CN112813361A

CN112813361A - 一种五金工具用钢及其制备方法

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Publication number: CN112813361A
Application number: CN202110007266.9A
Authority: CN
Inventors: 韩伏; 李英奎; 文辉; 肖丙政
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明公开了一种五金工具用钢及其制备方法，该五金工具用钢按质量百分比包括如下元素组成：C 0.54‑0.64％、Si 0.20‑0.35％、Mn 0.50‑0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Cr 0.90‑1.20％、Mo 0.15‑0.25％、Cu≤0.20％、Ni 0.05‑0.15％、V 0.10‑0.18％、Al 0.015‑0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质，并提供该五金工具用钢的制备方法。本发明的五金工具用钢具有良好的耐磨性、高硬度、高韧性、高疲劳寿命，完全满足高端五金工具用钢工作的质量要求。

Description

一种五金工具用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种工具用钢及其制备方法，尤其涉及一种五金工具用钢及其制备方法。

背景技术

工具用钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢，五金工具用钢是在碳素工具钢基础上加入Cr、Mo、Ni、V、Nb等合金元素以提高其淬透性、韧性、耐磨性，具有较高的硬度，以及高的耐磨性和适当的韧性，主要用于制造高硬度钳子、活口扳手、螺丝刀等手工工具。

五金工具用途广泛，使用环境复杂多变，要求其具有较高的硬度、强度和韧性，在承受相当大的载荷条件下，仍能保持其形状不变，使五金工具在工作中能够承受负荷、冲击、震动和弯曲等复杂的应力，同时需具备良好的耐磨性以及较高的使用寿命，以保证五金工具的正常使用。因此，对原材料的质量要求相当严苛。目前，由现有的CrV、CrMo、CrB、CrNi等系列钢种制得的五金工具工作时难以承受较高的负荷，易产生破损、变形，难以适应复杂的使用环境，且磨损严重，使用寿命较短，难以满足高端五金工具工作的质量要求。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的为提供一种耐磨性、高硬度、高韧性、高疲劳寿命的五金工具用钢，本发明的第二目的为提供该五金工具用钢的制备方法。

技术方案：本发明的五金工具用钢，按质量百分比包括如下元素组成：C 0.54-0.64％、Si 0.20-0.35％、Mn 0.50-0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Cr 0.90-1.20％、Mo0.15-0.25％、Cu≤0.20％、Ni 0.05-0.15％、V 0.10-0.18％、Al 0.015-0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。

该技术方案的原理是：基于合金元素成分优化设计，其中，合金元素成分优化设计的依据如下：

C：获得高强度及淬透性的主要元素，C含量需在0.54以上。含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低，因此C含量上线不超过0.64％。

Si：能提高钢的弹性极限，但影响冷加工性能，对淬透性影响不大，同时不影响钢的塑性延伸率及断面收缩率，因而控制其含量在0.20％以上，但不超过0.35％。

Mn：能提高钢的淬透性，但Mn在钢的凝固过程易产生偏析，在淬火回火时，Mn易偏聚于晶界，促进回火脆性，降低Mn含量有利于减少钢坯偏析，为保证性能稳定，Mn含量控制在0.50-0.80％。

P：提高钢的冷脆性，是有害残存元素。在钢液凝固时形成微观偏析，增加钢的延迟断裂敏感性，因此控制P含量在0.020％以下。

S：提高钢的热脆性，恶化热加工性能；在钢液中形成MnS夹杂，恶化钢的冷加工性能；因而控制其含量在0.015％以下。

Cr：能有效增加钢的淬透性并改善耐磨性和提高硬度，并有利于高温下保持强度，但含量过高会恶化钢的冷加工性能，为了保证钢的淬透性，将Cr含量控制在0.90-1.20％。

Mo：能改善钢的淬透性和回火稳定性，降低钢对回火脆性的敏感性，改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性，Mo含量控制在0.15-0.25％。

