CN112481472A - 一种合金工具钢刀片的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及合金材料的领域，具体公开了一种合金工具钢刀片的热处理工艺，包括以下步骤：S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片在真空条件下加热至820‑860℃，并在此温度下保温5‑6h；S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片在真空环境下静置2‑5min；S3.速冷：将经S2处理的刀片置于60‑70℃的油浴中冷却处理1‑2min；S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；S5.回火：将S4得到的刀片加热到180‑220℃，并保温3‑4h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。本申请具有提高刀片硬度的效果。

Description

一种合金工具钢刀片的热处理工艺
技术领域
本申请涉及合金材料的领域，更具体地说，它涉及一种合金工具钢刀片的热处理工艺。
背景技术
合金工具钢刀片是一些切割工具的核心部件，合金工具钢刀片的应用十分广泛，如破碎石块、水泥路面或建筑物内的实体砖墙或水泥墙等场所，加工钢构件及铸件钢等。
合金工具钢刀片有合金工具钢高温烧结后冷却至室温加工而成，合金工具钢刀片在实际应用过程中，尤其是在高强度岩石、钢构件及铸钢件的应用过程中，刀片会发生卷曲的现象，这是由于刀片的硬度较低所致，因此，提高合金工具钢刀片的硬度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了提高合金工具钢刀片硬度，本申请提供一种合金工具钢刀片的热处理工艺。
本申请提供一种合金工具钢刀片的热处理工艺，采用如下的技术方案：
一种合金工具钢刀片的热处理工艺，包括以下步骤：
S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片在真空条件下加热至820-860℃，并在此温度下保温5-6h；
S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片在真空环境下静置2-5min；
S3.速冷：将经S2处理的刀片置于60-70℃的油浴中冷却处理1-2min；
S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；
S5.回火：将S4得到的刀片加热到180-220℃，并保温3-4h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
通过采用上述技术方案，淬火使得成型合金工具钢刀片形成奥氏体组织，然后对淬火后的合金工具钢刀片进行降温处理，使得奥氏体转化为马氏体，以提高合金工具钢刀片的硬度；对淬火后的合金工具钢刀片直接进行速冷，会使得成型合金工具钢刀片在未获得均匀奥氏体组织之前就快速冷却，会降低合金工具钢刀片内奥氏体的含量，在速冷前给淬火后的合金工具钢刀片一段延迟冷却的时间，给淬火后的合金工具钢刀片缓冲时间，使得淬火后的合金工具钢刀片可以获得均匀的奥氏体组织，有利于提高合金工具钢刀片的硬度。
合金工具钢刀片淬火后存在很大内应力和脆性，使得合金工具钢刀片容易开裂，通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，提高合金工具钢刀片的韧性。
优选的，还包括深冷步骤，其具体操作为：将S4中冷却至室温的刀片降温至(-190)-(-180)℃，并保温1-2h，然后将深冷处理后的刀片恢复至室温。
通过采用上述技术方案，合金工具钢在淬火以及冷却后会形成马氏体与奥氏体，深冷处理使得马氏体中析出弥散分布的超细碳化物，同时马氏体的碎化使组织得以细化，马氏体经超低温处理后，因热胀冷缩而体积收缩，铁晶格常数有缩小趋势促使碳原子析出，但低温下扩散阻力较大，扩散距离短，因此在马氏体基体上析出大量弥散分布的微小碳化物；超低温促使残余奥氏体向马氏体发生转变，铁的晶格发生重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格，两者具有相同的化学成分，但是由于马氏体是碳在α-Fe饱和固溶体，故强度和硬度更高，有利于提高合金工具钢刀片的硬度；降温过程中引起材料内应力集中部位如微孔等缺陷发生塑性流变，升温时空位表面产生残余应力，可减小缺陷对材料的损害，提升材料局部强度，提升合金工具钢刀片的耐磨性；原子间存在相互吸引的引力，也存在相互排斥的动能，深冷处理的低温使得原子间动能发生转移，斥力减小，原子相互结合得更紧密，提升合金工具钢刀片的整体强度。
