CN110029264A - 一种低成本40CrV工具钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，其按照重量百分比（%）包括以下成分：C：0.38‑0.43、Si：0.15‑0.35、Mn：0.60‑0.90、P：≤0.030、S：≤0.030、Cu：≤0.20、Cr：0.50‑0.70、V：0.05‑0.08、Al：0.010‑0.030、Ti：≤0.04，其余为Fe。由本发明的组分配比和生产方法可知，通过化学成分的优化设计、炼钢和轧钢生产过程的稳定控制、控轧控冷工艺技术（轧制参数）的完美结合，严格控制该配方的冶炼工艺及开、终轧温度及冷却方式，实现低成本40CrV工具钢的生产。

Description

一种低成本40CrV工具钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种合金结构钢的领域，具体涉及一种低成本40CrV工具钢及其生产方法。

背景技术

当前工业工具行业的市场竞争愈加激烈，各制造企业追求工业工具的产品质量的稳定和降低制造成本成为工业工具行业的发展趋势之一。通过优化原材料化学成分，稳定生产过程控制，从而提升产品质量和降低产品成本，提升工业企业的行业竞争力。

目前的工具钢一般都是采用40CrV钢，其性能相对较为稳定，但是工具钢制备得到的钢在使用过程中对同一截面内的性能稳定性、均匀性要求较高，否则会导致工具在使用过程中由于所承受不了作用力对工具本身的作用而断裂损坏；另外在使用过程中，工具还会受到一些冲击作用力，需要工具钢具有较好的抗冲击性和任性。因此，开发一种低成本且产品质量稳定的40CrV工具钢，既是一项重要的降本增效举措，也符合了工业工具行业的发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，通过化学成分的优化设计和控轧控冷工艺技术（轧制参数）的完美结合，严格控制该配方的冶炼工艺及开轧温度，实现低成本40CrV工具钢的生产；通过该方法生产出的工件的截面性能更稳定、更加均匀、顺应了工业工具行业的发展需要；因此在工业工具行业的应用前景是十分广阔的；控制细小微合金化元素钒碳氮化物相的析出而强化铁素体软相；钢中高氮促进VN粒子大量析出，VN能有效细化奥氏体晶粒，促进晶内铁素体的析出，有效的分割粗大的珠光体团，提高非调质钢的冲击韧性，并且钢中增氮还能进一步促进钢中碳氮化钒的析出，显著发挥V的析出强化作用；V-Ti微合金化技术的应用，使其可以实现再结晶+未再结晶区进行控轧控冷，显著提高工具的强韧性；通过各成分的合理配比，钢材的物理指标以及各项性能指标均达到并超过设计要求的前提下，尽可能降低了钢的生产成本，提高了市场竞争力。

本发明所采取的技术方案是：

一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，其特征在于：一种低成本40CrV工具钢按照重量百分比（%）包括以下成分：C：0.38-0.43、Si：0.15-0.35、Mn：0.60-0.90、P：≤0.030、S：≤0.030、Cu：≤0.20、Cr：0.50-0.70、V：0.05-0.08、Al：0.010-0.030、Ti：≤0.04，其余为Fe。

C：0.38%-0.43%；

C：决定钢强度的重要元素。C与其它合金元素相比，成本廉价，如果能够大量添加C则能够降低钢材的合金成本，而且能够与强碳化物形成元素V、Ti、Mo等结合形成碳化物，这些碳化物起到沉淀强化和细晶强化作用，一方面有利于强度增加，另一方面能够拖拽基体晶界而阻止再结晶，提高再结晶温度；但是，如果添加大量的C，则会导致珠光体的片层化明显，而珠光体的片层具有一定的方向性，会导致工件对于不同方向的抗拉抗压能力差异较大，还会导致韧性下降；因此综合考虑成本和工件的性能，从而将C的含量限定在0.38%-0.43%的范围内。

