CN113122779A - 一种细晶粒免正火工具钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细晶粒免正火工具钢及其生产方法，化学成分质量百分比为：C：0.54%~0.56%、Si：0.27%~0.40%、Mn：0.30%~0.40%、Cr：0.35%~0.45%、Ni：0.35%~0.40%、Al：0.015%~0.025%；P≤0.012%，S≤0.004%，余量为Fe。本发明相较传统的60工具钢，具有更高的纯净度、更高的强度和耐磨性。非金属夹杂物A、B、D、Ds类≤1.0级、C类0级，抗拉强度Rm≥820Mpa，屈服强度Rel≥530Mpa，断后伸长率≥19%，断面收缩率≥44%，硬度≥235HB；耐磨性提升30%以上，耐用性提升50%。本发明通过原材料的细晶粒控制免去正火处理的过程，减少能源消耗和环境污染，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种细晶粒免正火工具钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及钢铁行业中的工具钢，具体涉及一种细晶粒免正火工具钢及其生产方法。
背景技术：
工具是指工作时所需用的器具。按照驱动类别可将工具分为：机动工具、手动工具。工具在生产、生活中是必不可少的，工具的优劣影响着工业发展的水平。目前，最常用的手动工具有扳手类、钳子类、螺丝刀类、卷尺类、锤子类、套筒类、切削类、剪刀类、组套类、辅助类等。目前国内外多使用60钢材质锻造手动工具，经正火后使用。
GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》标准中对60钢材质进行了以下规定：C:0.57%-0.65%，Si:0.17%~0.37%，Mn:0.50%-0.80%，P≤0.035%，S≤0.035%，Cr≤0.25%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%。工具作为生产、生活中的必备器具，往往因为质量问题，耐用性不高，使用一段时间就需要更换或维修。目前企业对工具的使用寿命要求越来越高，因此越来越多的工具生产厂家要求工具具有更高的耐用性，那就是要求工具具有更高的强韧性、耐磨性。工具生产过程往往还需要经过正火处理，不仅增加能耗，还对环境造成污染。传统的60优质碳素结构钢材料已经不能满足这一要求，因此急需一种低能耗、清洁、高强韧性、高耐磨性的工具钢。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种细晶粒免正火工具钢及其生产方法。提高材料的强韧性和耐磨性，通过微合金化细晶处理，替代锻造后的正火，最终达到工具所需的性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种细晶粒免正火工具钢，化学成分质量百分比为：C：0.54%~0.56%、Si：0.27%~0.40%、Mn：0.30%~0.40%、Cr：0.35%~0.45%、Ni：0.35%~0.40%、Al：0.015%~0.025%；P≤0.012%，S≤0.004%，余量为Fe。
本发明进一步改进方案是，C：0.56%、Si：0.40%、Mn:0.40%、P：0.010%、S：0.003%、Cr：0.45%、Ni：0.40%、Cu：0.03%、Al：0.018%。
本发明进一步改进方案是，力学性能Rm：883Mpa、Rel：571Mpa、A：19%、Z：44%，硬度：256HB。
本发明可从材质上将工具的强韧性、耐磨性提高，还可以通过原材料的细晶粒控制免去正火处理的过程，减少能源消耗和环境污染，提高生产效率，降低生产成本。本发明的生产方法，生产的细晶粒免正火工具钢性能更均匀、稳定。
下面具体说明本发明细晶粒免正火工具钢化学成分的限定理由：
C：能有效提高钢的强度和淬透性，但为防止正火变形及开裂，考虑材质强韧性的要求，本发明C含量比现有60钢设计要低，控制在0.54%-0.56%之间；
Si：是一种脱氧剂，能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度；在本发明中，对强度起到一定的提升作用，主要是作为脱氧剂使用，因此本发明Si含量控制在0.27%-0.40%之间；
Mn能够提高钢的硬度和耐磨性，显著提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn还有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性；但是工具钢生产一般加热温度高、加热时间长，Mn有促进晶粒长大的作用，严重影响锻后工具的晶粒大小和均匀性，研究表明Mn含量高于0.50%还会影响钢的耐腐蚀性，本发明相对于60钢Mn含量控制的比较低，在0.30%-0.40%之间；
Cr：能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但添加超过0.50%时会降低钢的塑性和韧性。为提高材质的强韧性，本发明添加0.35%-0.45%的Cr元素；
Ni：能够提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。Ni能够降低临界转变温度和降低各元素的扩散速度，显著提高钢材的低温冲击韧性，Ni含量越高对冲击韧性越好，但是由于Ni是稀缺资源，价格昂贵，考虑到成本问题，所以本发明中Ni含量控制在0.35%-0.40%；
Al：在钢中主要作为脱氧剂，同时可以细化钢的晶粒，一般Al含量达到0.012%就能够起到细化晶粒的作用，所以本发明将Al含量控制在0.015%~0.025%。
P：使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，同时恶化钢的焊接性能，降低塑性，使冷弯性能变差。因此，本发明将P含量控制在0.020％以下；
S：易偏析元素，影响钢材性能的均匀性，且S在钢中主要以非金属夹杂物的形态存在，影响钢的纯净度。所以本发明对S含量进行了严格控制，必须≤0.015%。
一种细晶粒免正火工具钢的生产方法，包括下列步骤：按上述组分的质量百分比，
（1）KR脱硫：选用S≤0.05%、P≤0.15%的低硫、低磷铁水生产本发明钢种；在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂进行脱硫，扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.005%；
（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制脱硫后铁水温度1260℃~1300℃，转炉采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.015%，出钢加入铝饼、石灰、预熔精炼渣、碳粉、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金进行预脱氧及成分初调，确保精炼到站C：0.43%~0.53%、Si：0.17%~0.27%、Mn：0.25%~0.35%、Cr：0.25%~0.37%。采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；
