CN111485086A - 一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺 - Google Patents

一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于轧制技术领域，涉及一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺。钢坯在不高于1050℃温度经过1.5～2小时加热，使钢坯铸态组织充分奥氏体化，具备开轧条件；精轧机组、mini机组采用不高于850℃的较低温度轧制，使轧件正常变形，并控制终轧温度不超过900℃；吐丝温度采用不高于800℃的较低温度，为轧后控冷提供低温保障；控冷前期采用1台以上水雾风机强冷至不高于650℃，佳灵装置设置0％，已开启的风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板，随后关闭保温罩缓冷以降低冷却速率使盘条充分缓冷，减少马氏体的析出。该工艺有效降低了高碳合金工具钢盘条脱碳层深度。

Description

一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺
技术领域
本发明属于轧制技术领域，涉及一种钢材控轧控冷工艺，具体的说是一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺。
背景技术
工具钢是用于制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢，其具有较高的硬度和在高温下能保持高硬度和红硬性，以及高的耐磨性和适当的韧性。工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三大类。合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。目前，国内常用合金工具钢多数都是中碳钢或高碳钢，碳含量主要集中在0.40％～0.70％，其中碳含量的0.60％以上的通常被称为高碳合金工具钢。合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。其中碳含量较高的钢多用于制造刃具、量具和冷作模具，具有足够的耐磨性；碳含量较低的钢多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，但韧性良好。
由于高碳合金工具钢碳含量较高，且为了提高硬度硅含量也较高，其钢种特性具有极易脱碳的特点，采用常规的轧制及冷却方法生产的高碳合金工具钢热轧盘条会产生明显的脱碳，甚至出现不同程度的铁素体脱碳现象。采用脱碳层较深的高碳工具钢盘条加工成的各类工具产品质量会明显降低，主要表现在以下两个方面：
第一，盘条脱碳处碳含量相对于正常机体明显降低，高碳合金工具在调质热处理(淬火+回火)后，工具成品的表层硬度会明显降低，进而降低工具的硬度(脱碳程度越严重硬度下降越明显)，特别是在盘条存在铁素体脱碳的区域无法有效淬火，硬度会直线下降，导致工具易变形。
第二，脱碳处由于强度低、硬度低，在工具使用过程中易形成疲劳裂纹，显著降低工具的疲劳性能，进而引发断裂。
目前，多数钢厂为降低高碳合金工具钢盘条脱碳，采用二火成材工艺路线和钢坯增加防脱碳涂料两种主要解决方案，但目前通过控轧控冷手段来有效降低高碳合金工具钢盘条脱碳，并实现批量生产的方案不常见。在现有技术中，虽然有关于研究加热温度，加热时间，轧制温度，吐丝温度，冷却速率等因素对脱碳层深度的影响，在目前的研究成果上，能将脱碳层深度控制在≤0.5％D，但脱碳同时可能会对表层硬度有不利的影响，这会对下游用户最终产品的质量很大影响。所以，如何深入研究，进一步降低脱碳层深度，且避免降低热处理对高碳合金工具钢硬度等质量的影响，是本发明需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺方法，采用该工艺方法可有效降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度，还能解决因高碳工具钢盘条脱碳层较深导致的工具成品硬度降低变形及疲劳性能下降导致的断裂问题。
一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，工艺包括：加热炉加热、精轧机组轧制、mini机组轧制、吐丝、水雾风机及保温罩冷却，步骤如下：
(1)钢坯通过加热炉加热，在不高于1050℃的条件下加热1.5～2小时；
进一步，优选的加热温度：预热段温度800～900℃，加热段温度900～950℃，均热段温度1000～1050℃，其中均热段加热时间不超过40分钟；
(2)轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度不高于850℃；
进一步，优选的轧制温度在800～850℃；
(3)精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格，mini机组轧制温度不高于850℃，终轧温度不高于900℃；
进一步，优选的轧制温度在800～850℃，终轧温度850～900℃；
