CN113549830B - 高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢，钢板的化学成分按重量百分比计为：C 0.40％～0.6％，Si≤0.1％，Mn 0.4％～1.5％,Al≤0.06％，Ca 0.0005％～0.05％，Re 0.01％～0.5％，Cu 0.2％～1.0％，Mg≤0.05％，Ca/S≥0.3，Ca/Mg≥1，Ca/Re≥0.02，P≤0.020％，S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所生产的工具钢含Si量低，表面光洁，无晶界氧化层和脱碳层，无需热处理表面硬度45HRC以上,耐磨性优异；抗拉强度550MPa～650MPa，屈强比50％以下，180°折弯不开裂，折弯性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及工具钢生产技术领域，尤其涉及一种折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢及其生产方法。
背景技术
常规工具钢由于碳含量高，热轧组织以珠光体为主，脆性大，不适合折弯加工形状复杂零件，折弯很小的角度即开裂。随着时代的发展，工具钢用途越来越广，不仅要求热处理后硬度37HRC以上，加工的形状也越来越复杂。为满足一些复杂零件的折弯加工需求，通常采用冷轧退火工具钢作原料，经多道次退火、冷轧才能满足折弯使用需求，生产成本高。热轧板的成分和组织是影响折弯性能和热处理硬度的主要因素，而表面氧化脱碳也是影响硬度和折弯性能的主要因素之一，而且通常情况下脱碳层深，打磨量大，导致生产效率低。目前高碳工具钢的表面脱碳层深度通常控制在板厚的2.0％左右，全厚度规格最好水平是不超过板厚的1.0％，而且板越厚越不易控制。
另一方面，热处理淬火产生油烟严重环境污染，且加热能源消耗大。
为适应时代发展，满足工具钢加工形状复杂零件的需求，减少表面打磨量，提高生产效率，降低成本，急需开发一种折弯性能优异、成本低、脱碳层深度小或表面无氧化脱碳层的高表面硬度工具钢，替代热处理工具钢。
公告号为CN104745786B的中国发明专利公开了“一种免球化退火的用CSP线生产薄规格工具钢的方法”，涉及一种厚度为1-2.5mm薄工具钢钢板的生产方法，不能满足厚规格工具用钢板的使用需求；其采用低温轧制、快冷到马氏体转变温度附近低温卷取，再回火得到回火索氏体降低强硬性的生产工艺，一方面对卷取机能力要求极高，另一方面卷取过程中发生马氏体相变，马氏体脆性极大，极易断带，且卷后要进行550～700℃高温回火处理，成本较高。该技术方案中控制脱碳深度不超过板厚的1％。
公告号为CN103173598B的中国发明专利公开了“一种免退火型中高碳钢板制造工艺”，公开号为CN102417959A的中国专利申请公开了“一种免退火处理热轧S45C板带的生产方法”，采用两相区或铁素体区低温大压下轧制，高温卷取堆垛，得到60％铁素体和部分球化珠光体，软化降低钢板硬度到80-85HRB。上述工艺得到的钢板铁素体量多，块大，必须淬火回火才能使用，而且热处理后硬度低，不能满足高端工具钢的使用要求。
公开号为CN110499479A的中国专利申请公开了“一种电镀性能优异的高强栓紧带用钢及其制造方法”、公开号为CN110499447A的中国专利申请公开了“一种电镀栓紧带卡扣用钢及其制造方法”、公开号为CN111206179A的中国专利申请公开了“一种高疲劳寿命电镀板钩用钢及其制造方法”，主要通过控轧控冷控制钢板表面质量，使表面脱碳深度不超过板厚的1.5％，从而提高电镀性能。热轧板硬度均在100HRB以下，需要淬火、回火等多道热处理工序才能达到使用要求的37HRC以上硬度，成本高，且效率低。
公开号为CN105177430A的中国专利申请公开了“一种合金工具钢及其生产方法”，涉及一种中碳工具钢，钢中含有：C 0.5％，Si 0.2％，Mn 0.5％，Cr 5.0％，Mo 2.3％，V0.5％，S≤0.003％，P≤0.02％，该合金工具钢中加入Cr、Mo、V等合金较多，冶炼需采用电渣重熔浇注铸锭，成材率低，需要软化退火、球化退火、淬火、回火等多道热处理工序，成本高，不适于加工制造形状复杂的各类工具。
公告号为CN103506380B的中国发明专利公开了“一种降低高碳弹簧带钢脱碳层厚度的生产方法”，采用控制加热温度和炉内气氛、单道次轧制压下率、冷速的方法控制2.5-3.55mm弹簧钢脱碳层深度不超过0.02mm。这种方法不适用于更厚规格钢板，而且加热炉内气氛、温度分段控制精度要求高，操作困难。
上述技术方案中提及的钢种及生产方法均未提及折弯性能，且都存在一定的缺陷，不能满足折弯且高表面硬度工具钢的使用需求。
