CN115418570A - 一种免退火工具用热轧盘条及其生产控制工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于手工具钢用盘条生产技术领域，涉及一种免退火工具用热轧盘条的生产工艺；钢材各成分组成为：C：0.42～0.47％、Mn：0.60～0.90％、Si：0.15～0.35％、Cr：0.50～0.70％、V：0.10～0.15％、P≤0.025％、S≤0.025％、Ni≤0.25％、Cu≤0.30％、Al≤0.035％，余量为Fe及不可避免杂质；步骤包括钢水冶炼、连铸、钢坯加热及除鳞、轧制和冷却收集；本发明通过成分优化和工艺控制显著降低了盘条淬火组织的产生，免去球化退火工序，极大地降低了能耗，节省成本，并且有利于缩短下游生产周期；所得盘条纯净度高、无全脱碳、表面无裂纹、麻面、划伤等宏观缺陷。

Description

一种免退火工具用热轧盘条及其生产控制工艺
技术领域
本发明属于手工具钢用盘条生产技术领域，具体涉及一种免退火工具用热轧盘条的生产工艺。
背景技术
生产六角扳手、六角批头及螺丝刀产品的常用材质包括SAE6150、S2及其他CrMoV钢等。根据文献，S2不产生淬火组织的最大冷却速度在0.1℃/s左右、SAE6150不产生淬火组织的最大冷却速度在0.5℃/s左右。常规斯太尔摩风冷线的设备能力下无法保证该类产品尤其是小规格产品不产生马氏体、贝氏体淬火组织。例如S2等高合金热轧盘条全截面普遍以马氏体、贝氏体组织为主；业内各钢厂生产的SAE6150小规格盘条也均存在马氏体或贝氏体组织。
马氏体、贝氏体组织显著提高了盘条强度并降低其塑性(延伸率)，即使局部的马氏体也会在拉拔过程中产生强烈的组织应力，极易导致盘条拉拔断裂。因此该类产品目前普遍需要进行一道球化退火工序，以改善冷加工性能，具体加工工艺如下：线材→球化退火→砂轮打磨或喷丸→酸磷化→拉拔→精线→矫直落料→机加工→热弯→淬回火→喷丸→表面处理。球化退火工序除了改善拉拔性能，另一点有利之处在于加热过程中使氧化皮和盘条基体这两个热膨胀系数不同的异相间产生热应力从而降低其结合性能，有利于后续的剥皮。
但球化退火工序大大增加了材料加工成本和能耗、延长了生产周期。
发明内容
本发明目的在于克服上述缺陷，提供一种免球化退火工具钢热轧盘条及其生产控制工艺。本工艺通过成分优化和冶炼、轧制控制，避免异常组织的产生并降低氧化皮的厚度，免去球化退火工序的同时保证产品后续的可加工性。
为了实现以上目的，本发明首先提供免退火工具钢热轧盘条，由下列质量百分比的成分组成：
C：0.42～0.47％、Mn：0.60～0.90％、Si：0.15～0.35％、Cr：0.50～0.70％、V：0.10～0.15％、P：≤0.025％、S：≤0.025％、Ni≤0.25％、Cu≤0.30％、Al≤0.035％，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，直接影响了材料的淬透性和淬硬性；本发明在中碳铬钒合金钢的成分体系范围内、在满足成品热处理硬度即使用硬度的前提下，将C含量设定在0.42～0.47％，较SAE6150等常规品种下调了C含量，从而提高了Ms点并缩小了马氏体的转变温度范围、降低了热轧盘条形成马氏体等淬火组织的可能性。
为保证韧性，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。本发明将工具钢主要合金元素、也是强淬透性元素的Cr含量控制在0.50～0.70％，在保证成品淬透性的基础上较常规SAE6150适当下调优化，降低形成淬火组织的风险；V含量控制在0.10～0.15％，保证晶粒细化、材料韧性、塑性及回火软化抵抗性，同时氮化物析出强化提高了耐延迟破坏性。P、S等杂质元素易在晶界偏聚，使钢脆性大大增加，需要尽可能降低其含量，本发明均控制在0.025％以下。
