CN108998730B - 一种过共析工具钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种过共析工具钢及其制造方法，化学成分按重量百分比计为：C：0.90％～1.2％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.5％～0.95％，Cr：0.10％～0.50％，Ti：≤0.1％；V：≤0.1％，Nb≤0.1％；Ni≤0.5％，Al：0.015％‑0.06％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.015％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。

Description

一种过共析工具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热轧工具钢板及其制造方法，特别是涉及一种过共析热轧卷板及其制造方法。

背景技术

近几年，为提高钢材使用性能，国内外对工具钢，刃具钢等优特钢的需求越来越多，据统计目前国外优特钢占钢材总用量的37％，而受生产条件，价格等条件制约，国内优特钢使用仍处于起步阶段。由于高碳合金工具钢强硬性大，轧制生产难度大，对工艺要求较高，以前我国优特钢主要以型线材及500mm以下宽度窄带钢为主，没有过共析的高碳热轧卷板。由于板宽较大的卷板成材率高，且转炉冶炼产品质量相对稳定，目前国内各大钢厂纷纷开始研究开发中高碳热轧卷板，越来越多的优特钢用户开始转用宽带卷板。而且随着国内外产品质量要求的不断提升，对工具钢原料的质量要求也越来越高，对热处理后硬度均匀性、耐磨性等技术要求也越来越高，因此，优特钢行业未来发展趋势就是对高碳、合金化的热轧卷板需求越来越大，且要求热轧卷有一定的成形性，易于加工。因此，目前急需研究开发工具用过共析高碳热轧卷板。

CN201380012532.0“碳工具钢钢带”的化学成分是C：0.8～1.2％，厚度为1mm以下的碳工具钢钢带，所述碳工具钢钢带的维氏硬度为500～650(Hv)(50-58HRC)，硬度太高，加工难度大。

CN201610583801.4“高碳工具钢热轧薄钢板的生产方法”，“高品质薄规格热轧合金工具钢及其CSP生产工艺201610827777.”和“一种免球化退火的用CSP线生产薄规格工具钢的方法201510174384.3”均采用薄板坯连铸连轧(铸坯厚为50～90mm)，薄板坯轧制总压下量小，钢板组织粗大，脱碳层、组织性能均难以控制，限制了成本钢板厚度(1.5～3.0mm)，生产厚度大于3.0mm钢板质量难以保证。且“高碳工具钢热轧薄钢板的生产方法201610583801.4”轧后冷却速率≥20℃/s，冷速较快，成本钢板硬度高，后续加工困难；专利“高品质薄规格热轧合金工具钢及其CSP生产工艺201610827777.4”的C：0.85～0.95％，Si：1.25～1.45％，Cr：1.05～1.15％，Si和Cr含量高，冶炼难度大，成本高，且易出偏析等缺陷，且钢板表面质量难控制；“一种免球化退火的用CSP线生产薄规格工具钢的方法201510174384.3”要求对钢卷进行回火处理，增加生产成本。

CN201610834720.7“过共析球化珠光体热轧带钢生产方法”要求在热轧成卷后，对钢卷进行保温炉内700-710℃长时间保温，完全球化退火处理，增加生产成本，且高温段长时间炉内处理，存在表面脱碳严重的风险。

论文“热处理工艺对机械维修用T10工具钢性能的影响研究”介绍的是一种含锶T10工具钢，含锶成分，采用中频感应+电渣重熔冶炼，模铸生产工艺，成本较高，成材率低，且不适合转炉冶炼、热轧成卷。

上述文献及发明提及的钢种及生产方法均存在一定缺陷，不能完体适于目前过共析工具用钢的需求。因此，急需开发一种适合工具钢用的过共析热卷，具有高淬硬性、同时热轧板又具有良好的高韧塑性，易于加工，且寿命。

发明内容

针对目前现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种修脚刀、美工刀、手术刀、卷尺等工具用过共析热轧卷板，该工具钢具有高韧塑性、高淬硬性的良好使用性能，该过共析热轧卷板可不退火直接使用，适合分条酸洗冷轧，开平板等多种用途使用要求。

本发明目的是通过下面的技术方案实现的：

一种过共析工具钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.90％～1.2％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.5％～0.95％，Cr：0.10％～0.50％，Ti：≤0.1％；V：≤0.1％，Nb≤0.1％；Ni≤0.5％，Al：0.015％-0.06％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.015％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。

以下详细阐述本发明钢各合金成分作用机理：

C是钢中主要的固溶强化元素。C含量若低于0.90％，则很难保证热处理后的硬度，另一方面C含量若高于1.20％，冶炼难控制，碳偏析严重，恶化钢的韧塑性。因此，C含量要控制在0.90％～1.20％。