优选的，将S4中冷却至室温的刀片降温至(-190)-(-180)℃时的冷却介质为低温氮气。
通过采用上述技术方案，传统的制冷剂通常都有各种各样的制约，如液氨与水分子混合后对金属有腐蚀作用；甲烷和氟利昂对臭氧层有破环作用，造成温室效用；液氧制作成本高，且安全隐患较大等。
最常用的深冷处理制冷剂通常选用液氮，液氮相对而言更为经济，将工件直接浸入液氮中，使工件直接冷却至液氮温度，这种方式降温速度虽然很快，但难以控制降温速率，会对工件产生较大的热冲击，通过低温氮气与工件接触，对流换热来降温，避免了产生较大的热冲击。
优选的，所述深冷步骤中，将S4中冷却至室温的刀片降温至(-190)-(-180)℃时的冷却速率为7-9℃/min。
通过采用上述技术方案，若冷却速度过快会对工件产生较大的热冲击，降低工件的性能，将冷却速率控制在7-9℃/min，不会使得降温速度过快，也不会使得降温速度过慢而影响生产效率。
优选的，所述回火步骤重复2-3次。
通过采用上述技术方案，在回火冷却过程中，就会有部分残余的奥氏体转变成马氏体，有利于提高合金工具钢刀片的硬度，每多一次回火，由奥氏体转变成马氏体的量就多一些，但是基于回火热处理的处理成本，回火2-3次即可达到提高合金工具钢刀片硬度的效果。
优选的，所述已成型合金工具钢刀片由以下重量份的原料制得：70-100份碳、130-180份铬、10-40份锰、30-40份硅、10-20份钨、10-20份钒、4-8份氮化钛、3-5份硼、2-4份铝、3-5份铌、0.5-1份镁、0.4-0.6份稀土、3-5份脱硫剂、9500-9700份铁。
通过采用上述技术方案，铬对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，加入硅就可改善刀具的致密性和热轧性能，提高强度；钒能起到脱氧剂的作用；加入铝能细化钢铸态组织、减少小技晶臂间距，这样通过改变碳化物的尺寸和分布更有效地阻止奥氏体晶粒长大，可以促进残余奥氏体向马氏体转变、提高硬度；加入硼有利于抑制钢的r-a相变，显著抑制珠光体的形成，提高贝氏体的含量，在细化贝氏体的亚结构的同时，提高了强度并保持良好的低温韧性；氮化钛主要添加在奥氏体钢中以提高其强度和耐蚀性，氮化钛比碳化物具有更高的稳定性，析出相中弥散的细小M(C.N)型氮化钛强化效果明显提高，回火后形成弥散的碳氮化钛析出相促进二次硬化，到一定数量时甚至具有三次硬化的功能；铌能细化晶粒和降低刀具的过热敏感性及回火脆性，提高强度，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。
合金工具钢由于碳和合金元素含量较高，组织中会有严重的合金元素偏析、粗大的网状碳化物和共晶莱氏体等缺陷，共晶莱氏体即为共晶碳化物，共晶碳化物的不均匀分布会降低钢材的等向性、可淬性、韧性等综合性能，大量的合金碳化物是高合金工具钢的重要组织特征和良好性能的重要保障，但同时合金碳化物在承载过程中容易开裂，引起材料韧性损伤甚至断裂失效。向钢液中添加镁能细化碳化物，合金工具钢中不添加镁时，碳化物以网状析出、完全闭合，尺寸较大，合金工具钢中添加镁时，网状碳化物被打断，分布均匀化，随着镁含量的增加，碳化物的尺寸也会变小，镁不仅能打破铸态组织中的共晶碳化物网，改善碳化物在铸态组织中分布，使其分布均匀化，还能细化碳化物尺寸；合金工具钢中碳化物会沿着晶界析出，多以网状和短棒状存在，经过稀土处理后，碳化物的形态发生改变，闭合的网被打破，碳化物转变成不连续的网和点状，稀土会在晶界处富集，阻止碳化物在晶界处长大，从而达到细化碳化物的目的。
优选的，所述已成型合金工具钢刀片的制备方法为：
A1.按重量份将铁在1600-1700℃条件下熔化；
A2.按重量份将碳、铬、猛、硅、钨、钒、氮化钛、硼、铝、铌加入到融化后的铁中，然后按重量份加入脱硫剂，并混合均匀，得到混合液；
A3.脱硫完成后，按重量份将镁、稀土加入A2所得混合液中，得到新的混合液；
A4.将A3所得混合液流入刀片模具中压铸成型，并将成型后的合金工具钢刀片毛坯进行加工，得到已成型合金工具钢刀片。
通过采用上述技术方案，合金工具钢中含硫量过高会影响合金工具钢的整体品质，铁在熔化的过程中会从外界吸收一部分硫，带入金属熔池中，加入脱硫剂可以除去一部分硫，使得含硫量达到标准要求，增强合金工具钢的品质。
优选的，所述A2中，将加入脱硫剂后，每隔1-2min搅拌一次，搅拌4-6次后，脱硫完成。
通过采用上述技术方案，首先，搅拌使得脱硫剂与金属液充分接触，搅拌过后给脱硫剂以反应时间，使得脱硫剂发挥作用，讲过多次搅拌，使得脱硫剂更加充分的与金属液接触并反应，有利于提高脱硫效果。
优选的，所述A2中搅拌的过程中通入氮气保护。
通过采用上述技术方案，在搅拌时通过氮气作为保护气体，大大减小了空气的影响，在刀具压铸成型的过程避免产生气孔，从而形成致密的组织，提高其强度。
优选的，所述稀土为稀土铈。
