CN106636973B - 刀片用工具钢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀片用工具钢材料，包括如下重量份数的组分：80.89‑83.92份的铁、0.75‑1.5份的碳、0.25‑0.3份的硅、1.5‑1.8份的锰、7.4‑7.8份的铬、0.35‑0.5份的镍、0.2‑0.35份的钼、0.1‑0.15份的钛、0.02‑0.05份的钒、4.3‑4.7份的钨、0.8‑1.0份的铝。本发明的有益效果为：对合金元素的种类和用量进行优化设计，一方面使合金元素之间能相互作用，发挥各自的优异性能，另一方面多种合金元素互补，弥补单一合金性能上的不利影响，从而使该刀片用工具钢材料硬度高、耐摩擦和耐腐蚀性能强。

Description

刀片用工具钢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及工具钢材料领域，特别涉及一种刀片用工具钢材料及其制备方法。
背景技术
公开号为CN103131957A的中国专利公开了一种绿篱机刀片用工具钢材料及其制备方法。钒、钴、钼元素能够提高强度并具有一定韧性，铜和铝能够提高韧性。该工具钢材料通过增强钒、钴、钼元素以及铜、铝同钨、铬、钛元素的结合而减少析出，并通过稀土元素增加各元素的组合及增加合金中组织结构的均匀度。
但是，在实际使用过程中，绿篱机的刀片需要经常切割灌木丛。而在切割过程中，绿篱机的刀片需要时常与灌木丛进行摩擦，因此对于绿篱机的耐摩擦性能有较高的要求，而该绿篱机刀片用工具钢材料无法满足对于耐摩擦性能的要求，有待改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好的耐摩擦性能的刀片用工具钢材料。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种刀片用工具钢材料，包括如下重量份数的组分：80.89-83.92份的铁、0.75-1.5份的碳、0.25-0.3份的硅、1.5-1.8份的锰、7.4-7.8份的铬、0.35-0.5份的镍、0.2-0.35份的钼、0.1-0.15份的钛、0.02-0.05份的钒、4.3-4.7份的钨、0.8-1.0份的铝。
通过采用上述技术方案，硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。锰能够提高钢的韧性，具有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。铬能够显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性，也能够提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。镍能够提高钢的强度，又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在在高温下有防锈和耐热能力。钼能够使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能。在高温时保持合金具有足够的强度和抗蠕变能力。钛能够使合金的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性，在高温高压下可提高合金抗氢腐蚀能力。钨的熔点高，比重大，能够与碳形成具有硬度高和耐磨性强的碳化钨，显著提高合金红硬性和热强性。铝可细化晶粒，提高冲击韧性。铝、铬和硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀能力。
本发明进一步设置为：按照重量份，还包括0.06-0.07份稀土元素。
通过采用上述技术方案，稀土元素微小的固态质点提供异质晶核，或在结晶界面上偏聚，阻碍晶胞长大，为钢晶粒细化提供较好地热力学条件，细化钢凝固组织，从而改善钢的性能。同时，由于稀土金属的原子半径同工业金属的原子半径差异较大，因此稀土金属在铁液中的固溶度很小，很难形成固溶体，合金化作用极差。但是，在稀土合金钢中，由于稀土主要偏聚于晶界，引起晶界的结构、化学成分和性能的变化，并影响其他元素的扩散和新相形核与长大，从而导致钢的组织与性能发生变化。
本发明进一步设置为：所述稀土元素包括铯和钇，按照重量比，所述铯∶钇＝1∶1。
通过采用上述技术方案，铯和钇能够细化晶粒，增强合金的屈服强度、抗拉强度，且对于抗拉强度的增强作用大于对屈服强度的增强作用。
本发明进一步设置为：按照重量份，还包括0.3-0.8份的氮。
通过采用上述技术方案，氮能部分用于铁中，有固溶强化和提高淬透性的作用，但不显著。由于氮化物在晶界上析出，能提高晶界高温强度，增加钢的蠕变强度。与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用。对钢抗腐蚀性能不显著，但钢的表面渗氮后，不仅增加其硬度和耐磨性，也显著改善抗腐蚀性。在低碳钢中残留氮会导致时效脆性。
本发明进一步设置为：按照重量份，还包括0.05-0.09份的铌。
通过采用上述技术方案，铌在合金中能够形成铌碳化合物。相比于其他合金碳化物，具有更高的硬度以及更大的Me/C比，从而使得铌碳化合物在对合金耐磨性的提升具有更为显著的效果。同时，铌能够细化晶粒尺寸，从而增强其他合金元素对合金淬透性的影响。
本发明另一发明目的在于提供一种刀片用工具钢材料的制备方法，包括如下制备步骤：
Step1：按照重量份，称取80.89-83.92份的铁、0.75-1.5份的碳、0.25-0.3份的硅、1.5-1.8份的锰、7.4-7.8份的铬、0.35-0.5份的镍、0.2-0.35份的钼、0.1-0.15份的钛、0.02-0.05份的钒、4.3-4.7份的钨、0.8-1.0份的铝、0.06-0.07份稀土元素、0.05-0.09份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为8-10∶1，20-40rad/min的速度，进行70-90h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1050-1150℃，加热保温时间为20-40min，开坯压力为130-170MPa，精整压力为30-50MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1150-1240℃，然后冷却至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在150-200℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为0.5-1.5h，回火次数为2-5次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为520-550℃，再通入氨气，保温时间为20h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
