CN107779577B - 一种加工性能优异的园艺工具用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种加工性能优异的园艺工具用钢及其生产方法。钢中按重量百分含有：C：0.45％～0.65％，Si：0.1％～0.40％，Mn：0.5％～1.5％，Cr：0.1％～0.5％，Al：0.02％～0.05％，Ni≤0.4％，Cu≤0.5％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用Al脱氧，中包吹氩时间≥10min，浇注过热度≤25℃，铸坯厚度130～200mm；铸坯入炉温度≥500℃；加热温度1100～1200℃，保温2～2.5h，轧制速度为5～15m/s，开轧温度≥1080℃，终轧温度≥920℃；冷速≤20℃/s，650～730℃卷取，卷取后入缓冷坑保温缓冷≥48h，冷却到200℃以下，再空冷到室温。钢板具有优良的成形性和耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种热轧卷板及其生产方法，特别是涉及一种易于加工制作剪刀等园艺工具的热轧卷板及其制造方法。
背景技术
目前剪刀、铁锹等园艺工具多用普通50#、55#等中碳钢成型后水淬回火或SK5等高碳钢成型后油淬回火的热处理加工而成，高碳热轧板强度高，硬度高，屈强比一般70％以上，加工成型难度大，且热处理易开裂；50#、55#等中碳钢的强硬性也较高，屈强比一般也达60％以上，且存在热处理后硬度不足，耐磨性差的缺陷。为满足用户需求，急需研制开发一种适合加工制造剪刀等复杂形状园艺工具的工具钢，要求新开发的热轧钢板具有好的加工性能，且热处理后硬度高，耐磨性好。
严军，岑启宏，蒋业华，周荣在《材料工程》2013年6期发表的论文《高硼中碳合金工具钢的铸态组织》中，公开了一种高硼中碳合金工具钢，钢中硼含量1.5％～2.5％，该钢中硼含量过高，铸态下基体宏观硬度达到55HRC，强硬性过高，加工成型困难。
申请号为201510687941.1的专利公开了一种合金工具钢及其生产方法，涉及一种中碳工具钢，钢中含有：C 0.5％，Si 0.2％，Mn 0.5％，Cr 5.0％，Mo 2.3％，V 0.5％，S≤0.003％，P≤0.02％，该合金工具钢中加入Cr、Mo、V等合金较多，成本较高，且强硬性较高，不适于加工制造形状复杂的各类园艺工具。
申请号为201510174384.3的专利公开了一种免球化退火的用CSP线生产薄规格工具钢的方法，申请号为201510174503.5专利公开了一种能直接冷轧的工具钢的生产方法，上述两个专利叙述的均是采用低温轧制、卷取后再回火的生产工艺，钢板轧制后采用接近马氏体转变温度的低温卷取，一方面对卷取机能力要求极高，另一方面要精确控制温度区，若温度控制不精准，发生马氏体相变，且卷取过程中极易断带，卷后要进行高温回火处理，成本较高。
且申请号为201510174384.3的专利公开了一种免球化退火的用CSP线生产薄规格工具钢的方法，涉及一种厚度1～2.5mm薄工具钢钢板的生产方法，不能满足厚规格工具用钢板的使用需求。
申请号为201510025621.X的专利公开了一种家用园艺工具用钢55MnB及其制备方法，其中描述的钢板厚度仅为3～5mm，应用范围有限，不能满足更薄规格或更厚规格的需求。钢中含有：C0.52％～0.60％，Si 0.15％～0.35％，Mn 0.7％～1.00％，S≤0.008％，P≤0.025％，Als 0.010％～0.060％，B 0.0005％～0.0030％，此专利采用含硼的成分设计，但并未强调对氧、氮的控制，钢液中的硼很容易与氧和氮化合，形成化合物，不仅减弱固溶硼的提高淬透性作用，而且，B、N的化合物相易在晶界偏聚成网状，产生硼脆现象，导致脆性大等缺陷。含硼钢的热变形抗力大，热轧板形不易控制，热轧板板形不良，后续加工热处理工艺也很难再校平，严重影响成品质量。另一方面该专利描述的钢板的屈服强度为390～470MPa，抗拉强度为750～820MPa，延伸率为17％～26％，强度仍然较高，加工仍存在一定难度。且描述的生产工艺采用750℃高温卷取，钢板表面脱碳严重，表面氧化铁皮较厚，用户打磨量较大，影响生产效率。
