CN112676372B - 多层刀具用复合钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及多层刀具用复合钢板及其制备方法。本发明所解决的技术问题是提供多层刀具用复合钢板及其制备方法，所述复合钢板为五层，包括基板，基板两侧为中间板，中间板的另一侧为外层板；其中，基板为高碳马氏体不锈钢，中间板为镍板，外层板为纯钛板；该复合钢板制备方法包括以下步骤：原料准备、组料与焊接、加热、锻造开坯、加热及轧制、退火处理、热处理、精整。本发明所制备的复合钢板具有高硬度、高耐磨性和高耐蚀性，且生产成本低、易规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及多层刀具用复合钢板及其制备方法。
背景技术
我国刀具的品种、数量均居世界前列，己成为全球重要生产基地，年产值达150亿以上，但与德国、日本等技术发达的国家相比，我国刀具产品的品质还存在一定的差距，价格上也相差悬殊，比如一把德国的高级厨用刀具价格是国内相近材质刀具的十几倍乃至几十倍，其主要差距就在于刀具原材料及其生产工艺上，这也是制约我国刀具行业发展的根本原因。
目前我国专利文献中也公开一些刀具用钢及其制造方法，中国专利CN101804767A公开了一种刀具用花纹复合钢板及其生产方法，该花纹复合钢板包括由刀刃钢构成的基层，所述基层的两侧分别覆盖有装饰层。该花纹复合钢板的生产方法步骤包括凹式切削、切割、脱碳、喷焊、叠焊和压延。使用该花纹复合钢板制成的刀具里外、通体都有持久性的花纹，该花纹不仅耐磨，色彩丰富且制造成本较低。
中国专利CN1562628A涉及一种多层复合不锈花纹钢及其制造方法。其要点分别是：在不锈钢层间设有镍金属层。多层复合工序包括在若干块不锈钢板间夹叠镍金属板，并将其定位在一起，用融合温度压延至所需厚度；表面制花工序包括利用磨、挖、钻等方法在压延至所需厚度的多层复合不锈花纹钢的表面上进行深层磨、挖、钻，然后利用滚轧使磨、挖、钻后的断面层界线浮现在表平面上。不仅能根据需要在表面上制作花纹且不易生锈、耐腐蚀，还具有花纹清晰美观，丰富多彩、多变，使用范围广泛等优点，其制造方法还能生产面积大、便于规模生产的多层复合不锈花纹钢，还具有劳动强度小，省力、省时、省事等优点。
中国专利CN109532144A公开了一种超级双相不锈钢复合钢板及其生产方法，其为四层结构：中间两层为双相不锈钢，上下两层为碳钢；所述双相不锈钢的成分重量百分比为：C≤0.03％，Mn≤1.20％，Si≤0.80％，Cr：24.0-26.0％，Ni：6.0～8.0％，Mo：3.0～5.0％，N：0.24～0.32％，余Fe及不可避免杂质；所述碳钢的成分重量百分比为：C 0.03～0.12％，Si 0.10～0.45％，Mn 0.70～1.60％，P＜0.020％；S＜0.025％，Cu 0～0.35％，Cr0～0.40％，Ni 0～0.40％，Nb 0～0.05％，Mo 0～0.40％，Ti 0～0.018％，Al 0.015～0.045％，余Fe及不可避免杂质。本发明复合钢板可获得良好的结构强度与耐蚀性能，能够实现覆层与基层材料的冶金结合，从而获得良好的结合力。
中国专利CN 108085585A公开了一种高强耐蚀复合花纹钢及其制造方法，包括基板和单面或双面轧制复合于基板上的花纹复层；所述基板的化学元素质量百分比为：C：0.01～0.20％、Si：0.10～0.5％、Mn：0.5～2.0％、Al：0.02～0.04％、Ti：0.005～0.018％、Nb：0.005～0.020％、0＜B≤0.0003％、N≤0.006％，余量为铁和其他不可避免杂质。其所述的高强耐蚀复合钢板强度高，耐蚀性强，其屈服强度≥470MPa，抗拉强度≥610MPa，剪切强度≥410MPa，延伸率≥40％。