通过采用上述技术方案，铈稀土元素，能细化晶粒，形成致密的晶粒组织，提高刀具的强度和耐磨性能，提高刀具的使用寿命，降低成本。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请在合金工具钢刀片淬火以及速冷之间添加了延迟冷却的步骤，使得合金工具钢刀片获得更均匀的奥氏体组织，从而提高合金工具钢刀片的硬度；
2、本申请中对淬火后的合金工具钢刀片进行深冷处理，促使残余奥氏体向马氏体发生转变，铁的晶格发生重构，进一步提高合金工具钢刀片的硬度。
3、本申请中向合金工具钢中添加镁与稀土元素，提高合金工具钢中碳化物分布的均匀性，从而提高合金工具钢的整体性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
原料和/或中间体的制备例
原料
氮化钛购自锦州海鑫金属材料有限公司；
铈购自漯河市绿山商贸有限公司；
硅钙锰脱硫剂购自安阳华泰冶金炉料有限公司。
制备例
制备例1
已成型合金工具钢刀片的制备方法为：
A1.将9500kg铁在1600℃条件下融化；
A2.将100kg碳、130kg铬、10kg猛、40kg硅、10kg钨、20kg钒、4kg氮化钛、5kg硼、2kg铝、5kg铌加入到融化后的铁中，然后加入3kg硅钙锰脱硫剂，每隔1min搅拌一次，搅拌的过程中通入氮气保护，搅拌6次后，脱硫完成；
A3.脱硫完成后，将0.5kg镁、0.4kg稀土铈加入A2所得混合液中，得到新的混合液；
A4.将A3所得混合液流入刀片模具中压铸成型，并将成型后的合金工具钢刀片毛坯进行加工，得到已成型合金工具钢刀片。
制备例2
已成型合金工具钢刀片的制备方法为：
A1.将9600kg铁在1650℃条件下融化；
A2.将85kg碳、155kg铬、25kg猛、35kg硅、15kg钨、15kg钒、6kg氮化钛、4kg硼、3kg铝、4kg铌加入到融化后的铁中，然后加入4kg硅钙锰脱硫剂，每隔1.5min搅拌一次，搅拌的过程中通入氮气保护，搅拌5次后，脱硫完成；
A3.脱硫完成后，将0.75kg镁、0.5kg稀土铈加入A2所得混合液中，得到新的混合液；
A4.将A3所得混合液流入刀片模具中压铸成型，并将成型后的合金工具钢刀片毛坯进行加工，得到已成型合金工具钢刀片。
制备例3
已成型合金工具钢刀片的制备方法为：
A1.将9700kg铁在1700℃条件下融化；
A2.将70kg碳、180kg铬、40kg猛、30kg硅、20kg钨、10kg钒、8kg氮化钛、3kg硼、4kg铝、3kg铌加入到融化后的铁中，然后加入5kg硅钙锰脱硫剂，每隔2min搅拌一次，搅拌的过程中通入氮气保护，搅拌4次后，脱硫完成；
A3.脱硫完成后，将1kg镁、0.6kg稀土铈加入A2所得混合液中，得到新的混合液；
A4.将A3所得混合液流入刀片模具中压铸成型，并将成型后的合金工具钢刀片毛坯进行加工，得到已成型合金工具钢刀片。
实施例
实施例1
一种合金工具钢刀片的热处理工艺，包括以下步骤：
S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片(制备例2所得)放入真空淬火炉内，对真空淬火炉进行抽真空处理，将真空淬火炉升温至820℃，并在此温度下保温6h；
S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片移至真空条件下的冷却室内静置2min；
S3.速冷：将经S2处理的刀片置于60℃的油浴中冷却处理1min；
S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；
S5.回火：将S4得到的刀片加热到180℃，并保温3h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
实施例2
一种合金工具钢刀片的热处理工艺，包括以下步骤：
S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片(制备例2所得)放入真空淬火炉内，对真空淬火炉进行抽真空处理，将真空淬火炉升温至840℃，并在此温度下保温5.5h；
S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片移至真空条件下的冷却室内静置3.5min；
S3.速冷：将经S2处理的刀片置于65℃的油浴中冷却处理1.5min；
S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；
S5.回火：将S4得到的刀片加热到200℃，并保温3.5h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
实施例3
一种合金工具钢刀片的热处理工艺，包括以下步骤：
