CN106319378A - 一种大直径薄锯片基体用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大直径薄锯片基体用钢及其制造方法，钢中的化学成分按重量百分比计为：C：0.72％～0.95％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.5％～0.95％，Cr：0.10％～0.39％，V：0.03％～0.080％，Ni≤0.5％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.015％，S≤0.010％和Al≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。钢水采用Si脱氧，板坯采用热送热装工艺，精轧开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为900～980℃，层流冷却采用后段冷却，冷却到680～800℃进行卷取，卷取后30分钟内进缓冷坑缓冷，热轧带钢冷冲成锯片基体后，加热至850～980℃，保温10～40min，进行淬火。该锯片用钢具有高淬硬性、高热稳定性的同时又具有高韧塑性，使用寿命明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种锯片基体用钢，特别是涉及一种矿山开采用直径大于1800mm、厚度为3～7mm的大直径薄规格锯片基体用钢及其制造方法。
背景技术
近年来，由于矿山开采业迅猛发展，对矿用大锯片的需求猛增，特别是对薄规格大锯片需求量明显增加。一般直径大于1800mm的锯片采用厚度7mm以上钢板才可保证锯片基体的强韧性匹配，而用厚度小于7mm的薄规格锯片基体制作大直径锯片，锯片基体重量小，不仅节省原材料而且方便安装；薄规格锯片基体的刀头也相应减薄，节省原材料，降低刀头厂生产成本；另一方面，薄锯片切割石材时切缝较窄，可以提高荒料的利用率，节约石材荒料。但是，由于薄型锯片基体厚度有所减薄，从力学角度来讲，它的刚性较标准厚度锯片基体要弱，需要更高强度的钢板才能满足使用要求。传统的65Mn、50Mn2V、30CrMo等钢种热处理后的强度不能满足制作直径大于1800mm、厚度小于7mm的薄规格锯片基体的要求，急需研制开发一种满足大直径薄规格锯片使用要求的锯片基体用钢。
《金钢石工具》2001年第1期“石材薄型锯片基体技术要求质量控制及使用”论文中介绍的薄规格锯片材质为50Mn2V，要求冶炼时化学成分控制在较窄的区间，而且对热处理工艺参数要求十分严格才能保证锯片质量，这对锯片基体用钢生产厂和锯片基体加工厂来说，生产难度均较大。
专利“CN1386883A金钢石锯片基体钢”化学成分：C：0.35％～0.65％，Si：0.1％～0.35％，Mn：1.2％～2.0％，V：0.060％～0.20％，Al：0.02～0.06％。由于碳含量低，做大直径锯片时必须6mm以上厚规格钢板，且淬透性明显不足，油淬后存在软点。
专利“CN1904119A一种石材切割锯片钢及其制造方法”化学成分：C：0.45％～0.60％，Si：0.1％～0.6％，Mn：1.3％～1.8％，V：0.050％～0.20％，Al：0.005％～0.04％，Cr：0.15％～0.3％，N：0.005％～0.020％，Ca：0～0.0050％。该发明适合做直径大于1000mm以上的大型切割石材锯片，但由于碳含量较低，热处理后强硬性也偏低(回火后在43HRC以下)，必须采用厚规格钢板做大直径锯片，不适合制作直径1800mm以上且厚度规格较薄的锯片基体。
专利“CN102296243A一种金钢石锯片基体用钢及其生产方法”公开的化学成分为：C：0.67％～0.75％，Si：0.17％～0.37％，Mn：0.9％～1.20％，Cr：0.4％～0.7％，Ni≤0.25％，Cu≤0.2％的热处理中厚板，不适于制作大直径薄锯片，且用于直接加工锯片基体，加工难度较大。含Ni及较高的Mn元素，成本较高，且易出偏析等缺陷，影响使用寿命。