进一步，组分优化，由下列质量百分比的成分组成：C：0.43～0.46％、Mn：0.70～0.80％、Si：0.21～0.28％、Cr：0.63～0.68％、V：0.10～0.13％、Al：0.005～0.025％、P：≤0.018％、S：≤0.015％、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按照成分中上限控制，V按照中下限控制，充分发挥材料硬度水平并进一步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0.005％～0.025％、目标0.015％)，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。
本发明还提供一种免退火工具钢热轧盘条的生产方法，包括以下步骤：
钢水冶炼、连铸、钢坯加热及除鳞、轧制、冷却收集，具体操作如下：
(1)钢水冶炼：转炉出钢碳含量0.08～0.25％，出钢磷含量P≤0.015％，出钢目标温度1600～1640℃；LF精炼造白渣并保持≥20min；VD真空脱气，真空度要求低于67Pa、保持时间≥10min，脱氧、脱硫；之后进行软吹氩，软吹时间≥10min，进一步去气去夹杂；
(2)连铸：基于步骤(1)冶炼得到的钢水进行连铸浇铸，得到铸坯；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为20～35℃，拉速为2.10～2.50m/min；二冷比水量为0.68～0.70L/kg；
(3)钢坯加热及除鳞：基于步骤(2)得到的铸坯在步进式加热炉加热，加热一段温度790～890℃、加热二段温度970～1030℃、均热段温度1010～1070℃、加热总时间100～160min；设置除鳞压力≥12MPa；
(4)轧制：基于步骤(3)得到的除鳞后钢坯进行轧制得到目标规格盘条；其中开轧温度保持在960～1000℃，进精轧机温度865～900℃、进减定径温度885～915℃、吐丝温度835～865℃；
(5)冷却收集：基于步骤(4)得到的盘条在斯太尔摩线上按慢冷工艺控制冷却并集卷收集；具体为：斯太尔摩线上风机全部关闭、初始辊道速度设定为0.16～0.24m/s，且沿运输方向每隔18.5～18.6米辊速设定为在初始辊道速度的基础上提高0.02～0.04m/s，以使同圈温度均匀；Φ7mm(直径)以下规格除首个保温罩外其他保温罩全部关闭、Φ7mm(直径)及以上规格除前两个保温罩外其他保温罩全部关闭，盘条入口处的方向记为前；最后集卷器进行盘条收集。
优选的，步骤(1)中所述出钢磷含量P≤0.013％、软吹时间≥15min。
优选的，步骤(2)中钢水过热度20～30℃、拉速2.10～2.30m/min、二冷比水量为0.68～0.69L/kg。
优选的，步骤(3)中所述炉内控加热二段温度1000-1020℃、均热段温度1010-1030℃，总加热时间为115～125min，除鳞压力为14～16MPa。
优选的，步骤(4)中所述开轧温度为960～980℃、进精轧机温度865～880℃、进减定径温度885～900℃、吐丝温度835～850℃。
优选的，步骤(5)中所述初始辊道速度为0.20～0.24m/s。
夹杂、尤其是近表面位置夹杂常致精线拉拔断裂并恶化成品疲劳性能。本发明采用控制转炉出钢制度、变渣处理、保持足够的白渣时间和软吹时间、加强去气和去夹杂物、保护浇注等操作，保证了钢水纯净度。本发明生产的工具钢盘条B类、Be类、DS类夹杂不超1.0级，其他各类夹杂不超0.5级，满足高端工具钢精线的加工要求和成品使用要求。
进一步地，为获得良好表面质量和内部组织钢坯，本发明采用中等冷却强度的比水量、低过热度的连铸制度。连铸坯碳偏析指数普遍在1.10以下；同时钢坯低倍检验和磁粉探伤结果表明，钢坯表面质量良好，无横纵裂纹、渣沟等各类缺陷。良好的表面质量是保证产品加工、使用性能的前提，良好的偏析控制则保证了盘条不产生心部马氏体等淬火组织、是工序免退火的基础。
进一步地，本发明控制高温段温度平均在1010～1030℃、总加热时间115～125min，偏低的加热温度和合适的加热时间保证后续的低温轧制，同时也降低了盘条脱碳层深度。合适的除鳞压力使加热炉内的一次氧化铁皮得到充分去除。
