CN107142417B - 一种锉刀用碳素工具钢盘条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料制作领域，具体涉及一种锉刀用碳素工具钢盘条及其制备方法。盘条的化学成份按重量百分数计为，[C]1.26～1.32％、[Si]0.08～0.18％、[Mn]0.20～0.35％、[Cr]0.55～0.70％、[V]0.10～0.25％、[P]≤0.025％、[S]≤0.025％、[Al]≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法包括转炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸和轧制步骤，本发明添加了一定量的Cr、V元素，严控铝含量，避免石墨碳析出的同时，有效提高了锉刀的硬度和耐磨性能等技术指标，组织均匀，通条性好，脱碳层深度≤直径的0.6％，无液析和脆断现象发生。

Description

一种锉刀用碳素工具钢盘条及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制作领域，具体涉及一种锉刀用碳素工具钢盘条及其制备方法。
背景技术
工具钢是用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。碳素工具钢是常见的一类工具钢，由于其生产成本较低，原材料来源方便，易于冷、热加工，在热处理后可获得相当高的硬度，因而得到广泛应用。
锉刀是一种多刃口、主要用于锉削硬度较高材料的切削工具。由于其特殊的工作环境，要求锉刀具有高硬度、较高的强度、良好的耐磨性等特性，而目前由现有的工具钢盘条经加工后制得的锉刀常出现断齿崩刃、开裂、断裂、磨损严重等非正常失效形式，使用寿命较低，造成这种现象的主要原因是：现有锉刀用工具钢盘条韧性较差，脱碳层深，组织不均匀，碳化物在钢中的分布不均匀，甚至沿晶界出现碳化物定向的缺陷，导致钢材性能变差；且由于盘条含碳量非常高，若工艺控制不当易造成石墨化析出，盘条发生脆断现象。
发明内容
本发明针对以上技术难题，通过设计合理的化学成分、选择合理的工艺，提供一种锉刀用碳素工具钢盘条及其制备方法，确保工具钢盘条成本低廉、纯净度高、组织均匀、通条性好，脱碳层深度≤直径的0.6％，无液析和脆断现象发生，完全满足高标准锉刀用盘条的技术要求，用此盘条制得的锉刀硬度高且均匀，达70～72HRC，使用寿命长，显著降低了断齿崩刃、断裂、磨损严重等非正常失效形式出现的概率，
本发明所提供的锉刀用碳素工具钢盘条的化学成份按重量百分数计为：[C]1.26～1.32％、[Si]0.08～0.18％、[Mn]0.20～0.35％、[Cr]0.55～0.70％、[V]0.10～0.25％、[P]≤0.025％、[S]≤0.025％、[Al]≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质，
优选地，其化学成份按重量百分数计为：[C]1.27～1.31％、[Si]0.11～0.15％、[Mn]0.26～0.30％、[Cr]0.62～0.70％、[V]0.15～0.20％、[P]≤0.020％、[S]≤0.020％、[Al]≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质，
本发明成分设计理由：
C可以提高钢的淬硬性、热硬性和耐磨性能，保证热处理后钢中碳化物数量，但含量过高会使钢的韧性降低；
Si可以增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性，但含量过高会使钢在高温加热时易脱碳和促进石墨化，
其中，脱碳是钢加热时表层碳含量降低的现象，脱碳的过程即钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳离开钢材料(除碳外，其他元素如硅、锰、铬等未离开钢材料)，导致硬度下降；而钢的石墨化是指，高温下钢中碳化物会分解成游离的石墨，使钢的强度和塑性显著降低而引起钢的脆断，析出就是指的钢中碳化物形成石墨的过程，但仍存在于钢的内部，而非从钢中脱除，这一点与脱碳不同；
Mn可以起到固溶强化的作用，但锰含量过高会增加钢的过热倾向；
