相互垂直布置的坯材结构设计示意图。
3-1-外模框；3-2-相互垂直布置的栅格板
图4是本发明提出的外模框内栅格板在外模框两端平行布置，中间相互垂直布置的坯材结构设计示意图。
4-1-外模框；4-2-相互平行布置的栅格板；4-3-相互垂直布置的栅格板
图5是本发明提出的外模框内栅格板在外模框两端相互垂直布置，中间平行布置的坯材结构设计示意图。
5-1-外模框；5-2-相互平行布置的栅格板；5-3-相互垂直布置的栅格板
图6是本发明提出的外模框内平行栅格板与相互垂直栅格板的相间布置的坯材结构设计示意图。
6-1-外模框；6-2-平行布置的栅格板；6-3-相互垂直布置的栅格板
图7是本发明提出的外模框内栅格板相互成某一角度布置(即可相等，也可不等)的坯材结构设计示意图。
7-1-外模框；7-2-相互成某一角度布置的栅格板
图8是本发明提出的外模框内栅格板在外模框两端相互平行布置，中间相互成某一角度布置(即可相等，也可不等)的坯材结构设计示意图。
8-1-外模框；8-2-相互平行布置的栅格板；8-3-相互成某一角度布置的栅格板
图9是本发明提出的外模框内栅格板在外模框两端相互成某一角度布置(即可相等，也可不等)，中间相互平行布置的坯材结构设计示意图。
9-1-外模框；9-2-相互成某一角度布置的栅格板；9-3-相互平行布置的栅格板
图10是本发明提出的外模框内平行栅格板与相互成某一角度(即可相等，也可不等)的栅格板的相间布置的坯材结构设计示意图。
10-1-外模框；10-2-平行布置的栅格板；10-3-相互成某一角度布置的栅格板
具体实施方式
现将本发明的实施例具体叙述于后。
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
本发明实现步骤如下：(1)组坯：选取一低或中碳钢为原料，将其制成一定形状和尺寸的外模框(图2～10中的1)，然后其内布置由低或中碳钢制成的栅格(由各栅格板之间的榫卯方式组成栅格)(图2～10中的2、3)；2)表面处理：指对外模框、栅格表面进行喷丸活化处理，之后再对其进行涂覆低熔点防氧化涂料或高模数水玻璃的防氧化处理(该界面防氧化剂在浇注时会浮现在铁水表面，在锻造时会随水口、冒口端的切除而去除)；(3)熔炼：指对被包覆材(高碳钢、不锈钢、合金钢、合金和铸铁等)原料在真空感应炉内进行高温熔化；(4)铸锭：指将熔炼的被包覆材注入由外模框、栅格组成的空间内形成复合坯料的铸锭过程。(5)锻造：指对复合铸坯加热并对其进行镦粗、拔长、扭转的热锻变形操作(其中，镦粗主要用于增加钢锭的热塑性，拔长用于保证锻坯的质量，扭转用于保证花纹的多样性)。(6)轧制：指对经锻造后的坯料进行加热并对其进行热轧，以轧制出具有一定厚度的板坯。(7)均匀化退火：主要是对板坯进行退火处理，以使板坯成分均匀。(8)侵蚀：是对板坯进行表面酸侵，以使板坯表面出现木结构类花纹，从而制备出大马士革钢。
实施例1
本实施例的外模框选用的低碳钢化学成分(质量分数/％)为：0.20C，0.5Si,0.52Mn，0.009S，0.008P，其余含量为Fe，外模框壁厚为10mm，边长为600mm，高度为900mm。栅格选用的中碳钢化学成分(质量分数/％)为：0.60C，0.6Si,0.56Mn，0.008S，0.009P，其余含量为Fe，栅格板壁厚为6mm，宽为580mm，长度为900mm；各栅格板之间采用榫卯方式组成栅格(采用图2所示的结构)；将外模框与栅格组合在一起，然后对外模框与栅格的内表面进行喷丸处理，并对其涂覆低熔点玻璃；熔炼用的高铬铸铁的化学成分(质量分数/％)为：2.9C，0.6Si,1.56Mn，0.009S，0.008P，17.6Cr，其余含量为Fe，将其在电炉内进行高温熔化；之后将其熔炼好的高铬铸铁注入由外模框、栅格组成的空间内，待其冷却形成钢、铁复合的铸锭；将铸锭装入加热炉中，将其加热到1060℃，保温2h；铸锭出炉后，对其切除水口、冒口后，再对其进行镦粗、拔长、扭转变形，形成厚度为60mm厚的锻坯；然后再进行1060℃，保温2h的加热处理并进行热轧，制备出厚度为10mm厚的板坯；之后在退火炉内进行500℃的低温退火处理，以均匀板坯内的化学成分，然后再对其表面进行低倍酸侵处理，以使板坯表面的花纹呈现出来。对制备出的大马士革钢进行930℃的淬火及200℃的回火处理，之后对其进行力学性能测试。
该钢表面出现木结构类花纹，其硬度为HRC61，这表明由该钢制成的刀具将具有较高的锋利度。
实施例2