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锯片用钢的热成形性。同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。Mn含量过低，不能满足热处理后高强硬性的要求，Mn含量过高易形成偏析带影响焊接性能，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，Mn含量应该控制在0.5％～0.95％。

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。Si是铁素体形成元素，适量的Si可减少碳化物的形成，避免先析渗碳体析出，因此0.06％～0.40％的Si保留在钢中是必要的。

Cr是显著提高钢的淬透性元素，钢中加入适量的Cr可使C曲线右移，相同冷速下获得的珠光体片间距更加细化。对于高碳钢，Cr可以提高碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向。另一方面，Cr还可提高铁素体电极电位，促使钢的表面形成致密的氧化膜，提高其耐蚀性。Cr含量过低，油淬时不能保证淬硬性；Cr含量过高，增加合金成本，且钢板板形差，难以校平，因此，锯片用钢中不易加入过多的Cr，本发明控制Cr含量0.10％～0.50％。

Nb、V、Ti是细晶强化和沉淀强化微合金元素，在钢中添加微量的Nb、V、Ti，在热加工过程中可以析出微细的碳氮化物二相粒子，抑制奥氏体的形变再结晶，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒.另一方面，V也可提高淬透性和热稳定性。因此，钢中加入适量的Nb、V、Ti可提高热轧钢板的韧塑性及钢热处理后的强度和韧性。当然，含量过高，增加成本，因此，控制Nb≤0.1％、V≤0.1％、Ti≤0.1％。

Ni是扩大奥氏体区元素，可以细化晶粒、球化碳化物，提高淬火后强度的同时，提高韧性、热稳定性等综合性能，提高锯片用钢使用寿命。Ni含量高，成本增加，因此，Ni含量控制在≤0.5％效果最佳。

Al：0.015％-0.06％，冶炼时一般用Al作脱氧剂，也可以细化晶粒，提高强度，但同时也易形成含Al的氧化物夹杂，影响钢的疲劳性能。因此，Al含量控制在0.015％-0.06％。

为保证薄规格钢板加工大直径锯片基体的强度，本发明的钢板碳含量较高，高碳钢中H含量过高，易出现氢脆裂纹，影响锯片基体使用寿命，因此，本发明要求成品钢板中H≤0.0002％。

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，影响疲劳性能，缩短锯片使用寿命。因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.020％，最高S含量限制在0.010％。

上述工具钢成分设计采用高C含量，添加Mn、Cr等少量合金元素，提高钢板淬透性和淬硬性同时，保证钢板热处理后强硬性的同时提高韧塑性。同时加入微量Ni和Nb、V、Ti、Al，细化晶粒，提高工具钢热处理后韧塑性，保证热稳定性。通过严格控制P、S、H等杂质元素的含量，提高工具钢使用寿命。

一种过共析工具钢的制造方法，由转炉冶炼、电炉精炼、板坯连铸连轧及缓慢冷却、卷取后缓冷处理而成，其技术特征如下：

1.冶炼工艺：

(1)转炉冶炼，炉外精炼，LF精炼前碳含量控制在0.8％以上。

(2)采用Si-Al脱氧，精炼吹氩时间不少于10分钟。

2.采用板坯连铸连轧生产工艺，板坯厚130～200mm，采用铸坯热送热装且在线喷涂防氧化脱碳涂料工艺，铸坯入炉温度500℃-600℃，在炉时间3-4小时。

3.热卷轧制及冷却工艺：

(1)加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，保温3-4小时，高温加热段保温时间小于50分钟，确保铸坯加热均匀的同时，尽量降低表面脱碳。(2)精粗轧均采用高压水除鳞，保证成品钢板表面质量；(3)精粗轧间采用热卷箱保温，保证通卷组织性能均匀；(4)精轧开轧温度1050～1150℃，终轧温度控制在750℃～900℃；(5)带钢出精轧机后，冷却到730～800℃卷取，钢板卷取后10分钟内入余热缓冷装置缓慢冷却，余热缓冷装置内温度700℃-750℃，缓冷时间72小时以上，钢卷冷到300℃以下出余热缓冷装置，平均冷速0.05℃/min-0.18℃/min。

采用转炉冶炼，炉外精炼，LF精炼前碳含量控制在0.8％以上，以确保连铸后成品钢坯中碳的均匀性。

冶炼采用Si-Al脱氧，严格控制钢中P、S、H等杂质元素的含量，精炼吹氩时间不少于10分钟，以尽量降低钢中夹杂物含量，提高疲劳性能，延长使用寿命。为避免高碳工具钢出现氢脆裂纹，冶炼中要求中包H≤0.00025％，以确保成品H≤0.0002％。