专利“CN104178691A一种高强度冶金锯片用钢及其制造方法”公开了化学成分：C：0.30％～0.60％，Si：0.15％～0.30％，Mn：1.35％～1.9％，V：0.070％～0.19％，Al：0.025％～0.055％的热处理钢板，淬火+回火后成品钢板硬度28～40HRC，不能满足大直径锯片强硬性要求，不适合直接加工制作直径1500mm以上锯片基体。
上述文献及发明提及的钢种均不适于目前矿用大直径薄锯片行业的发展要求。因此，急需开发一种用于制作矿用大直径薄锯片基体的热轧带钢，具有高淬硬性、高热稳定性的同时又具有高韧塑性，明显提高锯片使用寿命。
发明内容
本发明涉及一种直径大于1800mm、厚度为3～7mm的大直径薄规格锯片基体用新型热轧带钢及其制造方法，该锯片用钢具有高淬硬性、高热稳定性的同时又具有高的韧塑性，使用寿命明显提高。
本发明设计的锯片用钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.72％～0.95％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.5％～0.95％，Cr：0.10％～0.39％，V：0.03％～0.080％，Ni≤0.5％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.015％，S≤0.010％和Al≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
以下详细阐述本发明钢各合金成分作用机理：
C是钢中主要的固溶强化元素。C含量若低于0.72％，则很难保证热处理后的硬度，另一方面C含量若高于0.95％，冶炼难控制，易存在碳偏析，恶化钢的韧塑性。因此，C含量要控制在0.72％～0.95％。
Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素。锰和铁形成固溶体，能提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹影响锯片用钢的热成形性。同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。Mn含量过低，不能满足热处理后高强硬性的要求，Mn含量过高易形成偏析带影响焊接性能，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，Mn含量应该控制在0.5％～0.95％。
Si是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，固溶形态的Si能提高屈服强度和韧脆转变温度，但若超过含量上限将降低韧性和焊接性能。因此0.06％～0.40％的Si保留在钢中是必要的。
Cr是显著提高钢的淬透性元素，钢中加入适量的Cr可使C曲线右移，相同冷速下获得的珠光体片间距更加细化。对于高碳钢，Cr可以提高碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向。另一方面，Cr还可提高铁素体电极电位，促使钢的表面形成致密的氧化膜，提高其耐蚀性。Cr含量过低，油淬时不能保证淬硬性；Cr含量过高，增加合金成本，且钢板板形差，难以校平，因此，锯片用钢中不易加入过多的Cr，本发明控制Cr含量0.1％～0.39％。
V是细晶强化和沉淀强化微合金元素，在钢中添加微量的V，在热加工过程中可以析出微细的VN和VCN等粒子，抑制奥氏体的形变再结晶，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒.另一方面，V也可提高淬透性和热稳定性。因此，钢中加入适量的V可提高热轧钢板的韧塑性及钢热处理后的强度和韧性。V含量过高，增加成本，因此，控制在0.03％～0.080％即可。
Ni是扩大奥氏体区元素，可以细化晶粒、球化碳化物，提高淬火后强度的同时，提高韧性、热稳定性等综合性能，提高锯片用钢使用寿命。Ni含量高，成本增加，因此，Ni含量控制在≤0.5％效果最佳。
为保证薄规格钢板加工大直径锯片基体的强度，本发明的钢板碳含量较高，高碳钢中H含量过高，易出现氢脆裂纹，影响锯片基体使用寿命，因此，本发明要求成品钢板中H≤0.0002％。
