CN115198063A - 一种减少中高碳工具钢带状组织的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，包括如下步骤：（1）制备薄板中高碳工具钢；（2）带状组织含量等级测定；（3）热处理：根据步骤（2）中测定的带状组织含量等级进行热处理，当带状组织含量小于2级，则进行正火热处理；当带状组织含量为2～3级，则进行淬火+回火热处理。本发明一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，在薄板连铸连轧工艺的基础上，创造性地对热轧钢板进行微观组织结构分析，根据钢中带状组织等级的不同，针对性的采用不同的热处理工艺来减少带钢中的带状组织，能够显著降低钢带中的带状组织含量，提高产品的质量和竞争力。

Description

一种减少中高碳工具钢带状组织的方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料制备技术领域，特别是涉及一种减少中高碳工具钢带状组织的方法。

背景技术

低碳钢一般为碳＜0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，因此成为软钢。低碳钢包括普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经过热处理。低碳钢用于工程结构件，如Q195、Q235B等，有的经表面渗碳用于耐磨的机械构建。中高碳工具钢，一般要求钢中的碳≥0.25%，同时，根据用途添加一定量的Mn、Cr、Mo、V等，如30CrMo、51CrV4、65Mn、SK85等品种，经热处理后，具有良好的强度、硬度及韧性，耐磨性优良，综合性能优越，使用寿命长。中高碳工具钢主要用于制作刀具、量具、锯片、精密五金工具、笔尖、针等，广泛应用于工程机械、纺织业、电子、汽车等领域。

低碳钢和中高碳工具钢中都会存在带状组织，影响其使用性能。其中，低碳钢中的带状组织是钢锭中粗大枝晶偏析在轧制过程中形成的，可用电渣重熔、增大结晶速度、提高终轧温度、增大锻造比或扩散退火来改善或避免，参见《低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除》（《金属热处理》2000年第12期，刘云旭）。

而中高碳工具钢中的带状组织形成的原因与低碳钢不同，包括：本身碳含量和合金含量比较高；连铸连轧生产过程中，不可避免地会出现铸坯中心偏析和疏松，导致热轧成型后的高碳工具钢板/带形成不同程度的带状组织，如传统上采用常规流程厚板轧制工艺生产，由于厚板坯连轧机拉速低、钢水凝固慢，非常容易造成铸坯成分偏析和疏松，使得制备的中高碳工具钢板存在严重的带状组织情况。业界为了改善此情况，开发应用薄板连铸连轧工艺生产中高碳工具钢，能够在一定程度上降低带状组织的含量，改善中高碳工具钢的性能。

但是，随着科技的不断进步以及设备精密度要求的不断提高，对中高碳工具钢的使用性能提出了更高的要求，现有采用薄板连铸连轧工艺生产的中高碳工具钢的带状组织导致中高碳工具钢的性能不能满足市场的需求。

文献《热轧中厚板带状组织的成因与预防措施》（《金属世界》，2009年Z1期，王凯等，111-114页），分析了热轧中厚板生产过程中带状组织的形成机理和主要原因，讨论了连铸过程中枝晶偏析控制，以及热轧过程中加热、控制轧制和控制冷却等带状组织的影响，并提出了预防和减轻带状组织的工艺控制措施。文章只是对基于中厚板生产中高碳钢带状组织控制做了一个宽泛的概括，并没有提出具体的控制方法及参数。文献《30CrMo锯片用钢带状偏析及其改善措施》（《金刚石与磨料磨具工程》，2012年2月第1期，潘天浩等，72-75页），通过实验分析了齿根部裂纹失效的30CrMo激光焊接锯片基体，阐明了30CrMo中带状偏析是引起锯片基体金相组织中出现异常白亮条带状组织的主要原因；针对其对锯片基体疲劳寿命的影响，提出并验证了通过正火预处理和延长保温时间的热处理工艺来减轻偏析危害的可行性。