该发明碳含量高，为确保铸坯顺利通过粗轧机入口，要求板坯厚不超过200mm，另一方面，为了均匀组织，铸坯到成品要有足够的压下量，板坯最小厚度不得小于130mm。

经过精炼、连铸、利用热连轧机组进行轧制。为节约能源，避免铸坯开裂，连铸坯采用热送热装工艺，铸坯入炉温度500℃-600℃，避免铸坯中形成Nb、V、Ti的大颗粒析出相，减轻偏析，均匀组织，减少热应力和组织应力，避免铸坯产生裂纹。高碳工具钢表面易脱碳，严重影响表面硬度。注意控制铸坯在加热炉内高温段保温时间50分钟以下，不能在高温段停留时间过长。采用铸坯喷防氧化脱碳涂料工艺，且加热炉内采用还原性气氛，在炉时间小于4小时，可明显减轻铸坯表面氧化，再采用高压水除鳞技术，去除表面氧化铁皮，从而降低成品钢板的表面脱碳层深度，保证单面表面脱碳层深度小于板厚的1％。另一方面，

带钢长度较长，轧制头尾部温降较快，精粗轧间采用热卷箱保温，可提高头尾部温度，确保钢坯头尾轧制温度，提高通卷轧制温度均匀性，进而提高通卷组织性能均匀性，提高成材率。

为保证热轧板不退火，直接分条酸洗冷轧及开板使用时不开裂，要求热轧板组织由均匀细小的片层状和球状珠光体团组成，且珠光体球化率40％以上。

采用低温轧制，终轧温度不易超过900℃，采用前段快速冷却，以得到细小均匀的奥氏体组织，避免加工开裂，提高工具钢热处理性能。为得到适合免退火使用的球化组织，要求卷取温度控制在730～800℃，钢板卷取后10分钟内入余热缓冷装置缓慢冷却，保证钢卷入余热缓冷装置温度680℃以上，余热缓冷装置内温度680℃-730℃，缓冷时间72小时以上，钢卷冷到300℃以下出余热缓冷装置，平均冷速0.05℃/min-0.18℃/min。冷速过快，很难形成球化的珠光体，冷速过慢，过共析钢易形成先析碳渗体，脆性大，易开裂，严重影响热轧板使用性能。

本发明的工具用过共析热轧卷板，屈服强度在600MPa以上，硬度20-25HRC，延伸率＞15％，单面表面脱碳层深度小于板厚的1％，组织为片层状珠光体和球化珠光体混合组织，球化率40％以上，强硬性和塑性匹配优异，具用高淬硬性的良好使用性能。该过共析热轧卷板可不退火直接使用，具有良好分条酸洗冷轧和开板冲压变形使用性能，完全适合修脚刀、美工刀、手术刀、卷尺等工具的加工制造。

说明书附图

图1为实用例1组织形貌；

图2为实施例2组织形貌；

图3为实施例6组织形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例进行说明：

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。表1为本发明实施例钢的化学成分，表2为本发明实施例热轧带钢的生产工艺，表3为实施例钢板的性能。

表1本发明实施例钢的化学成分wt％

表2热轧卷板生产工艺及力学性能

表3钢板性能

Claims (3)

1.一种过共析工具钢，其特征在于化学成分按重量百分比计为：C：0.98％～1.2％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.5％～0.95％，Cr：0.10％～0.50％，Ti：0.007％～0.1％；V：≤0.1％，Nb:0.005～0.1％；Ni≤0.5％，Al：0.015％-0.06％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.015％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质；屈服强度在600MPa以上，硬度20-25HRC，延伸率＞15％，单面表面脱碳层深度小于板厚的1％，组织为片层状珠光体和球化珠光体混合组织，球化率40％以上。

2.一种根据权利要求1所述的过共析工具钢制造方法，包括冶炼、板坯连铸连轧及缓慢冷却、卷取后缓冷处理，其特征在于：所述的冶炼，精炼前碳质量含量控制在0.8％以上；采用Si-Al脱氧，精炼吹氩时间不少于10分钟；所述的板坯厚130～200mm，采用铸坯热送热装且在线喷涂防氧化脱碳涂料工艺，铸坯入炉温度500℃-600℃，在炉时间3-4小时；加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，高温加热段保温时间小于50分钟；精轧开轧温度1050～1150℃，终轧温度控制在750℃～860℃；带钢出精轧机后，冷却到730～800℃卷取，钢板卷取后10分钟内入余热缓冷装置缓慢冷却，余热缓冷装置内温度700℃-750℃，缓冷时间72小时以上，钢卷冷到300℃以下出余热缓冷装置，平均冷速0.15℃/min-0.18℃/min。

3.根据权利要求2所述的过共析工具钢制造方法，其特征在于：精粗轧均采用高压水除鳞，精粗轧间采用热卷箱保温。

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