Si：0.15%-0.35%；

Si：显著强化铁素体，具有较强的固溶强化效果，又可增加铁素体的体积分数，有利于提高韧性，另外Si与其它合金元素相比，成本廉价，如果能够大量添加Si则能够降低钢材的合金成本；但Si 含量过高，将降低钢的抗疲劳强度和耐久度会降低，对于应用于半轴这种受力频繁并且受力方向不同的工件而言，对于抗疲劳强度和耐久度的要求比普通的钢要求更高；所以综合考虑成本和工件的性能，从而将Si的含量限定在0.15%-0.35%。

Mn：0.60%-0.90%；

Mn：是提高钢材强度，改善韧性的重要合金元素。Mn 元素还可以提高VC 和VN在奥氏体中的溶解度，有助于其在铁素体中析出。一定量的Mn含量，有利于珠光体团变细小，并减小珠光体片层间距，还使珠光体中渗碳体片的厚度减薄；但是当Mn的含量过高的时候，将提高珠光体的体积分数，降低工件的韧性，这对于受力频繁并且受力方向不同的工件而言是不利的；另外Mn具有与S结合形成硫化物、提高切削性的效果，但Mn与其它合金元素相比，成本相对而言较高；因此综合考虑成本和工件的性能，从而将Mn含量限定在0.60%-0.90%。

P：≤0.030%；

P：能够提高基体强度。P与其它合金元素相比，虽然成本廉价，但P在锻造时对变形有明显的抑制作用；但是与Cu联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能。所以综合考虑到工件的性能，从而将P的含量限定在≤0.030%。

S：≤0.030%；

S：由于会降低工件的韧性，属于钢中杂质元素，应当尽量减少，严格控制在≤0.030%。

Cu：≤0.20%；

Cu：可以改善工件的耐蚀能力，Cu可以借助沉淀硬化来提高工件的抗拉强度，而在那些不发生沉淀硬化的钢中Cu能够提高屈服强度；但是当Cu>0.2%时，就会产生“铜脆”。当Cu>0.2%时，加热过程由于表面发生选择性氧化，使Fe先Cu而发生氧化，而表层Cu含量即相对增加形成一层薄膜，然后向扩散形成含Cu网络，在1030℃即容易锻裂；另外，Cu与其它合金元素相比，成本相对而言较高；因此综合考虑成本和工件的性能，从而将Cu的含量限定在≤0.20%。

Cr：0.50%-0.70%；

Cr：铬元素能够提高淬透性，也有助于珠光体形成，并能够提高工件的强度以及韧性。Cr会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性、高硬度、高强度、屈服点、高耐磨性，同时对塑性、韧性影响又不大；另外，通过添加V与Cr反应可得极细弥散相，对抗蠕强（耐热性）改善极为有利。当Cr的含量小于0.20％时，得到上述效果相对较不明显，甚至得不到上述效果，所以综合考虑成本和工件的性能，从而将Cr的含量限定在0.50%-0.70%。

Al：0.010%-0.030%；

Al：当钢中其含量小于3~5%时，可以提高钢的抗氧化性。作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中；作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中；在改善钢的抗氧化性的时候，铝作为终脱氧剂，Al的含量一般限定在≤0.050%，由于Al与其它合金元素相比，成本廉价，而且还会与Cr反应，所以综合考虑成本和工件的性能，从而将Al的含量限定在0.010-0.030%。

V：0.05%-0.08%；

V：能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性，V还是钢的优良脱氧剂。V与O、N都有很大的亲和力，亦是强碳化物元素。一般VC的弥散度很高，且极稳定。所以它既利脱氧、脱气得到致密细晶组织，提高塑性、韧性及高强度，其冲击性能和疲劳强度都较无V钢高，在高温及低温(＜0℃)均有高强度、韧性。由于VC的高度分散阻止焊缝晶粒粗大，所以可改善钢的可焊性能。但是当V＞0.3%时，将使回火脆性凸突显；并且V与其它合金元素相比，成本昂贵，因此综合考虑成本和工件的性能，从而将V的含量限定在0.05%-0.08%。