冶炼时一般用Al作脱氧剂，也可以细化晶粒，提高强度，但同时也易形成含Al的氧化物夹杂，影响钢的疲劳性能。为保证大直径锯片的疲劳性能，延长使用铸命，本发明锯片钢严格控制含Al夹杂物，禁止用含Al脱氧剂脱氧，且要求钢中Al含量≤0.010％。
P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，影响疲劳性能，缩短锯片使用寿命。因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.020％，最高S含量限制在0.010％。
上述成分设计采用高C含量，添加少量合金元素，保证钢板热处理后强硬性的同时提高韧塑性、热稳定性。通过添加Mn和Cr元素，提高钢板淬透性和淬硬性，同时加入微量Ni和V，细化晶粒的同时，提高锯片基体热处理后韧塑性，保证热稳定性。用厚度为3～7mm的钢板即可满足制作直径大于1800mm的锯片基体的使用要求。通过严格控制Al、P、S、H等杂质元素的含量，锯片基体使用寿命明显提高。
本发明的热轧带钢由转炉冶炼、电炉精炼、板坯连铸连轧及超快速冷却、卷取后缓冷而成，用其制造的锯片基体由冲压成型、淬火及回火的热处理等工艺制造而成，其技术特征如下：
1.冶炼工艺：
(1)冶炼采用Si脱氧，禁止用含Al脱氧剂脱氧，且要求钢中Al含量≤0.005％。
(2)中包吹氩时间不少于10分钟，确保夹杂物上浮充分。
(3)要求出LF精炼炉前碳含量在0.7％以上，以确保连铸后成品钢坯中碳的均匀性。
2.采用板坯连铸连轧生产工艺，板坯厚170～250mm，采用热送热装工艺，铸坯不下线连铸后直接进加热炉加热轧制，要求铸坯入炉温度800℃以上，保温时间4小时以上。
3.带钢轧制及冷却工艺：
(1)加热炉采用弱氧化性气氛，铸坯加热温度1140～1250℃，保温4小时以上，确保铸坯加热均匀的同时，尽量降低表面脱碳。(2)精粗轧均采用高压水除鳞，保证成品钢板表面质量；(3)精粗轧间采用热卷箱保温，保证通卷组织性能均匀；(4)精轧开轧温度1050～1150℃，终轧温度控制在900～980℃；(5)带钢出精轧机后，层冷采用后段冷却，冷却到680～800℃进行卷取，钢板卷取后30分钟内进缓冷坑缓慢冷却，在坑时间72小时以上，出坑温度小于200℃，平均冷速小于0.15℃/min。
4.锯片基体制造方法：
上述热轧带钢冷冲成锯片基体后，锯片基体淬火前加热温度为850～980℃，保温时间为10～40分钟，立即进入淬火介质淬火，要求锯片基体进入淬火介质前温度≥850℃，在淬火介质内停留时间为2～10分钟，出淬火介质的温度≤200℃。淬火介质为温度≤80℃的冷却油。锯片基体出淬火介质后回火加热温度为350～500℃。
本发明在高碳钢基础上，添加少量合金元素，以进一步提高淬透性、强硬性和韧塑性。通过添加Mn和Cr元素，提高钢板淬透性和淬硬性，同时加入微量Ni和V，细化晶粒，提高锯片基体热处理后韧塑性，保证热稳定性。冶炼采用Si脱氧，禁止用含Al脱氧剂脱氧，严格控制钢中Al、P、S等杂质元素的含量，特别是要求Al≤0.010％，中包吹氩时间不少于10分钟，以尽量降低钢中夹杂物含量，提高锯片基体疲劳性能，延长使用寿命。为避免高碳锯片基体出现氢脆裂纹，冶炼中要求中包H≤0.00025％，以确保成品H≤0.0002％。
经过冶炼、连铸、利用热连轧机组进行轧制。由于高碳钢脆性大，连铸坯采用热送热装工艺，铸坯入炉温度800℃以上，保温时间4小时以上，减轻偏析，均匀组织，以减少热应力和组织应力，避免铸坯产生裂纹。该发明碳含量高，为确保铸坯顺利通过粗轧机入口，要求板坯厚不超过250mm，另一方面，为了均匀组织，铸坯到成品要有足够的压下量，板坯最小厚度不得小于170mm。高碳钢表面易脱碳，严重影响锯片钢表面硬度。加热炉内采用弱氧化性气氛，可使高碳钢铸坯表面完全氧化，再采用高压水除鳞技术，去除表面氧化铁皮，从而降低成品钢板的表面脱碳层深度。带钢长度较长，轧制头尾部温降较快，精粗轧间采用热卷箱保温，可提高头尾部温度，确保钢坯头尾轧制温度，提高通卷轧制温度均匀性，进而提高通卷组织性能均匀性，提高成材率。高碳钢热变形抗力较大，因此要控制终轧温度达900℃以上，另一方面，为得到细小均匀的奥氏体组织，终轧温度不易超过980℃。为提高热轧钢板的冲压加工性能，要求层冷采用后段冷却，卷取温度控制在680～800℃，且钢板卷取后30分钟内进缓冷坑进行缓慢冷却，缓冷时间大于72小时，以减少钢板组织应力，降低强硬性、提高韧塑性。