发明内容
本发明的目的在于研制开发一种易于加工制造剪刀等园艺工具的热轧钢板，要求新开发的热轧钢板硬度≤90HRC，屈强比≤57％，具有优异的加工成型性，钢板表面脱碳层深度较小，且热处理后硬度高，耐磨性好。
具体的技术方案是：
本发明设计的园艺工具用热轧卷板的化学成分按重量百分比计为：C：0.45％～0.65％，Si：0.1％～0.40％，Mn：0.5％～1.5％，Cr：0.1％～0.5％，Al：0.02％～0.05％，Ni≤0.4％，Cu≤0.5％，杂质元素P≤0.020％和S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。Ni、Cu元素可以加，也可以不加，加入Ni 0.1％～0.4％，Cu 0.2％～0.5％时的钢板，加工制作的园艺工具具有明显的耐腐蚀性能。
以下详细阐述本发明的结构用钢各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：
C：0.45％～0.65％
C是钢中主要的固溶强化元素。C含量若低于0.45％，则很难保证钢板热处理后的硬度，另一方面C含量若高于0.65％，则热轧板强度过高，恶化钢的韧塑性。因此，本发明将C含量要控制在0.45％～0.65％。
Mn：0.50％～1.5％
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园艺工具用钢的热成形性。同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。中低碳钢中Mn含量低，不能满足热处理后高强硬性的要求，Mn含量过高影响焊接性能，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，本发明将Mn含量控制在0.5％～1.5％。
Si：0.1％～0.40％
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。因此本发明将Si含量控制在0.1％～0.40％。
P≤0.020％、S≤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，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。本发明将最高P含量限制在0.020％，最高S含量限制在0.010％。
Cr：0.1％～0.5％
Cr是显著提高钢的淬透性元素，能降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。钢中添加Cr元素，钢的淬透性显著提高，使含碳量低于0.65％时钢板油淬后可获得全部的马氏体组织，且显著提高钢的淬硬性。Cr的加入会使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力。Cr还具有抗氧化脱碳的作用和高耐磨性。加入Cr元素，可以提高碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向，细化表层脱碳层部位晶粒，细化铁素体网形貌，从而降低脱碳层深度。因此，含Cr钢板表面脱碳层浅，热处理后硬度高且均匀，具有高耐磨性。Cr含量低，热处理后硬度不足，Cr含量过高，增加合金成本，因此，本发明控制Cr含量在0.1～0.5％范围内。
Al：0.02％～0.05％
Al用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别能降低钢的脆性转变温度；Al还能提高钢的抗氧化性能，提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。因此，本发明控制Al含量在0.02％～0.05％。
Cu≤0.5％
Cu在钢中有抵抗大气腐蚀的能力，低碳钢中含Cu 1％，其抵抗大气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。Cu含量过高，会使钢变脆，且成本增加较多。因此，在本发明中，钢中Cu≤0.5％，即可满足使用要求。