发明内容
本发明提供了一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢及其生产方法，克服现有技术中热轧工具钢因表面脱碳氧化严重、不适合折弯的问题，所生产的工具钢含Si量低，表面光洁，无晶界氧化层和脱碳层，无需热处理表面硬度45HRC以上,耐磨性优异；抗拉强度550MPa～650MPa，屈强比50％以下，180°折弯不开裂，折弯性能优异，生产效率高，成本低。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢，钢板的化学成分按重量百分比计为：C 0.40％～0.6％，Si≤0.1％，Mn 0.4％～1.5％,Al≤0.06％，Ca 0.0005％～0.05％，RE 0.01％～0.5％，Cu 0.2％～1.0％，Mg≤0.05％，Ca/S≥0.3，Ca/Mg≥1，Ca/RE≥0.02，P≤0.020％，S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述钢板的组织为球化率100％的索氏体组织，抗拉强度550MPa～650MPa，屈强比≤50％，180°弯曲不开裂。
所述钢板表面下弥散分布有直径不超过20nm的RECuC硬化粒子层,该硬化粒子层深度不小于钢板厚度的10％，晶界氧化层和脱碳层深度均为0mm，退火后表面硬度45HRC以上，磨损率不超过40mg/km。
一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢的生产方法，工具钢的生产过程包括冶炼-连铸-铸坯处理-轧制-冷却工艺，其中：
1)冶炼工艺；
采用Al脱氧剂脱氧，精炼时钢中氧含量≤0.0020％后加Ca处理,Ca处理至少5分钟后再沿中包壁加其他合金，先加RE-Mg合金，最后加Cu合金；
2)连铸工艺；
中包吹氩5～8分钟，控制浇注过热度≤25℃；连铸采用压下工艺和结晶器电磁搅拌，搅拌线圈采用纯碳材料，电磁搅拌1分钟～3分钟，电流强度1000A以上；压下量为10mm～30mm；连铸拉速1.0m/min～1.4m/min；
3)铸坯处理工艺；
铸坯下线缓冷72小时以上，轧制前采用步进式加热炉加热，步进式加热炉采用还原性气氛，预热段温度在500℃以上，加热段的加热温度为1200℃～1350℃，铸坯在炉总时间为2小时～4小时；
4)轧制工艺；
所述轧制工艺包括粗轧、精轧和第三次轧制三个过程：
a)粗轧首道次压下率≥50％；
b)精轧采用不少于6道次的连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，轧制速度≥25m/s,开轧温度为1100℃～1150℃，结束温度900℃～950℃；
c)精轧后钢板进入层流冷却，急冷，冷速≥25℃/s，冷到500℃～680℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率10％～20％，侧压压下率5％～20％；
5)冷却工艺；
第三次轧制后，钢板直接进感应退火机组退火,冷却速度20℃/h～50℃/h，冷到200℃以下空冷。
所述冶炼工艺包括转炉冶炼和电炉精炼过程。
所述铸坯的厚度为170～250mm，铸坯入步进式加热炉的加热段前，预热段温度在500℃以上。
粗轧、精轧、第三次轧制前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用加RE、Cu，利用电磁搅拌、连铸压下及三次控轧技术，钢板表面下形成弥散分布大量直径不超过20nm的RECuC硬化粒子层,该硬化粒子层深度不小于钢板厚度的10％，表面晶界氧化层和脱碳层深度均为0mm，退火后表面硬度45HRC以上，磨损率不超过40mg/km，耐磨性优异，代替热处理钢，成本低，节能降耗；
2)利用RE、Mg控制热轧板渗碳体片间距，通过三次热轧制及控冷，只一次在线连续退火，得到100％球化率的球化索氏体组织，抗拉强度550MPa～650MPa，屈强比在50％以下，180°弯曲不裂，折弯性能和冲压成型性能优异；
3)钢板内部韧塑性和成型性好，表面高硬度耐磨性好，钢板强韧性匹配好；
4)表面光洁，无晶界氧化层和脱碳层，省略抛砂工艺后电镀合格率100％；
5)通过添加Ca、RE、Mg对钢中夹杂物进行变性处理，使钢中各类非金属夹杂物不超过1.0级；
6)用Ca、Cu增加钢水流动性，RE收得率高达60％以上，Mg收得率高达40％以上；
7)钢板退火前不用加热，零件不用热处理，电镀前不用抛砂，节能减耗，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例5钢板球化索氏体组织形貌图(1000倍)。