Ni：Ni能够提高钢的淬透性和改善低温冲击韧性。但含量过高会作用效果饱和，且增加生产成本，Ni控制在0.05-0.15％较为合适。

Al：铝可提高钢的淬透性，细化晶粒，同时不损伤钢的韧性，钢中铝含量应控制在0.015-0.050％。

V：该元素具有强的氮化物和碳化物形成倾向，提高回火过程碳氮化物析出形核率，细化组织。V的碳氮化物在棒材轧制过程中析出，将有利于降低材料奥氏体晶粒度，提升材料强度和塑性。纳米级的析出物对材料硬度提升、改善耐磨性、疲劳寿命提升均有好处，当合金中V含量添加过多时将会导致析出物尺寸增加，控制V添加量为0.10-0.18％，可达到较好的效果。

N：与钢中Al、V形成细小氮化物可细化晶粒，但过量的N会与Ti在高温形成大尺寸夹杂物，N含量增加会造成材料脆性增强，N含量应小于0.008％。

进一步的，对于16-50mm规格圆钢制作的五金工具，经整体热处理后，硬度可达到44-48HRC，心部硬度与表面硬度差小于3HRC。五金工具用钢的Akv2为75-112J；五金工具用钢疲劳寿命达55-90万次以上。五金工具用钢经表面高频热处理的硬度为58-62HRC。

本发明的五金工具用钢的制造方法，包括如下步骤：转炉或电炉冶炼、LF炉精炼、RH或VD炉真空脱气、连铸、缓冷、加热及轧制，其中，连铸进行全保护浇注。

全保护浇注避免钢水浇铸过程中吸氧、吸氮。

冶炼的出钢碳含量为0.05-0.15％；LF炉精炼时间≥30min。

RH或VD炉真空脱气后进行钙处理，钙处理后进行软吹不少于15min。

连铸的过热度为10～30℃；铸坯厚度为150～250mm；连铸坯优先入坑缓冷，若不具备入坑缓冷条件，则在厂房内避风堆冷。

加热温度为1150～1210℃，保温时间不少于100min。

轧制的开轧温度为1080-1160℃；轧制的进轧机温度为860-920℃；轧后避风堆冷。

本发明主要用于制造16-50mm的规格五金工具棒材。通过控制钢中合金元素含量获得高淬透性；通过优化冶炼与轧制工艺获得均匀组织，提高力学性能的稳定性；细化晶粒提高五金工具用钢的冲击韧性；确保材料具有良好的耐磨性、高硬度、高韧性、高疲劳寿命。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过合理设计化学成分、工艺路线、冶炼和轧制工艺，提供一种经济可行的高疲劳寿命五金工具用钢及其制备方法，确保制得的工具具有良好的耐磨性、高硬度、高韧性、高疲劳寿命等特性，完全满足高端五金工具用钢工作的质量要求。提高了产品的市场竞争力，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为实施例A3热处理后200倍显微金相照片；

图2为实施例A3热处理后500倍显微金相照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

为了验证本发明各元素限定范围均能实现技术效果，冶炼6炉本发明的五金工具用钢，并按照GB/T 3077-2015中要求冶炼3炉50CrV钢作为对比钢，实施例与对比例的化学成分如表1所示(余量为Fe和杂质)。以下为本发明钢的具体实施例，A1、A2、A3、A4、A5、A6为实施例1-6，B1、B2、B3为对比例1-3。

实施例1-5和对比例1-3的制备方法，包括如下步骤：

转炉或电炉冶炼、LF炉精炼、RH或VD炉真空脱气、连铸、缓冷、加热及轧制，其中，连铸进行全保护浇注。全保护浇注避免钢水浇铸过程中吸氧、吸氮。冶炼的出钢碳含量为0.05％；RH或VD炉真空脱气后进行钙处理，钙处理后进行软吹。连铸坯进行入坑缓冷。轧后避风堆冷。具体工艺参数见表2。

实施例6中冶炼的出钢碳含量为0.15％，其他步骤和检测方法均与实施例1相同。具体工艺参数见表2。

表1 实施例和对比例的化学成分(wt％)

表2 制造工艺参数

在相同的热处理条件下整体热处理，检验硬度及冲击性能，结果如表3-4所示：

表3 检验结果1

表4 检验结果2

整体热处理后表面高频热处理，检验硬度，结果如表5所示：

表5 检验结果3

编号	规格(mm)	表面硬度(HRC)	高频深度(mm)
				A1	16	62	3.5
A2	16	61.5	3.9
				A3	30	61	4.7
A4	30	60	4.5
				A5	50	58	4.7
A6	50	59	4.9
				B1	16	55	2.5
B2	30	56	2.7
				B3	50	54	2.4