Ni≤0.4％
Ni可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。镍还可以提高钢的强度而不显著降低其韧性；可降低钢的脆性转变温度，即提高钢的低温韧性；改善钢的加工性和可焊性，保证园艺工具在加拿大等欧美国家的冬季严寒地带的工作环境下也不易损坏；Ni含量过高，成本提高，因此，本发明将Ni含量控制在Ni≤0.4％。
钢中加入Ni 0.1％～0.4％，Cu 0.2％～0.5％时，加工制作的园艺工具具有明显的耐腐蚀性能。在易腐蚀环境中，钢的表面会经过一个复杂的钝化过程，形成层次分明的不同腐蚀产物。Ni含量0.1％～0.4％，Cu含量0.2％～0.5％的钢，最终会在钢表面腐蚀产物的内层形成Ni和Cu的致密钝化层，这个Ni和Cu的致密钝化层是钢耐腐蚀的主要原因。
一种加工性能优异的园艺工具用钢的生产方法为：转炉冶炼－炉外精炼－连铸－铸坯处理－轧制－冷却。关键工艺技术如下：
1.冶炼工艺：
精炼采用Al脱氧剂脱氧。中包吹氩时间不少于10分钟，确保夹杂物上浮充分，浇注过热度≤25℃。连铸工艺采用轻压下技术，连铸坯厚度130～200mm。
2.铸坯处理工艺：采用板坯热装生产工艺，铸坯连铸锯切后下线堆垛加罩缓冷，再入加热炉加热轧制。要求铸坯入炉温度500℃以上。
3.轧制工艺：(1)加热炉采用还原性气氛，板坯加热温度1100～1200℃，保温2～2.5小时，保证铸坯表面脱碳层较小且轧制前原始奥氏体晶粒细小均匀；(2)精粗轧均采用高压水除鳞，保证成品钢板表面质量；(3)采用高温慢轧生产工艺，轧制速度5～15m/s，开轧温度为≥1080℃，终轧温度≥920℃；
4.冷却工艺：(1)钢板出精轧机后进入层流冷却，采用后段冷却工艺，冷速≤20℃/s，冷却到650～730℃卷取；(2)钢卷卷取后由封闭辊道立即入缓冷坑保温缓冷，在坑缓冷时间48小时以上，坑内冷却到200℃以下，再空冷到室温。
中高碳钢碳含量高，连铸易产生成分偏析，影响组织均匀性，因此，连铸采用轻压下，过热度≤25℃的工艺，改善铸坯偏析。中包吹氩时间不少于10分钟，促使夹杂物充分上浮，保证钢质纯净度。精炼采用Al脱氧剂脱氧，可以能细化晶粒，改善钢在低温时的韧性，降低钢的脆性转变温度，保证园艺工具在加拿大等欧美国家的冬季严寒地带的工作环境下也不易损坏。工具钢碳等合金含量相对较高，铸坯在应力作用下极易开裂，因此，采用板坯热装生产工艺，铸坯下线堆垛加罩保温缓冷，且铸坯温度500℃以上入加热炉，以减少钢中内应力，保证铸坯不发生马氏体及贝氏体转变，避免开裂。
加热炉采用还原性气氛，且采用1100～1200℃的较低加热温度，2～2.5小时较短的保温时间，以减轻铸坯表面脱碳，保证铸坯原始奥氏体晶粒细小均匀。采用高温慢轧生产工艺，轧制速度5～15m/s，开轧温度为≥1080℃，终轧温度≥920℃，促使奥氏体晶粒形核长大，均匀组织，得到的屈服强度较低，对提高热轧板加工成型性有益。
采用后段冷却工艺，且要求冷速≤20℃/s，是为了避免冷却速度过快，形成细晶组织，屈服强度和硬度提高，加工困难。开始卷取温度要求控制在650～730℃，是为了得到珠光体+少量细小先析铁素体组织，以保证热轧板硬度≤90HRB，易于加工。开始卷取温度控制在730℃以下，是为了避免形成较大的先析铁素体，影响热处理后组织均匀性及热处理后硬度均匀性。若开始卷取温度在650℃以下，易形成全细片状珠光体组织，钢板硬度提高，影响加工成型性。而且中高碳钢650℃以下卷取，设备负荷大，对卷取机设备损伤大，因此，卷取温度控制在650℃以上。
为降低强度，提高热轧板加工性能，钢卷卷后由封闭辊道立即入缓冷坑内保温处理，钢卷在650～730℃卷取后入缓冷坑，在坑缓冷时间48小时以上，充分利用钢卷余热进行缓冷处理，相当于部分退火，形成部分球化珠光体组织，降低钢板屈服强度和硬度，提高加工成型性。最终钢板组织为片状珠光体+球化珠光体+少量块状先析铁素体，球化珠光体占珠光体总量的40％～70％。揭罩后坑内冷到200℃以下，再空冷到室温，有助于去除钢板内应力，避免加工过程开裂，提高成材率。
有益效果：
