CN112280959B - 一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法，采用“连铸坯加热‑轧制中间坯‑中间坯角部精整‑中间坯加热‑轧制盘条”的轧制工艺。在连铸坯加热中，通过延长均热段时间及均热段温度利于成分均匀；连铸坯轧制为中间坯，采用中间坯入坑缓冷，防止中间坯冷却不均造成弯曲；中间坯出坑后进行角部精整，去除角部脱碳层及混合组织；在中间坯加热中，控制加热温度、时间及炉内残氧，防止加热过程造成中间坯表面脱碳；盘条吐丝后，入保温罩前通过风机快冷，避免两相区脱碳。本发明仅需角部精整去除脱碳层及以珠光体为主的混合组织，与中间坯采用全精整相比，不仅满足高端合金工具疲劳寿命要求，且吨钢降低生产成本可达150元。
Description
技术领域
本发明属于轧制技术领域，涉及一种合金工具钢盘条的生产方法，具体的说是一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法。
背景技术
合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入铬、钼、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，主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。
电动手动工具用钢为合金工具钢中要求更高的钢种，要求具有高的扭矩、硬度、耐磨性、冲击韧性及服役疲劳性能，故成分设计中添加碳、硅、钒、钼、镍等合金元素固溶强化、沉淀强化、细晶强化等，以满足性能要求。由于该钢种成分设计的特殊性，成分中碳含量较高，同时成分中硅、钼合金元素提高碳在奥氏体中的活度，增大其扩散系数，故其脱碳倾向性大，在加热或两相区易出现临近的碳在间隙固溶体中不断向外扩散，使得有足够碳与氧结合，最终使钢的表层碳浓度降低的现象。而该产品为满足其高疲劳性能，对表面脱碳深度要求极为苛刻。
高档次合金工具钢为确保工具的服役性能，一般采用第一次高温加热轧制中间坯，确保成分均质化，第二次低温加热轧制盘条，为确保盘条的表面脱碳满足要求，通常对中间坯进行面部及角部精整，而对中间坯表面脱碳分布及对轧制为盘条后脱碳的影响分析较少。专利CN108396128A公开了一种大方坯合金工具钢线材表面脱碳的控制方法，开坯后通过对中间坯面部及角部进行修磨，同时控制中间坯加热温度、时间和轧后快冷来控制盘条脱碳深度，需对中间坯进行面部和角部修磨，中间坯钢材消耗多，且中间坯加热过程均热段温度控制范围窄，空燃比控制较高，对现场组织生产及脱碳深度控制难度大。故亟需一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法，采用该方法生产的盘条脱碳深度浅、显微组织均匀、成品工具性能稳定、使用寿命长。
为了达到上述目的，一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法，包括如下步骤：连铸坯加热轧制中间坯工序、中间坯入坑缓冷工序、中间坯角部精整工序、中间坯加热工序及轧制盘条工序；
其中：
(1)连铸坯加热轧制中间坯工序，采用三段式加热制度，包括依次进行的预热段、加热段及均热段，其中其中预热段温度为600～900℃，预热段时间为50～100分钟，加热段温度为1000～1220℃，加热段时间为60～120分钟，均热段加热温度为1200～1250℃，加热时间为180～240分钟；(通过对均热段的温度和时间的设定，实现高温扩散，让成分扩散均匀)，轧制中间坯；
(2)中间坯入坑缓冷工序，中间坯入坑前温度大于500℃，坑冷时间大于12小时；
(3)中间坯角部精整工序，采用砂轮去除角部最外层脱碳层，及最外层脱碳层与基体组织之间的混合组织层，混合组织层为由于角部二维缓冷析出的以含有珠光体、贝氏体和铁素体的混合组织层，角部去除深度为8～15mm，倒角宽度为15～25mm；
(4)中间坯加热工序，包括依次进行的预热段、加热段和均热段，总时间为100～300分钟，其中预热段温度600～800℃，预热段时间30～80分钟，加热段温度900～1000℃，加热段时间30～100分钟，均热段温度1000～1100℃，均热段时间不超过120分钟，加热炉炉内加热段和均热段空燃比≤0.5或残氧量≤2％，最终获得轧制后的盘条。