(4)终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度不高于800℃；
进一步，优选的吐丝温度在780～800℃；
(5)控冷前期开启1台以上水雾风机冷却至设定温度，水雾风机冷却速率不低于13℃/s，佳灵装置0％，已开启的风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板；控冷后期加盖保温罩缓冷，缓冷速率不高于0.5℃/s；
进一步，优选的的冷却方式为：开启1～2台水雾风机，风机风量60～100％，控冷前期冷却速率13～16℃/s，冷却至600～640℃，控冷后期冷却速率0.2～0.5℃/s。
所述盘条成分范围为C：0.66～0.70％，Si：1.00～1.20％，Mn：0.40～0.60％，P≤0.020％，S≤0.015％，Cr：0.20～0.40％，Ni：0.12～0.30％，Cu≤0.25％，Mo：0.40～0.50％，V：0.17～0.25％，其余为铁。
下面对本发明的主要工艺控制过程对降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的影响做详细叙述。
钢坯加热：采用断面160mm*160mm连铸方坯，通过蓄热式加热炉加热，预热段温度800～900℃，加热段温度900～950℃，均热段温度1000～1050℃，总加热时间1.5～2小时，其中均热段加热时间不超过40分钟，使钢坯铸态组织充分奥氏体化，具备开轧条件。炉内空燃比控制在0.40～0.50，防止空气过剩加剧脱碳。
如果加热温度超过2小时，将会导致钢坯加热过程中的脱碳增加，进而提高降低高碳合金工具钢盘条成品脱碳层深度的难度，而钢坯脱碳层深度的增加会引起盘条脱碳层深度的增加，进而显著降低成品工具热处理后的硬度。
粗中轧和预精轧机组轧制：加热后的钢坯进入粗中轧机组连轧，以保证粗中轧机组轧制过程轧件都处于充分奥氏体化的状态，以保证轧制过程顺利进行。粗中轧机组理想的轧制温度范围也在800～850℃之间，但由于高线生产线粗中轧和预精轧机组都作为基础变形阶段，其控轧控冷手段较少，变形速率相对固定，对轧件的温升温降影响也相对稳定，故通过设置加热工艺来实现对粗中轧和预精轧机组的控制。
精轧机组轧制：粗中轧机组轧制后的轧件进行穿水冷却，轧件随后进入精轧机组轧制，控制进入精轧机组的温度在800～850℃。
在800～850℃温度条件下，轧件仍处于完全奥氏体状态，一方面拥有良好的塑性可以保证轧制过程顺利进行；另一方面由于奥氏体状态下碳原子充分固溶在铁机体中，且由于温度相对较低，钢中碳原子与空气中的氧气反映较慢。如果轧制温度低于800℃，轧件不能确保完全奥氏体化，其变形抗力会显著增加，存在很大的轧机损坏风险，无法批量生产；且当轧件低于800℃时会逐渐进入铁素体和奥氏体两相区，届时碳原子不再充分固溶与铁机体中，而是开始扩散，其扩散过程中会和空气中的氧气反映加剧，进而增加明显的脱碳。如果轧制温度高于850℃，虽然轧件处于完全奥氏体化状态，轧制可以顺利进行，碳原子也可充分固溶于铁机体，但是由于温度的升高，碳氧活泼性会明显增加，二者的化学反应也随之加剧，也会导致脱碳明显增加。
mini机组轧制：精轧后的轧件进入mini机组轧制为盘条成品规格，mini机组轧制温度控制在800～850℃，轧件仍处于完全奥氏体状态，一方面拥有良好的塑性可以保证轧制过程顺利进行；另一方面由于奥氏体状态下碳原子充分固溶在铁机体中，且由于温度相对较低，钢中碳原子与空气中的氧气反映较慢。如果轧制温度低于800℃，轧件不能确保完全奥氏体化，其变形抗力会显著增加，存在很大的轧机损坏风险，无法批量生产；且当轧件低于800℃时会逐渐进入铁素体和奥氏体两相区，届时碳原子不再充分固溶与铁机体中，而是开始扩散，其扩散过程中会和空气中的氧气反映加剧，进而增加明显的脱碳。如果轧制温度高于850℃，虽然轧件处于完全奥氏体化状态，轧制可以顺利进行，碳原子也可充分固溶于铁机体，但是由于温度的升高，碳氧活泼性会明显增加，二者的化学反应也随之加剧，也会导致脱碳明显增加，其控制机理与精轧机组相同。
mini机组的温度选取是和精轧机组一致的，因为精轧机组和mini机组之间有冷却水箱，因此通过精轧机组轧制后的轧件虽然会升温，但可被冷却下来，以保证进入mini组的温度和精轧机组的温度一致。mini机组的控轧有效的将终轧温度保证在800～850℃，为随后的吐丝温度控制提供了良好的条件。
吐丝：终轧后盘条通过吐丝机成圈，通过水箱水冷将吐丝温度控制在780～800℃，为之后的控制冷却提供了有利条件。如果吐丝温度过高，通过水雾风机冷却至两相区温度以下所需要的时间将增加，对应的脱碳也会增加；如果吐丝温度过低盘条吐丝成圈抗力会明显增加，造成吐丝困难，无法满足批量生产实际，且吐丝温度降低会导致盘条吐丝后直接进入两相区，这样会造成盘条在入口段(斯太尔摩控冷线的入口段无风机)产生脱碳。
控冷：轧后盘条的控冷在斯太尔摩控冷线上实现，采用水雾风机冷却，佳灵装置0％，已开启的风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板。控冷开始先开启1～2台水雾风机，风机风量60～100％，控冷前期冷却速率13～16℃/s，待冷却至600～640℃后进保温罩缓冷处理，使盘条以0.2～0.5℃/s的冷却速率缓慢冷却，至冷却至450℃以下，以减少马氏体组织转变，防止盘条下线后的脆断。