采用整体热处理+表面高频热处理工艺制作五金工具，检验疲劳寿命，结果如表6所示：

表6 检验结果4

编号	规格(mm)	疲劳寿命(次)
			A1	16	55×10<sup>4</sup>
A2	16	67×10<sup>4</sup>
			A3	30	90×10<sup>4</sup>
A4	30	56×10<sup>4</sup>
			A5	50	71×10<sup>4</sup>
A6	50	79×10<sup>4</sup>
			B1	16	35×10<sup>4</sup>
B2	30	38×10<sup>4</sup>
			B3	50	31×10<sup>4</sup>

从上表可以看出，本发明钢和50CrV国标材在相同的热处理条件下整体热处理，本发明钢较对比钢50CrV的硬度稳定性与常温冲击性能显著提高，满足尺寸规格在16-50mm范围内五金工具对材料的性能要求。本发明钢经过整体热处理后，心部具有95％以上的马氏体组织，完全被淬透，心部与表面硬度差小于3HRC，而对比钢50CrV硬度波动≥8HRC。发明钢常温冲击功Akv2(20℃)均大于71J，满足五金工具对冲击韧性的要求，而对比钢50CrV的冲击功Akv2(20℃)明显较低，最低仅为51J。本发明钢表面高频热处理，表面硬度达到58-62HRC，高频深度≥3mm；而对比钢50CrV的表面硬度仅为54-56HRC，高频深度最低仅为2.4mm；本发明钢的耐磨性明显优于对比钢。采用整体热处理+表面高频热处理工艺制作五金工具，本发明钢疲劳寿命均大于50万次，最高可达90万次，而对比钢最高仅为38万次。

上述对比结果表明，发明钢具有较好的力学性能，整体热处理后心部表面硬度差异小，常温冲击性能较好，尤其疲劳寿命较长，可稳定在50万次以上，可满足用户16mm-50mm规格高端五金工具的质量要求。图1为实施例A3热处理后200倍显微金相照片；图2为实施例A3热处理后500倍显微金相照片。

Claims

1.一种五金工具用钢，其特征在于，按质量百分比包括如下元素组成：C 0.54-0.64％、Si 0.20-0.35％、Mn 0.50-0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Cr 0.90-1.20％、Mo 0.15-0.25％、Cu≤0.20％、Ni 0.05-0.15％、V 0.10-0.18％、Al 0.015-0.050％、N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述五金工具用钢，其特征在于：所述五金工具用钢经整体热处理后的硬度为44-48HRC，所述五金工具用钢的心部硬度与表面硬度差小于3HRC。

3.根据权利要求1所述五金工具用钢，其特征在于：所述五金工具用钢的Akv2为75-112J；所述五金工具用钢疲劳寿命达55-90万次以上。

4.根据权利要求1所述五金工具用钢，其特征在于：所述五金工具用钢经表面高频热处理的硬度为58-62HRC。

5.一种权利要求1所述五金工具用钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：转炉或电炉冶炼、LF炉精炼、RH或VD炉真空脱气、连铸、缓冷、加热及轧制，其中，所述连铸进行全保护浇注。

6.根据权利要求5所述五金工具用钢的制造方法，其特征在于：所述冶炼的出钢碳含量为0.05-0.15％。

7.根据权利要求5所述五金工具用钢的制造方法，其特征在于：所述RH或VD炉真空脱气后进行钙处理，所述钙处理后进行软吹。

8.根据权利要求5所述五金工具用钢的制造方法，其特征在于：所述连铸的过热度为10～30℃；所述缓冷为入坑缓冷或避风堆冷。

9.根据权利要求5所述五金工具用钢的制造方法，其特征在于：所述加热温度为1150～1210℃。

10.根据权利要求5所述五金工具用钢的制造方法，其特征在于：所述轧制的开轧温度为1080-1160℃；所述轧制的进轧机温度为860-920℃；轧后避风堆冷。