CN113151742B

CN113151742B - 一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢及其热处理方法和生产方法

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Publication number: CN113151742B
Application number: CN202110405796.9A
Authority: CN
Inventors: 张晓瑞; 汪开忠; 于同仁; 姜婷; 尹德福; 龚梦强; 郭湛; 丁雷; 余良其; 孙凯; 许文喜
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-04-15
Also published as: CN113151742A

Abstract

本发明公开了一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢及其热处理方法和生产方法，含有以下重量百分比的化学成分：C 0.70％～1.00％、Si 0.80％～1.10％、Mn 0.50％～0.80％、Cr 0.50％～0.80％、Mo 0.30％～0.50％、V 0.20％～0.40％、Nb 0.020％～0.040％、Ti 0.030％～0.050％、Ni 0.15％～0.35％、Cu 0.15％～0.35％、Re 0.05％～0.25％、痕量的P、S、O、N，其余为Fe和其它不可避免的杂质；0.50W+0.50Mo+0.26Cr+V+Nb≤1.5C；其具有良好的强度、塑韧性、耐磨、耐冲击和耐蚀性能，可满足使用要求。

Description

一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢及其热处理方法和生产方法

技术领域

本发明属于工具钢技术领域，具体涉及一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢及其热处理方法和生产方法。

背景技术

工具钢是用于制造各类切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢种，被广泛应用于机械制造等各行各业。由于其使用特点，要求工具钢热处理后具有高强度、高硬度、高红硬性、高韧性、高耐磨性、高疲劳性能等。根据化学成分，工具钢可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，合金工具钢因Cr、Mo、W、V等合金元素的添加比碳素工具钢具有更好的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性，应用范围更加广泛，是未来工具钢的发展趋势。

近年来随着合金工具模具行业迅速的发展，对合金工具钢的要求越来越高，除一般要求外，对不同工作条件还具有一些特殊性能，如高质量六角或螺丝批头、扳手等专用小型五金工具器件，因使用频率高、间隔时间短，应还具有一定的高温力学性能、疲劳性、耐腐蚀性能等。

中国专利CN1648276A公开了一种合金工具钢，可在操作温度约为700℃时具有高温强度，同时维持和传统基体高速工具钢一样高的室温强度。其特征在于化学成分包含C0.45～0.60、Si 0.10～1.00、Mn 0.20～2.00、P≤0.020、S≤0.015、Cu≤1.00、Ni≤1.00、Cr3.50～5.00、Mo 0～3.00、W 0～10.00、V 1.00～2.00、Co 0～8.00、Al≤0.10、O≤0.01、N≤0.02，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其中Weq为2.0～10.0，2Mo/Weq≤0.60，且△C为-0.3～0.0。此方法主要针对应用于包含热塑性加工模及温塑性加工模的各种工具的合金工具钢，虽然解决了高温强度和耐受性的问题，但是不具有明显的耐蚀性。

专利CN103436687A公开一种高合金工具钢的控制冷却工艺，详细说明了通过控制水箱、风机、保温罩等手段，使工具钢S2盘条得到细晶粒的马氏体，其相变温度控制在600℃以下。此方法不足之处生产的盘条最终组织为塑性较差的马氏体，合金工具钢盘条不具有良好的韧性。

综上所述，虽然目前我国合金工具钢产品研究较多，产品也比较成熟，但兼顾耐蚀性的高强高韧性材料较少，其产品及成果方面几乎处于空白。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢及其热处理方法和生产方法，以得到一种具有良好的强度和塑韧性，且具有优良的良好的耐磨、耐冲击和耐蚀性能的合金工具钢。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢，所述合金工具钢按重量百分比含有以下化学成分：C 0.70％～1.00％、Si 0.80％～1.10％、Mn 0.50％～0.80％、Cr 0.50％～0.80％、Mo 0.30％～0.50％、V 0.20％～0.40％、Nb 0.020％～0.040％、Ti 0.030％～0.050％、Ni 0.15％～0.35％、Cu 0.15％～0.35％、Re 0.05％～0.25％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％、N≤0.006％。其余为Fe和其它不可避免的杂质；其中，0.50W+0.50Mo+0.26Cr+V+Nb≤1.5C。