以上刀具用钢虽然在强度、耐磨性或耐蚀性上有一定的提高，但是国内大型钢铁企业的生产量与刀具行业的钢铁用量不成比例，加之工艺要求高，成本高，大型的钢铁企业不愿投入过多的技术力量和资金研发，使刀具原材料的开发研究一直处于停滞状态。
因此，对于如何通过合理的制备工艺得到高硬度、高耐磨性和高耐蚀性的高端刀具用钢，尤其是通过低成本、规模化制造高端刀具用钢，国内尚无有效的解决方法。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种多层刀具用复合钢板，所述复合钢板为五层，包括基板，基板两侧为中间板，中间板的另一侧为外层板；其中，基板为高碳马氏体不锈钢98Cr18Mo2V钢，中间板为镍板，外层板为纯钛板；
其中，所述高碳马氏体不锈钢的化学成分以质量百分比计为：C 0.95％～1.00％、Si 0.40％～0.80％、Mn 0.30％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 17.0％～19.0％、Mo 1.50％～2.50％、V 0.80％～1.20％、Ni 0.20％～0.40％、Al 0.010％～0.040％，余量为Fe及不可避免杂质。
优选的，所述高碳马氏体不锈钢为98Cr18Mo2V钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述多层刀具用复合钢板的制备方法，依次包括原料准备、组料与焊接、加热、锻造开坯、加热及轧制、退火处理、热处理、精整步骤，即得多层刀具用复合钢板。
其中，所述原料准备中，镍板和纯钛板按国家标准生产或外购；采用基板厚度100～500mm，中间板厚度1～10mm，外层板厚度10～50mm。
其中，所述组料与焊接中，需对接触面进行真空密封焊接；更进一步的，所述真空度＜10-2Pa。
其中，所述加热包括预热和分段式加热。
进一步地，预热工艺为：将炉预热至450～550℃，待炉温降至400～500℃时开始装炉。
进一步地，分段式加热工艺为：装炉后在400～500℃继续保温2～5h，然后以40～60℃/h升温至800～860℃，保温5～10h后，以80～120℃/h升温至1250～1280℃，保温5～8h，再降温至1180～1230℃，保温10～20h后出炉。
其中，所述锻造开坯中，采用45～65MN锻机拔长开坯，下砧子采用大平台，上砧子采用宽平砧，整体变形。
优选的，所述大平台宽1.5～1.8m，长1.8～2.0m。
优选的，所述宽平砧宽600～800mm，长800～1000mm。
其中，所述锻造开坯中，采用“轻-重-轻”变形工艺，每砧轻变形量≤6％S(S为厚度)，每砧重变形量15～18％S。
其中，所述锻造开坯中，开坯厚度为50～80mm。
其中，所述锻造开坯中，开锻温度1050～1150℃，终锻温度≥850℃，终锻后坑冷，得中间坯料。
其中，所述锻造开坯中，第一火锻造后回炉加热，进行高温均质化处理，加热温度1180～1230℃，保温24～30h。
其中，所述加热及轧制中，加热工艺为：预热段温度为400～500℃，保温1～2h；加热段温度1050～1120℃，保温2～4h；均热段温度1020～1080℃，保温1～5h；三段升温速率均为60～100℃/h。
优选的，所述加热及轧制中，加热工艺为：步进式加热，预热段温度为400～500℃，保温1～2h；加热段温度1050～1120℃，保温2～4h；均热段温度1020～1080℃，保温1～5h；三段升温速率均为60～100℃/h，步进周期90～150s。
其中，所述加热及轧制中，轧制工艺为：开轧温度1000～1050℃，轧制中连续三道次变形量20～25％，终轧温度750～850℃，当中间坯料规格为2.5～3.0mm时，空冷。
其中，所述退火处理中，将轧制后的中间坯料随炉加热，然后以60～100℃/h升温至850～880℃，保温8～12h，随炉冷却至350～400℃后出炉空冷。