Cr可以增加碳化物的耐磨性，提高钢的强度、硬度及回火抗力，抑制钢的石墨化倾向，但含量过高会影响钢的韧性；
V可以细化组织晶粒，提高强度和韧性，但含量过高会增加成本；
本发明首先意识到Al是促进高碳钢的石墨化倾向的元素，因此对其进行了严格的控制；
P、S为钢中的有害元素，同样需要严格控制。
本发明所提供的锉刀用碳素工具钢盘条的制备方法包括转炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸和轧制步骤，具体操作如下：
(1)转炉加入炼钢原料进行高拉碳冶炼，采用全程底吹氩搅拌，控制出钢[C]0.10～0.60％，出钢[P]≤0.015％，出钢1/4时随钢流依次加入碳化硅、低氮增碳剂、合金和渣料，出钢过程采用滑板挡渣操作，出钢时间为4～5min，
作为优选，步骤(1)中采用的炼钢原料为废钢、生铁和铁水，废钢占炼钢原料总重的5％～7％，生铁占炼钢原料总重的6％～8％，炼钢原料的总装入量132～138t/炉，转炉冶炼13～15min，出钢温度为1630～1680℃，出钢采用挡渣操作，下渣量不超过50mm，
作为优选，步骤(1)中的合金为硅锰、硅铁、高碳铬铁和钒铁，其相对于炼钢原料的加入量为，硅锰4.0～4.5kg/t、硅铁0.8～1.2kg/t、高碳铬铁11.6～12.4kg/t、钒铁3.8～4.2kg/t；步骤(1)中渣料及加入量为石灰600kg/炉、合成渣300kg/炉，
碳化硅相对于炼钢原料的加入量为1.0kg/t；
(2)LF采用电石进行渣面脱氧，根据渣况适时调整以保证炉渣的流动性，严禁加入铝脱氧，确保精炼时间≥35分钟，待成分、温度调整合适后，转入软吹氩操作，软吹氩时间15～25分钟，软吹后确保合适的吊包温度；
进一步地，步骤(2)中软吹后的吊包温度为，开浇炉次1507～1527℃、连浇炉次1487～1507℃，
严禁加入铝脱氧，避免钢中出现石墨碳析出使钢的强度和塑性显著降低而引起脆断，向钢中加入Cr等合金元素，能阻止石墨化过程，提高产品质量；
(3)连铸工序采用全程保护浇铸，采用低过热度、低拉速控制，过热度控制在15～30℃，拉速控制在1.65±0.05m/min；
结晶器采用电磁搅拌、非正弦振动模式，并使用低熔点、低碱度、低粘度的结晶器保护渣，一冷水流量为1850±100L/min，水温差6.5～8.5℃，二冷采用弱冷配水模式，并配有末端电磁搅拌；
作为优选，步骤(3)中，连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，
中包采用整体式塞棒中包，水口直径≥30mm，中包使用覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，中包使用时间≤15小时，水口使用时间6.0～7.0h，
结晶器电磁搅拌参数为300A/5HZ，非正弦振动参数为振幅±3.0mm、频率100+40opm、偏斜率15％，结晶器保护渣使用西保高碳钢保护渣，碱度为R＝0.60～0.63，熔点1020～1040℃，粘度为0.29～0.33Pa.S/1300℃，
每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层厚度为5～8mm，
进一步地，步骤(3)中的弱冷配水模式中，比水量0.60L/kg，末端电磁搅拌参数为400A/8HZ；
采用低过热度、末端电磁大电流搅拌可以有效减轻连铸坯偏析，使盘条组织更致密，同时配备合理的加热工艺，避免轧制出的盘条出现液析现象；采用弱冷配水、低拉速可以减小连铸拉坯应力，避免出现角部裂纹等缺陷；使用低熔点、低碱度、低粘度的结晶器保护渣可以增加钢的润滑能力；
(4)轧制工序采用高温加热、采用高压水除磷，低吐丝、风冷工艺，
作为优选，步骤(4)中加热炉一段炉顶温度910±30℃，加热炉二段炉顶温度1160±20℃，均热段炉温1160～1200℃，空气过剩系数为1.15～1.20，出钢节奏≤44支/小时，开轧温度1040±30℃，精轧机前温度为900±20℃，吐丝温度为820±15℃；风冷工艺为开启前5台风机，风机风量为80％，佳灵装置10％；高压水除磷压力为≥16MPa，
