CN109280847B - 一种高碳合金链具钢及其制造方法 - Google Patents

一种高碳合金链具钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高碳合金链具钢及其制造方法，该链具钢的成分按重量百分比计如下：C：0.60％～0.75％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.2％～0.6％，Cr：0.10％～0.50％，Mo：≤0.5％，Ni：≤0.50％，Ti：≤0.1％；V：≤0.1％，Nb≤0.1％；Al：0.015％‑0.06％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼、板坯连铸连轧、冷轧、退火，应用本发明生产的钢板，组织完全球化组织，球化率4.0级以上，钢板硬度80‑90HRB，热处理后硬度达48HRC以上。疲劳可达50万次以上，具有良好分条机械加工性能，完全适合链具链齿等工具用钢使用要求。

Description

一种高碳合金链具钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及耐磨性优异的高碳合金链具用钢及其制造方法。
背景技术
近几年，随着环保意识的不断增强，园林业迅猛发展，人们对园林链具质量要求越来越高，因此对链具用钢要求也越来越高，特别对链齿用钢的要求越来越严格，普通优结钢材质的链具用钢已不能完全满足使用要求。另一方面，从节能减排，延长使用寿命方面考虑，也急需开发高碳高合金的新一代链具用钢。
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。由于高碳合金钢强硬性大，轧制生产难度大，特别是对冷轧工艺要求高，目前国内外这类高碳高合金优特钢主要以电炉冶炼，窄带轧制生产为主，成材率低，成本高。如采用转炉冶炼，宽带轧机轧制生产，即提高成材率，且转炉冶炼产品质量相对稳定。
发明《一种锰铬高碳合金钢》(申请号：201410523266.4)公开的锰铬高碳合金钢，其成分设计中Si：1.26％-1.32％；Cr：1.86％-1.92％；Mn：2.24％-2.32％，合金含量高，且采用模铸生产，成材率低，成本高，而且强硬性高，热轧板加工困难。
发明《一种高碳合金钢的锻造工艺》(申请号：201410744800.4)中公开了一种高碳合金钢的锻造工艺，工艺复杂，生产难度大。
发明《高碳合金钢》(申请号：201510473310.X)公开的高碳合金钢成分设计中C：40—60份，碳含量较低，且合金少，热处理后强硬性不足，不适合链具钢使用要求。
上述文献及发明提及的钢种及生产方法均存在一定缺陷，不适于链具钢的使用需求。因此，急需开发一种适合链具用钢，具有良好的韧塑性和表面质量，易于加工和热处理，同时具用高淬硬性，热处理后硬度高，耐磨性好。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有中等强度，表面氧化脱碳轻，高珠光体球化率，热处理后硬度高，耐磨性好的高碳合金链具钢及其制造方法。
本发明目的是这样实现的：
一种高碳合金链具钢，该链具钢的成分按重量百分比计如下：C：0.60％～0.75％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.2％～0.6％，Cr：0.10％～0.50％，Mo：≤0.5％，Ni：≤0.50％，Ti：≤0.1％；V：≤0.1％，Nb≤0.1％；Al：0.015％-0.06％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
高碳合金链具钢的显微组织为球化组织，球化率达4级以上，晶界氧化深度不大于5um。
本发明成分设计理由如下：
C是钢中主要的固溶强化元素。C含量若低于0.60％，则很难保证热处理后的硬度，另一方面C含量若高于0.75％，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0.60％～0.75％。
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0.2％～0.60％。
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％。
Mo，能提高钢的强度和韧性，耐腐蚀性，硬度和耐磨性，净化晶界改善耐延迟性。作为碳化物形成元素,钼一部分与铁形成固溶体,一部分与碳形成碳化物.钼在α-铁和γ-铁中。.钼对奥氏体形成，转变，回火马氏体分解均有影响。钼可以使A3点温度升高，A4点温度下降，缩小γ相区。钼还能强烈推迟珠光体转变，而对贝氏体相变推迟较少，同时提高珠光体最大相变速度的温度，降低贝氏体最大相变速度的温度。
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。
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、V、Ti≤0.1％。
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％。
为保证该链具用钢热处理后强度，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％。
上述成分设计采用高C含量，添加Mn、Cr、Mo等合金元素，提高钢板淬透性、淬硬性和耐热性，保证钢板热处理后强硬性。同时加入微量Ni和Nb、V、Ti、Al，细化晶粒，提高热处理后韧塑性，保证热稳定性和低温韧性。通过严格控制P、S、H等杂质元素的含量，提高该链具钢使用寿命。
本发明技术方案之二是提供一种高碳合金链具钢的制造方法，包括冶炼、板坯连铸连轧、冷轧、退火；
(1)冶炼工艺：