Ti：≤0.040%；

Ti：能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性，钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性；钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，TiC可以降低钢的过热倾向性；Ti是强烈的铁素体形成元素，Ti能与S作用，降低硫的热脆作用；但是，含Ti钢，特别是低碳之Ti钢，往往因其钢液粘度较大，而使其中非金属加杂，不易分离浮出；钢是硬度随Ti含量的增加而降低；Ti与N、O有很大的亲和力而极易成形TiN和TiO2，钢在较低温度时，就形成了较多的非金属夹杂和皮下多孔等缺陷；与V一样，Ti含量达到0.05%的时就将使钢的矫顽力降低。而且，Ti与其它合金元素相比，成本昂贵。因此，综合考虑成本和工件的性能，从而将Ti含量限定在≤0.040%。

一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，其特征在于：一种低成本40CrV工具钢按照重量百分比（%）包括以下成分：C：0.38-0.43、Si：0.15-0.35、Mn：0.60-0.90、P：≤0.030、S：≤0.030、Cu：≤0.20、Cr：0.50-0.70、V：0.05-0.08、Al：0.010-0.030、Ti：≤0.04，其余原来Fe。

本发明更进一步改进方案是，选用优质废钢，严禁采用含有较高Cu、Pb等有害残余元素的废钢，控制Cu≤0.20%。

本发明更进一步改进方案是，出钢前, 合金加入钢包中预烘烤。

本发明更进一步改进方案是，严格控制出钢成分，严禁出钢下渣。

本发明更进一步改进方案是，控制好出钢温度，严禁低温出钢。

本发明更进一步改进方案是，严格按照工艺要求控制终点成分，防止钢水过氧化。

本发明更进一步改进方案是，LD或者EAF出钢时，根据出钢碳调整铝饼用量，每炉加入80-120Kg。

本发明更进一步改进方案是，经EAF或者LD的高纯净度钢进行LF冶炼时，精炼中前期加入合金，同时渣面脱氧；根据到站S含量，调整LF过程的渣料石灰用量以及精炼渣用量；软吹前根据光谱成分中Al含量来确定加入硅钙线的含量，喂入硅钙线120-150米/炉，对Al₂O₃夹杂物进行变性处理。

本发明更进一步改进方案是，软吹氩15分钟以上待成分均匀后吊包。

本发明更进一步改进方案是，中间包烘烤、大包长水口、浸入式水口烘烤到位，防止钢水降温过多。

本发明更进一步改进方案是，大包长水口吹氩保护，减少钢水二次氧化现象。

本发明更进一步改进方案是，中包使用挡渣墙，严格控制钢水过热度25-35℃和拉坯速度，采用恒过热度恒拉速，确保液位的稳定。

本发明更进一步改进方案是，各流正常使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌装置,改善铸坯内在质量。

本发明更进一步改进方案是，保证浸入式水口插入结晶器液面深度为120mm，并稳定控制结晶器液面，防止结晶器液面卷渣。

本发明更进一步改进方案是，控制中间包高液位浇注。

本发明更进一步改进方案是，严格按照工艺二冷水配水制度进行配水，确保二冷水水嘴不堵塞，冷却均匀稳定，避免铸坯出现内部缺陷。

本发明更进一步改进方案是，尾坯切割量切足，避免缩孔残余等缺陷坯流入下道工序。

本发明更进一步改进方案是，钢料轧制前加热的炉温如图1所示。

本发明更进一步改进方案是，开轧温度：1010-1080℃、工件表面温度的温差≤30℃。

本发明更进一步改进方案是，控轧为正公差轧制，轧制后的工件有粗磨余量。

本发明更进一步改进方案是，所述工件完成轧制并冷却后，进行退磁处理、检查短尺、单倍尺及定尺。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明的一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，通过化学成分的优化设计和控轧控冷工艺技术（轧制参数）的完美结合，严格控制该配方的冶炼工艺及开轧温度，实现低成本40CrV工具钢的生产。