(5)轧制盘条工序，经吐丝机吐丝后进入斯太尔摩风冷辊道，其中吐丝温度750～850℃，斯太尔摩控冷前期采用风冷至550～650℃后关闭保温罩，出罩温度小于500℃，出罩后避风空冷；斯太尔摩控冷前期采用风冷是指：从斯太尔摩风冷辊道开始端沿盘条输送方向依次打开1～4个保温罩，风机开启20～50％，盘条入罩前冷却速率2.0～3.0℃/s，风冷至550～650℃后进入保温罩，盘条通过保温罩时间5～15分钟，出罩温度小于500℃。
在连铸坯加热中，通过延长均热段时间及均热段温度利于成分均匀；连铸坯轧制为中间坯，采用中间坯入坑缓冷，防止中间坯冷却不均造成弯曲；中间坯出坑后进行角部精整，采用砂轮去除角部脱碳层及角部由于缓冷析出的以珠光体为主的混合组织；在中间坯加热中，控制加热温度、加热时间及炉内残氧，防止加热过程造成中间坯表面脱碳；盘条轧制过程中，盘条吐丝后，入保温罩前通过风机快冷，有效避免两相区脱碳。
进一步的，所述连铸坯为220mm×260mm的矩形坯，中间坯为160mm×160mm的矩形坯。
进一步的，所述盘条化学成分按照质量百分比计，成分配比为C：0.60～0.70，Si：1.00～1.20，Mn：0.40～0.60，P≤0.025，S≤0.025，Cr：0.20～0.40，Ni：0.10～0.30，Cu≤0.25，Al：0.010～0.030，Mo：0.30～0.60，V：0.15～0.25，其余为铁。
经申请人对该合金工具钢连铸坯高温加热轧制后的中间坯表面脱碳分布进行分析，发现中间坯面部为二层结构，最外层为脱碳层(即铁素体层)，第二层为基体层(即贝氏体层)；而角部组织为三层结构，最外层为脱碳层(即铁素体层)，第二层为混合组织层(即珠光体+贝氏体+铁素体层)，第三层为基体层(即贝氏体层)。在连铸坯轧制为中间坯直到中间坯冷却至常温，中间坯面部为单向传热，冷却较快；而角部为二维冷却，缓慢的冷却速率易导致以珠光体为主+贝氏体+铁素体的混合组织产生。由于贝氏体、珠光体、铁素体组织中碳含量逐渐降低，二次加热轧制盘条过程中脱碳倾向性逐渐增加，角部以珠光体为主+贝氏体+铁素体的混合组织在轧制后盘条上形成明显对称的四个脱碳较深的区域，而面部较浅的脱碳层，在第二次加热(即中间坯加热工序)过程中氧化保护、轧制过程延伸及轧后控冷，有效防止面部脱碳深度。故通过中间坯角部精整去除珠光体为主+贝氏体+铁素体的混合组织，在盘条轧制时通过控制加热温度、炉内氧化性气氛和轧后快冷可有效控制盘条脱碳深度。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：通过对连铸坯采用高温扩散工艺高温加热轧制中间坯，确保成分均质化，中间坯采用角部精整去除珠光体为主，贝氏体和铁素体为辅的混合组织层，中间坯加热工序中控制均热段温度1000～1100℃，即采用低温加热，同时控制炉内气氛及轧后快冷，有效的控制盘条表面脱碳深度。经生产实践检验，实施本发明生产方法，可将盘条脱碳层深度(即指轧制盘条工序中避风空冷后所得盘条的脱碳层深度)控制在0.03mm以内，与中间坯全部精整相比，吨钢降低生产成本可达150元。
附图说明
下面对本发明说明书各附图表达的内容作简要说明：
图1为实施例1中间坯角部最外层的光镜图；
图2为实施例1中间坯角部中间层的光镜图；
图3为实施例1中间坯角部基体间层的光镜图；
图4为实施例1中间坯角部精整前的结构示意图；
图5为实施例1中间坯角部精整后的结构示意图；
图6为Φ8.0mm规格采用实施例1轧制得到盘条样1表面脱碳深度(脱碳深度18.16um)；
图7为Φ8.0mm规格采用实施例1轧制得到盘条样2表面脱碳深度(脱碳深度17.15um)；
图8为Φ8.0mm规格采用对比实施例1轧制得到盘条样1表面脱碳深度(脱碳深度51.23um)；
图9为Φ8.0mm规格采用对比实施例1轧制得到盘条样2表面脱碳深度(脱碳深度42.64um)；
图10为Φ8.0mm规格采用对比实施例2轧制得到盘条样1表面脱碳深度(脱碳深度106.14um)；
图11为Φ8.0mm规格采用对比实施例2轧制得到盘条样2表面脱碳深度(脱碳深度90.11um)。
具体实施方式
本发明下面结合合金工具钢S2断面220mm×260mm连铸坯，开坯为断面160mm×160mm中间坯，轧制为Φ8.0mm盘条的生产实施例作进一步详述，其中未作限定的条件为常规条件：
实施例1
1、连铸坯加热
连铸坯的成分按质量百分比(wt％)计，成分为C：0.65，Si：1.10，Mn：0.50，P：0.010，S：0.006，Cr：0.30，Ni：0.20，Cu：0.02，Al：0.020，Mo：0.44，V：0.22，其余为铁。将连铸坯在加热炉内总加热时间370分钟，预热段温度为750～850℃，预热段时间为90分钟，加热段温度为1150～1200℃，加热段时间为100分钟，均热段温度1220～1250℃，均热段时间180分钟，轧制中间坯。