转炉冶炼，炉外精炼，采用LF+RH双联精炼处理，要求处理时间40min以上，以便非金属夹杂物上浮充分，保证钢水质量，提高成品钢板的疲劳性能；
采用转炉冶炼，炉外精炼，LF+RH双联精炼处理，处理时间40min以上，有助于非金属夹杂物上浮充分，保证钢水纯净度，提高成品钢板的疲劳性能；为避免高碳钢出现氢脆裂纹，冶炼中要求中包H≤0.00025％，以确保成品H≤0.0002％。
(2)板坯连铸连轧：
采用板坯热送热装连铸连轧生产工艺，板坯厚130～200mm，铸坯入炉温度500℃-600℃。
本发明碳含量高，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。
热轧：
(ⅰ)加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，保温3-5小时，确保铸坯加热均匀的同时，尽量降低表面脱碳，减少表面晶界氧化，
(ⅱ)精粗轧均采用高压水除鳞，保证成品钢板表面质量；
(ⅲ)粗轧首道次压下率大于30％，开轧温度1050℃～1150℃，
(ⅳ)精粗轧间采用热卷箱保温，保证通卷组织性能均匀，精轧终轧温度800℃～1000℃；
(ⅴ)带钢出精轧机后，迅速冷却到500～700℃卷取，冷速大于30℃/min。
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。铸坯加热温度较低，1100～1200℃，且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氧化，保证单面表面脱碳层深度小于板厚的1.5％，晶界氧化深度不大于5um。
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。
采用首道次大于30％的大压下率，终轧温度800℃～1000℃，奥氏体区轧制，破碎铸坯组织偏析，减轻成品带状，提高成品组织均匀性。500～700℃卷取，30℃/min以上快速冷却，以形成细片状珠光体，且珠光体团均匀细小。
本发明热卷酸洗冷轧后，采用可逆轧机轧制。
热卷经10％-30％盐酸溶液酸洗，充分除净表面氧化铁皮，减少氧化脱碳。30％以上总压下量冷轧，大压下率，650-750℃球化退火，得到完全球化组织，球化率4级以上，钢板硬度80-90HRB，保证脱碳层深度不大于厚度的1.5％，晶界氧化深度不大于5um。
(3)冷轧：
(ⅰ)热轧卷经10％-30％HCl溶液酸洗；
(ⅱ)冷轧总压下量30％以上，涂油后卷取成带钢。
(4)退火：
采用氢气炉退火，避免钢板表面氧化脱碳，球化退火温度650-750℃，保温30小时以上，罩冷到280℃以下，循环水冷到室温。
退火温度和冷轧总压下率直接影响成品钢板组织和性能。采用氢气炉退火，避免钢板表面氧化脱碳，有助于降低钢板表面脱面层和晶界氧化深度。压下率低于30％，退火温度低于650℃，钢板退火后球化率不好，硬度高，且热处理后组织不均匀，疲劳性能不佳。退火温度过高，形成粗大球化组织，硬度偏低，冲压成链具齿时易倒边，且可能产生氧化脱碳，增加晶界氧化深度，影响疲劳性能。
本发明的有益效果在于：应用本发明公开的技术方案生产的钢板，组织完全球化组织，球化率4.0级以上，钢板硬度80-90HRB，热处理后硬度达48HRC以上。冷轧后钢板单面表面脱碳层深度小于板厚的1.5％，晶界氧化深度不大于5um，疲劳和耐腐蚀性能明显提高，疲劳可达50万次以上。具有良好分条机械加工性能，完全适合链具链齿等工具用钢使用要求。
附图说明
图1为本发明实施例5显微组织图。
图2为本发明实施例2表面晶界氧化形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行包括冶炼、板坯连铸连轧、冷轧、退火，
(1)冶炼：
转炉冶炼，炉外精炼，采用LF+RH双联精炼处理，处理时间40min以上；
(2)板坯连铸连轧：
采用板坯热送热装连铸连轧生产工艺，板坯厚130～200mm，连铸坯入炉温度500℃-600℃。
热轧：
(ⅰ)加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，保温3-5小时；
(ⅱ)精粗轧均采用高压水除鳞；
(ⅲ)粗轧首道次压下率大于30％，开轧温度1050℃～1150℃，
(ⅳ)精粗轧间采用热卷箱保温，精轧终轧温度800℃～1000℃；
(ⅴ)带钢出精轧机后，迅速冷却到500～700℃卷取，冷速大于30℃/min；
(3)冷轧：
(ⅰ)热轧卷经10％-30％HCl溶液酸洗；
(ⅱ)冷轧总压下量30％以上，涂油后卷取成带钢。
(4)退火：
采用氢气炉退火，球化退火温度650-750℃，保温30小时以上，罩冷到280℃以下，循环水冷到室温。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的性能见表3。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
Figure BDA0001820933830000091
Figure BDA0001820933830000101
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
Figure BDA0001820933830000102
表3本发明实施例钢的性能
Figure BDA0001820933830000103
Figure BDA0001820933830000111
应用本发明公开的技术方案生产的钢板，组织完全球化组织，球化率4.0级以上，附图1中实施例5球化率4.5级，钢板硬度80-90HRB，热处理后硬度达48HRC以上。冷轧后钢板单面表面脱碳层深度小于板厚的1.5％，晶界氧化深度不大于5um，疲劳和耐腐蚀性能明显提高，疲劳可达50万次以上。具有良好分条机械加工性能，完全适合链具链齿等工具用钢使用要求。