图2是本发明实施例5钢板表面下硬化粒子层组织形貌图(1000倍)。
图3是对比例2钢板组织形貌图(500倍)。
具体实施方式
本发明所述一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢，钢板的化学成分按重量百分比计为：C 0.40％～0.6％，Si≤0.1％，Mn 0.4％～1.5％,Al≤0.06％，Ca0.0005％～0.05％，RE 0.01％～0.5％，Cu 0.2％～1.0％，Mg≤0.05％，Ca/S≥0.3，Ca/Mg≥1，Ca/RE≥0.02，P≤0.020％，S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述钢板的组织为球化率100％的索氏体组织，抗拉强度550MPa～650MPa，屈强比≤50％，180°弯曲不开裂。
所述钢板表面下弥散分布有直径不超过20nm的RECuC硬化粒子层,该硬化粒子层深度不小于钢板厚度的10％，晶界氧化层和脱碳层深度均为0mm，退火后表面硬度45HRC以上，磨损率不超过40mg/km。
一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢的生产方法，工具钢的生产过程包括冶炼-连铸-铸坯处理-轧制-冷却工艺，其中：
1)冶炼工艺；
采用Al脱氧剂脱氧，精炼时钢中氧含量≤0.0020％后加Ca处理,Ca处理至少5分钟后再沿中包壁加其他合金，先加RE-Mg合金，最后加Cu合金；
2)连铸工艺；
中包吹氩5～8分钟，控制浇注过热度≤25℃；连铸采用压下工艺和结晶器电磁搅拌，搅拌线圈采用纯碳材料，电磁搅拌1分钟～3分钟，电流强度1000A以上；压下量为10mm～30mm；连铸拉速1.0m/min～1.4m/min；
3)铸坯处理工艺；
铸坯下线缓冷72小时以上，轧制前采用步进式加热炉加热，步进式加热炉采用还原性气氛，预热段温度在500℃以上，加热段的加热温度为1200℃～1350℃，铸坯在炉总时间为2小时～4小时；
4)轧制工艺；
所述轧制工艺包括粗轧、精轧和第三次轧制三个过程：
a)粗轧首道次压下率≥50％；
b)精轧采用不少于6道次的连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，轧制速度≥25m/s,开轧温度为1100℃～1150℃，结束温度900℃～950℃；
c)精轧后钢板进入层流冷却，急冷，冷速≥25℃/s，冷到500℃～680℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率10％～20％，侧压压下率5％～20％；
5)冷却工艺；
第三次轧制后，钢板直接进感应退火机组退火,冷却速度20℃/h～50℃/h，冷到200℃以下空冷。
所述冶炼工艺包括转炉冶炼和电炉精炼过程。
所述铸坯的厚度为170～250mm，铸坯入步进式加热炉的加热段前，预热段温度在500℃以上。
粗轧、精轧、第三次轧制前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30MPa。
本发明所述工具钢中各合金成分的作用机理如下，其中百分符号％代表重量百分比：
C是钢中主要的固溶强化元素，本发明中需足量的C提升强硬性，C含量若低于0.40％，则很难保证钢板强硬性，C含量若高于0.6％，则热轧板强度过高，会恶化钢的韧塑性，影响屈强比，导致成型性不好。因此，本发明将C含量控制在0.40％～0.6％。
Mn的价格相对便宜，是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素。锰和铁能无限固溶形成固溶体，提高钢的硬度和强度，对塑性的影响相对较小。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹影响工具钢的热成型性。同时Mn也是良好的脱氧剂并可增加淬透性。钢中Mn含量低，不能满足高强硬性的要求，Mn含量过高会使偏析严重，影响焊接性能和成型性，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，本发明将Mn含量控制在0.4％～1.5％。
Si是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，固溶形态的Si能提高屈服强度和韧脆转变温度，一般工具钢中Si含量为0.17％～0.37％,而本发明控制Si含量尽可能少，冶炼也不用Si脱氧。本发明Si会促使工具钢表面脱碳氧化，形成疏松的氧化层，氧化层中存在晶界氧化等微裂纹缺陷，会严重影响表面硬度及疲劳性能。本发明控制Si≤0.1％，成本低，且能够减轻钢表面氧化脱碳，改善表面质量，减少打磨量。