为保证热处理前奥氏体化均匀，要求该钢板加工的锯片基体淬火前加热温度为850～980℃，保温时间为10～40分钟，为达到足够的冷速，淬火后得到均匀细小的马氏体组织，要求锯片基体入油温度≥850℃，出油温度≤200℃且油温≤80℃。为得到最终的细小均匀的索氏体组织，提高锯片基体的韧塑性和热稳定性，要求该钢板加工的锯片基体淬火后在350～500℃进行回火处理。
应用上述化学成分冶炼、连铸、轧制的热轧带钢强度在980MPa以下，硬度≤20HRC，延伸率＞15％，脱碳层深度＜0.03mm，组织为片层状珠光体、粒状珠光体和极少量铁素体，强硬性和塑性匹配优异，具有良好的冲压性能，利于加工锯片基体，特别是利于大直径锯片的加工。利用上述钢板加工的锯片基体毛坯，经热处理后硬度可达48HRC以上，强度达1500MPa以上，延伸率达10％以上，热稳定性优异，用厚度3～7mm的钢板即可满足矿山开采用直径大于1800mm的锯片基体的使用要求。
附图说明
图1实施例2热轧钢板组织形貌；
图2实施例2锯片基体组织形貌；
图3实施例8热轧钢板组织形貌；
图4实施例8锯片基体组织形貌；
图5对比例热轧钢板组织形貌；
图6对比例锯片基体组织形貌。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。表1为本发明实施例钢的化学成分，表2为本发明实施例热轧带钢的生产工艺和性能，表3锯片基体生产工艺及力学性能。
表1本发明实施例钢的化学成分 wt％
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | V | Al | H |
| 实施例1 | 0.72 | 0.25 | 0.95 | 0.015 | 0.005 | 0.22 | 0.06 | 0.041 | 0.0091 | 0.00015 |
| 实施例2 | 0.75 | 0.27 | 0.52 | 0.004 | 0.009 | 0.35 | 0.22 | 0.032 | 0.0058 | 0.000062 |
| 实施例3 | 0.78 | 0.08 | 0.71 | 0.008 | 0.002 | 0.12 | 0.15 | 0.055 | 0.0069 | 0.00018 |
| 实施例4 | 0.80 | 0.16 | 0.65 | 0.010 | 0.008 | 0.10 | 0.12 | 0.049 | ≤0.005 | 0.00005 |
| 实施例5 | 0.85 | 0.40 | 0.80 | 0.012 | 0.004 | 0.25 | 0.08 | 0.030 | 0.0078 | 0.00067 |
| 实施例6 | 0.90 | 0.15 | 0.75 | 0.014 | 0.003 | 0.39 | 0.32 | 0.047 | ≤0.005 | 0.00058 |
| 实施例7 | 0.92 | 0.16 | 0.88 | 0.013 | 0.008 | 0.25 | 0.27 | 0.075 | ≤0.005 | 0.00012 |
| 实施例8 | 0.95 | 0.27 | 0.72 | 0.014 | 0.004 | 0.18 | 0.49 | 0.080 | ≤0.005 | 0.00098 |
| 实施例9 | 0.82 | 0.35 | 0.59 | 0.012 | 0.007 | 0.25 | 0.35 | 0.050 | 0.0058 | 0.00010 |
| 实施例10 | 0.87 | 0.08 | 0.68 | 0.010 | 0.01 | 0.14 | 0.13 | 0.056 | 0.0085 | 0.00018 |
| 实施例11 | 0.80 | 0.09 | 0.70 | 0.008 | 0.007 | 0.28 | 0.45 | 0.066 | 0.0088 | 0.00013 |
