CN114107832A

CN114107832A - 一种大尺寸件手工工具钢及其制备方法

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Publication number: CN114107832A
Application number: CN202111449722.1A
Authority: CN
Inventors: 李文杰; 张华�; 饶子才
Original assignee: Lianfeng Steel Zhangjiagang Co Ltd
Current assignee: Lianfeng Steel Zhangjiagang Co Ltd
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明属于中小棒圆钢技术领域，涉及一种大尺寸件手工工具钢及其制备方法。所述工具钢由下列质量百分比的成分组成：C：0.59～0.61％、Mn：0.85～1.05％、Si：0.17～0.37％、Cr：1.00～1.15％、V：0.12～0.16％、Al：0.010～0.020％、P：≤0.020％、S：≤0.010％、Ni≤0.10％、Cu≤0.10％，余量为Fe及不可避免杂质；步骤包括转炉冶炼、LF精炼、VD工艺、连铸和加热轧制；本发明优势在于生产设备无需进行重大改造、现有生产工艺也无需作重大调整，只需进行合金体系设计结合步骤优化，即可生产出适合大尺寸件五金工具所需的良好淬透性和硬度要求的圆钢。

Description

一种大尺寸件手工工具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于中小棒圆钢技术领域，具体涉及一种大尺寸件手工工具钢及其制备方法。

背景技术

手工(五金)工具是重要的工件器具，在机械加工、工程制造、产品或设备维修、生活等领域发挥重要作用。手工工具应具备高硬度的表面以满足使用要求，同时应具备低硬度、高韧性的心部以满足疲劳韧性、使用耐久，同时应具备相关的切削、加工性能。

手工工具钢常规技术指标包括强度、硬度、耐磨性、淬透性等。①要求材料合金成分体系设计良好。以用途为导向，常规的在中碳钢中添加适当的合金元素铬Cr、镍Ni、钼Mo、钒V，甚至是钨W、钴Co等贵重金属。材料经过良好的合金化冶炼、纯净度控制、控轧控冷及合适的加工热处理，最终在材料基体形成均匀、充分、弥散的固溶组织、碳化物析出，最终获得以上所需性能。②要求母材脱碳控制良好、成品表面处理良好。工具钢强度、硬度(尤其是表面硬度)是最直接、最重要指标，直接影响使用。特别是对于工具钢剪切、夹持、啮合部位。③要求良好的成分和组织均匀性以保证淬透性。小尺寸件，仅需适当的淬透或淬硬性，否则容易产生脆性破坏。而对于一些大尺寸件的手工工具钢则需具有良好淬透性。若淬透层太薄，在使用过程中表面容易被磨损消耗，甚至压陷。④要求(表面)耐磨性良好，以满足使用耐久。

如何制备性能优良的大尺寸件手工工具钢，如何防止该类钢种出现裂纹缺陷并确保成分均匀稳定控制，保证良好淬透性和硬度的要求，成为目前行业亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，提供一种良好淬透性、适于制造大尺寸件手工工具的60CrV圆钢的成分设计思路，以及提供该工具钢的生产方法。

为了实现以上目的，本发明首先提供一种大尺寸件手工工具钢，由下列质量百分比的成分组成：

C：0.57～0.62％、Mn：0.75～1.05％、Si：0.17～0.37％、Cr：0.95～1.15％、V：0.10～0.20％、P：≤0.030％、S：≤0.030％、Ni≤0.20％、Cu≤0.20％，余量为Fe及不可避免杂质。

成分设计：C是影响工具钢性能的最重要元素，针对大尺寸件工具钢，为确保良好淬透性和淬硬性选择较高的C含量成分体系。但研究表明，对于淬火工具钢(包括碳素系及合金系)，C含量提高到0.6％左右其硬度即达到饱和。此后C含量的提高仅导致韧性的进一步降低。而为防止韧性降低，工具钢中常需添加Cr、Mo、W、V等元素。这些元素一部分在基体固溶、一部分在热处理后以碳化物的形式析出，提高了材料耐磨损性、软化抵抗性、疲劳强度以及热成型过程中的尺寸稳定性。因此综合考虑成品性能及合金成本，选择CrV系的成分体系，并适当提高了Mn、Cr等碳化物形成元素的含量，Mn由通常的0.50％～0.80％提高到0.75％～1.05％、Cr由通常的0.80％～1.10％提高到0.95％～1.15％，以此提高了耐磨性和淬透性，尤其适合淬透性指标特别要求的大尺寸件手工工具钢。

进一步，组分优化，由下列质量百分比的成分组成：C：0.59～0.61％、Mn：0.85～1.05％、Si：0.17～0.37％、Cr：1.00～1.15％、V：0.12～0.16％、Al：0.010～0.020％、P：≤0.020％、S：≤0.010％、Ni≤0.10％、Cu≤0.10％，余量为Fe及不可避免杂质。

针对组分优化，使C、Mn、Cr按照成分上限控制，V按照中下限控制，充分发挥材料硬度极限并进一步地保证了淬透性和优化成本。另外适当添加氮化物形成元素的Al(一般0.04％以下，本发明Al控制在0.010％～0.020％)，析出后钉扎晶界进一步促进晶粒细化。同时进一步严控P、S、Ni、Cu等有害元素含量。