2、轧制中间坯
将连铸坯轧制为中间坯，中间坯入坑缓冷，入坑前温度550～650℃中间，中间坯在坑冷却时间15小时后出坑。
3、中间坯角部精整
中间坯精整采用砂轮去除角部最外层脱碳层(铁素体)及最外层和基体组织之间由于角部二维缓冷析出以珠光体为主、贝氏体及铁素体的混合组织，角部去除深度9mm，倒角宽度23mm。
4、中间坯加热
将已进行角部精整去除脱碳层及以珠光体为主，贝氏体和铁素体为辅的混合组织的中间坯在炉内加热180分钟，预热段温度为650～750℃，预热段时间为50分钟，加热段温度为950～1000℃，加热段时间为60分钟，其中均热段温度1030～1060℃，均热段时间70分钟，加热段及均热段空燃比0.42。
5、轧制盘条
将中间坯进行轧制，盘条通过吐丝机吐丝成圈。盘条吐丝温度770～820℃，打开前4个保温罩，风机开启度分别为15％、35％、35％、20％，入罩前冷却速率3.0℃/s，风冷至620℃后进入保温罩，盘条通过保温罩时间12分钟，出罩温度小于475℃。得到的脱碳深度0.018mm、0.017mm。
对比实施例1
对比例1与实施例1相比，将实施例1步骤3中“中间坯精整去除角部最外层脱碳层(铁素体)及最外层和基体组织之间由于角部二维缓冷析出以珠光体为主，贝氏体和铁素体为辅的混合组织”替换为“中间坯精整去除角部最外层脱碳层”，其它条件与实施例1相同，得到的脱碳深度0.051mm、0.043mm。
对比实施例2
对比例2与实施例1相比，将实施例1步骤3去掉，采用中间坯不精整直接轧制盘条，其它条件同实施例1相同，得到的脱碳深度0.106mm、0.090mm。
本发明实施例与对比例1、对比例2采用GB/T 224对脱碳进行检验，对每个实施例及对比例各抽取2个样品进行脱碳深度检测。
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。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (2)
1.一种低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：连铸坯加热轧制中间坯工序、中间坯入坑缓冷工序、中间坯角部精整工序、中间坯加热工序及轧制盘条工序，所述连铸坯化学成分按照质量百分比计，成分配比为C：0.60～0.70，Si：1.00～1.20，Mn：0.40～0.60，P≤0.025，S≤0.025，Cr：0.20～0.40，Ni：0.10～0.30，Cu≤0.25，Al：0.010～0.030，Mo：0.30～0.60，V：0.15～0.25，其余为铁；
其中：
(1)连铸坯加热轧制中间坯工序，采用三段式加热制度，包括依次进行的预热段、加热段及均热段，其中预热段温度为600～900℃，预热段时间为50～100分钟，加热段温度为1000～1220℃，加热段时间为60～120分钟，均热段加热温度为1200～1250℃，加热时间为180～240分钟；
(2)中间坯入坑缓冷工序，中间坯入坑前温度大于500℃，坑冷时间大于12小时；
(3)中间坯角部精整工序，采用砂轮去除角部最外层脱碳层，及最外层脱碳层与基体组织之间的混合组织层，混合组织层为由于角部二维缓冷析出的以含有珠光体、贝氏体和铁素体的混合组织层，角部去除深度为8～15mm，倒角宽度为15～25mm；
(4)中间坯加热工序，包括依次进行的预热段、加热段和均热段，总时间为100～300分钟，其中预热段温度600～800℃，预热段时间30～80分钟，加热段温度900～1000℃，加热段时间30～100分钟，均热段温度1000～1100℃，均热段时间不超过120分钟，加热炉炉内加热段和均热段空燃比≤0.5或残氧量≤2％，最终获得轧制后的盘条；
(5)轧制盘条工序，盘条经吐丝机吐丝后进入斯太尔摩风冷辊道，其中吐丝温度750～850℃，斯太尔摩控冷前期采用风冷至550～650℃后关闭保温罩，出罩温度小于500℃，出罩后避风空冷；斯太尔摩控冷前期采用风冷是指：从斯太尔摩风冷辊道开始端沿盘条输送方向依次打开1～4个保温罩，风机开启20～50％，盘条入罩前冷却速率2.0～3.0℃/s，风冷至550～650℃后进入保温罩，盘条通过保温罩时间5～15分钟，出罩温度小于500℃。
2.根据权利要求1所述的低成本控制合金工具钢脱碳深度的生产方法，其特征在于：所述连铸坯为220mm×260mm的矩形坯，中间坯为160mm×160mm的矩形坯，盘条直径为5.5～25mm。
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