通过采用上述技术方案，合金元素之间能够充分结合得到耐磨性能强的合金。利用氮气进行排空，避免在渗氮过程中渗氮炉中存在氧气，造成对合金的高温氧化。而氨气的通入能够在高温状态下发生分解，生成氮原子，能够渗透到工具钢坯体的表面，与坯体中多种合金元素结合，增强合金的韧性、耐磨性能。之后，利用氮气进行冷却，减少氨气的使用。
本发明进一步设置为：Step3中冷等静压压力为150-350MPa，保压时间为1-10min。
通过采用上述技术方案，冷等静压压力过大，则会增大对设备的要求，增加生产成本。冷等静压压力过小，则会导致压坯比较松散，不利于烧结。
本发明进一步设置为：Step4中烧结时将压坯加热至1100-1250℃并保温30-90min，烧结压力为10-40MPa。
通过采用上述技术方案，压坯加热温度过高，对设备要求较高，增大生产成本。压坯加热温度过低，则压坯中的各个合金元素之间无法充分结合形成致密的烧结体。
本发明进一步设置为：Step6中采用油冷进行冷却。
通过采用上述技术方案，水冷的冷速较快，使合金产生较大的组织应力，导致合金容易发生严重变形甚至开裂。而油冷的冷速小于水冷，能够降低组织应力，减少合金的变形和开裂。
本发明进一步设置为：Step8中前10h通氮气的温度控制为520-535℃，后10h通氮气的温度控制为535-550℃。
通过采用上述技术方案，将通氮过程分成两步，后一步的温度比前一步要高，从而加速氮原子的扩散，缩短渗氮周期。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、对合金元素的种类和用量进行优化设计，一方面使合金元素之间能相互作用，发挥各自的优异性能，另一方面多种合金元素互补，弥补单一合金性能上的不利影响，从而使该刀片用工具钢材料硬度高、耐摩擦和耐腐蚀性能强；
2、在渗氮过程中，氨气分解会产生氢气，而氢气会对合金产生一定量的腐蚀。钒能够提升合金的抗氢腐蚀能力，降低氢气对合金的腐蚀，减少渗氮过程中氢气对合金的性能造成的副作用。
具体实施方式
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1-5中稀土元素包括铯和钇，按照重量比，所述铯∶钇＝1∶1。盐浴中使用的盐为氯化钠。氮的测定方法根据渗氮前后刀具用合金钢材料的增加的重量确定。
实施例1
Step1：按照重量份，称取83.07份的铁、1.5份的碳、0.25份的硅、1.5份的锰、7.4份的铬、0.35份的镍、0.2份的钼、0.1份的钛、0.02份的钒、4.4份的钨、0.8份的铝、0.06份稀土元素、0.05份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为8∶1，20rad/min的速度，进行70h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯，冷等静压压力为150MPa，保压时间为1min；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体，烧结时将压坯加热至1250℃并保温90min，烧结压力为40MPa；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1150℃，加热保温时间为40min，开坯压力为130MPa，精整压力为50MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1150℃，然后油冷至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在200℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为1.5h，回火次数为5次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为520℃，再通入氨气，保温时间为10h，然后控制温度为535℃，再通入氨气，保温时间为10h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
经测定，渗氮后的合金工具钢材料增加0.3重量份的氮。
实施例2
Step1：按照重量份，称取82.878份的铁、1.2份的碳、0.26份的硅、1.6份的锰、7.6份的铬、0.4份的镍、0.25份的钼、0.11份的钛、0.03份的钒、4.3份的钨、0.85份的铝、0.062份稀土元素、0.06份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为9∶1，25rad/min的速度，进行75h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯，冷等静压压力为200MPa，保压时间为3min；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体，烧结时将压坯加热至1200℃并保温70min，烧结压力为10MPa；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1100℃，加热保温时间为35min，开坯压力为140MPa，精整压力为40MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1170℃，然后油冷至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在190℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为0.5h，回火次数为4次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为525℃，再通入氨气，保温时间为10h，然后控制温度为540℃，再通入氨气，保温时间为10h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