其中，所述热处理中，淬火温度1020～1080℃，保温1～3h，油冷；然后回火，温度150～200℃，保温3～5h后出炉空冷，经-120～-60℃深冷处理，保温1.5～5h。
以上发明内容，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。
本发明的有益效果：
因基板为高碳马氏体不锈钢98Cr18Mo2V钢，经过淬火与回火后硬度≥60HRC，经深冷处理后的硬度≥62HRC，硬度高；加入Mo、V元素，可增加回火稳定性，细化钢的组织，特别是细化钢中碳化物，提高刀具硬度和耐磨性；外层采用纯钛材质，提高刀具耐蚀性，增加刀具用钢的使用寿命，为高档刀具提供了优异的原料；组料时，在真空下进行接触面的密封焊接，避免后工序加热时接触面产生氧化，影响接触面的焊合；同时在锻造开坯时，首先采用高温加热，使各层材料间发生金属扩散，利于整体熔合及性能提高；拔长时上砧采用宽平砧，下砧采用大平台，整体变形，为各层材料焊合提供有利条件，完成各层材料接近冶金结合，实现规模化生产，从而提高了生产效率，降低了生产成本。以目前高端刀具用钢销售价格40万元/吨，利润5万元/吨，每年销售50吨计算，每年可增加收入2000万元，实现效益250万元。
附图说明
图1为本发明所述的多层刀具用复合钢板的结构示意图。图中1为外层纯钛板；2为中间层镍板；3为高碳马氏体不锈钢基板；4为接触面的焊缝。
具体实施方式
本发明提供一种多层刀具用复合钢板，所述复合钢板为五层，包括基板，基板两侧为中间板，中间板的另一侧为外层板；其中，基板为高碳马氏体不锈钢98Cr18Mo2V钢，中间板为镍板，外层板为纯钛板；
其中，所述高碳马氏体不锈钢的化学成分以质量百分比计为：C 0.95％～1.00％、Si 0.40％～0.80％、Mn 0.30％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 17.0％～19.0％、Mo 1.50％～2.50％、V 0.80％～1.20％、Ni 0.20％～0.40％、Al 0.010％～0.040％，余量为Fe及不可避免杂质。
本发明提供上述多层刀具用复合钢板的制备方法，包括以下步骤：
A：原料准备
镍板和纯钛板按国家标准生产或外购；采用基板厚度100～500mm，中间板厚度1～10mm，外层板厚度10～50mm；
基板、外层板、中间板加工成相同尺寸，板坯的接触表面清除氧化铁皮并将板坯表面去油污处理；
B：组料与焊接
在基板的上下面依次放置中间板、外层板，放置完成后，将各层钢板侧面进行点焊；将点焊牢固的坯料送至真空电子束焊箱对接触面进行密封焊接，真空度＜10-2Pa；
C：加热
将焊接好的坯料在台车式加热炉加热，加热采用预热和分段式加热；其中，台车式加热炉提前预热1～5h，使炉温为450～550℃，待炉温降至400～500℃时开始装炉；装炉后在400～500℃保温2～5h，然后以40～60℃/h的升温速度升温至800～860℃，保温5～10h，然后以80～120℃/h的升温速度升温至1250～1280℃，保温5～8h，然后降温至1180～1230℃，保温10～20h，然后出炉；
D：锻造开坯
将加热后的坯料进行锻造开坯，具体条件为：采用45～65MN锻机拔长开坯，下砧子采用大平台，上砧子采用宽平砧，整体变形；其中，所述大平台宽1.5～1.8m，长1.8～2.0m；所述宽平砧宽600～800mm，长800～1000mm；采用“轻-重-轻”变形工艺，每砧轻变形量≤6％S(S为厚度)，每砧重变形量15～18％S，开坯厚度为50～80mm；开锻温度1050～1150℃，终锻温度≥850℃；第一火锻造后回炉进行高温均质化处理，加热温度1180～1230℃，保温24～30h，终锻后坑冷；将冷却后的坯料上下表面整体修磨，得到表面平整且无氧化铁皮的中间坯料；
E：加热及轧制