（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化，造碱度R：5-7的精炼渣；根据钢水过氧化程度配比使用石灰与预熔精炼渣，精炼过程全程采用200NL/min~300NL/min的搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼结束前将化学成分调整到内控范围：C：0.54%~0.56%、Si：0.27%~0.40%、Mn：0.30%~0.40%、Cr：0.35%~0.45%、Ni：0.35%~0.40%、Al：0.015%~0.025%、P≤0.012%，S≤0.004%；
（4）软吹及变性处理：软吹前通过喂丝机喂入120m的硅钙线进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为20min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分聚集长大，上浮去除；
（5）连铸：采用150mm×150mm弧形方坯连铸机5流浇注，减少钢水在钢包停留时间，控制过热度为20℃~35℃，采用2.1m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在100L/min~130L/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸坯；采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置，充分均匀组织，提高内部质量。
（6）轧制：连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过90min，控制空燃比0.85~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度950℃~980℃，采用十八架连轧机组进行轧制。
（7）精整：采用逐支人工检查修磨进行精整，确保钢材的尺寸、外形和表面质量。
本发明针对现代工具对耐用性也就是强韧性、耐磨性的要求，使用创新的化学成分设计和特有的生产工艺，圆钢经用户锻造加工后可以免去正火工序，可以提高使用寿命60%，同时降低生产成本10%以上。
按照本发明生产的工具钢，具有高强度、高耐磨等特点，材料性能达到如下水平：抗拉强度Rm≥820Mpa，屈服强度Rel≥530Mpa，断后伸长率≥19%，断面收缩率≥44%，硬度≥235HB。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明相较传统的60工具钢，C含量由0.57%~0.65%降低到0.54%~0.56%，Mn含量由0.50%~0.80%降低到0.30%~0.40%，提高Cr加入量为0.35%-0.45%和Ni加入量为0.35%-0.40%，在提高钢材强度的同时，提高了钢的韧性和耐磨性。
（2）针对此类钢种的特性和发展需求，本发明提高Si元素含量0.27-0.40%，充分发挥合金元素的作用，提升钢的强度和耐磨性。
（3）本发明采用以下工艺措施，确保了钢的纯净度和均匀性：脱硫后铁水温度1260℃~1300℃，转炉出钢加入铝饼、石灰、预熔精炼渣、碳粉、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金进行预脱氧及成分初调，控制精炼到站C：0.43%~0.53%、Si：0.17%~0.27%、Mn：0.25%~0.35%、Cr：0.25%~0.37%。精炼造碱度R：5-7的精炼渣，精炼过程全程采用200NL/min~300NL/min的搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼结束前将化学成分调整到：C：0.54%~0.56%、Si：0.27%~0.40%、Mn：0.30%~0.40%、Cr：0.35%~0.45%、Ni：0.35%~0.40%、Al：0.015%~0.025%、P≤0.012%，S≤0.004%；连铸采用150mm×150mm弧形方坯连铸机5流浇注，控制过热度为20℃~35℃，采用2.1m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在100L/min~130L/min。轧制采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过90min，控制空燃比0.85~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度950℃~980℃，采用十八架连轧机组进行轧制。
具体实施方式：
目前国内使用的60工具钢与本发明的化学成分对比情况如表1所示。
表1 化学成分对比 wt%
Figure DEST_PATH_IMAGE002
采用以下生产工艺制备：
（1）KR脱硫：选用S≤0.05%、P≤0.15%的低硫、低磷铁水生产本发明钢种；在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂进行脱硫，扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.005%；
（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制脱硫后铁水温度1260℃~1300℃，转炉采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.015%，出钢加入铝饼、石灰、预熔精炼渣、碳粉、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金进行预脱氧及成分初调，确保精炼到站C：0.43%~0.53%、Si：0.17%~0.27%、Mn：0.25%~0.35%、Cr：0.25%~0.37%。采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；
（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化，造碱度R：5-7的精炼渣；根据钢水过氧化程度配比使用石灰与预熔精炼渣，精炼过程全程采用200NL/min~300NL/min的搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼结束前将化学成分调整到内控范围：C：0.54%~0.56%、Si：0.27%~0.40%、Mn：0.30%~0.40%、Cr：0.35%~0.45%、Ni：0.35%~0.40%、Al：0.015%~0.025%、P≤0.012%，S≤0.004%；
（4）软吹及变性处理：软吹前通过喂丝机喂入120m的硅钙线进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为20min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分聚集长大，上浮去除；