进一步地，为尽可能降低轧制过程中二次氧化铁皮的厚度，采用低温轧制工艺，具体包括开轧温度不超980℃、终轧温度不超900℃、吐丝温度不超850℃；该低温轧制工艺同时保证了斯太尔摩冷却线上盘条低的过冷度，降低后续淬火组织的出现概率。
进一步地，本发明采用慢冷工艺，使盘条在罩内以较低冷速完成相变转变，在此期间盘条由奥氏体组织缓慢、充分转变为索氏体+珠光体+铁素体组织，避免了快冷条件下的马氏体、贝氏体产生；该工艺下的盘条自生产以来未出现淬火组织。
本发明的优点和技术效果是：
1、本发明提供了一种满足六角扳手、六角批头等手工工具用且免球化退火工序的盘条及其生产控制工艺；该工艺下的盘条纯净度高，无全脱碳，总脱碳平均0.77％d，表面无裂纹、麻面、划伤等宏观缺陷，能够满足高端手工具产品的使用要求且具有良好的疲劳寿命。
2、据统计，近两年普通SAE6150产品732个常规试样中出现淬火组织的概率为8.1％、其中在Φ9mm及以下小规格产品中出现概率为12.6％；本发明产品自开发以来常规检测198个试样，出现淬火组织的概率为0。可见本发明在保证成品性能的同时，通过成分优化和工艺控制显著降低了盘条淬火组织的产生，免去球化退火工序，极大地降低了能耗，节省了约400元的软化退火成本，并且缩短了下游生产周期。
3、考虑到免去退火工序后会导致氧化铁皮剥落难度提高，因此本发明通过除鳞制度设定保证一次氧化铁皮的完全去除，通过低温加热与低温轧制控制工艺降低了二次或三次氧化铁皮厚度。本发明制备的盘条氧化铁皮最大厚度的平均值较普通铬钒钢降低25％，氧化铁皮易于剥落、酸洗去除。本发明在实现免退火的基础上，保证了产品后续的可加工性。
附图说明
图1为对比例1的金相组织图片。
图2为对比例2的成品表面缺陷图片。
图3为实施例1的金相组织图片。
图4为实施例1的氧化铁皮图片。
图5是斯太尔摩风冷线示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及对比例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
图5是斯太尔摩风冷线示意图，共分为十一段，盘条从左向右运输，吐丝后由入口段至一～九段、十段、十一段三个跌落段后到达出口段，经集卷收集。除入口和出口段，中间每段长度相等，每段长度为9.26米，每段设置有A、B两个保温罩。入口的方向记为前，则出口的方向为后；这是本领域默认的方向；因此前2个保温罩即一段对应的2个保温罩；首个保温罩即保温罩1A；
斯太尔摩风冷线的每段长度为9.26米(4.63×2)；本实施例限定每前进两段，即每前进18.52米辊速提高0.02～0.04m/s。
对比例1：
轧制盘条规格为Φ9mm，具体的化学成分重量百分比为C：0.49％、Si：0.25％、Mn：0.74％、P：0.011％、S：0.002％、Cr：0.96％、Al：0.017％、Ni：0.01％、Cu：0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
该工具钢产品的生产控制流程，包括钢水冶炼、连铸、钢坯加热及除鳞、轧制、冷却收集的步骤，其中：
(1)钢水冶炼：转炉出钢碳0.10％，出钢磷0.009％，出钢温度1600℃；LF白渣保持时间21min；VD高真空度保持时间12min，软吹时间15min；
(2)连铸：保护浇铸；过热度27～28℃；二冷比水量0.68L/kg；
(3)钢坯加热及除鳞：加热一段温度830～850℃，加热二段温度1000～1020℃，均热段温度1030～1060℃；加热总时间122min；除鳞压力14MPa；
(4)轧制：开轧温度995℃，进精轧机温度895℃，进减定径温度910℃，吐丝温度858℃；
(5)冷却收集：风机全部关闭；初始辊道速度0.20m/s；除前两个保温罩外其他保温罩全部关闭；集卷器收集。
对本对比例工具钢产品的性能进行检测，结果为：发现有心部马氏体、贝氏体异常组织，如图1所示，该常规工具钢成分体系下，产品的马氏体形成区间、淬透性均较大，极易形成淬火组织，因此该成分体系下用户的球化退火工序是必不可免的。
对比例2：