第二、本发明的一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，通过该方法生产出的工件的截面性能更稳定、更加均匀、顺应了工业工具行业的发展需要；因此在工业工具行业的应用前景是十分广阔的。

第三、本发明的一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，控制细小微合金化元素钒碳氮化物相的析出而强化铁素体软相。

第四、本发明的一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，钢中高氮促进VN粒子大量析出，VN能有效细化奥氏体晶粒，促进晶内铁素体的析出，有效的分割粗大的珠光体团，提高非调质钢的冲击韧性，并且钢中增氮还能进一步促进钢中碳氮化钒的析出，显著发挥V的析出强化作用。

第五、本发明的一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，V-Ti微合金化技术的应用，使其可以实现再结晶+未再结晶区进行控轧控冷，显著提高工具的强韧性。

第六、本发明的一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，通过各成分的合理配比，钢材的物理指标以及各项性能指标均达到并超过设计要求的前提下，尽可能降低了钢的生产成本，提高了市场竞争力。

附图说明

图1为本申请的钢料轧制前加热的炉温图。

图2为本申请所制备得到的各实施例与现有技术40CrV钢的成分对比表。

图3为本申请所制备得到的各实施例与现有技术40CrV钢的力学性能对比表。

图4为本申请实施例1的金相图。

图5为本申请实施例2的金相图。

图6为本申请实施例2的金相图。

具体实施方式

通过下述步骤得到实施例1~3：

选用优质废钢，严禁采用含有较高Cu、Pb等有害残余元素的废钢，控制Cu≤0.20%；

出钢前, 合金加入钢包中预烘烤；

严格控制出钢成分，严禁出钢下渣；

控制好出钢温度，严禁低温出钢；

严格按照工艺要求控制终点成分，防止钢水过氧化；

1）LD/EAF：

LD或者EAF出钢时，根据出钢碳调整铝饼用量，每炉加入80-120Kg；

2）LF：

LF冶炼时，精炼中前期加入合金，同时渣面脱氧；根据到站S含量，调整LF过程的渣料石灰用量以及精炼渣用量；软吹前根据光谱成分中Al含量来确定加入硅钙线的含量，喂入硅钙线120-150米/炉，对Al₂O₃夹杂物进行变性处理；

3）连铸：

中间包烘烤、大包长水口、浸入式水口烘烤到位，防止钢水降温过多；

各流正常使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌装置,改善铸坯内在质量；

软吹氩15分钟以上待成分均匀后吊包；

大包长水口吹氩保护，减少钢水二次氧化现象；

中包使用挡渣墙，严格控制钢水过热度25～35℃和拉坯速度，采用恒过热度恒拉速，确保液位的稳定；

控制中间包高液位浇注；

保证浸入式水口插入结晶器液面深度为120mm,并稳定控制结晶器液面，防止结晶器液面卷渣；

4）铸坯抛丸和铸坯机械修磨：

铸坯经抛丸后，目视检查表面质量，视缺陷情况采用机械修磨方式进行局部或整体修磨，修磨后的钢坯表面不得存在深度超过1mm的划痕、擦伤、气孔、皱纹、渣坑、凹坑、夹渣、裂纹、横向振痕等缺陷；

5）磁粉探伤：

修磨后的铸坯经磁粉探伤检查，表面不得有裂纹、皮下气泡等细小缺陷；

6）加热炉加热+控轧+控冷：

钢料轧制前加热的炉温如图1所示；控轧时候的开轧温度：1010-1080℃、工件表面温度的温差≤30℃；控轧为正公差轧制，轧制后的工件有粗磨余量；

严格按照工艺二冷水配水制度进行配水，确保二冷水水嘴不堵塞，冷却均匀稳定，避免铸坯出现内部缺陷；

尾坯切割量切足，避免缩孔残余等缺陷坯流入下道工序；

7）：工间精整：

退磁+检查短尺、单倍尺及定尺；

8）包装+称重+入库。

通过上述生产方法生产制备出实施例1、实施例2和实施例3，并将实施例1~3的化学成分与目前国内使用的符合国家标准的轮体用钢的化学成分进行分析对比，对比情况如图2所示。显然，有图2可知，所得的实施例1~3的成分中，Cr元素和V元素的含量明显低于现有技术的40CrV钢，降低了生产成本。