本发明高温加热的目的在于：促进碳及合金元素扩散，减轻碳及合金元素偏析，使组织均匀致密，减轻网碳，同时配备适当的轧制及冷却工艺可以有效减少心部的马氏体组织，降低石墨碳析出的倾向等，
同时，本发明通过控制加热炉内的空气过剩系数，采用氧化气氛加热，在氧含量较高的加热气氛下，钢坯表面氧化铁皮的生成速度大于脱碳速度，阻止和减少了钢坯脱碳，且轧制前经过高压水除磷，便可以将氧化铁皮脱除干净，
本发明通过调节轧制前后的冷却水流量控制轧制温度，实现低温轧制，不仅可以促进快速冷却，减少表面脱碳的形成，而且还能够破碎、破损网碳、抑制网碳的形成，抑制了石墨化析出，
过共析钢轧后开始冷却的温度落在二次碳化物析出区间(Acm-A1)内，如果冷却较慢，会导致析出网状碳化物，控冷工艺在吐丝后加强盘条冷却，会抑制二次碳化物的析出，同时可以减少盘条表面脱碳，且发现强冷、快冷操作在本专利的高碳钢轧制中并没有导致盘条内产生大的应力和裂纹(因为从传统观念来看，钢中碳含量高会导致盘条塑性降低、内应力增大)，这也确保了盘条的表面质量良好，无脆断；使用佳灵装置可以调节风量，可以使盘条冷却更均匀。
本发明的有益效果在于：
本发明通过添加一定量的Cr、V元素，严控铝含量，配备选择合理的工艺，提供一种锉刀用碳素工具钢盘条及其制备方法，确保工具钢盘条，成本低廉，纯净度高，组织均匀，通条性好，脱碳层深度≤直径的0.6％，克服了盘条存在的液析和脆断的问题，完全满足高标准锉刀用盘条的技术要求。
本发明工艺与现有工艺技术相比，具有操作简单，生产效率高，用此盘条制得的锉刀硬度高且均匀，达70～72HRC，使用寿命长，显著降低了断齿崩刃、断裂、磨损严重等非正常失效形式出现的概率等特点，提高了产品的市场竞争力，具有显著的经济效益和社会效益。
具体实施方式
生产工艺简述如下：转炉冶炼→LF精炼→小方坯连铸(160*160mm2)→轧机轧制。
实施例1
(1)转炉冶炼
转炉加入炼钢原料(炼钢原料为废钢、生铁和铁水，废钢占炼钢原料总重的6％，生铁占炼钢原料总重的7％，炼钢原料的总装入量136t/炉)进行高拉碳冶炼，采用全程底吹氩搅拌，控制出钢[C]0.20％，出钢[P]0.009％，出钢温度1665℃，出钢1/4时随钢流依次加入碳化硅1.0kg/t、低氮增碳剂12.0kg/t、硅锰4.2kg/t、硅铁1.0kg/t、高碳铬铁12.0kg/t、钒铁4.0kg/t、石灰600kg/炉，合成渣300kg/炉，出钢过程采用滑板挡渣操作，下渣量小于50mm，出钢时间为4.2min；
(2)LF精炼
LF采用电石120kg/炉进行渣面脱氧，根据渣况适时调整以保证炉渣的流动性，严禁加入铝脱氧，精炼时间37分钟，待成分、温度调整合适后，转入软吹氩操作，软吹氩时间20分钟，软吹后吊包温度为：开浇炉次1515℃；
(3)连铸
连铸工序采用全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包使用覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，连铸中包采用整体式塞棒中包，中包使用时间12小时，水口直径35mm，水口使用时间6.5h，过热度23℃，拉速1.65m/min；结晶器采用电磁搅拌，参数为300A/5HZ，非正弦振动模式，振幅±3.0mm，频率100+40opm，偏斜率15％；并使用西保高碳钢保护渣，碱度为R＝0.61，熔点1030℃，粘度为0.31Pa.S/1300℃，每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层深度为5～8mm；一冷水流量为1850±100L/min，水温差7.0～8.5℃，二冷采用弱冷配水模式，比水量0.60L/kg，并配有末端电磁搅拌，参数为400A/8HZ；
(4)轧制
轧制工序采用高温加热、控制加热炉炉内气氛，采用高压水除磷，低吐丝、风冷工艺：
加热炉一段炉顶温度920℃，加热炉二段炉顶温度1168℃，均热段炉温1190℃，空气过剩系数为1.15～1.20，高压水除磷压力为18MPa；出钢节奏42支/小时，开轧温度1043℃，精轧机前温度为901℃，吐丝温度为823℃；风冷工艺为开启前5台风机，风机风量为80％，佳灵装置10％。
实施例2
步骤(1)中控制出钢[C]0.21％，出钢[P]0.011％；步骤(2)中控制软吹后吊包温度为，连浇炉次1494℃；步骤(3)中控制过热度20℃；其余操作与实施例1相同。
