CN107419175B - 疲劳寿命良好的经济型工具钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种疲劳寿命良好的经济型工具钢及其生产方法，该钢包括以下化学组分及其重量百分比：C：0.75～1.00％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.50～1.20％，Cr：0.30～1.10％，V：0.05～0.20％，Alt≤0.040％，P≤0.020％，S≤0.010％，N≤0.006％，其余为铁和不可避免的杂质；本发明方法通过热轧和短时退火获得均匀的粒状珠光体组织，经过淬火、回火后获得细小的回火马氏体组织。采用本发明生产的工具钢组织细小、均匀，脱碳层浅，具有高耐磨性和良好的疲劳寿命，同时本发明大幅缩短制造周期、降低制造成本、提高产品成材率。

Description

疲劳寿命良好的经济型工具钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及冶金技术，具体地指一种疲劳寿命良好的经济型工具钢及其生产方法。
背景技术
工具钢淬火后具有高强度、高硬度、高耐磨性及良好的疲劳寿命，因此，工具钢多用于制造各种切削刀具、成形工具及测量工具。
工具钢碳含量一般大于0.7％，热轧组织中存在大面积硬而脆的层状碳化物或网状碳化物，不易加工变形，在淬火过程中也容易引起过热、淬火变形、裂纹等缺陷。为避免上述问题，提高工具钢的疲劳寿命，工具钢在淬火前要改变钢中碳化物的形貌和分布，获得粒状珠光体组织。
而热轧产品直接退火难以得到组织均匀的粒状珠光体组织，为满足工具钢对淬火原材料组织均匀性、高塑性及高成形性能的要求，后续常通过冷轧变形破碎碳化物、再通过长时间的罩式退火来改变碳化物的形貌。因此，工具钢这种高碳钢的制造往往存在以下问题：1)工序冗长而复杂，包括热轧、酸洗、冷轧、退火等多道工序，制造周期长；2)能源消耗大，制造成本高。
近几年来，国内为缩短高碳钢的制造流程开展了很多工作。中国专利申请CN102264933 A公开了一种热处理特性优异的高碳钢板及其制造方法，其提供了一种高碳钢板的制造方法，化学成分为C：0.3～1.0％，Mn:0.1～1.2％，Si≤0.4％，Al：0.01～0.1％，S≤0.010％，其特征为精轧后冷却速度为50～300℃/s，终冷温度为400～650℃，卷取温度为450～700℃，省略先退火工序，以≥30％的压下率进行冷轧，随后进行退火。该方法中还是要经过冷轧和轧后退火获得均匀的粒状珠光体组织。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种疲劳寿命良好的经济型工具钢及其生产方法，该钢疲劳寿命良好、耐磨性高，该生产方法大幅缩短了制造周期、降低了制造成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种疲劳寿命良好的经济型工具钢，包括以下化学组分及其重量百分比：C：0.75～1.00％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.50～1.20％，Cr：0.30～1.10％，V：0.05～0.20％，Alt≤0.040％，P≤0.020％，S≤0.010％，N≤0.006％，其余为铁和不可避免的杂质元素。
进一步地，包括以下化学组分及其重量百分比：C：0.94～1.00％，Si：0.15～0.30％，Mn：1.00～1.20％，Cr：0.85～0.99％，V：0.15～0.20％，Alt：0.027～0.035％，P：0.012～0.014％，S：0.004～0.008％，N：0.004～0.005％，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述疲劳寿命良好的经济型工具钢的生产方法，依次包括冶炼，连铸，加热，粗轧，精轧，保温，淬火，回火步骤；所述粗轧步骤中，开轧温度为1030～1130℃，终轧温度为900～980℃，中间坯厚度为45～60mm，单道次压下率≥45％；所述精轧步骤中，开轧温度为820～900℃，终轧温度为630～680℃，最后三道次总压下率≥60％。
进一步地，所述冶炼步骤中，转炉出钢碳含量≥0.05％，脱氧完成后再加入0.05-0.20％的钒铁，精炼后期钙处理后软吹3～8min。
进一步地，所述连铸步骤中，水口处采用氩封，过热度为15～30℃，铸坯厚度为200～250mm。
进一步地，所述加热步骤中，铸坯加热温度为1150～1250℃，保温时间为30～90min。
进一步地，所述保温步骤中，保温时间为10～30min，保温温度为630～700℃。
进一步地，所述淬火步骤中，加热温度为760～830℃，保温时间为10-25min。
进一步地，所述回火步骤中，回火温度为150～300℃，回火时间为45～120min。
对本发明中各元素的作用和机理分析如下：
C：C是提高淬透性和淬硬性最有效的元素，本发明中C含量控制在0.75～1.00％以内，一方面可避免冷却过程中产生先共析铁素体，另一方面可保证产品淬火后的硬度在60～65HRC之间，回火后具有高的耐磨性和耐疲劳寿命。
Si：Si可产生固溶强化作用，但对塑性、韧性不利，因此，Si含量不可过高。本发明的Si含量控制在0.15～0.35％以内。
Mn：Mn为提高淬透性的主要元素，会使材料强度提高，对塑、韧性影响较小。考虑到本明对淬透性和强度的要求，Mn含量控制在0.50～1.20％以内。
Cr：Cr能提高钢的淬透性、淬硬性和回火稳定性，本发明的Cr含量控制在0.30～1.10％。
V：V析出物可作为珠光体形核的质点，促进粒状珠光体的形成和组织均匀化，此外，析出物将提高渗碳体的硬度、耐磨性，本发明的V含量控制在0.05～0.20％。
Al：Al为钢中主要脱氧元素，Al含量偏高时，易导致钢中夹杂物增多，对钢的韧性和耐疲劳寿命不利，因此，本发明的Alt含量控制在0.040％以内。
P、S、N：杂质元素P、S易产生偏析，对钢的冷加工性能有较大影响，因此应严格控制钢中P、S元素的含量，P控制在0.020％以内，S控制在0.010％以内。为了减少钢的时效影响，N含量控制在0.006％以内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
其一，本发明通过热轧和短时退火获得均匀的粒状珠光体组织，经过淬火、回火后获得细小的回火马氏体组织。采用本发明生产的工具钢组织细小、均匀，脱碳层浅，具有高耐磨性和良好的疲劳寿命，同时本发明大幅缩短制造周期、降低制造成本、提高产品成材率。
其二，结合钒微合金化和低温大压下技术，利用钒析出物和变形缺陷为珠光体相变提供形核质点，促进奥氏体转变为粒状珠光体，并通过轧后的短时保温，促进铁素体晶粒和碳化物颗粒聚集长大，使组织性能更加均匀。
其三，本发明采用短时保温取代了常规生产过程中的长时间罩式退火或罩式保温(长达几十个小时)，能有效减轻脱碳现象，提高产品的表面硬度和疲劳寿命。
其四，本发明避免了传统工艺中为提高产品球化率和组织均匀性必要的冷轧工序，大幅缩短制造周期，降低了制造成本，提高了产品成材率。
附图说明
图1为实施例1中热轧保温态显微组织图。
图2为实施例1中淬火态显微组织图。
图3为实施例1中回火态显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
实施例1～5
本发明各实施例按照以下步骤生产：
1)冶炼：转炉出钢碳含量≥0.05％，脱氧完成后再加入钒铁，精炼后期钙处理后软吹3～8min；
2)连铸：水口处采用氩封，避免钢水浇铸过程中吸氧、吸氮，过热度为15～30℃，铸坯厚度为200～250mm；
3)加热：铸坯加热温度为1150～1250℃，保温时间30～90min；
4)粗轧：开轧温度为1030～1130℃，终轧温度为900～980℃，中间坯厚度为45～60mm，单道次压下率≥45％；
5)精轧：开轧温度为820～900℃，终轧温度为630～680℃，最后三道次压下率≥60％；
6)保温：轧制结束后进行保温，保温时间为10～30min，保温温度为630～700℃，保温态的金相组织见图1，获得均匀的粒状珠光体组织；
7)淬火：加热温度为760～830℃，保温时间为10～25min，淬火态的金相组织见图2；
8)回火：回火温度为150～300℃，回火时间为45～120min，回火态的金相组织见图3，获得细小、均匀的回火马氏体组织；待用。
实施例1～5中钢的组分具体取值(wt％))如表1所示。
实施例1～5中钢生产过程中主要工艺参数具体取值及产品性能结果如表2所示。
表1
表2
从表2数据可以看出，实施例1～5的硬度分别为60、60、62、63、63HRC，疲劳极限在106次以上，具有高耐磨性和良好的疲劳寿命。