工艺操作条件要求：

①禁止使用开新炉和不过LF的钢包，严禁在含Ti、B钢种后冶炼。

②转炉/LF常规合金可选种类：硅铁合金、硅锰合金、低碳锰铁、中碳锰铁、高碳锰铁、低碳铬铁、中碳铬铁、高碳铬铁。

本发明还提供一种大尺寸件手工工具钢的生产方法，包括以下步骤：

包括转炉冶炼、LF精炼、VD工艺、连铸和加热轧制。

(1)转炉工艺：出钢碳含量0.08～0.12％，出钢磷含量P≤0.015％，出钢目标温度≥1600℃；

(2)LF工艺：基于步骤(1)转炉工艺处理后得到的转炉钢水进行LF精炼，造白渣并保持≥15min；

(3)VD工艺：基于步骤(2)LF精炼工艺处理得到的精炼钢水进行VD真空脱气，真空度要求低于67Pa，真空度保持时间≥10min，以深脱氧、脱硫；之后进行软吹氩，软吹时间≥15min，进一步去气去夹杂；

(4)连铸：基于步骤(3)VD真空处理得到的钢水进行连铸浇铸，连铸全程采用保护浇铸以避免钢水污染；连铸时控制钢水过热度15～35℃(本钢种液相线1477℃)，拉速0.95～1.15m/min(连铸坯断面220mm×220mm)；

(5)加热轧制：针对步骤(4)得到的铸坯在步进式加热炉高温加热，高温加热温度为1120～1170℃、高温段停留时间≤120min，加热总时间150～240min、并控制升温速率≤10℃/min；开轧温度保持在1050～1170℃，采用KOCKS三辊减定径机组轧制，终轧温度保持在850℃以上，压缩比≥17；热轧棒材经过精轧后在冷床进行快速剪切收集，打捆后避风堆冷。

优选的，步骤(1)中所述出钢目标温度为1605℃～1615℃。

优选的，步骤(2)中所述白渣保持时间为19-25min。

优选的，步骤(3)中所述真空度保持时间为10-12min，软吹时间16-21min。

优选的，步骤(4)中所述连铸时控制钢水过热度30～35℃。

优选的，步骤(5)中所述铸坯的高温加热温度为1145-1157℃；所述高温段停留时间107-111min；所述终轧温度900-940℃；所述压缩比为42.7～154.1。

本发明的优点和技术效果是：

1、本发明的技术特点在于生产设备无需进行重大改造、现有生产工艺也无需作重大调整，只需进行适当合金体系设计结合工艺优化，就可以生产出适合大尺寸件五金工具所需的良好淬透性和硬度要求的圆钢。

2、本发明通过良好冶炼、纯净度控制、钢坯加热控制和缓冷措施，可以达到①各类夹杂≤1.0级，保证了使用耐久；②无全脱碳、总脱碳平均0.47％d的水平，保证了工具件关键部位的表面质量；③良好低倍质量：中心疏松≤1.0级、一般疏松和中心疏松≤0.5级、锭型偏析0级；④硬度满足客户落料需求；⑤圆钢漏磁(深度0.2mm)及超声(A级)均100％合格。

3、通过合金成分优化，在保证性能的同时降低了V的含量，优化了成本；与常规的50CrV(V：0.10～0.20％)相比，V的用量降低了0.04～0.08％，按钒铁合金12万元/吨计算，每吨钢可降本202元，节约了贵金属耗用、降低了生产成本，提高了产品市场竞争力。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行详细描述，手工工具钢的成品规格为20-38mm，但本发明不局限于这些实施例。

实施例1：

一种大尺寸件手工工具钢，其具体的化学成分重量百分比为C：0.59％、Si：0.24％、Mn：0.90％、P：0.012％、S：0.0004％、Cr：1.04％、V：0.12％、Al：0.013％、Ni：0.02％、Cu：0.02％，其余为铁和不可避免的杂质。

该钢产品的制备方法，按通常纯净钢工艺进行，包括钢的转炉冶炼、LF炉精炼、VD真空处理、连铸、铸坯加热、轧制、冷却、收集的步骤，其中具体步骤如下：

(1)转炉出钢温度1611℃，出钢[C]：0.151％、出钢P：0.011％，出钢1/4时加石灰、脱氧铝0.39kg/t及合金；

(2)LF送电化渣、精炼白渣保持时间：20min；

(3)VD炉高真空度保持时间10min，软吹时间16分钟；

(4)连铸过热度30-35℃，连铸坯尺寸：220×220mm，拉速1.1m/min；

(5)铸坯的加热温度为1157℃，高温段时间108min，总时间240min；

(6)开轧温度控制在1170℃，终轧温度：910℃，轧制Φ32mm圆钢，压缩比：60.2；

(7)冷床冷速：16℃/min，打捆后集中堆冷。

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：硬度320HBW、全脱碳为0、总脱碳0.5％d、中心疏松1.0级、一般疏松0.5级、中心偏析0级、漏磁(深度0.2mm)和超声(GB/T4162B级)探伤合格率均100％。