本发明通过对上述化学成分的控制，以得到具有良好的强度和塑韧性，且具有优良的良好的耐磨、耐冲击和耐蚀性能的合金工具钢，上述各化学成分作用及控制如下：

C：C是钢中最基本有效的强化元素，是提高淬透性和淬硬性最有效的元素，在工具钢中确保硬度、耐磨性和耐疲劳性能的重要元素。过高的碳含量虽然对钢的强度、硬度有利，但不利于钢的塑性和韧性，而且使屈强比降低，脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。C含量控制在0.70％～1.00％。

Si：Si是钢中强化的重要元素，通过固溶作用提高钢的强硬度，硅还可以提高锈层的稳定性，提高耐蚀性能。但Si元素的提高会降低材料塑韧性和加工性能，同时增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。Si含量控制在0.80％～1.10％。

Mn：Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn是提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性，但过量的Mn会降低钢的塑性。Mn的添加同时有助于在钢材表面形成锈蚀层，提高钢的耐蚀性能，但过度的Mn会导致腐蚀产物颗粒的长大，提高腐蚀率。Mn含量控制在0.50％～0.80％。

Cr：Cr能显著增加钢的淬透性、淬硬性和回火稳定性，Cr与C能形成稳定的化合物，阻止C或杂质的偏聚，提高基体的稳定性能，显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。但过量的Cr导致Cr系碳化物残留，降低在硬化温度下的抗软化性，增加回火脆性倾向。Cr含量控制在0.50％～0.80％。

Mo：Mo是较强的碳化物形成元素，可提高钢的淬透性、回火稳定性，有效地消除或降低其中的残余应力，并确保工具钢的强度、硬度和耐磨性，同时提高塑性。另外Mo元素还可以显著提高高温强度，是提高钢的热强性的最有效的合金元素。同时还可以降低点蚀的发生几率，但是Mo含量过多会增大变形抗力及晶间腐蚀倾向。Mo含量控制在0.30％～0.50％。

V：V的析出物可作为珠光体形核的质点，促进粒状珠光体的形成和组织均匀化。V与C形成稳定的MC型碳化物，以弥散碳化物形态分布于基体中有防止晶粒长大，提高回火后强硬度、塑韧性和耐磨性，另外V与C形成的碳化物，可提高抗氢腐蚀能力。V含量控制在0.20％～0.40％。

Nb：Nb是非常有效的细化晶粒的微合金化元素，Nb在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。Nb元素的添加促进了稳定锈层的生成，明显降低了腐蚀速率。但过量的Nb的强化作用不再明显，产生的粗碳化物将降低韧性，且增加钢的裂纹敏感性。Nb含量控制在0.020％～0.040％。

Ti：除细化晶粒、析出强化和固定N、S的作用外，弥散析出的碳氮化合物可显著提升高温强度，但过量的Ti会使钢种残留大量粗大氮化物，恶化钢的塑韧性，降低加工性能。因此Ti含量控制在0.030％～0.050％。

Ni：Ni能稳定奥氏体，增强钢的淬透性，同时改善低温韧性。Ni元素的加入同时能改善锈层结构，提高致密度和对钢表面的粘结性，提高了钢的耐蚀性能，抑制氢的吸附，进而对改善耐延迟断裂性能有益。Ni含量控制在0.15％～0.35％。

Cu：Cu元素能够显著地改善钢的耐蚀性，钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢的阳极化，并形成保护性较好的锈层。铜元素也能改变锈层的吸湿性，从而提高了临界湿度。但Cu含量过高会降低钢的高温塑性，在热加工过程中易产生裂纹，因而Cu含量控制在0.15％～0.35％。

Re：适量的稀土Re在钢中主要偏聚在晶界上，具有减轻碳及其它合金元素向晶界的偏析，净化晶界，减少夹杂物的数量，改善夹杂物的形貌和分布的作用，可使MnS、A1₂O₃等夹杂变质为稀土夹杂，从而提高钢的力学性能。合适的Re含量通过改善锈层的氧化物种类、形成过程，可显著提高钢的耐腐蚀性，并促进其它微合金元素在内锈层中的富集。此外，Re通过净化钢液，变质夹杂，从而改善了点蚀和晶间腐蚀。钢中固溶Re提高钢基体的耐蚀性，并促进稳定致密锈层的形成。Re含量控制在0.05％～0.25％。