对锻造后的中间坯料采用步进式加热炉加热和辊式轧机轧制，其中加热工艺条件为：预热段400～500℃，保温1～2h；加热段1050～1120℃，保温2～4h；均热段1020～1080℃，三段升温速率60～100℃/h，步进周期90～150s，均热段保温时间1～5h；辊式轧机轧制工艺为：大压下轧制，开轧温度1000～1050℃，轧制中保证连续三道次变形量20～25％，终轧温度750～850℃，当中间坯料规格为2.5～3.0mm时，空冷；
F：退火处理
轧制后的中间坯料进行退火处理：采用台车式加热炉加热，将轧制后的中间坯料随炉加热，再以60～100℃/h的升温速度升温至850～880℃，保温时间为8～12h，随炉冷却至350～400℃后出炉空冷；
G：热处理
退火后的中间坯料按以下热处理：淬火温度1020～1080℃，保温时间1～3h，油冷，回火温度150～200℃，保温3～5h后出炉空冷，检测基层硬度值(可参照GB1220－2016不锈钢棒的9Cr18Mo或者ASTM标准中的440C)，经-120～-60℃进行深冷处理，保温时间1.5～5h，检测基层硬度，得复合钢板；
H：精整
将热处理后的复合钢板采用辊式矫直机矫直，探伤确定复合钢板边界位置，切除多余基板的边界，即可得到多层刀具用复合钢板。
为了避免后工序加热时接触面产生氧化，影响接触面的焊合，步骤B中，在组合坯料时，在真空度＜10-2Pa下进行接触面的密封焊接。
为了防止加热产生热裂纹，步骤C中，炉温需降至400～500℃时开始装炉。
为了防止产生热裂纹，步骤C中，需分段式加热，装炉后在400～500℃保温2～5h，然后以40～60℃/h的升温速度缓慢升温至800～860℃，保温5～10h，然后以80～120℃/h的升温速度升温至1250～1280℃，保温5～8h，然后降温至1180～1230℃，保温10～20h，然后出炉。
为了使各层材料间发生金属扩散，步骤D中，第一火锻造后回炉进行高温均质化处理，加热温度1180～1230℃，保温24～30h。
为各层材料焊合提供有利条件，完成各层材料接近冶金结合，步骤D中，采用45～65MN锻机拔长开坯，下砧子采用大平台，上砧子采用宽平砧，整体变形，其中，所述大平台宽1.5～1.8m，长1.8～2.0m；所述宽平砧宽600～800mm，长800～1000mm；采用“轻-重-轻”变形工艺，每砧轻变形压下量≤6％S，每砧重变形压下量15～18％S，开坯厚度为50～80mm。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例采用基板厚度为100mm，中间板厚度为1mm，外层板厚度为10mm生产多层刀具用复合钢板，其步骤包括：
A：原料准备
a.基板、外层钛板、中间板加工成相同尺寸，板坯的接触表面清除氧化铁皮待用；
b.将加工完成后的板坯表面去油污处理；
B：组料与焊接
a.在基板的上下面依次放置中间板、钛板；
b.放置完成后，将各层钢板侧面进行点焊；
c.将点焊牢固的坯料送至真空电子束焊箱对接触面进行密封焊接，真空度0.008Pa；
C：加热
a.采用台车式加热炉加热，需提前预热5h，使烘炉温度550℃；
b.待炉温降至400℃时开始装炉；
c.坯料装炉后采用分段式加热，400℃时保温时间2h，然后以60℃/h的升温速度缓慢升温至800℃，保温时间为5h，然后以120℃/h的升温速度升温至1250℃，保温5h，然后降温至1180℃，保温10h，然后出炉；
d.坯料出炉后迅速转移至锻造工位；
D：锻造开坯
a.使用45MN锻机拔长开坯，下砧子采用长2.0m，宽1.8m的大平台，上砧子采用长800mm，宽600mm的宽平砧，整体变形，采用“轻-重-轻”变形工艺，每砧轻变形压下量为≤6％S，每砧重变形压下量15～18％S，开坯厚度为50mm；其中，开锻温度1080℃，终锻温度850℃，终锻后坑冷；第一火锻造后回炉进行高温均质化处理，加热温度1180℃，保温24h；
b.坯料上下表面整体修磨，得到表面平整且无氧化铁皮的中间坯料；
E：加热及轧制