Al用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别能降低钢的脆性转变温度；Al还能提高钢的抗氧化性能，提高对硫化氢的抗腐蚀性。Al含量超过0.06％，易与钢中氧形成大颗粒氧化物夹杂，影响疲劳性能。
Ca作为微合金化元素改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能，提高钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。工具钢的碳含量较高，钢水流动性差，夹杂物不易上浮。本发明通过添加钙，改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，加快钢水流动，促使夹杂物上浮充分，提高钢质纯净度，最终成品钢中各类非金属夹杂不超过1.0级；同时改善钢的表面光洁度,消除组织的各向异性，改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能，延长工具的使用寿命。Ca的夹杂物变性作用与硫含量有很大关系，本发明控制Ca/S≥0.3，能保证Ca夹杂物变性处理充分。另外，本发明中添加钙能将RE的收得率提高60％以上,Mg的收得率40％以上，能够有效提高稀土和镁的利用率。
镁是十分活泼的金属元素，它与氧、氮、硫都有很强的亲和力。但由于镁太过活泼，冶炼时不易控制，极易与氧、氮等形成夹杂物，影响钢质纯净度。本发明采用独特的“精炼加RE-Mg冶炼”技术，严格精准控制钢中Mg含量，利用Ca与Mg共同作用生成CaO·MgO·Al2O3及CaO·MgO·MnS复合夹杂，此类夹杂的熔点低，在钢液中易凝固上浮排除，避免了连铸过程中的水口结瘤问题，减少钢液中夹杂含量，从而控制钢中夹杂物水平不超过1.0级。本发明中限定Ca/Mg≥1，这样才能有足够的Ca与Mg形成CaO·MgO·Al2O3及CaO·MgO·MnS复合夹杂，Mg的收得率40％以上。Mg的另一主要作用是与RE、C生成RE-MgC2、RE-Mg2C3系列碳化物，以致热轧板中形成片间距0.15～0.5μm的索氏体组织，为退火得到100％球化索氏体做好组织准备。
稀土元素可以提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性，提高高温强度。本发明利用RE、Mg和C反应，生成一系列的碳化物，如RE-MgC2、RE-Mg2C3，以致热轧钢板中形成片间距0.15～0.5μm的索氏体组织，为退火得到100％球化索氏体做好组织准备。另外，RE能改善钢的流动性，提升钢板表面光洁度。RE也能使Al2O3、MnS等氧化物和硫化物夹杂物变成细小分散的球状夹杂物，从而消除夹杂的危害性，提升疲劳性能。本发明控制Ca/RE≥0.02，这样才能有足够的Ca提升稀土的收得率，并起到粗化控制索氏体片层间距作用，以致退火易得到球化组织。本发明铸坯表面较高含量RE还与Cu共同作用，生成粒状相钉扎在晶粒内和晶界处，提升表面硬度，抑制表面氧化脱碳。
铜能改善钢的耐磨性和钢水流动性，而钢水流动性好，夹杂物上浮充分，钢的纯净度才好。本发明所述工具钢中碳含量高，碳易在铸坯枝晶凝固末端偏析聚集，碳在钢内部偏析聚集严重时，石墨析出，影响折弯、疲劳等使用性能。本发明在钢中加入一定量的铜，有效阻碍工具钢碳偏析聚集及石墨析出。本发明钢中固溶的Cu除了强化钢基体外，Cu还能与C生成CuC硬相，第三次轧制时这些CuC硬相阻碍索氏体中渗碳体变形，渗碳体更易破碎。本发明中Cu的另一个主要作用是硬化表面，提升表面硬度。本发明铸坯表面较高含量Cu和RE共同作用，生成RECuC粒状相钉扎在晶粒内和晶界处，提升表面硬度，抑制表面氧化脱碳，使表面晶界氧化层和脱碳层深度为0mm,实现省略抛砂工艺后电镀合格率100％，退火表面硬度45HRC以上，无需热处理，成本低，能耗小。
P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。本发明将最高P含量限制在0.020％，最高S含量限制在0.015％。硫在钢中以FeS、MnS形式存在，本发明中Mn高，MnS的形成倾向就高，虽然其熔点较高能避免热脆的产生，但MnS在加工变形时能沿着加工方向延伸成带状，钢的塑性，韧性，及疲劳强度显著降低，因此本发明在钢中加入Ca、Mg和RE进行夹杂物变性处理。
本发明所述工具钢生产的关键工艺过程如下：
1.冶炼及连铸工艺；
(1)本发明所述工具钢钢板由钢水经转炉冶炼、电炉精炼后，浇注成连铸坯再经轧制而成，连铸坯的厚度为170mm～250mm。