实施例3
步骤(4)中控制开轧温度1042℃，精轧机前温度为905℃，吐丝温度为820℃；其余操作与实施例2相同。
对比实施例1
将实施例1步骤(2)中“采用电石进行渣面脱氧，严禁加入铝脱氧”修改为“采用铝脱氧”，其他条件同实施例1。
对最终制得的钢材进行检测，经检测盘条有石墨碳析出，且盘条发生脆断现象，远差于本发明实施例中制备的盘条质量。
对比实施例2
将实施例1步骤(4)中“吐丝温度为823℃，开启前5台风机，风量为80％，佳灵装置10％”修改为“吐丝温度为823℃，风机关闭”，其他条件同实施例1。
对最终制得的钢材进行检测，经检测盘条表面脱碳严重，达0.10mm，且发生脆断现象，但是盘条表面质量良好，可见这应该主要是盘条内网碳严重导致的脆断。
对比实施例3
将实施例1步骤(4)中“控制加热炉炉内气氛，空气过剩系数为1.15～1.20”修改为“控制加热炉炉内气氛，空气过剩系数为1.00～1.05”，其他条件同实施例1。
对最终制得的钢材进行检测，经检测盘条表面脱碳较为严重，达0.12mm，且发生脆断现象，并且盘条表面质量较差，可见这应该是步骤(4)中吐丝后的强冷、快冷操作导致了盘条内产生大的应力和裂纹，从而导致的脆断。
实施例1～3所制得的钢化学成分及各实施例、对比例中所得盘条的性能、金相组织如表1、表2所示：
表1：实例1～3所制备的钢成品的化学成分(wt/％)
表2脱碳层深度、脆断现象及用户加工后硬度

Claims (6)

1.一种锉刀用碳素工具钢盘条，所述盘条的化学成份按重量百分数计为：[C]1.27～1.31％、[Si]0.11～0.15％、[Mn]0.26～0.30％、[Cr]0.62～ 0.70％、[V]0.15～0.20％、[P]≤0.020％、[S]≤0.020％、[Al]≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质,其特征在于：所述盘条的制备方法为:(1)转炉冶炼转炉加入炼钢原料进行高拉碳冶炼，采用全程底吹氩搅拌，出钢时随钢流依次加入碳化硅、低氮增碳剂、合金和渣料，出钢过程采用滑板挡渣操作；(2)LF精炼LF采用电石进行渣面脱氧，根据渣况适时调整以保证炉渣的流动性，严禁加入铝脱氧，待成分、温度调整合适后，转入软吹氩操作，软吹后确保合适的吊包温度；(3)连铸连铸工序采用全程保护浇铸，采用低过热度、低拉速控制；(4)轧制轧制工序采用高温加热、采用高压水除磷，低吐丝、风冷工艺，其中，采用氧化气氛进行高温加热。
2.如权利要求1所述的锉刀用碳素工具钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的合金为硅锰、硅铁、高碳铬铁和钒铁，其相对于炼钢原料的加入量为，硅锰4.0～4.5kg/t、硅铁0.8～1.2kg/t、高碳铬铁11.6～12.4kg/t、钒铁3.8～4.2kg/t。
3.如权利要求1所述的锉刀用碳素工具钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，软吹后的吊包温度为，开浇炉次1507～1527℃、连浇炉次1487～1507℃。
4.如权利要求1所述的锉刀用碳素工具钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，过热度控制在15～30℃，拉速控制在1.65±0.05m/min。
5.如权利要求1所述的锉刀用碳素工具钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，加热炉一段炉顶温度910±30℃，加热炉二段炉顶温度1160±20℃，均热段炉温1160～1200℃，空气过剩系数为1.15～1.20。
6.如权利要求1所述的锉刀用碳素工具钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，出钢节奏≤44支/小时，开轧温度1040±30℃，精轧机前温度为900±20℃，吐丝温度为820±15℃；风冷工艺为开启前5台风机，风机风量为80％，佳灵装置10％；高压水除磷压力为≥16MPa。
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