a.采用步进式加热炉加热：预热段400℃控制，保温1h，加热段1050℃控制，保温2h，均热段1020℃控制，三段升温速率均60℃/h，步进周期90s，均热段保温时间1h；
b.采用辊式轧机大压下轧制，开轧温度1000℃，连续三道次变形量20～25％，终轧温度750℃，坯料规格为2.5～2.8mm，空冷；
F：退火处理
采用台车式加热炉加热，将轧制后的中间坯料随炉加热，然后以80℃/h的升温速度升温至850℃，保温时间为8h，随炉冷却至350℃后出炉空冷；
G：热处理
a.退火后按以下热处理：淬火温度1020℃，保温时间1h，油冷，回火温度170℃，保温3h后出炉空冷，检测基层硬度60.8HRC；
b.经-90℃进行深冷处理，保温时间1.5h，检测基层硬度62.6HRC；
H：精整
a.将热处理后的复合钢板采用辊式矫直机矫直；
b.探伤确定复合钢板边界位置，切除多余基板的边界，即可得到多层刀具用复合钢板。
实施例2
本实施例采用基板厚度为500mm，中间板厚度为10mm，外层钛板厚度为50mm生产多层刀具用复合钢板，其步骤包括：
A：原料准备
a.基板、外层钛板、中间板加工成相同尺寸，板坯的接触表面清除氧化铁皮待用；
b.将加工完成后的板坯表面去油污处理；
B：组料与焊接
a.在基板的上下面依次放置中间板、钛板；
b.放置完成后，将各层钢板侧面进行点焊；
c.将点焊牢固的坯料送至真空电子束焊箱对接触面进行密封焊接，真空度为0.005Pa；
C：加热
a.采用台车式加热炉加热，需提前预热5h，烘炉温度550℃；
b.待炉温降至490℃时开始装炉；
c.坯料装炉后采用分段式加热，保温时间5h，然后以60℃/h的升温速度缓慢升温至860℃，保温时间为10h，然后以100℃/h的升温速度升温至1280℃，保温8h，然后降温至1230℃，保温20h，然后出炉；
d.坯料出炉后迅速转移至锻造工位；
D：锻造开坯
a.使用45MN锻机拔长开坯，下砧子采用长2.0m，宽1.8m的大平台，上砧子采用长800mm，宽600mm的宽平砧，整体变形，采用“轻-重-轻”变形工艺，每砧轻变形压力量为≤6％S，每砧重变形压下量15～18％S，开坯厚度为80mm。开锻温度1100℃，终锻温度890℃，终锻后坑冷；第一火次锻造后回炉进行高温均质化处理，加热温度1230℃，保温30h；
b.坯料上下表面整体修磨，得到表面平整且无氧化铁皮的中间坯料；
E：加热及轧制
a.采用步进式加热炉加热：预热段500℃控制，保温2h，加热段1120℃控制，保温4h，均热段1080℃控制，三段升温速率均80℃/h，步进周期150s，均热段保温时间2h；
b.采用辊式轧机大压下轧制，开轧温度1050℃，连续三道次变形量20～25％，终轧温度850℃，坯料规格为2.5～3.0mm，空冷；
F：退火处理
采用台车式加热炉加热，将轧制后的中间坯料随炉加热，然后以100℃/h的升温速度升温至880℃，保温时间为12h，随炉冷却至400℃后出炉空冷；
G：热处理
a.退火后按以下热处理：淬火温度1080℃，保温时间1h，油冷，回火温度170℃，保温5h后出炉空冷，检测基层硬度60.2HRC；
b.经-60℃进行深冷处理，保温时间4h，检测基层硬度62.3HRC；
H：精整
a.将热处理后的复合钢板采用辊式矫直机矫直；
b.探伤确定复合钢板边界位置，切除多余基板的边界，即可得到多层刀具用复合钢板。
Claims (11)
1.多层刀具用复合钢板，其特征在于：所述复合钢板为五层，包括基板，基板两侧为中间板，中间板的另一侧为外层板；其中，基板为高碳马氏体不锈钢98Cr18Mo2V钢，中间板为镍板，外层板为纯钛板；