如果前期冷却速率低于13℃/s无法保证盘条两相区温度的快速冷却(两相区是指铁素体和奥氏体，本专利中高碳合金工具钢的两相区温度为650～780℃)，因处于两相区时碳原子不再充分固溶与铁机体中，而是开始扩散，其扩散过程中会和空气中的氧气反映加剧，进而脱碳会明显增加。盘条成品脱碳层深度的增加会显著降低成品工具热处理后的硬度，进而降低工具的质量和使用寿命。但如果前期冷却速率高于16℃/s则会使盘条向马氏体的转变增多，进而引发热轧盘条脆断。
本发明的优点：采用一火材小方坯轧制，不需要采用二火材工艺，大幅度降低了同类盘条的生产成本；不需要对坯料增加防脱碳涂料处理，进一步降低了生产成本，提高了生产效率，同时减少了涂料生产、使用造成的能源消耗及环境污染；精轧机组、mini机组采用合理的控轧温度和吐丝温度，避开轧件处于较高温度及两相区温度，减少轧制过程的脱碳；轧后采用水雾风机冷却提高冷却速率，随后立即缓冷的组合方案，通过科学的控轧和控冷组合，有效抑制了两相区脱碳，使盘条总脱碳层深度≤0.3％D，且无铁素体脱碳现象。本申请轧后控冷采用了水雾风机，这在高碳合金钢盘条控冷上是比较罕见的，因为这样做可以获得比传统控冷更高的冷却速率，将脱碳层深度降到非常低的水平。但是采用水雾风机冷却强度太大，且有水的参与，高碳合金钢淬透性极好，操作不当很容易获得淬火马氏体甚至引发盘条产生应力裂纹，主要是非搭接点处，斯太尔摩控冷线的非搭接点处盘条分布稀疏，故冷却的较快且易沾水产生淬火。为解决该问题，本申请将与风机配套的佳灵装置调节至0％，并且在斯太尔摩控冷线非搭接点处增加了挡风板，这在斯太尔摩控冷线上属于创新，以此来消除采用水雾风机造成的淬火马氏体及应力开裂问题。
具体实施方式
以高碳合金工具钢ZTS2盘条(Φ12.0mm)的生产为例说明：
ZTS2具体成分如下：
Wt，％
牌号 C Si Mn P S Cr Mo V Ni Cu
ZTS2 0.66-0.70 1.00-1.20 0.45-0.60 ≤0.020 ≤0.015 0.25-0.40 0.40-0.50 0.17-0.25 0.12-0.30 ≤0.20
轧钢工艺流程：蓄热式加热炉—粗中轧和预精轧机组—精轧机组—mini机组—吐丝机—水雾风机冷却—关闭保温罩缓冷—打捆。其中未作限定的条件为常规条件，对盘条脱碳无影响。
实施例1
1、钢坯加热
钢坯成分C：0.66％，Si：1.10％，Mn：0.49％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：0.33％，Ni：0.22％，Cu：0.10％，Mo：0.46％，V：0.22％。
将断面160mm*160mm连铸方坯在800～1050℃温度下加热1.7小时，空燃比0.40～0.50。
2、控制轧制
粗轧开轧温度920～950℃，轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度800～830℃，精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ12.0mm，mini机组轧制温度800～830℃，终轧温度850～880℃。
3、吐丝
终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度780～800℃。
4、控制冷却
开启2台水雾风机，风机风量80％，佳灵装置0％，2台风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板，已开启水雾风机出口位置盘条实际温度605～638℃，实际冷却速率14～15℃/s；未开启风机对应的保温罩全部关闭，实际冷却速率0.25～0.30℃/s。
实施例2
1、钢坯加热
钢坯成分C：0.70％，Si：1.12％，Mn：0.50％，P：0.010％，S：0.008％，Cr：0.35％，Ni：0.21％，Cu：0.11％，Mo：0.45％，V：0.21％。
将断面160mm*160mm连铸方坯在1000～1050℃温度下加热1.9小时，空燃比0.40～0.50。
2、控制轧制
粗轧开轧温度931～950℃，轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度815～850℃，精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ12.0mm，mini机组轧制温度820～850℃，终轧温度870～900℃。
3、吐丝
终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度780～800℃。
4、控制冷却
开启2台水雾风机，风机风量60％，佳灵装置0％，2台风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板，已开启水雾风机出口位置盘条实际温度620～640℃，实际冷却速率13～14℃/s；未开启风机对应的保温罩全部关闭，实际冷却速率0.24～0.28℃/s。
实施例3
1、钢坯加热
钢坯成分C：0.67％，Si：1.11％，Mn：0.49％，P：0.010％，S：0.010％，Cr：0.35％，Ni：0.23％，Cu：0.12％，Mo：0.49％，V：0.20％。
将断面160mm*160mm连铸方坯在1000～1050℃温度下加热1.5小时，空燃比0.40～0.50。