(2)采用Al脱氧剂脱氧，精炼时钢中氧含量≤0.0020％以后,加Ca处理,Ca处理至少5分钟后再沿中包壁加其他合金，先加RE、Mg合金，最后加Cu合金；
(3)中包吹氩时间5分钟～8分钟，确保夹杂物上浮充分，浇注过热度≤25℃。
(4)连铸压下和结晶器电磁搅拌,搅拌线圈采用纯碳材料，电磁搅拌1分钟～3分钟，电流强度1000A以上；压下量为10mm～30mm；
(5)连铸拉速1.0m/min～1.4m/min。
2.铸坯处理工艺；
(1)铸坯下线入缓冷坑缓冷72小时以上，铸坯轧制前采用步进式加热炉加热，要求加热炉预热段温度在500℃以上；
(2)步进式加热炉采用还原性气氛，铸坯在加热段的加热温度为1200℃～1350℃，在炉总时间2小时～4小时。
3.轧制工艺；
包括粗轧、精轧和第三次轧制三个过程，粗轧、精轧、第三次轧制前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30MPa，保证钢板表面质量：
(1)粗轧采用首道次≥50％的大压下率轧制，充分破碎铸坯粗大晶粒；
(2)精轧采用不少于6道次的连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，高温快轧，轧制速度≥25m/s,开轧温度为1100℃～1150℃，结束温度900℃～950℃；
(3)精轧后钢板进入层流冷却，急冷，冷速≥25℃/s，冷到500℃～680℃得到片层间距为0.15～0.5μm的片状索氏体组织，再入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率10％～20％，侧压压下率5％～20％，在硬相粒子CuC作用下碎化渗碳体片，为退火得到全球化索氏体做准备。
4.冷却工艺；
第三次轧制后，钢板直接进感应退火机组退火，冷却速度20℃/h～50℃/h，冷到200℃以下空冷，钢板的室温组织为球化的索氏体，球化率100％。
上述工艺过程及参数的设计原理如下：
工具钢含碳量高，氧含量难控制，钢水流动性差，本发明为提高钢水流动性，脱氧充分，先用Al脱氧剂脱氧，氧含量≤0.0020％以后,加Ca处理至少5分钟后再加RE-Mg合金和Cu。本发明所述工具钢的化学成分中，Ca、Mg、RE均为活跃元素，冶炼时很难控制，加入顺序至关重要。加Al脱氧后钢中会产生Al2O3夹杂，如果炉衬耐火材料不良，还会生成MgO·Al2O3夹杂，这些Al的氧化物夹杂熔点较高，在钢中不易凝固上浮，一方面会降低钢水流动性，堵塞浇注水口，另一方面也会使钢中夹杂物增多，影响钢的折弯、疲劳性能。加Al脱氧后再加Ca处理，Ca会打断原有长条状的Al2O3和MgO·Al2O3及MnS夹杂，包裹在这些断续夹杂物外部，生成弥散分布的球状CaO·MgO·Al2O3或CaO·Al2O3及CaO·MnS复合氧化物，细化球化了夹杂。而且这些小颗粒钙铝酸盐复合夹杂物熔点低，在钢液中易凝固上浮排除，避免了连铸过程中的水口结瘤问题，减少钢液中夹杂含量，保证钢中夹杂物水平不超过1.0级。Ca处理5分钟后，变性的夹杂物充分上浮，钢水纯净后，再加RE-Mg合金，此时钢水中存在的多余的游离Ca提高了RE和Mg的收得率，因此本发明RE收得率高达60％以上，Mg的收得率高达40％以上。钢中的RE和Mg与C反应，生成一系列的碳化物，如RE-MgC2、RE-Mg2C3，进一步促进热轧形成片间距0.15～0.5μm的索氏体组织，为得到球化索氏体提升折弯性能做准备。
Ca、RE均能使氧化物和硫化物夹杂变性，同时还能与Cu共同增加钢水流动性，提升夹杂上浮速度；本发明限定中包吹氩5～8分钟，既可促使夹杂物变性处理后充分上浮，保证钢中各类非金属夹杂不超过1.0级，提高纯净度，而且较普通工具钢节省近一半时间，节能减耗，且提高生产率。
工具钢的碳含量高，碳易在柱状晶凝固末端形成液态微偏析聚集，碳在钢内部偏析聚集严重时，影响折弯、疲劳、电镀等使用性能。控制过热度≤25℃的工艺，改善铸坯碳宏观偏析。本发明冶炼后期沿中包壁加入的RE、Mg和Cu能改善钢的流动性，在电磁搅拌离心力作用下RE、Mg和Cu均匀扩散，在中包内壁附近均匀分布。电磁搅拌线圈采用纯碳材料，电流强度1000A以上，电磁搅拌1分钟～3分钟，RE、Mg、Cu扩散能力强，同时控制连铸拉速1.0m/min～1.4m/min，连铸拉坯后铸坯表面下存在一层RE、Cu高含量的区域，该高合金含量表面层深度不小于铸坯厚的15％，且该表面层内RE、Cu含量是铸坯心部含量5～8倍。在铸坯冷到900℃～1000℃时压下，压下量10mm～30mm，铸坯上下表面下高含量的RE、Cu及Mg与C在外力形变能作用下反应生成大量RECuC和少量Mg-RECuC钉扎在表面晶界处，有效抑制表面氧化和脱碳，提高电镀合格率，同时提升表面硬度。电流强度小于1000A，搅拌时间低于1分钟，RE、Cu扩散不充分，不能保证钢板表面下RE、Cu含量是铸坯心部含量5～8倍，生成的RECuC和Mg-RECuC粒子数量不够，也不能保证粒化层深度为钢板厚度10％，硬度不足。搅拌时间长于3分钟，合金元素扩散严重，铸坯表面易开裂。铸坯压下温度高于1000℃、压下量小于10mm不能提供生成RECuC和Mg-RECuC的足够相变能；铸坯压下温度低于900℃、压下量大于30mm铸坯出裂纹，均不利于RECuC和Mg-RECuC生成。