Claims (6)

1.一种疲劳寿命良好的经济型工具钢，其特征在于：由以下化学组分及其重量百分比组成：C：0.75～1.00％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.50～1.20％，Cr：0.30～1.10％，V：0.05～0.20％，Alt≤0.040％，P≤0.020％，S≤0.010％，N≤0.006％，其余为铁和不可避免的杂质元素；所述疲劳寿命良好的经济型工具钢的生产方法，依次包括冶炼，连铸，加热，粗轧，精轧，保温，淬火，回火步骤；所述粗轧步骤中，开轧温度为1030～1130℃，终轧温度为900～980℃，中间坯厚度为45～60mm，单道次压下率≥45％；所述精轧步骤中，开轧温度为820～900℃，终轧温度为630～680℃，最后三道次总压下率≥60％；
所述保温步骤中，保温时间为10～30min，保温温度为630～700℃；
所述淬火步骤中，加热温度为760～830℃，保温时间为10-25min；
所述回火步骤中，回火温度为150～300℃，回火时间为45～120min。
2.根据权利要求1所述的疲劳寿命良好的经济型工具钢，其特征在于：由以下化学组分及其重量百分比组成：C：0.94～1.00％，Si：0.15～0.30％，Mn：1.00～1.20％，Cr：0.85～0.99％，V：0.15～0.20％，Alt：0.027～0.035％，P：0.012～0.014％，S：0.004～0.008％，N：0.004～0.005％，其余为铁和不可避免的杂质元素。
3.一种如权利要求1所述疲劳寿命良好的经济型工具钢的生产方法，其特征在于：依次包括冶炼，连铸，加热，粗轧，精轧，保温，淬火，回火步骤；所述粗轧步骤中，开轧温度为1030～1130℃，终轧温度为900～980℃，中间坯厚度为45～60mm，单道次压下率≥45％；所述精轧步骤中，开轧温度为820～900℃，终轧温度为630～680℃，最后三道次总压下率≥60％；
所述保温步骤中，保温时间为10～30min，保温温度为630～700℃；
所述淬火步骤中，加热温度为760～830℃，保温时间为10-25min；
所述回火步骤中，回火温度为150～300℃，回火时间为45～120min。
4.根据权利要求3所述疲劳寿命良好的经济型工具钢的生产方法，其特征在于：所述冶炼步骤中，转炉出钢碳含量≥0.05％，脱氧完成后再加入0.05～0.20％的钒铁，精炼后期钙处理后软吹3～8min。
5.根据权利要求3所述疲劳寿命良好的经济型工具钢的生产方法，其特征在于：所述连铸步骤中，水口处采用氩封，过热度为15～30℃，铸坯厚度为200～250mm。
6.根据权利要求3所述疲劳寿命良好的经济型工具钢的生产方法，其特征在于：所述加热步骤中，铸坯加热温度为1150～1250℃，保温时间为30～90min。
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