按上述化学成分和工艺生产的热轧钢板，室温组织为片状珠光体+球化珠光体+少量块状先析铁素体，球化珠光体占珠光体总量的40％～70％，硬度≤90HRC，屈强比≤57％，加工成型性能优异，对模具损伤小，加工成材率高，钢中添加Cr元素，具有抗氧化脱碳的作用，钢板表面脱碳层深度较小。钢中添加Cr元素后，钢的淬透性显著提高，使含碳量低于0.65％的钢板淬火后可获得全部的马氏体组织，显著提高钢的淬硬性。热处理后硬度达50HRC以上且均匀，耐磨性优异，使用寿命明显高于常规园艺工具。
附图说明
图1和图2为本发明实施例5和实施例17钢板室温组织形貌，图中组织为片状珠光体+球化珠光体+少量块状先析铁素体。
具体实施方式
本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种加工性能优异的园艺工具用钢及其生产方法，其化学成分质量百分比为：C：0.45％～0.65％，Si：0.1％～0.40％，Mn：0.5％～1.5％，Cr：0.1％～0.5％，Al：0.02％～0.05％，Ni≤0.4％，Cu≤0.5％，杂质元素P≤0.020％和S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的热轧卷板由转炉冶炼、炉外精炼、浇注的连铸坯轧制而成。连铸坯厚度130～200mm。精炼采用Al脱氧剂脱氧。中包吹氩时间不少于10分钟，浇注过热度≤25℃。连铸工艺采用轻压下技术。采用连铸坯热装生产工艺，铸坯连铸锯切后下线堆垛加罩缓冷，铸坯入炉温度500℃以上。加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，保温2～2.5小时；精粗轧均采用高压水除鳞，采用高温慢轧生产工艺，轧制速度5～15m/s，开轧温度为≥1080℃，终轧温度≥920℃；钢板出精轧机后进入层流冷却，采用后段冷却工艺，冷速≤20℃/s，冷却到650～730℃卷取；钢卷卷取后由封闭辊道立即入缓冷坑保温缓冷，在坑缓冷时间48小时以上，坑内冷却到200℃以下，再空冷到室温。
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。
其中表1为各实施例和对比例钢所涉及的化学成分，表2为各实施例和对比例钢热轧带钢生产工艺，表3为各实施例和对比例钢板的性能。
表1各实施例和对比例钢的化学成分，％
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Al | Ni | Cu |
| 实施例1 | 0.45 | 0.25 | 0.90 | 0.015 | 0.005 | 0.50 | 0.031 | 0.35 | 0.41 |
| 实施例2 | 0.49 | 0.27 | 1.42 | 0.004 | 0.009 | 0.35 | 0.02 | 0.22 | 0.32 |
| 实施例3 | 0.48 | 0.10 | 0.91 | 0.008 | 0.002 | 0.44 | 0.05 | 0.10 | 0.35 |
| 实施例4 | 0.50 | 0.16 | 0.65 | 0.010 | 0.008 | 0.42 | 0.025 | 0.32 | 0.49 |
| 实施例5 | 0.55 | 0.40 | 0.80 | 0.012 | 0.004 | 0.25 | 0.028 | 0.18 | 0.30 |
| 实施例6 | 0.58 | 0.15 | 0.75 | 0.014 | 0.003 | 0.39 | 0.023 | 0.012 | 0.04 |
| 实施例7 | 0.52 | 0.16 | 0.88 | 0.013 | 0.008 | 0.25 | 0.025 | 0.027 | 0.15 |
| 实施例8 | 0.57 | 0.27 | 1.32 | 0.014 | 0.004 | 0.18 | 0.035 | 0.049 | 0.080 |
| 实施例9 | 0.62 | 0.35 | 0.99 | 0.012 | 0.007 | 0.25 | 0.038 | 0.035 | 0.050 |