铸坯下线后入缓冷坑缓冷72小时以上，避免合金含量相对较高的工具钢铸坯在应力作用下开裂，而且钢内部生成CuC粒子，为第三次轧制破碎渗碳体片做准备。同时促进铸坯表面下RECuC和Mg-RECuC均匀弥散分布，使轧后钢板两表面下硬相粒化层深度均为钢板厚度10％以上。
铸坯轧制前采用步进式加热炉加热，铸坯入步进式加热炉的加热段前预热段温度在500℃以上，防止加热段的铸坯内外温差太大，产生内应力和热应力开裂；步进式加热炉采用还原性气氛，以阻抗铸坯表面氧化脱碳。加热段的加热温度在1200℃～1350℃，铸坯在炉总时间2～4小时，能够保证铸坯加热均匀，均匀成分，减小偏析，提升折弯性能。
粗轧、精轧前连续采用30MPa以上压力多道高压水除鳞，轧制速度≥25m/s，均有助于清除破碎钢板表面氧化铁皮，使钢板表面无明显晶界氧化和脱碳层，提升钢板表面质量和折弯性能，减少打磨量。粗轧采用首道次≥50％的大压下率轧制，可充分破碎铸坯表面一次氧化铁皮，同时破碎铸坯粗大柱状晶粒、促进形成细小奥氏体。精轧采用6道次高温快轧，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，开轧温度1100℃～1150℃，结束温度900℃～950℃，有助于形成细小奥氏体晶粒，避免表面二次氧化脱碳。通过粗轧、精轧的大压下量轧制，为钢内生成RE-MgC2、RE-Mg2C3碳化物提供足够相变能，以得到片间距0.15～0.5μm的索氏体组织。
精轧后用30MPa以上高压水除鳞，清洁表面氧化铁皮。钢板以≥25℃/s冷速快冷到500℃～680℃，在RE-MgC2、RE-Mg2C3等碳化物作用下得到片间距0.15μm～0.5μm的索氏体组织。为了退火易得到全球化索氏体组织，钢板快冷后立即进行第三次轧制。第三次轧制采用两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率10％～20％，侧压压下率5％～20％，索氏体中渗碳体片完全碎裂，退火时碳扩散快，得到全球化组织。采用四水平辊轧机连续两道次轧制，且带侧压，两次全方位打碎渗碳体片，渗碳体片更小，碳更易扩散。此次轧制也为钢板表面下再次生成大量细小RECuC粒子提供相变能，进一步促进生成大量细小RECuC粒子。这些粒子提升钢板表面硬度到45HRC以上，退火也不分解，仍保持高表面硬度。第三次轧制后钢板表面下形成弥散分布直径不超过20nm的RECuC硬化粒子层,该硬化粒子层深度不小于钢板厚度的10％，同时抑制表面氧化和脱碳，使钢板无需热处理表面硬度45HRC以上，磨损率不超过40mg/km。
冷速≥25℃/s，钢板表面下的RECuC和Mg-RECuC不长大，仍细小弥散分布，提升表面硬度，抑制氧化和脱碳。冷速低于25℃/s，钢板表面下的RECuC和Mg-RECuC粒子长大，硬化效果不好，而且韧塑性差。轧制温度高于680℃、压下率小于10％，侧压压下率低于5％，破碎渗碳体片能量不足。轧制温度低于500℃、上下压高于20％，侧压大于20％，轧制力大，轧机负荷过大，钢中储存能大，RECuC和Mg-RECuC粒子也迅速长大，影响硬度和韧塑性。
第三次轧制后，钢板不卷取，直接入感应退火装备在线连续退火，退火速度20℃/h～50℃/h，退火前不用加热，成本低，生产效率高，仅一次退火就可使钢板的室温组织为球化率100％的回火索氏体，抗拉强度550MPa～650MPa，最终钢板的屈强比在50％以下，180°弯曲不开裂，而且表面不会出现三次氧化脱碳。退火速度大于50℃/h，球化效果不好，球化率低；退火速度小于20℃/h，钢板表面会出现三次氧化脱碳，RECuC和Mg-RECuC粒子长大，影响表面硬度。
本发明所述工具钢及用其加工配件的生产工艺包括：冶炼-铸坯电磁搅拌及压下-热轧-退火-得到高表面硬度钢(代替离线成品热处理)-冲压成型-滚光-电镀-组装；而现有工具钢及加工配件时的生产工艺包括：冶炼-热轧-冷轧-退火--冲压成型-热处理-抛砂-滚光-电镀-组装。可以看出，采用本发明所述工具钢制作需要电镀的机械配件时，省略了冷轧、热处理、抛砂三道工艺，不仅大大降低了生产成本，实现节能减耗，并且电镀表面无霉斑等腐蚀缺陷，产品电镀合格率100％。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例】