（5）连铸：采用150mm×150mm弧形方坯连铸机5流浇注，减少钢水在钢包停留时间，控制过热度为20℃~35℃，采用2.1m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在100L/min~130L/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸坯；采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置，充分均匀组织，提高内部质量。
（6）轧制：连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过90min，控制空燃比0.85~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度950℃~980℃，采用十八架连轧机组进行轧制。
（7）精整：采用逐支人工检查修磨进行精整，确保钢材的尺寸、外形和表面质量。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
所得细晶粒免正火工具钢的化学成分如表2所示，力学性能、非金属夹杂物与现有技术对比情况如表3、4所示。
表2 工具钢成分 wt%
化学成分 C Si Mn P S Cr Ni Cu Al
实施例1 0.54 0.27 0.30 0.010 0.004 0.35 0.35 0.02 0.015
实施例2 0.55 0.35 0.35 0.009 0.003 0.38 0.37 0.02 0.025
实施例3 0.55 0.32 0.35 0.012 0.004 0.40 0.36 0.03 0.020
实施例4 0.56 0.40 0.40 0.010 0.003 0.45 0.40 0.03 0.018
表3 本发明力学性能与现有技术对比
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表4 本发明非金属夹杂物与现有技术对比
钢种 A粗 A细 B粗 B细 C粗 C细 D粗 D细 Ds
实施例1 1.0 1.0 0.5 0.5 0 0 1.0 0.5 0
实施例2 1.0 1.0 0.5 0 0 0 0.5 1.0 0
实施例3 0.5 1.0 1.0 0.5 0 0 0.5 0.5 0.5
实施例4 1.0 1.0 0 0.5 0 0 0.5 1.0 0.5
现有60钢 2.0 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0

Claims (8)

1.一种细晶粒免正火工具钢，其特征在于：化学成分质量百分比为：C：0.54%~0.56%、Si：0.27%~0.40%、Mn：0.30%~0.40%、Cr：0.35%~0.45%、Ni：0.35%~0.40%、Al：0.015%~0.025%；P≤0.012%，S≤0.004%，余量为Fe。
2.如权利要求1所述一种细晶粒免正火工具钢，其特征在于：C：0.56%、Si：0.40%、Mn:0.40%、P：0.010%、S：0.003%、Cr：0.45%、Ni：0.40%、Cu：0.03%、Al：0.018%。
3.如权利要求2所述一种细晶粒免正火工具钢，其特征在于：力学性能Rm：883Mpa、Rel：571Mpa、A：19%、Z：44%，硬度：256HB。
4.一种细晶粒免正火工具钢的生产方法，其特征在于：按照权利要求1所述化学成分质量百分比，包括以下步骤：冶炼原料依次经过：KR脱硫、转炉冶炼、LF精炼、软吹、连铸、连轧，得到φ13mm~φ30mm的工具钢。
5.如权利要求4所述一种细晶粒免正火工具钢的生产方法，其特征在于：
（1）KR脱硫：选用S≤0.05%、P≤0.15%的低硫、低磷铁水；在脱硫前扒净铁水渣，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂进行脱硫，扒渣去除脱硫产物，确保脱硫后铁水S≤0.005%；
（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制脱硫后铁水温度≥1260℃，转炉采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.015%，出钢加入铝饼、石灰、预熔精炼渣、碳粉、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金进行预脱氧及成分初调；采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；
（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化，造碱度R：5-7的精炼渣；使用石灰与预熔精炼渣，精炼过程全程采用200NL/min~300NL/min的搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；
（4）软吹及变性处理：软吹前通过喂丝机喂入120m的硅钙线进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为15min~20min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分聚集长大，上浮去除；
（5）连铸：采用150mm×150mm弧形方坯连铸机5流浇注，减少钢水在钢包停留时间，控制过热度为20℃~35℃，采用2.1m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在100L/min~130L/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸坯；采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置，充分均匀组织；
（6）轧制：连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过90min，控制空燃比0.85~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度950℃~980℃，采用十八架连轧机组进行轧制。
6.如权利要求5所述一种细晶粒免正火工具钢的生产方法，其特征在于：精炼到站C：0.43%~0.53%、Si：0.17%~0.27%、Mn：0.25%~0.35%、Cr：0.25%~0.37%。
7.权利要求5所述一种细晶粒免正火工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤4软吹时间为20min。
8.权利要求5所述一种细晶粒免正火工具钢的生产方法，其特征在于：所述步骤5控制脱硫后铁水温度为1260℃~1300℃。
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