实施例2：

一种大尺寸件手工工具钢，其具体的化学成分重量百分比为C：0.60％、Si：0.25％、Mn：0.92％、P：0.013％、S：0.005％、Cr：1.03％、V：0.12％、Al：0.016％、Ni：0.02％、Cu：0.02％，其余为铁和不可避免的杂质；

(1)转炉出钢温度1605℃，出钢[C]：0.145％、出钢P：0.011％，出钢1/4时加石灰、脱氧铝0.39kg/t及合金；

(2)LF送电化渣、精炼白渣保持时间：19min；

(3)VD炉高真空度保持时间12min，软吹时间21分钟；

(4)连铸过热度32℃，连铸坯尺寸：220×220mm，拉速1.0m/min；

(5)铸坯的加热温度为1142℃，高温段时间110min，总时间240min；

(6)开轧温度控制在1150℃，终轧温度：940℃，轧制Φ38mm圆钢，压缩比：42.7；

(7)冷床冷速：18℃/min，打捆后集中堆冷。

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：硬度311HBW、全脱碳为0、总脱碳0.5％d、中心疏松1.0级、一般疏松0.5级、中心偏析0.5级、漏磁(深度0.2mm)和超声(GB/T4162B级)探伤合格率均100％。

实施例3：

一种大尺寸件手工工具钢，其具体的化学成分重量百分比为C：0.59％、Si：0.23％、Mn：0.91％、P：0.020％、S：0.002％、Cr：1.03％、V：0.12％、Al：0.013％、Ni：0.02％、Cu：0.02％，其余为铁和不可避免的杂质。

(1)转炉出钢温度1615℃，出钢[C]：0.160％、出钢P：0.015％，出钢1/4时加石灰、脱氧铝0.39kg/t及合金；

(2)LF送电化渣、精炼白渣保持时间：25min；

(3)VD炉高真空度保持时间12min，软吹时间20min；

(4)连铸过热度35℃，连铸坯尺寸：220×220mm，拉速1.1m/min；

(5)铸坯的加热温度为1156℃，高温段时间107min，总时间235min；

(6)开轧温度控制在1160℃，终轧温度：900℃，轧制Φ20mm圆钢，压缩比：154.1。

(7)冷床冷速：20℃/min，打捆后集中堆冷。

对本实施例钢产品的性能进行检测，结果为：硬度370HBW、全脱碳为0、总脱碳0.4％d、中心疏松1.0级、一般疏松0.5级、中心偏析0级、漏磁(深度0.2mm)和超声(GB/T4162B级)探伤合格率均100％。

效果数据呈现：

(1)化学成分：

表1熔炼成分

	C	Mn	Si	P	S	Cr	V	Al	Ni	Cu
											实施例1	0.59	0.90	0.24	0.012	0.0004	1.04	0.12	0.013	0.02	0.02
实施例2	0.60	0.92	0.25	0.013	0.005	1.03	0.12	0.016	0.02	0.02
											实施例3	0.59	0.91	0.23	0.020	0.002	1.03	0.12	0.013	0.02	0.02

(2)性能指标：

表2产品性能检验结果

通过上述实施例可以看出，本发明钢的性能满足：无全脱碳、总脱碳≤0.5％d、中心疏松≤1.0级、一般疏松≤0.5级、中心偏析≤0.5级、硬度满足剪切落料、表面及内部质量良好。与国内现应用的手工工具钢相比，本发明产品完全能够满足手工工具所需的各项性能指标，尤其是淬透性。且优选了合适的成分体系，相关成分继续细化调整，进一步优化了成本，提高了产品性价比和市场竞争力。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种大尺寸件手工工具钢，其特征在于，由下列重量百分比的成分组成：

C：0.59～0.61％、Mn：0.85～1.05％、Si：0.17～0.37％、Cr：1.00～1.15％、V：0.12～0.16％、Al：0.010～0.020％、P：≤0.020％、S：≤0.010％、Ni≤0.10％、Cu≤0.10％，余量为Fe及不可避免杂质；所述大尺寸件手工工具钢的直径为20-38mm。

2.根据权利要求1所述的大尺寸件手工工具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)连铸：基于步骤(3)VD真空处理得到的钢水进行连铸浇铸，连铸全程采用保护浇铸以避免钢水污染；连铸时控制钢水过热度15～35℃，拉速为0.95～1.15m/min；

3.根据权利要求2所述的大尺寸件手工工具钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述出钢目标温度为1605℃～1615℃。

4.根据权利要求2所述的大尺寸件手工工具钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述白渣保持时间为19-25min。

5.根据权利要求2所述的大尺寸件手工工具钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空度保持时间为10-12min，软吹时间16-21min。

6.根据权利要求2所述的大尺寸件手工工具钢的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述连铸时控制钢水过热度30～35℃。

7.根据权利要求2所述的大尺寸件手工工具钢的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述铸坯的高温加热温度为1145-1157℃；所述高温段停留时间107-111min；所述终轧温度900-940℃；所述压缩比为42.7～154.1。