本实施例所生产工具钢钢板的化学成分如表1所示。
表1化学成分，％(重量百分比)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Als | Cu | Mg | Ca | RE | Ca/Mg | Ca/RE | Ca/S |
| 1 | 0.45 | 0.02 | 0.90 | 0.015 | 0.015 | 0.02 | 0.3 | 0.004 | 0.005 | 0.25 | 1.25 | 0.02 | 0.33 |
| 2 | 0.49 | 0.1 | 1.42 | 0.004 | 0.009 | 0.035 | 0.95 | 0.02 | 0.022 | 0.12 | 1.10 | 0.18 | 2.44 |
| 3 | 0.48 | 0.07 | 0.91 | 0.008 | 0.011 | 0.012 | 0.5 | 0.005 | 0.01 | 0.09 | 2.00 | 0.11 | 0.91 |
| 4 | 0.50 | 0.05 | 0.65 | 0.010 | 0.008 | 0.032 | 0.2 | 0.005 | 0.005 | 0.22 | 1.00 | 0.02 | 0.63 |
| 5 | 0.55 | 0.04 | 0.80 | 0.012 | 0.001 | 0.025 | 0.4 | 0.0005 | 0.0008 | 0.02 | 1.60 | 0.04 | 0.80 |
| 6 | 0.58 | 0.05 | 0.75 | 0.014 | 0.003 | 0.056 | 0.21 | 0.001 | 0.002 | 0.03 | 2.00 | 0.07 | 0.67 |
| 7 | 0.52 | 0.06 | 0.88 | 0.013 | 0.013 | 0.033 | 0.6 | 0.02 | 0.027 | 0.17 | 1.35 | 0.16 | 2.08 |
| 8 | 0.57 | 0.07 | 1.32 | 0.014 | 0.004 | 0.028 | 0.5 | 0.006 | 0.009 | 0.069 | 1.50 | 0.13 | 2.25 |
| 9 | 0.42 | 0.05 | 0.99 | 0.012 | 0.007 | 0.035 | 0.27 | 0.03 | 0.035 | 0.042 | 1.17 | 0.83 | 5.00 |
| 10 | 0.55 | 0.06 | 1.18 | 0.010 | 0.01 | 0.045 | 0.5 | 0.004 | 0.004 | 0.07 | 1.00 | 0.06 | 0.40 |
| 11 | 0.60 | 0.09 | 0.50 | 0.008 | 0.012 | 0.035 | 0.22 | 0.03 | 0.045 | 0.5 | 1.50 | 0.09 | 3.75 |
| 12 | 0.58 | 0.06 | 1.32 | 0.013 | 0.006 | 0.036 | 0.8 | 0.002 | 0.008 | 0.016 | 4.00 | 0.50 | 1.33 |
| 13 | 0.53 | 0.08 | 1.38 | 0.013 | 0.008 | 0.046 | 0.6 | 0.009 | 0.01 | 0.097 | 1.11 | 0.10 | 1.25 |
| 14 | 0.50 | 0.07 | 0.92 | 0.014 | 0.014 | 0.059 | 0.9 | 0.008 | 0.009 | 0.18 | 1.13 | 0.05 | 0.64 |
| 15 | 0.52 | 0.03 | 0.59 | 0.012 | 0.007 | 0.036 | 0.5 | 0.006 | 0.0086 | 0.15 | 1.43 | 0.06 | 1.23 |
| 16 | 0.49 | 0.08 | 0.68 | 0.010 | 0.01 | 0.027 | 0.25 | 0.0034 | 0.005 | 0.24 | 1.47 | 0.02 | 0.50 |
| 17 | 0.56 | 0.05 | 0.80 | 0.015 | 0.005 | 0.042 | 0.35 | 0.01 | 0.01 | 0.02 | 1.00 | 0.50 | 2.00 |