| 实施例10 | 0.65 | 0.16 | 1.18 | 0.010 | 0.01 | 0.10 | 0.045 | 0.003 | 0.056 |
| 实施例11 | 0.60 | 0.30 | 0.50 | 0.008 | 0.007 | 0.28 | 0.038 | 0.045 | 0.066 |
| 实施例12 | 0.58 | 0.26 | 1.32 | 0.013 | 0.006 | 0.35 | 0.015 | 0.006 | 0.007 |
| 实施例13 | 0.53 | 0.16 | 1.38 | 0.013 | 0.008 | 0.25 | 0.029 | 0.007 | 0.075 |
| 实施例14 | 0.50 | 0.27 | 0.92 | 0.014 | 0.004 | 0.38 | 0.035 | 0.029 | 0.080 |
| 实施例15 | 0.62 | 0.30 | 0.59 | 0.012 | 0.007 | 0.25 | 0.028 | 0.015 | 0.050 |
| 实施例16 | 0.49 | 0.18 | 0.68 | 0.010 | 0.01 | 0.36 | 0.034 | 0.003 | 0.056 |
| 实施例17 | 0.56 | 0.25 | 0.80 | 0.015 | 0.005 | 0.32 | 0.036 | 0.005 | 0.041 |
| 实施例18 | 0.45 | 0.27 | 1.32 | 0.004 | 0.009 | 0.35 | 0.040 | 0.022 | 0.032 |
| 对比例1 | 0.53 | 0.20 | 0.6 | 0.012 | 0.008 | 0 | 0.013 | 0 | 0 |
| 对比例2 | 0.83 | 0.20 | 0.62 | 0.010 | 0.005 | 0 | 0.017 | 0 | 0 |
表2各实施例和对比例热轧带钢生产工艺
表3各实施例和对比例钢板性能
从实施例可以看出，与对比例相比，本发明实施例生产的钢，热轧板硬度≤90HRC，屈强比≤56％，室温组织为片状珠光体+球化珠光体+少量块状先析铁素体，球化珠光体占珠光体总量的40％～70％，对模具损伤小，加工成型性能优异，加工成材率高，热处理后的硬度≥50HRC，耐磨性优异。对比例热轧板硬度≥95HRB，屈强比≥62％，热轧板加工成材率低，且热处理后硬度低于50HRC，耐磨性差于本发明实施例。
Claims (2)
1.一种加工性能优异的园艺工具用钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C：0.45％～0.65％，Si：0.1％～0.40％，Mn：0.59％～1.5％，Cr：0.36％～0.44％，Al：0.02％～0.05％，Ni:0.003％～0.18％，Cu≤0.5％，杂质元素P≤0.020％和S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质；
钢板的生产工艺为：转炉冶炼－炉外精炼－连铸－铸坯处理－轧制－冷却，精炼采用Al脱氧剂脱氧，中间包吹氩时间不少于10min，浇注过热度≤25℃，连铸工艺采用轻压下技术，连铸坯厚度130～200mm；
采用板坯热装生产工艺，铸坯连铸锯切后下线堆垛加罩缓冷，再入加热炉加热轧制，铸坯入炉温度≥500℃；加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，保温2～2.5h，精粗轧均采用高压水除鳞，采用高温慢轧生产工艺，轧制速度为5～15m/s，开轧温度≥1080℃，终轧温度≥920℃；
钢板出精轧机后采用后段层流冷却工艺，冷速≤19℃/s，650～730℃卷取，钢卷卷取后由封闭辊道立即入缓冷坑保温缓冷，在坑缓冷时间48h以上，坑内冷却到200℃以下，再空冷到室温。
2.如权利要求1所述的加工性能优异的园艺工具用钢，其特征在于，钢板室温组织为片状珠光体+球化珠光体+块状先析铁素体，其中，球化珠光体占珠光体总量的40％～70％。
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