S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，对工具钢的扭转性能有害；P是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.015％，S≤0.010％。

O和N：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤0.0012％；N在钢中析出Fe₄N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，不利于热轧态材料球化处理后的拉拔、冷弯成型等过程，控制N≤0.006％。

为保证热处理后碳化物稳定性，以保证工具钢具有优异的高温性能，按照主要碳化物形成元素W₂C、Mo₂C、Cr₂₃C₆、VC、NbC的原子配比定义系数，控制0.50W+0.50Mo+0.26Cr+V+Nb≤1.5C以预估热处理后碳化物固溶程度，从而保证工具钢具有优异的高温性能。

所述合金工具钢的热处理显微组织为回火隐晶马氏体，奥氏体晶粒度≥10级。

所述合金工具钢的常温力学性能抗拉强度≥2000MPa，断面收缩率≥25％，硬度≥53HRC，室温纵向冲击吸收功KV₂≥10J，疲劳强度≥900MPa，摩擦磨损减重量低于0.005g，耐大气腐蚀性指数I≥6.5，高温力学性能抗拉强度≥680MPa；具体为：常温抗拉强度2090～2200MPa，断面收缩率37～35％，硬度57～60HRC，室温纵向冲击吸收功KV₂ 12～15J，疲劳强度960～980MPa，摩擦磨损减重量低于0.005g，耐大气腐蚀性指数I≥6.5，高温力学性能抗拉强度690～710MPa。

本发明还提供了所述具有耐蚀高强高韧性合金工具钢的热处理方法，包括以下步骤：

(1)球化退火；

(2)淬火；

(3)回火。

进一步地，步骤(1)中，在730～770℃保温4～6h进行球化退火，然后炉冷，以获得均匀球粒状珠光体组织，同时保证表面脱碳层深度不明显增加。

步骤(2)中，在850～950℃保温30～40min进行淬火，然后油冷，保证完全奥氏体化过程中晶粒尺寸不明显长大。

步骤(3)中，在150～300℃保温120～130min进行低温回火，以获得高强度满足工具钢的使用要求，然后空冷。

本发明还提供了所述的具有耐蚀高强高韧性合金工具钢的生产方法，包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→大方坯连铸→方坯轧制→精整扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→线材盘条成品→热处理；所述热处理采用上述的热处理方法进行即热处理的过程为球化退火→淬火→回火。

考虑到该钢Si含量较高，脱碳敏感性强，同时兼顾轧制工艺和Mo、V、Nb、Ti等碳化物形成元素固溶于奥氏体中的需要，所述加热步骤中，采用两相区快速加热的“S”型加热方式，在40-50min内由770℃升温至820℃，再在10-15min内由820℃升温至940℃，最后在940～1100℃均热保温45-55min，以减轻脱碳现象，提高产品的表面硬度和疲劳寿命。

所述高速线材轧制步骤中，由于该钢合金元素含量高，轧制过程中易出现马氏体、贝氏体等组织，结合V、Nb、Ti微合金化和热机械轧制形变诱导相变控制组织转变，开轧温度控制在950～1000℃，精轧温度控制在900℃±10℃未再结晶区，终轧温度控制在800～850℃，吐丝温度控制在760～780℃，提升钢的强韧性。

所述斯太尔摩冷却线控冷步骤中，通过控制辊道速度、风机风量和保温罩开闭数量控制冷却速度，斯太尔摩辊道速度采用变速控制，入口段辊道速度≥0.40m/s，入保温罩速度≤0.20m/s，1#和2#风机开启50％风量，其他风机关闭，使得入保温罩后冷却速度≤1℃/s，保证盘条在合适的温度等温相变，防止过多马氏体硬脆组织的形成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.对各元素的含量控制合理，得到了具有良好的强度和塑韧性，且具有优良的良好的耐磨、耐冲击和耐蚀性能的合金工具钢；

2.本发明按照主要碳化物形成元素W₂C、Mo₂C、Cr₂₃C₆、VC、NbC的原子配比定义系数，控制0.50W+0.50Mo+0.26Cr+V+Nb≤1.5C以预估热处理后碳化物固溶程度，从而保证工具钢具有优异的高温性能；