经测定，渗氮后的合金工具钢材料增加0.4重量份的氮。
实施例3
Step1：按照重量份，称取82.276份的铁、1份的碳、0.27份的硅、1.7份的锰、7.5份的铬、0.45份的镍、0.3份的钼、0.12份的钛、0.05份的钒、4.7份的钨、0.9份的铝、0.064份稀土元素、0.07份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为10∶1，30rad/min的速度，进行80h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯，冷等静压压力为250MPa，保压时间为5min；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体，烧结时将压坯加热至1150℃并保温50min，烧结压力为20MPa；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1050℃，加热保温时间为30min，开坯压力为150MPa，精整压力为30MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1190℃，然后油冷至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在180℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为0.75h，回火次数为3次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为527℃，再通入氨气，保温时间为10h，然后控制温度为543℃，再通入氨气，保温时间为10h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
经测定，渗氮后的合金工具钢材料增加0.6重量份的氮。
实施例4
Step1：按照重量份，称取81.804份的铁、0.9份的碳、0.28份的硅、1.8份的锰、7.8份的铬、0.5份的镍、0.35份的钼、0.13份的钛、0.04份的钒、4.6份的钨、0.95份的铝、0.066份稀土元素、0.08份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为8.5∶1，35rad/min的速度，进行85h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯，冷等静压压力为300MPa，保压时间为7min；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体，烧结时将压坯加热至1100℃并保温40min，烧结压力为30MPa；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1075℃，加热保温时间为25min，开坯压力为160MPa，精整压力为35MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1210℃，然后油冷至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在165℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为1h，回火次数为2次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为530℃，再通入氨气，保温时间为10h，然后控制温度为545℃，再通入氨气，保温时间为10h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
经测定，渗氮后的合金工具钢材料增加0.7重量份的氮。
实施例5
Step1：按照重量份，称取82.21份的铁、0.75份的碳、0.3份的硅、1.7份的锰、7.7份的铬、0.42份的镍、0.28份的钼、0.15份的钛、0.03份的钒、4.5份的钨、1份的铝、0.07份稀土元素、0.09份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为9.5∶1，40rad/min的速度，进行90h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯，冷等静压压力为350MPa，保压时间为10min；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体，烧结时将压坯加热至1175℃并保温30min，烧结压力为25MPa；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1125℃，加热保温时间为20min，开坯压力为170MPa，精整压力为45MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1240℃，然后油冷至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在150℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为1.25h，回火次数为3次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为535℃，再通入氨气，
保温时间为10h，然后控制温度为550℃，再通入氨气，保温时间为10h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
经测定，渗氮后的合金工具钢材料增加0.8重量份的氮。
性能试验
1.1硬度试验
参照GB/T 230.1-04金属洛氏硬度试验进行硬度测试。
表1实施例1-5硬度试验记录表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
HRC 67 66 69 67 68
从表1可知，本发明得到的刀片用工具钢材料的HRC均大于60，符合要求，具有高硬度。
1.2耐磨性能试验
参照GB/T 12444.1-1900金属磨损试验方法MM型磨损试验进行耐磨性能试验。
磨损重量变化率＝(m0-m1)/m0*100％
式中：m0为磨前质量，m1为磨后质量。
表2实施例1-5耐磨性能试验记录表
注：磨损重量变化率越小，则表明耐磨损性能越强。