| 18 | 0.45 | 0.07 | 1.32 | 0.004 | 0.009 | 0.036 | 0.42 | 0.01 | 0.03 | 0.092 | 3.00 | 0.33 | 3.33 |
| 对比例1 | 0.53 | 0.25 | 0.6 | 0.012 | 0.008 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 对比例2 | 0.83 | 0.20 | 0.62 | 0.010 | 0.005 | - | - | - | - | - | - | - | - |
本实施例所生产工具钢钢板的工艺参数如表2和表3所示。
表2：热轧带钢冶炼生产工艺
表3：轧制和冷却生产工艺
本实施例所生产工具钢钢板的性能如表4所示。
表4钢板性能
实施例5钢板球化索氏体组织形貌图(1000倍)如图1所示，实施例5钢板表面下硬化粒子层组织形貌图(1000倍)如图2所示，图3是对比例2钢板组织形貌图(500倍)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢，其特征在于，钢板的化学成分按重量百分比计为：C 0.40％～0.6％，Si≤0.1％，Mn 0.4％～1.5％,Al≤0.06％，Ca0.0005％～0.05％，RE 0.01％～0.5％，Cu 0.2％～1.0％，Mg≤0.05％，Ca/S≥0.3，Ca/Mg≥1，Ca/RE≥0.02，P≤0.020％，S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢，其特征在于，所述钢板的组织为球化率100％的索氏体组织，抗拉强度550MPa～650MPa，屈强比≤50％，180°弯曲不开裂。
3.根据权利要求1所述的一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢，其特征在于，所述钢板表面下弥散分布有直径不超过20nm的RECuC硬化粒子层,该硬化粒子层深度不小于钢板厚度的10％，晶界氧化层和脱碳层深度均为0mm，退火后表面硬度45HRC以上，磨损率不超过40mg/km。
4.如权利要求1～3任意一种所述高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢的生产方法，其特征在于，工具钢的生产过程包括冶炼-连铸-铸坯处理-轧制-冷却工艺，其中：
1)冶炼工艺；
采用Al脱氧剂脱氧，精炼时钢中氧含量≤0.0020％后加Ca处理,Ca处理至少5分钟后再沿中包壁加其他合金，先加RE-Mg合金，最后加Cu合金；
2)连铸工艺；
中包吹氩5～8分钟，控制浇注过热度≤25℃；连铸采用压下工艺和结晶器电磁搅拌，搅拌线圈采用纯碳材料，电磁搅拌1分钟～3分钟，电流强度1000A以上；连铸过程铸坯冷到900℃～1000℃时压下，压下量为10mm～30mm；连铸拉速1.0m/min～1.4m/min；
3)铸坯处理工艺；
铸坯下线缓冷72小时以上，轧制前采用步进式加热炉加热，步进式加热炉采用还原性气氛，预热段温度在500℃以上，加热段的加热温度为1200℃～1350℃，铸坯在炉总时间为2小时～4小时；
4)轧制工艺；
所述轧制工艺包括粗轧、精轧和第三次轧制三个过程：
a)粗轧首道次压下率≥50％；
b)精轧采用不少于6道次的连轧方式，总压下率≥80％，首道次压下率≥30％，轧制速度≥25m/s,开轧温度为1100℃～1150℃，结束温度900℃～950℃；
c)精轧后钢板进入层流冷却，急冷，冷速≥25℃/s，冷到500℃～680℃入两立辊四水平辊轧机连续两道次轧制，上下压下率10％～20％，侧压压下率5％～20％；
5)冷却工艺；
第三次轧制后，钢板直接进感应退火机组退火,冷却速度20℃/h～50℃/h，冷到200℃以下空冷。
5.根据权利要求4所述的一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢的生产方法，其特征在于，所述冶炼工艺包括转炉冶炼和电炉精炼过程。
6.根据权利要求4所述的一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢的生产方法，其特征在于，所述铸坯的厚度为170～250mm，铸坯入步进式加热炉的加热段前，预热段温度在500℃以上。
7.根据权利要求4所述的一种高表面硬度折弯性能优异的中碳球化索氏体工具钢的生产方法，其特征在于，粗轧、精轧、第三次轧制前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30MPa。
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