S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片(制备例2所得)放入真空淬火炉内，对真空淬火炉进行抽真空处理，将真空淬火炉升温至860℃，并在此温度下保温5h；
S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片移至真空条件下的冷却室内静置5min；
S3.速冷：将经S2处理的刀片置于70℃的油浴中冷却处理2min；
S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；
S5.回火：将S4得到的刀片加热到220℃，并保温4h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
实施例4
与实施例2不同的是，已成型合金工具钢刀片来自制备例1。
实施例5
与实施例2不同的是，已成型合金工具钢刀片来自制备例3。
实施例6
一种合金工具钢刀片的热处理工艺，包括以下步骤：
S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片(制备例2所得)放入真空淬火炉内，对真空淬火炉进行抽真空处理，将真空淬火炉升温至840℃，并在此温度下保温5.5h；
S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片移至真空条件下的冷却室内静置3.5min；
S3.速冷：将经S2处理的刀片置于65℃的油浴中冷却处理1.5min；
S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；
S5.深冷：将S4中冷却至室温的刀片放置在程序控制深冷箱中，以7℃/min的降温速率降温至-190℃，保温1h后，恢复至室温；
S6.回火：将S5得到的刀片加热到200℃，并保温3.5h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
实施例7
与实施例6不同的是，S5.深冷：将S4中冷却至室温的刀片放置在程序控制深冷箱中，以8℃/min的降温速率降温至-185℃，保温1.5h后，恢复至室温。
实施例8
与实施例6不同的是，S5.深冷：将S4中冷却至室温的刀片放置在程序控制深冷箱中，以9℃/min的降温速率降温至-180℃，保温2h后，恢复至室温。
实施例9
与实施例7不同的是，S6.回火：将S5得到的刀片加热到200℃，并保温3.5h，然后将加热后的刀片冷却至室温；将冷却至室温的刀片再次加热到200℃，并保温3.5h后冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
实施例10
与实施例7不同的是，S6.回火：将S5得到的刀片加热到200℃，并保温3.5h，然后将加热后的刀片冷却至室温；将冷却至室温的刀片再次加热到200℃，并保温3.5h后冷却至室温；然后再次将刀片加热至200℃，并保温3.5h后冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
对比例
对比例1
一种合金工具钢的热处理工艺步骤包括：
(1).第一次预加热：将90kg碳、30kg硅、30kg锰、150kg铬、50kg铝、1kg硼、0.5kg镁、6kg氮化物、9600kg铁在560～600℃下预加热，预加热时间为60分钟；
(2).第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度750～800℃，第二次预加热时间为40～50分钟。
(3).淬火加热：淬火加热温度为820～860℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；
(4).第一次回火：回火温度为180～220℃，然后空气冷却至室温。
(5).第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度180～220℃，然后空气冷却至室温。
对比例2
与实施例2不同的是，淬火结束后直接进行速冷处理，无延迟冷却过程。
性能检测试验
检测方法/试验方法
按照《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T229-2007)对合金工具钢刀片的冲击韧性进行检测；按照《金属材料洛氏硬度试验方法》(GB/T230.1-2009)对合金工具钢刀片的硬度进行检测。
表1性能检测结果
硬度(HRC) 冲击韧性(J)
实施例1 66.0 45.5
实施例2 66.5 s46.0
实施例3 65.8 45.0
实施例4 66.1 44.5
实施例5 65.9 45.0
实施例6 67.2 43.5
实施例7 67.5 44.0
实施例8 67.3 44.0
实施例9 68.0 44.5
实施例10 68.1 44.0
对比例1 65.0 43.5
