CN107641758B - 疲劳性能优良的合金工具钢及其热轧板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疲劳性能优良的合金工具钢及其热轧板的制造方法，属于热轧带钢技术领域，它包括如下质量百分比含量的化学组分：C：0.70～0.90％，Si：0.16～0.60％，Mn：0.20～0.60％，Cr：0.10～0.60％，Ni：0.02～0.20％，P≤0.015％，S≤0.010％，N≤0.008％，Als：0.016～0.050％，Nb≤0.10％，V≤0.20％，Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明制备的热轧板淬火后硬度大于60HRC，硬度差小于1.5HRC，回火后硬度为30HRC～45HRC，屈服强度大于1200MPa，抗拉强度大于1500MPa，适用于制造锯片、刀具等疲劳性能要求高的工具，成品高频疲劳试验，最大应力700MPa，振幅315MPa，试样百万次未断率大于95％。

Description

疲劳性能优良的合金工具钢及其热轧板的制造方法

技术领域

本发明涉及工具钢，属于热轧带钢技术领域，具体地涉及疲劳性能优良的合金工具钢及其热轧板的制造方法。

背景技术

工具钢是用以制造切削刀具、模具、量具和耐磨工具的钢，根据成分不同可以分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。工具钢碳含量在0.35％-1.60％，同时含有多种合金元素，具有优良的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性。

工具钢在热处理后具有合适的硬度和强度，使用中一般处于高的交变应力下，80％以上的损坏属于疲劳破坏，因此提高工具钢的疲劳性能显得至关重要。

中国发明专利申请(申请公布号：CN106133174A，申请公布日：2016-11-16)公开了疲劳特性优异的高强度钢材，该专利申请文件为了在回火马氏体为主体的组织中抑制以夹杂物等的内部缺陷为起点的疲劳断裂，同时有效的抑制从夹杂物等的内部缺陷发生并进展的疲劳龟裂的进展速度，具体的说是着眼于钢组织中析出的硬质夹杂物，如含Cr的碳化物和碳氮化物与母材的界面容易成为疲劳龟裂的进展路径，进一步的抑制疲劳龟裂的进展速度，但该专利申请的缺点是需要添加比较多的合金元素，使得大批量生产比较困难。

中国发明专利申请(申请公布号：CN104160053A，申请公布日：2014-11-19)公开了碳工具钢钢带，其为具有以质量％计含有C：0.8～1.2％的碳工具钢组成、厚度为1mm以下的碳工具钢钢带，将与所述碳工具钢钢带的轧制面成直角且与碳工具钢钢带的长度方向平行的面作为观察面观察碳工具钢钢带的板厚中心部的截面时，存在于金属组织中的碳化物中以圆当量直径计为0.5μm以上的碳化物的面积率为0.50～4.30％。该碳工具钢钢带的优点是能够兼顾钢带的疲劳特性和冲裁性，缺点是应用领域比较窄，只适用于厚度为0.1～0.5mm的各种弹簧材料、阀材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种疲劳性能优良的合金工具钢及其热轧板的制造方法。本发明制备的热轧板成品在高频疲劳试验中单应力水平百万次未断率达到了95％以上(不包含95％)，适用于制造锯片、刀具等对疲劳性能要求高的工具。

为实现上述目的，本发明公开了一种疲劳性能优良的合金工具钢，它包括如下质量百分比含量的化学组分：C：0.70～0.90％，Si：0.16～0.60％，Mn：0.20～0.60％，Cr：0.10～0.60％，Ni：0.02～0.20％，P≤0.015％，S≤0.010％，N≤0.008％，Als：0.016～0.050％，Nb≤0.10％，V≤0.20％，Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，合金元素Si、Mn、Cr和Ni满足数学关系式：(Si+Mn+Cr+Ni)≤1.50％，合金元素Nb、V和Ti满足数学关系式：(Nb+V+Ti)≤0.3％。