Claims (2)

1.一种高碳合金链具钢，其特征在于，该链具钢的成分按重量百分比计如下：C：0.60％～0.75％，Si：0.06％～0.40％，Mn：0.2％～0.6％，Cr：0.12％～0.50％，Mo：≤0.5％，Ni：0.32％～0.50％，Ti：0.007％～0.10％；V：0.002％～0.027％，Nb：0.005％～0.1％；Al：0.015％-0.06％，且H≤0.0002％，杂质元素P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述高碳合金链具钢的制造方法，包括冶炼、板坯连铸连轧、冷轧、退火，
(1)冶炼：
转炉冶炼，炉外精炼，采用LF+RH双联精炼处理，处理时间40min以上；
(2)板坯连铸连轧：
采用板坯热送热装连铸连轧生产工艺，板坯厚130～200mm，连铸坯入炉温度500℃-600℃；
热轧：
(ⅰ)加热炉采用还原性气氛，铸坯加热温度1100～1200℃，保温3-5小时；
(ⅱ)粗轧首道次压下率大于30％，开轧温度1050℃～1150℃；
(ⅲ)精粗轧间采用热卷箱保温，精轧终轧温度800℃～1000℃；
(ⅳ)带钢出精轧机后，迅速冷却到500～650℃卷取，冷速大于31℃/min；
(3)冷轧：
(ⅰ)热轧卷经10％-30％HCl溶液酸洗；
(ⅱ)冷轧总压下量30％以上，涂油后卷取成带钢；
(4)退火：
采用氢气炉退火，球化退火温度650-750℃，保温30小时以上，罩冷到280℃以下，水冷到室温。
2.一种权利要求1所述的一种高碳合金链具钢， 显微组织为球化组织，球化率达4级以上，晶界氧化深度不大于5um。
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