但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

上述方法仅针对常规流程厚板坯轧制中高碳工具钢板，采用上述方法处理薄板连铸连轧中高碳工具钢板时，对带状组织含量的改善不明显，不能有效减少带状组织的存在。

发明内容

本发明通过提供一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，解决了现有技术中薄板连铸连轧生产的中高碳工具钢中带状组织含量高，难消除，影响产品使用性能的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，包括如下步骤：

（1）制备薄板中高碳工具钢：针对中高碳工具钢的配方，采用薄板连铸连轧工艺，制备薄板中高碳工具钢；

（2）带状组织含量等级测定：对步骤（1）中制备的薄板中高碳工具钢的显微组织进行分析，判断其含有的带状组织含量等级；

（3）热处理：根据步骤（2）中测定的带状组织含量等级进行热处理，当带状组织含量小于2级，则进行正火热处理；当带状组织含量为2～3级，则进行淬火+回火热处理。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中，所述薄板中高碳工具钢的厚度为1.5~2.5mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中，所述中高碳工具钢的配方中，碳的含量为 0.28~0.65%。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中，所述薄板连铸连轧包括依次进行的连铸拉坯——冷却——均热处理——轧制。

在本发明一个较佳实施例中，所述连铸拉坯速度为4~6m/min，得到铸坯厚度为50-70mm的连铸薄板坯。

在本发明一个较佳实施例中，所述均热处理的工艺条件为：所述连铸薄板坯在900~1000℃入均热炉，保温20~40min。

在本发明一个较佳实施例中，所述轧制的起始温度为1150~1200℃，终轧温度为880~920℃。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（3）中，所述正火热处理的方法为：将所述薄板中高碳工具钢加热到870~900℃，保温50~60min，然后以0.032~0.035℃/s冷却。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（3）中，所述淬火+回火热处理的方法为：将所述薄板中高碳工具钢加热到900~930℃，保温60~70min，然后以2~4℃/s的速度冷却至室温，最后在400~450℃下回火保温30~40min。

本发明的有益效果是：本发明一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，在薄板连铸连轧工艺的基础上，创造性地针对薄板中高碳工具钢进行微观组织结构分析，根据钢中带状组织等级的不同，针对性的采用不同的热处理工艺来减少带状组织，能够显著降低钢带中的带状组织含量，提高产品的质量和竞争力。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的带状组织小于2级的中高碳工具钢的热处理工艺示意图；

图2是本发明实施例1制备的中高碳工具钢的金相组织结构图（带状1.5级）；

图3是图2中的中高碳工具钢经过热处理后的金相组织结构图（带状0.5级）；

图4是本发明对比例1中的高碳工具钢热处理后的金相组织结构图（带状1.5级）；

图5是本发明实施例2制备的带状组织为2～3级的中高碳工具钢的热处理工艺示意图；

图6本发明实施例2制备的中高碳工具钢的金相组织结构图（带状2级）；

图7是图6中的中高碳工具钢经热处理后的金相组织结构图（带状1级）；

图8是本发明对比例2中的高碳工具钢热处理后的金相组织结构图（带状2级）；

图9是本发明实施例3制备的中高碳工具钢的金相组织结构图（带状3级）；

图10是图9的中高碳工具钢经热处理后的金相组织结构图（带状1级）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

由于常规流程厚板坯连铸拉速慢（1.0~1.1m/min），得到的钢坯中带状组织在3级以上，而薄板坯连铸连轧生产线连铸拉速快，得到的钢坯中的带状组织较常规流程好。因此，套用常规流程厚板的热处理工艺或方法不能改善薄规格中高碳工具钢板的带状组织。本发明创造性地结合薄板坯连铸连轧生产的中高碳钢实际带状组织等级，采用与之匹配的热处理工艺，才能有效的改善或消除薄规格（1.5~2.5mm）的中高碳工具钢的带状组织，并取得有益的效果。