从表2可知，本发明具有优良的耐磨损性能。在实施例1-5中，实施例3的磨损重量变化率均低于其他实施例，可见实施例3的耐磨损性能均优于其他实施例。
1.3耐腐蚀性能试验
S1：分别取将按照实施例1-5制作的刀片用工具钢材料10cm*10cm*1cm，分别编号为A-E，
称重并记为m2；
S2：在洁净且透明的100cm*100cm*100cm的密闭试验箱中，按10cm的距离等间距依次放置A-E，其中位于两侧的刀片用工具钢材料与试验箱之间的距离控制在5cm以上；
S3：往试验箱中通入与大气成分相同的气体，调节气体的相对湿度分别为40％、70％、100％，气体的流速控制为10L/min；
S4：试验时间为30天，30天后取出A-E，用洁净且干燥的纸擦净，称重并记为m3；
S5：计算腐蚀重量变化率
腐蚀重量变化率＝(m2-m3)/m2*100％；
S6：重复S1-S5三次，将三次得到的腐蚀重量变化率取平均值。
表3实施例1-5的腐蚀重量变化率
注：腐蚀重量变化率越小，则表明耐腐蚀性能越强。
从表3可知，本发明在不同湿度环境下均具有优良的耐腐蚀性能。在实施例1-5中，实施例3在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率均低于其他实施例，可见实施例3的耐腐蚀性能均优于其他实施例。
对比例1
选用公开号为CN103131957A的中国专利的实施例1作为对比例1。
对比例2
与实施例3的区别在于去除钒，其他均与实施例3相同。
对比例3
与实施例3的区别在于将通氮气排空和通入氮气冷却对应改为通氨气排空和通入氨气冷却，其他均与实施例3相同。
对比例4
与实施例3的区别在于，稀土元素中的铯∶钇＝2∶1，其他均与实施例3相同。
对比例5
与实施例3的区别在于，稀土元素中的铯∶钇＝1∶2，其他均与实施例3相同。
表4实施例3和对比例1-5的硬度、耐磨损和耐腐蚀性能试验记录表
从表4可得出以下结论：
对比实施例3与对比例1可知，相比于对比例1，本发明的HRC大于对比例1的HRC，本发明的磨损重量变化率小于对比例1的磨损重量变化率，本发明在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率均小于对比例1在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率。因此，本发明的硬度、耐磨损和耐腐蚀性能均优于对比例1。
对比实施例3和对比例2可知，相比于对比例2，本发明的HRC大于对比例2的HRC，本发明的磨损重量变化率小于对比例2的磨损重量变化率，本发明在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率均小于对比例2在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率。因此，钒的加入能够提升本发明的硬度、耐磨损和耐腐蚀性能。
对比实施例3和对比例3可知，相比于对比例3，本发明的HRC大于对比例3的HRC，本发明的磨损重量变化率小于对比例2的磨损重量变化率，本发明在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率均小于对比例2在三种湿度环境下的腐蚀重量变化率。因此，用氮气排空和用氮气冷却能够提升本发明的硬度、耐磨损和耐腐蚀性能。
对比实施例3和对比例4-5可知，相比于对比例4-5，本发明的HRC和三个湿度条件下的腐蚀重量变化率均未发生改变，而本发明的磨损重量变化率远小于对比例4和对比例5的磨损重量变化率。因此，当稀土元素中铯∶钇的比值小于1∶1或者大于1∶1时，本发明的耐磨损性能会发生较大突变。

Claims (5)

1.一种刀片用工具钢材料，其特征是：包括如下重量份数的组分：80.89-83.92份的铁、0.75-1.5份的碳、0.25-0.3份的硅、1.5-1.8份的锰、7.4-7.8份的铬、0.35-0.5份的镍、0.2-0.35份的钼、0.1-0.15份的钛、0.02-0.05份的钒、4.3-4.7份的钨、0.8-1.0份的铝；
按照重量份，还包括0.06-0.07份稀土元素；
所述稀土元素包括铯和钇，按照重量比，所述铯：钇=1:1；
按照重量份，还包括0.3-0.8份的氮；
按照重量份，还包括0.05-0.09份的铌；
该刀片用工具钢材料的制备方法包括如下制备步骤：
Step1：按照重量份，称取80.89-83.92份的铁、0.75-1.5份的碳、0.25-0.3份的硅、1.5-1.8份的锰、7.4-7.8份的铬、0.35-0.5份的镍、0.2-0.35份的钼、0.1-0.15份的钛、0.02-0.05份的钒、4.3-4.7份的钨、0.8-1.0份的铝、0.06-0.07份稀土元素、0.05-0.09份的铌；
Step2：将各组分加入滚筒式球磨机中，以球料重量比为8-10：1，20-40rad/min的速度，进行70-90h的混合球磨，制备得到粉末混合物；
Step3：通过冷等静压成型将粉末混合物制成压坯；
Step4：采用热压烧结技术对上述压坯进行氩气下烧结，冷却后即获得刀片用工具钢坯体；
Step5：在锻压机上对上述刀片用工具钢坯体进行锻打，刀片用工具钢坯体加热温度为1050-1150℃，加热保温时间为20-40min，开坯压力为130-170MPa，精整压力为30-50MPa；
Step6：将刀片用工具钢坯体在盐浴中加热至淬火温度1150-1240℃，然后冷却至室温；
Step7：淬火后将刀片用工具钢坯体放置在150-200℃的马弗炉中进行回火处理，回火时间为0.5-1.5h，回火次数为2-5次；
Step8：将刀片用工具钢胚体置于渗氮炉中，通入氮气排空，控制温度为520-550℃，再通入氨气，保温时间为20h，保温结束后，再次通入氮气冷却，氮气和氨气的流速均为20L/min。
2.根据权利要求1所述的刀片用工具钢材料，其特征是：Step3中冷等静压压力为150-350MPa，保压时间为1-10min。
3.根据权利要求1所述的刀片用工具钢材料，其特征是：Step4中烧结时将压坯加热至1100-1250℃并保温30-90min，烧结压力为10-40MPa。
4.根据权利要求1所述的刀片用工具钢材料，其特征是：Step6中采用油冷进行冷却。
5.根据权利要求1所述的刀片用工具钢材料，其特征是：Step8中前10h通氮气的温度控制为520-535℃，后10h通氮气的温度控制为535-550℃。
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