2、控制轧制
粗轧开轧温度920～950℃，轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度800～830℃，精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ12.0mm，mini机组轧制温度810～835℃，终轧温度860～888℃。
3、吐丝
终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度780～800℃。
4、控制冷却
开启2台水雾风机，风机风量90％，佳灵装置0％，2台风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板，已开启水雾风机出口位置盘条实际温度601～625℃，实际冷却速率14～15.5℃/s；未开启风机对应的保温罩全部关闭，实际冷却速率0.25～0.29℃/s。
对比例1
将实施例1步骤1钢坯加热中加热温度1000～1050℃替换为1080～1130℃，加热时间1.7小时替换为2.5小时，其他条件同实施例1。
对比例2
将实施例1步骤2控制轧制中精轧机组轧制温度替换为850～900℃，mini机组轧制温度替换为850～900℃，终轧温度替换为900～950℃，其他条件同实施例1。
对比例3
将实施例1步骤3吐丝中吐丝温度替换为850～880℃，其他条件同实施例1。
对比例4
将实施例1步骤4控制冷却中2台水雾风机关闭，即水雾风机控冷替换成保温罩关闭的传统斯太尔摩缓冷方法，冷却速率0.15～0.23℃/s，其他条件同实施例1。
本发明实施例1、实施例2、实施例3与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4热轧盘条显微组织中脱碳层深度(包括总脱碳层深度、铁素体脱碳层深度)和热处理后近表层硬度进行检测，其中脱碳层深度在热轧态盘条样品上进行检验，检测标准为GB/T224；硬度在热处理之后的工具成品上进行检验(热处理工艺为840℃淬火+200℃回火)，检验标准为GB/T230.1。脱碳层深度及硬度比较如下表1：
表1
Figure BDA0002441729400000081
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于，工艺包括：加热炉加热、精轧机组轧制、mini机组轧制、吐丝、水雾风机及保温罩冷却，步骤如下：
(1)钢坯通过加热炉加热，在不高于1050℃温度加热1.5～2小时；
(2)进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度不高于850℃；
(3)精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格，mini机组轧制温度不高于850℃，终轧温度不高于900℃；
(4)终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度不高于800℃；
(5)控冷前期开启1台以上水雾风机冷却至预定温度，水雾风机冷却速率不低于13℃/s；控冷后期加盖保温罩缓冷，缓冷速率不高于0.5℃/s。
2.根据权利要求1所述的降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于：所述盘条化学成分按照质量百分数计为C：0.66～0.70％，Si：1.00～1.20％，Mn：0.40～0.60％，P≤0.020％，S≤0.015％，Cr：0.20～0.40％，Ni：0.12～0.30％，Cu≤0.25％，Mo：0.40～0.50％，V：0.17～0.25％，其余为铁。
3.根据权利要求1所述的降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于：步骤(1)中所述加热方法为：预热段温度800～900℃，加热段温度900～950℃，均热段温度1000～1050℃，其中均热段加热时间不超过40分钟。
4.根据权利要求1所述的降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于：步骤(2)中所述精轧机组轧制温度在800～850℃。
5.根据权利要求1所述的降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于：步骤(3)中所述mini机组轧制温度在800～850℃，终轧温度在850～900℃。
6.根据权利要求1所述的降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于：步骤(4)中所述吐丝温度在780～800℃。
7.根据权利要求1所述的降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，其特征在于：步骤(5)中所述风机冷却是开启1～2台水雾风机，风机风量60～100％，佳灵装置设置0％，已开启的风机对应斯太尔摩控冷线的非搭接点位置增加挡风板，控冷前期冷却速率13～16℃/s，冷却至600～640℃，控冷后期冷却速率0.2～0.5℃/s。
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