下面结合附图1-10，对本发明的技术方案进行详细阐述。

本发明公开了一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其在配方的基础上，通过薄板连铸连轧生产工艺以及热轧后带状组织含量等级的不同采用对应的热处理方法相结合，一方面减少了生产过程中因偏析导致的带状组织含量，另一方面通过热处理使得热轧后钢板中的碳原子得到充分扩散，使碳原子均匀化或消除碳偏析的动力学条件，从而从根本上减轻或消除了钢板中的带状组织，效果显著。

实施例1

针对切割锯片用中高碳工具钢，设计其配方包括如下重量百分含量的化学成分：C0.30%，Si 0.17%，Mn 0.5%，S≤0.008%，P≤0.015%，Cr 0.4%，Mo 0.17%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将切割锯片用中高碳工具钢的原料经过钢水冶炼和薄板连铸连轧工艺，制备成厚度为1.5~2.5mm的热轧钢板。

具体制备过程如下：

所述钢水冶炼包括依次进行的高炉铁水——转炉冶炼——IF精炼工序。具体工艺如下：铁水脱硫预处理要求S≤0.005%，转炉钢水冶炼要求C≥0.05%，转炉炉渣碱度控制在4.0，出钢温度在1640℃；在LF炉中脱氧、造渣，离站温度≥1620℃；钢水进入RH炉中，进行脱碳、脱氧、添加Cr-Mo合金，合金添加完后，循环≥8min再进行破空，吹氩≥5min；进行钙处理改渣性，N控制≤40ppm、AlS的重量百分含量控制在0.025~0.050%，出钢温度为1565℃；连铸拉坯速度为5.0m/min、铸坯厚度为65mm，形成连铸薄板坯；铸坯在二冷水段采用边部弱冷制度，连铸薄板坯入均热炉温度在1000℃；连铸薄板坯入均热炉后，在炉时间为30min，出钢温度为1180℃；轧制前除鳞集管≥2组，控制除鳞水压力为280bar；连铸薄板坯入轧机温度为1130℃，终轧温度为890℃；前段慢冷，卷取温度控制在630℃。

采用金相显微镜观察分析制备的热轧钢板的微观结构，并根据GB/T13299-1991《钢的显微组织判定方法》判定热轧钢带中带状组织的等级为小于2级。

根据带状组织含量等级的判定结果，采用正火热处理工艺，将上述热轧钢板加热到870℃，保温60min，使钢中的碳原子充分扩散，使碳原子均匀化。然后以0.032℃/s的速率冷却，得到均匀化的珠光体+铁素体组织，从而减少了薄板中的带状组织含量。具体的处理工艺过程如附图1所示，热处理前的金相组织结构如附图2所示，带状组织1.5级，热处理后的金相组织结构如附图3所示，经过正火处理的带状组织评级在0.5级，带状组织去除效果明显。针对不同厚度的切割锯片用中高碳工具钢的处理条件及带状组织检测结构如下表1所示。

表1.实施例1中不同厚度产品的正火处理条件及带状组织检测结果

对比例1

与实施例1的区别在于，将实施例1中制备的薄板中高碳工具钢采用再结晶退火的热处理方法进行热处理。

具体热处理工艺为：将薄板中高碳工具钢加热到700~750℃，保温70~80min，随后以0.01~0.05℃/s冷却到室温。对热处理后的薄板中高碳工具钢采用金相显微镜观察分析，其金相组织结构如图4所示，带状组织仍为1.5级，未见带状组织明显改善。主要原因是由于加热温度较低，即时延长保温时间也无法改善钢中的带状组织。说明对于带状组织低于2.0等级的薄板中高碳工具钢，采用本发明的正火热处理工艺能够有效降低其带状组织含量和尺寸。

实施例2

针对汽车膜片弹簧用中高碳工具钢，设计其配方包括如下重量百分含量的化学成分：C 0.40%，Si 0.22%，Mn 0.6%，S≤0.008%，P≤0.015%，Cr 0.6%，Mo 0.22%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将中高碳工具钢用原料经过钢水冶炼和薄板连铸连轧工艺，制备成厚度为1.5~2.5mm的热轧钢板。