本实施例的外模框选用的低碳钢化学成分(质量分数/％)为：0.20C，0.6Si,0.56Mn，0.008S，0.008P，其余含量为Fe，外模框壁厚为20mm，边长为800mm，高度为1200mm。栅格选用的中碳钢化学成分(质量分数/％)为：0.46C，0.5Si,0.51Mn，0.009S，0.009P，其余含量为Fe，栅格板壁厚为6mm，宽为760mm，长为1200mm；各栅格板之间采用榫卯方式组成栅格(采用图2所示的结构)；将外模框与栅格组合在一起，然后对外模框与栅格的内表面进行喷丸处理，并对其涂覆低熔点玻璃；熔炼用的高铬铸铁的化学成分(质量分数/％)为：3.5C，0.52Si,1.59Mn，0.008S，0.008P，15.6Cr，其余含量为Fe，将其在真空感应炉内进行高温熔化；之后将其熔炼好的高铬铸铁注入由外模框、栅格组成的空间内，待其冷却形成钢锭；将钢锭装入加热炉中，将其加热到1050℃，保温3h；钢锭出炉后，对其切除水口、冒口后，再对其进行镦粗、拔长、扭转变形，形成厚度为60mm厚的锻坯；然后再进行1050℃，保温3h的加热处理并进行热轧，制备出厚度为10mm厚的板坯；之后在退火炉内进行500℃的低温退火处理，以均匀板坯内的化学成分，然后再对其表面进行低倍酸侵处理，以使板坯表面的花纹呈现出来。对制备出的大马士革钢进行920℃的淬火及200℃的回火处理，之后对其进行力学性能测试。
该钢表面出现木结构类花纹，其硬度为HRC63，这表明由该钢制成的刀具将具有较高的锋利度。
由实施例可见，采用本发明提出的方法可制备出大马士革钢，由其制备的刀具，其表面出现木结构类花纹将，且具有较高锋利度。

Claims (9)

1.一种大马士革钢的制备方法，其特征在于：采用的原料基材是低、中碳钢，被包覆材是高碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁合金通过坯材设计、组坯、表面处理、熔炼、铸锭、锻造、轧制、均匀化退火及其表面浸蚀工艺过程进行制备；
所述的制备过程为：
(1)组坯：指以低/中碳钢为原料，将其制成一定形状和尺寸的外模框，其内布置有由低/中碳钢制成的栅格，栅格由各栅格板之间的榫卯方式组成；
(2)表面处理：指对外模框、栅格表面进行喷丸活化处理，之后再对其进行涂覆低熔点防氧化涂料或高模数水玻璃的防氧化处理，该表面防氧化剂在浇注时会浮现在铁水表面，在锻造时会随水口、冒口端的切除而去；
(3)熔炼：指对被包覆材原料在真空感应炉内进行高温熔化；
(4)铸锭：指将熔炼的被包覆材注入由外模框、栅格组成的空间内形成复合坯料的铸锭过程；(5)锻造：指对复合铸坯加热并对其进行镦粗、拔长、扭转的热锻变形操作，其中，镦粗用于增加钢锭的热塑性，拔长用于保证锻坯的质量，扭转用于保证花纹的多样性；
(6)轧制：指对经锻造后的坯料进行加热并对其进行热轧，以轧制出具有一定厚度的板坯；(7)均匀化退火：对板坯进行退火处理，以使板坯成分均匀；
(8)侵蚀：是对板坯进行表面酸侵，以使其表面出现木结构类花纹，从而制备出大马士革钢。
2.根据权利要求1所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的坯材结构设计为：
(1)栅格板相互平行布置；
(2)栅格板相互垂直布置；
(3)栅格板在外模框两端平行布置，中间相互垂直布置；
(4)栅格板在外模框两端相互垂直布置，中间平行布置；
(5)平行栅格板与相互垂直栅格板的相间布置；
(6)栅格板相互成一定角度布置，角度相等或不等；
(7)栅格板在外模框两端相互平行布置，中间相互成某一角度布置，角度相等或不等；
(8)栅格板在外模框两端相互成一定角度布置，角度相等或不等，中间相互平行布置；
(9)平行栅格板与相互成一定角度布置，角度相等或不等的栅格板的相间布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的外模框的结构形式或由平面组成、或由曲面组成，或由平面和曲面复合组成，其尺寸范围为10～600mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的栅格板的结构形式或由平面组成、或由曲面组成，或由平面和曲面复合组成，各栅格板间组成的内部空间尺寸范围为1～600mm。
5.根据权利要求l所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的外模框、栅格板用原料基材是C含量0.1～0.6％的低、中碳钢。
6.根据权利要求l所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的被包覆材用高碳钢，是指C含量在0.6～2.11％范围内的碳素钢。
7.根据权利要求l所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的被包覆材用不锈钢是指马氏体不锈钢，其C含量在0.3％以上。
8.根据权利要求l所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的被包覆材用合金钢，指碳当量在0.6～2.11％范围内的合金钢。
9.根据权利要求l所述的一种大马士革钢的制备方法，其特征在于，所述的被包覆材用铸铁，是指C含量范围在2.11～3.60％；Cr含量范围在11.0～30.0％范围内的铸铁。
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