进一步地，它包括如下质量百分比含量的化学组分：C：0.72～0.85％，Si：0.18～0.55％，Mn：0.26～0.60％，Cr：0.25～0.45％，Ni：0.03～0.16％，P≤0.012％，S≤0.004％，N≤0.0021％，Als：0.016～0.021％，Nb≤0.10％，V≤0.20％，Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。

再进一步地，它包括如下质量百分比含量的化学组分：C：0.80％，Si：0.26％，Mn：0.38％，Cr：0.25％，Ni：0.05％，P：0.005％，S：0.004％，N：0.0020，Als：0.016％，Nb：0.05％，V：0.10％，Ti：0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种上述合金工具钢用于制造热轧板的方法，包括的工艺流程为：铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→RH真空处理→钢水连铸→铸坯加热→精轧轧制→层流冷却→卷取→缓冷→退火；它的工艺参数如下：

1)钢水连铸：控制钢水过热度为20～40℃，铸机拉速为3～5m/min，控制得到的连铸坯厚度为50～90mm；

2)铸坯加热：将得连铸坯不经冷却直接送入加热炉中，控制连铸坯入炉温度为800～950℃，出炉温度为1100～1280℃，连铸坯在加热炉中的时间为20～50min，加热炉空燃比1.25；

3)精轧轧制：采用七机架进行精轧轧制，控制第1机架和第2机架轧制压下率均在50％以上，所述第1机架的轧制压下率与第2机架的轧制压下率比为0.9～1.1：1，精轧末道次压下率≤12％，终轧温度为800～900℃；

4)层流冷却：冷却终止温度为650～750℃，冷却速率≥30℃/s；

5)卷取：钢卷卷取温度为600～700℃；

6)缓冷：卷取后钢卷采用缓冷冷却工艺，500℃以上的缓冷冷却速率≤20℃/H，500℃以下的缓冷冷却速率≤50℃/H。

进一步地，所述步骤1)中，控制钢水过热度为23～32℃，铸机拉速为3.5～4.5m/min，控制得到的连铸坯厚度为60～70mm。

再进一步地，所述步骤2)中，控制连铸坯入炉温度为872～933℃，出炉温度为1130～1260℃，连铸坯在加热炉中的时间为26～50min。

更进一步地，所述步骤3)中，控制第1机架轧制压下率为51～55％，控制第2机架轧制压下率为51～55％，8％≤精轧末道次压下率≤11％，终轧温度为850～893℃。

1、本发明中各元素及其含量的选用原理：

碳(C)：碳在钢中主要起提高钢材的硬度和淬透性的作用，碳含量过低，淬火后硬度太低，强度不符合要求，本发明要求淬火硬度大于60HRC，因此碳含量控制在0.70～0.90％。

锰(Mn)：锰在钢中起提高钢材的硬度和淬透性，与钢中的S结合形成MnS，提高钢材韧性的作用。Mn含量过低，提高钢材淬透性作用太弱，Mn含量过高容易在连铸过程中造成板坯中心偏析，降低材料的使用性能，因此Mn含量控制在0.20～0.60％。

硅(Si)：硅在钢中起提高钢材抗松弛能力和回火抗力，也起到提高钢材淬透性的作用。但太高的Si也易导致钢中的C石墨化，并提高脱碳敏感性，因此Si含量为0.16～0.60％。

铬(Cr)：铬可提高钢材的淬透性，有利于提高钢材的硬度和耐磨性，在钢中可形成稳定碳化物，提高钢材的抗回火稳定性，但Cr含量过高容易造成钢材硬度过高，韧性下降，因此Cr含量为0.10～0.60％。