3.采用球化退火+淬火+回火的热处理工艺，得到了具有回火隐晶马氏体的金相组织，奥氏体晶粒度≥10级；

4.在高速线材控制轧制之前，通过对加热温度的控制，使钢快速通过低温全脱碳敏感区(820～940℃)，减轻脱碳现象，提高产品的表面硬度和疲劳寿命；

5.通过对高速线材控制轧制工艺参数进行控制，提升钢的强韧性；

6.通过对斯太尔摩冷却线控冷的冷却速度进行控制，使盘条在合适的温度等温相变，防止马氏体、贝氏体等硬脆组织的形成；

7.本发明提供的合金工具钢的Rm≥2000MPa，断面收缩率≥25％，硬度≥53HRC，室温纵向冲击吸收功KV₂≥10J，疲劳强度≥900MPa，摩擦磨损减重量低于0.005g，耐大气腐蚀性指数I≥6.5，具有良好的强度和塑韧性，且具有优良的良好的耐磨、耐冲击和耐蚀性能，可满足特定环境下的使用要求。

附图说明

图1为实施例1中的合金工具钢热处理后的金相图；

图2为实施例2中的合金工具钢热处理后的金相图。

具体实施方式

本发明提供的具有耐蚀高强高韧性合金工具钢，按重量百分比含有以下化学成分：C 0.70％～1.00％、Si 0.80％～1.10％、Mn 0.50％～0.80％、Cr 0.50％～0.80％、Mo0.30％～0.50％、V 0.20％～0.40％、Nb 0.020％～0.040％、Ti 0.030％～0.050％、Ni0.15％～0.35％、Cu 0.15％～0.35％、Re 0.05％～0.25％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％、N≤0.006％。其余为Fe和其它不可避免的杂质；其中，0.50W+0.50Mo+0.26Cr+V+Nb≤1.5C。

具有耐蚀高强高韧性合金工具钢的生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→大方坯连铸→方坯轧制→精整扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→线材盘条成品→球化退火→淬火→回火；

其中，电炉冶炼步骤中：出钢前定氧，严格控制出钢过程下渣。

LF炉精炼步骤中：C、Si、Cr、Mn、V、Nb、Ti、Mo、Re、Ni、Cu等元素调至目标值。

RH或VD真空脱气步骤中：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量。

大方坯连铸步骤中：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸380mm*450mm大方坯。

大方坯轧制成线材盘条的路线为：380mm*450mm大方坯→加热→轧制为150mm×150mm方坯→精整扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→→φ8mm线材盘条成品→球化退火→淬火→回火。

加热步骤中，，采用两相区快速加热的“S”型加热方式，在40-50min内由770℃升温至820℃，再在10-15min内由820℃升温至940℃，最后在940～1100℃均热保温45-55min。

高速线材轧制步骤中，开轧温度控制在950～1000℃，精轧温度控制在900℃±10℃未再结晶区，终轧温度控制在800～850℃，吐丝温度控制在760～780℃。

热处理方法包括以下步骤：

(1)球化退火：在730～770℃保温4h进行球化退火，然后炉冷；

(2)淬火：在850～950℃保温30min进行淬火，然后油冷；

(3)回火：在150～300℃保温120min进行低温回火，然后空冷。

由上述工艺制备的工具钢的性能检测方法如下：

热处理后试样精加工成标准拉力试样后参照GB/T 228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法进行常温力学性能分析。

对热处理后试样表层氧化铁皮去除制作疲劳试样，再参照GB/T 4337金属材料疲劳试验旋转弯曲方法进行疲劳弯曲试验。

将10根试样以60％以上的概率出现10⁷次以上寿命的最大负载应力作为疲劳强度。

试样热处理后进行耐磨试验，耐磨试验在MM200磨损试验机上进行，试验条件：负荷50N，线速度0.40m/s，干摩擦30min，然后用天平测定材料损耗量。参照GB/T 12444-2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》标准规定，对MM-200磨耗试验机材料耐磨性试验结果用称重法进行质量磨损评定。

试样热处理后进行288h周浸腐蚀试验和72h盐雾腐蚀试验。其中周浸腐蚀试验TB_2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行，盐雾腐蚀试验参照GBT 20854-2007《金属和合金的腐蚀循环暴露在盐雾、干和湿条件下的加速试验》进行。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