对比例2 62.5 44.5
结合实施例1-10和对比例1，并结合表1可以看出，实施例1-10制得的刀片的硬度大于对比例1中的硬度，实施例1-10制得的刀片的冲击韧性与对比例1中的冲击韧性相差不大，说明本申请制得的刀片具有更高的硬度，而且不会对刀片的冲击韧性产生不良影响，提高刀片的使用性能。
结合实施例1-3，并结合表1可以看出，实施例1-3制得的刀片均有较高的硬度，且实施例1-3的制备工艺所制备的刀片的硬度差别不大。
结合实施例2与对比例2，并结合表2可以看出，实施例2制得刀片的硬度明显大于对比例2中的硬度，说明实施例2的制备工艺更优，这可能是因为在淬火以及速冷之间添加了延迟冷却的步骤，使得合金工具钢刀片获得更均匀的奥氏体组织，从而提高合金工具钢刀片的硬度。
结合实施例2与实施例4-5，并结合表1可以看出，实施例2与实施例4-5制得刀片均有较高的硬度，说明制备例1-3制备合金工具钢的配方与工艺相差不大。
结合实施例2与实施例6-8，并结合表1可以看出，实施例6-8制得的刀片的硬度大于实施例2中的硬度，说明对刀片进行深冷处理可以提高刀片的硬度，这可能是因为深冷处理促使残余奥氏体向马氏体发生转变，铁的晶格发生重构，进一步提高合金工具钢刀片的硬度。
结合实施例7与实施例9-10，并结合表1可以看出，实施例9-10制得的刀片的硬度大于实施例7中的硬度，但是实施例9与实施例10所制得的刀片之间的硬度基本相同，说明回火可以进一步提高刀片的硬度，但是两次回火与三次回火的结果基本相同。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.淬火：将已成型合金工具钢刀片在真空条件下加热至820-860℃，并在此温度下保温5-6h；
S2.延迟冷却：将经S1处理的刀片在真空环境下静置2-5min；
S3.速冷：将经S2处理的刀片置于60-70℃的油浴中冷却处理1-2min；
S4.冷却；将经S3处理的刀片置于室温环境下冷却至室温；
S5.回火：将S4得到的刀片加热到180-220℃，并保温3-4h，然后将加热后的刀片冷却至室温，得到合金工具钢刀片。
2.根据权利要求1所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：还包括深冷步骤，其具体操作为：将S4中冷却至室温的刀片降温至（-190）-（-180）℃，并保温1-2h，然后将深冷处理后的刀片恢复至室温。
3.根据权利要求2所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：将S4中冷却至室温的刀片降温至（-190）-（-180）℃时的冷却介质为低温氮气。
4.根据权利要求3所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述深冷步骤中，将S4中冷却至室温的刀片降温至（-190）-（-180）℃时的冷却速率为7-9℃/min。
5.根据权利要求4所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述回火步骤重复2-3次。
6.根据权利要求1所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述已成型合金工具钢刀片由以下重量份的原料制得：70-100份碳、130-180份铬、10-40份锰、30-40份硅、10-20份钨、10-20份钒、4-8份氮化钛、3-5份硼、2-4份铝、3-5份铌、0.5-1份镁、0.4-0.6份稀土、3-5份脱硫剂、9500-9700份铁。
7.根据权利要求6所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述已成型合金工具钢刀片的制备方法为：
A1.按重量份将铁在1600-1700℃条件下融化；
A2.按重量份将碳、铬、猛、硅、钨、钒、氮化钛、硼、铝、铌加入到融化后的铁中，然后按重量份加入脱硫剂，并混合均匀，得到混合液；
A3.脱硫完成后，按重量份将镁、稀土加入A2所得混合液中，得到新的混合液；
A4.将A3所得混合液流入刀片模具中压铸成型，并将成型后的合金工具钢刀片毛坯进行加工，得到已成型合金工具钢刀片。
8.根据权利要求7所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述A2中，将加入脱硫剂后，每隔1-2min搅拌一次，搅拌4-6次后，脱硫完成。
9.根据权利要求8所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述A2中搅拌的过程中通入氮气保护。
10.根据权利要求6所述的一种合金工具钢刀片的热处理工艺，其特征在于：所述稀土为稀土铈。
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