其中，所述钢水冶炼包括依次进行的高炉铁水——转炉冶炼——IF精炼工序，具体工艺如下：铁水脱硫预处理要求S≤0.005%，转炉钢水冶炼要求C≥0.05%，转炉炉渣碱度控制在4.0，出钢温度在1640℃；在LF炉中脱氧、造渣，离站温度≥1620℃；钢水进入RH炉中，进行脱碳、脱氧、添加Cr-Mo合金，合金添加完后，循环≥8min再进行破空，吹氩≥5min；进行钙处理改渣性，N控制≤40ppm、AlS的重量百分含量控制在0.025~0.050%，出钢温度为1565℃；连铸拉坯速度为5.0m/min、铸坯厚度为65mm，形成连铸薄板坯；铸坯在二冷水段采用边部弱冷制度，铸薄板坯入均热炉温度在1000℃；连铸薄板坯入均热炉后，在炉时间为30min，出钢温度为1180℃；轧制前除鳞集管≥2组，控制除鳞水压力为280bar；连铸薄板坯入轧机温度为1130℃，终轧温度为890℃；前段慢冷，卷取温度控制在630℃。

采用金相显微镜观察分析制备的热轧钢板的微观结构，并根据GB/T13299-1991《钢的显微组织判定方法》判定热轧钢带中带状组织的等级为2级。

采用淬火+回火处理工艺，将上述热轧钢板加热到920℃，保温65min，使钢中的碳原子与其他元素长时间充分扩散，然后以3℃/s的速度冷却，使中高碳钢板在冷却过程中不发生共析铁素体转变，而是直接进行马氏体转变，因此不存在碳偏析的动力学条件，从而减轻了钢中的带状组织的形成，最后将中高碳工具钢板在420℃下回火保温35min，消除钢中的内应力，得到低带状组织含量的薄板中高碳工具钢。具体的处理工艺过程如附图5所示，热处理前的金相组织结构如附图6所示，带状组织2.0级，热处理后的金相组织结构如附图7所示，经过淬火+回火处理的带状组织评级在1级，带状组织去除效果明显。针对不同厚度的汽车膜片弹簧用中高碳工具钢的处理条件及带状组织检测结构如下表2所示。

表2.实施例2中不同厚度产品的热处理条件及带状组织检测结果

对比例2

与实施例2的区别在于，将实施例2中制备的薄板中高碳工具钢采用正火热处理方法进行热处理。

具体热处理工艺为：将材料加热到860~880℃，保温70~80min，随后以0.01~0.05℃/s冷却到室温。对热处理后的薄板中高碳工具钢采用金相显微镜观察分析，见下图8所示，结果显示采用正火工艺，材料经正火热处理工艺前后带状组织均为2级，未见带状组织明显改善。说明对于带状组织为2.0～3.0等级的薄板中高碳工具钢，采用本发明的淬火+回火处理工艺能够有效降低其带状组织含量和尺寸。

实施例3

对于包括如下重量百分含量的化学成分的中高碳工具钢：C 0.60%，Si 0.25%，Mn0.7%，S≤0.008%，P≤0.015%，Cr 0.8%，Mo 0.25%，其余为Fe和不可避免的杂质。将其原料经过钢水冶炼和薄板连铸连轧工艺，制备成厚度为1.5-2.5mm的热轧钢板。

其中，所述钢水冶炼包括依次进行的高炉铁水——转炉冶炼——IF精炼工序，其中，具体工艺如下：铁水脱硫预处理要求S≤0.005%，转炉钢水冶炼要求C≥0.05%，转炉炉渣碱度控制在4.0，出钢温度在1650℃；在LF炉中脱氧、造渣，离站温度≥1620℃；钢水进入RH炉中，进行脱碳、脱氧、添加Cr-Mo合金，合金添加完后，循环≥8min再进行破空，吹氩≥5min；进行钙处理改渣性，N控制≤40ppm、AlS控制在0.025~0.050%，出钢温度为1570℃；连铸拉坯速度为5.0m/min、铸坯厚度为70mm形成连铸薄板坯；铸坯在二冷水段采用边部弱冷制度，铸薄板坯入均热炉温度在1000℃；连铸薄板坯入均热炉后，在炉时间为30min，出钢温度为1200℃；轧制前除鳞集管≥2组，控制除鳞水压力为380bar；连铸薄板坯入轧机温度为1150℃，终轧温度为900℃；前段慢冷，卷取温度控制在640℃。