在上述的化学成分组成及用量范围内采用上述生产工艺进行各实施例，各实施例和对比例中的合金工具钢的化学成分及重量百分比如表1所示。

表1

注：耐蚀指数I＝26.01Cu+3.88Ni+1.20Cr+1.49Si+17.28P-7.29Cu*Ni-9.01Ni*P-33.39Cu²

各实施例和对比例中的合金工具钢的生产工艺参数如表2所示。

表2

注：各实施例及对比例中的加热步骤中，均是先在40-50min内由770℃升温至820℃，再在低温敏感区的加热时间下由820℃升温至940℃，最后在均热温度下保温50min

各实施例和对比例中的合金工具钢在热处理之后的性能如表3和表4所示。

表3

表4

从上述各性能数据可以看出，各实施例中的合金工具钢的抗拉强度均能达到2000MPa以上，面缩率均能均达到30％以上，说明实施例具有较好的强韧性。

各实施例中的合金工具钢的疲劳强度均在960MPa以上，具有优良的疲劳特性，而对比例的疲劳强度仅为815MPa，说明实施例具有较好的耐疲劳性能。

各实施例中的合金工具钢的30min磨损失重均低于0.005g，耐磨性显著优于对比例。

各实施例中的合金工具钢的周浸试验的腐蚀率均低于0.75g/(m².h)，盐雾试验的腐蚀率均低于0.70g/(m².h)，耐腐蚀性显著优于对比例。

综上所述，本发明提供的合金工具钢具有良好的强度和塑韧性，且具有优良的良好的耐磨、耐冲击和耐蚀性能，可满足特定环境下的使用要求。

上述参照实施例对一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢及其热处理方法和生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有耐蚀高强高韧性合金工具钢，其特征在于，所述合金工具钢按重量百分比含有以下化学成分：C 0.70%～1.00%、Si 0.80%～1.10%、Mn 0.50%～0.80%、Cr 0.50%～0.80%、Mo 0.30%～0.50%、V 0.20%～0.40%、Nb 0.020%～0.040%、Ti 0.030%～0.050%、Ni0.15%～0.35%、Cu 0.15%～0.35%、Re 0.05%～0.25%、P 痕量～0.015%、S 痕量～0.015%、O≤0.0015%、N≤0.006%；

其余为Fe和其它不可避免的杂质；

其中，0.50W+0.50Mo+0.26Cr+V+Nb≤1.5C；

所述具有耐蚀高强高韧性合金工具钢的生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→大方坯连铸→方坯轧制→精整扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→线材盘条成品→热处理；

所述加热步骤中，采用两相区快速加热的“S”型加热方式，在40-50min内由770℃升温至820℃，再在10-15min内由820℃升温至940℃，最后在940~1100℃均热保温45-55min。

2.根据权利要求1所述的具有耐蚀高强高韧性合金工具钢，其特征在于，所述合金工具钢的热处理显微组织为回火隐晶马氏体，奥氏体晶粒度≥10级。

3.根据权利要求1所述的具有耐蚀高强高韧性合金工具钢，其特征在于，所述合金工具钢的Rm≥2000MPa，断面收缩率≥25%，硬度≥53HRC，室温纵向冲击吸收功KV₂≥10J，疲劳强度≥900MPa，摩擦磨损减重量低于0.005g，耐大气腐蚀性指数I≥6.5。

4.如权利要求1-3任意一项所述的具有耐蚀高强高韧性合金工具钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：

（1）球化退火；

（2）淬火；

（3）回火。

5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，在730~770℃保温4-6h进行球化退火；在850~950℃保温30-40 min进行淬火；在150~300℃保温120-130 min进行低温回火。

6.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于，球化退火后进行炉冷；淬火后进行油冷；低温回火后进行空冷。

7.如权利要求1-3任意一项所述的具有耐蚀高强高韧性合金工具钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→大方坯连铸→方坯轧制→精整扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→线材盘条成品→热处理；所述热处理采用权利要求4-6任意一项所述的热处理方法进行。

8.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，所述高速线材轧制步骤中，开轧温度控制在950～1000℃，精轧温度控制在900℃±10℃未再结晶区，终轧温度控制在800～850℃，吐丝温度控制在760～780℃。

9.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，所述斯太尔摩冷却线控冷步骤中，控冷采用缓冷工艺，冷却速度不超过1℃/s。