其中，所述高碳马氏体不锈钢的化学成分以质量百分比计为：C 0.95％～1.00％、Si0.40％～0.80％、Mn 0.30％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 17.0％～19.0％、Mo1.50％～2.50％、V 0.80％～1.20％、Ni 0.20％～0.40％、Al 0.010％～0.040％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.权利要求1所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：依次包括原料准备、组料与焊接、加热、锻造开坯、加热及轧制、退火处理、热处理、精整步骤，即得多层刀具用复合钢板。
3.根据权利要求2所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述原料准备中，采用基板厚度100～500mm，中间板厚度1～10mm，外层板厚度10～50mm。
4.根据权利要求2或3所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述组料与焊接中，需对接触面进行真空密封焊接；其中，真空密封时，控制真空度＜10-2Pa。
5.根据权利要求2所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述加热包括预热和分段式加热；
其中，预热工艺为：将炉预热至450～550℃，待炉温降至400～500℃时开始装炉；
其中，分段式加热工艺为：装炉后在400～500℃继续保温2～5h，然后以40～60℃/h升温至800～860℃，保温5～10h后，以80～120℃/h升温至1250～1280℃，保温5～8h，再降温至1180～1230℃，保温10～20h后出炉。
6.根据权利要求2所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述锻造开坯中，满足以下至少一项：
45～65MN锻机拔长开坯，下砧子采用大平台，上砧子采用宽平砧，整体变形；
采用“轻-重-轻”变形工艺，每砧轻变形量≤6％S，每砧重变形量15～18％S；其中，S为厚度；
开坯厚度为50～80mm。
7.根据权利要求6所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述大平台宽1.5～1.8m，长1.8～2.0m；所述宽平砧宽600～800mm，长800～1000mm。
8.根据权利要求2或6所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述锻造开坯中，开锻温度1050～1150℃，终锻温度≥850℃，终锻后坑冷，得中间坯料；第一火锻造后回炉加热，加热温度1180～1230℃，保温24～30h。
9.根据权利要求2所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述加热及轧制中，所述加热工艺为：预热段温度为400～500℃，保温1～2h；加热段温度1050～1120℃，保温2～4h；均热段温度1020～1080℃，保温1～5h；三段升温速率均为60～100℃/h；
所述轧制工艺为：开轧温度1000～1050℃，轧制中连续三道次变形量20～25％，终轧温度750～850℃，当中间坯料规格为2.5～3.0mm时，空冷。
10.根据权利要求2所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述退火处理中，以60～100℃/h升温至850～880℃，保温8～12h，随炉冷却至350～400℃后出炉空冷。
11.根据权利要求2所述的多层刀具用复合钢板的制备方法，其特征在于：所述热处理中，淬火温度1020～1080℃，保温1～3h，油冷；然后回火，温度150～200℃，保温3～5h后出炉空冷，经-120～-60℃深冷处理，保温1.5～5h。
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