镍(Ni)：镍可提高钢材的疲劳性能，降低产品的缺口敏感度，但镍合金的价格较高，因此控制Ni含量为0.02～0.20％。

磷(P)：磷为钢中的杂质元素，低温时易于在晶界偏聚，影响产品的韧性，因此其含量越低越好。根据实际控制水平和用户需求，应控制在0.015％以下。

硫(S)：硫为钢中的杂质元素，高温时易在晶界产生偏聚，降低钢材的韧性，炼钢时应充分去除，应保证其值低于0.010％。

氮(N)：氮为钢中的杂质元素，降低钢材的韧性，易与Al、Ti形成AlN和TiN夹杂，因此尽量降低其含量，其值应低于0.008％。

铝(Al)：铝在钢中与O结合，主要起到脱氧的作用，因此最低含量为0.020％，Al含量过高容易形成连铸生产困难，因此最高含量为0.050％。

铌(Nb)：铌能细化晶粒、提高强度、降低钢的过热敏感性及回火脆性，本发明中最高含量为0.10％。

钒(V)：钒可以细化组织晶粒，提高强度和韧性，本发明中最高含量为0.20％。

钛(Ti)：钛能细化晶粒，提高强度，降低冷脆性，本发明中最高含量为0.15％。

2、本发明的具体工艺参数设定的原理：

(1)铁水冶炼成钢水并进行钢水炉外精炼，钢水成分满足化学组分设计要求后进行吹氩搅匀各成分，继续在LF炉中进行成分微调，钙处理及RH真空处理，控制钢板夹杂物级别A+B+C+D≤1.5级，钢板偏析指数小于110％；

(2)严格的炼钢和精炼工艺控制，保证钢水的洁净度，钢板夹杂物级别A+B+C+D≤1.5级，减少疲劳裂纹源；

(3)合适的连铸工艺，保证钢坯的成分均匀性，钢板偏析指数小于110％，防止因元素偏析造成性能波动而引起早期疲劳断裂；

(4)合理的热轧工艺设计，使热轧产品满足厚度精度、板形和表面脱碳层的要求，防止因外形偏差引起产品的疲劳断裂，实现以热轧退火产品代替冷轧退火产品的目的，缩短生产工序，降低成本。

有益效果：

1、本发明制备的热轧板厚度为2.0～6.0mm，宽度为900～1600mm，厚度公差小于0.05mm，且热轧板零件淬火后硬度大于60HRC，硬度差小于1.5HRC，回火后硬度为30HRC～45HRC，屈服强度大于1200MPa，抗拉强度大于1500MPa；

2、本发明制备的热轧板适用于制造锯片、刀具等疲劳性能要求高的工具，其中，成品高频疲劳试验(最大应力700MPa，振幅315MPa)中试样百万次未断率大于95％。

附图说明

图1为本发明实施例热轧态的金相结构组织图；

图2本发明实施例热轧态淬火后的金相结构组织图；

图3发明实施例热轧态回火后的金相结构组织图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

表1为实施例1～6合金工具钢中各化学成分及重量百分含量，对比例1～3为对比钢板中化学成分及重量百分含量，余量为Fe和不可避免的杂质。

表1本发明实施例及对比例的化学成分列表(wt％)

将所述化学成分经铁水脱硫、转炉吹炼、吹氩、LF精炼、RH真空处理、连铸、均热炉中加热、精轧、层流冷却、卷取、缓冷和退火工艺后制备得到的热轧板。具体工艺参数如表2和表3。

表2本发明各实施例及对比例的工艺主要参数控制列表(一)

表3本发明各实施例及对比例的工艺主要参数控制列表(二)