| 实施例12 | 0.88 | 0.07 | 0.82 | 0.013 | 0.006 | 0.35 | 0.06 | 0.007 | 0.015 | 0.000069 |
| 实施例13 | 0.73 | 0.16 | 0.88 | 0.013 | 0.008 | 0.25 | 0.27 | 0.075 | ≤0.005 | 0.00012 |
| 实施例14 | 0.80 | 0.06 | 0.92 | 0.014 | 0.004 | 0.38 | 0.29 | 0.080 | ≤0.005 | 0.00098 |
| 实施例15 | 0.82 | 0.30 | 0.59 | 0.012 | 0.007 | 0.25 | 0.15 | 0.050 | 0.0058 | 0.00010 |
| 实施例16 | 0.79 | 0.18 | 0.68 | 0.010 | 0.01 | 0.16 | 0.33 | 0.056 | 0.0085 | 0.00018 |
| 实施例17 | 0.88 | 0.25 | 0.80 | 0.015 | 0.005 | 0.32 | 0.35 | 0.041 | 0.0090 | 0.00010 |
| 实施例18 | 0.85 | 0.27 | 0.52 | 0.004 | 0.009 | 0.35 | 0.42 | 0.032 | 0.0058 | 0.000062 |
表3锯片基体生产工艺及力学性能
根据以上实施例可以得出，应用本发明的化学成分冶炼、连铸、轧制的热轧带钢强度≤980MPa，硬度≤20HRC，延伸率＞15％，脱碳层深度＜0.03mm，强硬性和塑性匹配优异，具有良好的冲压性能；利于该热轧带钢加工的锯片基体，经热处理后硬度可达48HRC以上，强度达1500MPa以上，延伸率达10％以上，热稳定性优异。
Claims (3)
1.一种大直径薄锯片基体用钢，其特征在于，钢中的化学成分按重量百分比计为：C：0.72％～0.95％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.5％～0.95％，Cr：0.10％～0.39％，V：0.03％～0.080％，Ni≤0.5％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.015％，S≤0.010％和Al≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的大直径薄锯片基体用钢的制造方法，包括热轧带钢的制造方法、锯片基体制造方法，热轧带钢由转炉冶炼、电炉精炼、板坯连铸连轧及超快速冷却、卷取后缓冷而成，锯片基体由所述热轧带钢经冲压成型、淬火及回火热处理等工艺制造而成，其特征在于，
(1)冶炼：采用Si脱氧，且钢中Al含量≤0.005％，中包吹氩时间不少于10分钟，出LF精炼炉前碳含量在0.7％以上；
(2)板坯连铸连轧：板坯厚170～250mm，采用热送热装工艺，铸坯不下线连铸后直接进加热炉加热轧制，铸坯入炉温度800℃以上，加热炉采用弱氧化性气氛，铸坯加热温度1140～1250℃，保温4小时以上，精粗轧均采用高压水除鳞，精粗轧间采用热卷箱保温，精轧开轧温度1050～1150℃，终轧温度控制在900～980℃；
(3)超快速冷却、卷取后缓冷：带钢出精轧机后，层冷采用后段冷却，冷却到680～800℃进行卷取，钢板卷取后30分钟内进缓冷坑缓慢冷却，在坑时间72小时以上，出坑温度小于200℃，平均冷速小于0.15℃/min；
(4)锯片基体热处理：热轧带钢冷冲成锯片基体后，锯片基体淬火前加热温度为850～980℃，保温时间为10～40min，立即进入淬火介质淬火，锯片基体进入淬火介质前温度≥850℃，在淬火介质内停留时间为2～10min，出淬火介质的温度≤200℃，淬火介质温度≤80℃，锯片基体出淬火介质后回火加热温度为350～500℃。
3.如权利要求2中所述的淬火介质，其特征在于，淬火介质为冷却油。
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