采用金相显微镜观察分析制备的热轧钢板的微观结构，并根据GB/T13299-1991《钢的显微组织判定方法》判定热轧钢带中带状组织的等级为3级。

采用淬火+回火处理工艺，将上述热轧钢板加热到930℃，保温60min，使钢中的碳原子与其他元素长时间充分扩散，然后以4℃/s的速度冷却，使中高碳钢板在冷却过程中不发生共析铁素体转变，而是直接进行马氏体转变，因此不存在碳偏析的动力学条件，从而减轻了钢中的带状组织的形成，最后将中高碳工具钢板在450℃下回火保温30min，消除钢中的内应力，得到低带状组织含量的薄板中高碳工具钢。热处理前的金相组织结构如附图9所示，带状组织3.0级，热处理后的金相组织结构如附图10所示，经过淬火+回火处理的带状组织评级在1.0级，带状组织去除效果明显。

对比例3

与实施例3的区别在于，将实施例3中制备的薄板中高碳工具钢采用正火热处理方法进行热处理。具体热处理工艺为将材料加热到900~930℃，保温70~80min，随后以0.01~0.05℃/s冷却到室温，对热处理后的薄板中高碳工具钢采用金相显微镜观察分析，结果显示采用正火工艺，材料经正火热处理工艺前后带状组织均为3级，未见带状组织明显改善。说明对于带状组织为2.0～3.0等级的薄板中高碳工具钢，采用本发明的淬火+回火处理工艺能够有效降低其带状组织含量和尺寸。

另外，对于制备的中高碳工具钢，经测试，若其金相组织结构中的带状组织等级大于3级，不符合中高碳工具钢使用标准，即其性能不满足中高碳工具钢的交货标准要求，不能当做正材供用户使用，将改判成低强度级别的普通钢材供其他用户使用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备薄板中高碳工具钢：针对中高碳工具钢的配方，采用薄板连铸连轧工艺，制备得到薄板中高碳工具钢；

（2）带状组织含量等级测定：对步骤（1）中制备的薄板中高碳工具钢的显微组织进行分析，判断其含有的带状组织含量等级；

（3）热处理：根据步骤（2）中测定的带状组织含量等级进行热处理，当带状组织含量小于2级，则进行正火热处理；当带状组织含量为2～3级，则进行淬火+回火热处理。

2.根据权利要求1所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述薄板中高碳工具钢的厚度为1.5~2.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述中高碳工具钢的配方中，碳的含量为 0.28~0.65%。

4.根据权利要求1所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述薄板连铸连轧包括依次进行的连铸拉坯——冷却——均热处理——轧制。

5.根据权利要求4所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述连铸拉坯速度为4~6m/min，得到铸坯厚度为50-70mm的连铸薄板坯。

6.根据权利要求5所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述均热处理的工艺条件为：所述连铸薄板坯在900~1000℃入均热炉，保温20~40min。

7.根据权利要求4所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述轧制的起始温度为1150~1200℃，终轧温度为880~920℃。

8.根据权利要求1所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述正火热处理的方法为：将所述薄板中高碳工具钢加热到870~900℃，保温50~60min，然后以0.032~0.035℃/s冷却。

9.根据权利要求1所述的一种减少中高碳工具钢带状组织的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述淬火+回火热处理的方法为：将所述薄板中高碳工具钢加热到900~930℃，保温60~70min，然后以2~4℃/s的速度冷却至室温，最后在400~450℃下回火保温30~40min。

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