由上述各实施例1～6和对比例1～3的化学成分及工艺过程制备得到产品的性能参数如表4。

表4本发明各实施例及对比例性能参数列表

本发明实施例1制备的热轧产品的金相结构组织图如图1所示，结合图1可知，热轧态组织为珠光体，细小均匀，厚度精度高，带状组织级别低，脱碳层深度小。

此外，本发明实施例制备的热轧产品还可进行后续的淬火或回火工艺用于制造锯片、刀具等疲劳性能要求高的工具，其中淬火工艺为900～850℃加热，油/铅/盐淬火；回火工艺为550～400℃加热，保温10～60min。图2为实施例1制备的热轧态产品在淬火后的金相结构组织图，由图2可知，淬火后组织为马氏体+极少量下贝氏体，硬度波动小；图3为实施例1制备的热轧态产品在回火后的金相结构组织图，由图3可知，回火后组织为回火马氏体，硬度满足最终产品需求，抗疲劳断裂性能优良。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种疲劳性能优良的合金工具钢，其特征在于：它包括如下质量百分比含量的化学组分：C：0.72～0.85％，Si：0.18～0.55％，Mn：0.26～0.60％，Cr：0.25～0.45％，Ni：0.03～0.16％，P≤0.012％，S≤0.004％，N≤0.0021％，Als：0.016～0.021％，Nb≤0.10％，V≤0.20％，Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，合金元素Si、Mn、Cr和Ni满足数学关系式：(Si+Mn+Cr+Ni)≤1.50％，合金元素Nb、V和Ti满足数学关系式：(Nb+V+Ti)≤0.3％；

所述合金工具钢的制备方法包括如下工艺流程：铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→RH真空处理→钢水连铸→铸坯加热→精轧轧制→层流冷却→卷取→缓冷→退火；它的工艺参数如下：

1)钢水连铸：控制钢水过热度为20～40℃，铸机拉速为3～5m/min，控制得到的连铸坯厚度为50～90mm；

2)铸坯加热：将得连铸坯不经冷却直接送入加热炉中，控制连铸坯入炉温度为872～933℃，出炉温度为1130～1260℃，连铸坯在加热炉中的时间为26～50min，加热炉空燃比1.25；

3)精轧轧制：采用七机架进行精轧轧制，控制第1机架和第2机架轧制压下率均在50％以上，所述第1机架的轧制压下率与第2机架的轧制压下率比为0.9～1.1：1，精轧末道次压下率≤12％，终轧温度为800～900℃；

4)层流冷却：冷却终止温度为650～750℃，冷却速率≥30℃/s；

5)卷取：钢卷卷取温度为600～700℃；

6)缓冷：卷取后钢卷采用缓冷冷却工艺，500℃以上的缓冷冷却速率≤20℃/h ，500℃以下的缓冷冷却速率≤50℃/h 。

2.根据权利要求1所述疲劳性能优良的合金工具钢，其特征在于：它包括如下质量百分比含量的化学组分：C：0.80％，Si：0.26％，Mn：0.38％，Cr：0.25％，Ni：0.05％，P：0.005％，S：0.004％，N：0.0020，Als：0.016％，Nb：0.05％，V：0.10％，Ti：0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1所述合金工具钢用于制造热轧板的方法，包括的工艺流程为：铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→RH真空处理→钢水连铸→铸坯加热→精轧轧制→层流冷却→卷取→缓冷→退火；其特征在于：它的工艺参数如下：

1)钢水连铸：控制钢水过热度为20～40℃，铸机拉速为3～5m/min，控制得到的连铸坯厚度为50～90mm；

2)铸坯加热：将得连铸坯不经冷却直接送入加热炉中，控制连铸坯入炉温度为872～933℃，出炉温度为1130～1260℃，连铸坯在加热炉中的时间为26～50min，加热炉空燃比1.25；

3)精轧轧制：采用七机架进行精轧轧制，控制第1机架和第2机架轧制压下率均在50％以上，所述第1机架的轧制压下率与第2机架的轧制压下率比为0.9～1.1：1，精轧末道次压下率≤12％，终轧温度为800～900℃；

4)层流冷却：冷却终止温度为650～750℃，冷却速率≥30℃/s；

5)卷取：钢卷卷取温度为600～700℃；

6)缓冷：卷取后钢卷采用缓冷冷却工艺，500℃以上的缓冷冷却速率≤20℃/h ，500℃以下的缓冷冷却速率≤50℃/h 。

4.根据权利要求3所述合金工具钢用于制造热轧板的方法，其特征在于：所述步骤1)中，控制钢水过热度为23～32℃，铸机拉速为3.5～4.5m/min，控制得到的连铸坯厚度为60～70mm。

5.根据权利要求3或4所述合金工具钢用于制造热轧板的方法，其特征在于：所述步骤3)中，控制第1机架轧制压下率为51～55％，控制第2机架轧制压下率为51～55％，8％≤精轧末道次压下率≤11％，终轧温度为850～893℃。