将实施例1~3按GB/T 2975方法制样，经过调质处理后（热处理参照40Cr（GB/T3077）相关制度要求），与目前国内使用的符合国家标准的40CrV钢按GB/T 228和GB/T 229测定钢的纵向力学性能、并进行分析对比，对比情况如图3所示。显然，由图3可知，所得的实施例1~3的力学性能在韧性方面和抗冲击方面要优于现有技术的40CrV钢。

另外观察实施例1~3的金相组织，各金相图如图4、图5和图6所示，图中每一厘米相当于实际50微米。由图4~图6可知，施例1~3的金相组织均为典型的珠光体+铁素体，且铁素体呈块状分布。

Claims (10)

1.一种低成本40CrV工具钢，其特征在于：其化学成分wt%包括：C：0.38-0.43、Si：0.15-0.35、Mn：0.60-0.90、P：≤0.030、S：≤0.030、Cu：≤0.20、Cr：0.50-0.70、V：0.05-0.08、Al：0.010-0.030、Ti：≤0.04，其余为Fe。

2.生产如权利要求1所述的一种低成本40CrV工具钢的方法，其特征在于包括下列步骤：

1）LD/EAF：

LD或者EAF出钢时，根据出钢碳调整铝饼用量，每炉加入80-120Kg；

2）LF：

LF冶炼时，精炼中前期加入合金，同时渣面脱氧；根据到站S含量，调整LF过程的渣料石灰用量以及精炼渣用量；软吹前根据光谱成分中Al含量来确定加入硅钙线的含量，喂入硅钙线120-150米/炉，对Al₂O₃夹杂物进行变性处理；

3）连铸：

中间包烘烤、大包长水口、浸入式水口烘烤到位，防止钢水降温过多；

4）铸坯抛丸和铸坯机械修磨：

铸坯经抛丸后，目视检查表面质量，视缺陷情况采用机械修磨方式进行局部或整体修磨，修磨后的钢坯表面不得存在深度超过1mm的划痕、擦伤、气孔、皱纹、渣坑、凹坑、夹渣、裂纹、横向振痕等缺陷；

5）磁粉探伤：

修磨后的铸坯经磁粉探伤检查，表面不得有裂纹、皮下气泡等细小缺陷；

6）加热炉加热+控轧+控冷：

控轧时候的开轧温度：1010-1080℃、工件表面温度的温差≤30℃；控轧为正公差轧制，轧制后的工件有粗磨余量；

7）：工间精整：

退磁+检查短尺、单倍尺及定尺；

8）包装+称重+入库。

3.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，各流正常使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌装置,改善铸坯内在质量。

4.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，软吹氩15分钟以上待成分均匀后吊包。

5.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，大包长水口吹氩保护，减少钢水二次氧化现象。

6.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，中包使用挡渣墙，严格控制钢水过热度25～35℃和拉坯速度，采用恒过热度恒拉速，确保液位的稳定。

7.如权利要求6所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，控制中间包高液位浇注。

8.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，保证浸入式水口插入结晶器液面深度为120mm,并稳定控制结晶器液面，防止结晶器液面卷渣。

9.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤6）中，严格按照工艺二冷水配水制度进行配水，确保二冷水水嘴不堵塞，冷却均匀稳定，避免铸坯出现内部缺陷。

10.如权利要求2所述的一种低成本40CrV工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤6）中，尾坯切割量切足，避免缩孔残余等缺陷坯流入下道工序。