轧制盘条规格为Φ8mm，具体的化学成分重量百分比为C：0.44％、Si：0.24％、Mn：0.74％、P：0.014％、S：0.001％、Cr：0.65％、Al：0.012％、Ni：0.02％、Cu：0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
该工具钢产品的生产控制流程，包括钢水冶炼、连铸、钢坯加热及除鳞、轧制、冷却收集的步骤，其中：
(1)钢水冶炼：转炉出钢碳0.08％，出钢磷0.012％，出钢温度1607℃；LF白渣保持时间20min；VD高真空度保持时间10min，软吹时间16min；
(2)连铸：保护浇铸；过热度30～31℃，拉速2.20m/min；二冷比水量0.68L/kg；
(3)钢坯加热及除鳞：加热一段温度800～830℃，加热二段温度990～1010℃，均热段温度1020～1025℃；加热总时间120min；除鳞压力14MPa；
(4)轧制：开轧温度1000℃，进精轧机温度945℃，进减定径温度940℃，吐丝温度865℃；
(5)冷却收集：风机全部关闭；初始辊道速度0.16m/s；除前两个保温罩外其他保温罩全部关闭；集卷器收集。
对本对比例工具钢产品的性能进行检测，结果为：氧化铁皮的平均厚度达到18～25μm。造成了用户酸洗或机械剥壳工艺后的氧化皮残存，最终遗传到成品导致了如图2类似“雪花斑”的表面缺陷。氧化铁皮过厚的原因包括轧制温度偏高和辊道速度偏慢，辊速偏慢导致高温冷却时间过长，这些原因都导致二次或三次氧化铁皮的增厚。
实施例1：
轧制盘条规格为Φ12mm，具体的化学成分重量百分比为C：0.43％、Si：0.26％、Mn：0.74％、P：0.013％、S：0.002％、Cr：0.64％、Al：0.010％、Ni：0.03％、Cu：0.02％，其余为铁和不可避免的杂质。
该工具钢产品的生产控制流程，包括钢水冶炼、连铸、钢坯加热及除鳞、轧制、冷却收集的步骤，其中：
(1)钢水冶炼：转炉出钢碳含量0.08％，出钢磷含量0.013％，出钢温度1609℃；LF白渣保持时间20min；VD高真空度保持时间10min，软吹时间15min；
(2)连铸：保护浇铸；过热度30℃(本钢种液相线1490℃)，拉速2.20m/min；二冷比水量0.68L/kg；经连铸浇铸，得到铸坯(连铸坯断面160mm×160mm)；
(3)钢坯加热及除鳞：基于步骤(2)得到的铸坯在步进式加热炉加热，加热一段温度790～800℃，加热二段温度980～1000℃，均热段温度1020～1035℃；加热总时间120min；除鳞压力14MPa；
(4)轧制：开轧温度985℃，进精轧机温度870℃，进减定径温度890℃，吐丝温度840℃；经轧制得到目标规格盘条；
(5)冷却收集：基于步骤(4)得到的盘条在斯太尔摩线上按慢冷工艺控制冷却并集卷收集，斯太尔摩线上风机全部关闭；初始辊道速度0.24m/s；且每隔18.52米辊速提高0.02m/s以使同圈温度均匀；除前两个保温罩外其他保温罩全部关闭；集卷器收集。
对本实施例工具钢产品的性能进行检测，结果为：组织为正常索氏体+珠光体+铁素体，组织图片如图3所示，满足用户免退火拉拔的需要；同时氧化铁皮平均厚度9～12μm，如图4所示；其加工成成品六角扳手后表面状态良好，无表面缺陷。
实施例2：
轧制盘条规格为Φ8mm，具体的化学成分重量百分比为C：0.43％、Si：0.26％、Mn：0.74％、P：0.013％、S：0.002％、Cr：0.64％、Al：0.010％、Ni：0.03％、Cu：0.02％，其余为铁和不可避免的杂质。
该工具钢产品的生产控制流程，包括钢水冶炼、连铸、钢坯加热及除鳞、轧制、冷却收集的步骤，其中：
(1)钢水冶炼：转炉出钢碳含量0.08％，出钢磷含量0.012％，出钢温度1605℃；LF白渣保持时间20min；VD高真空度保持时间10min，软吹时间15min；
(2)连铸：保护浇铸；过热度30℃(本钢种液相线1490℃)，拉速2.20m/min；二冷比水量0.68L/kg；经连铸浇铸，得到铸坯(连铸坯断面160mm×160mm)；
(3)钢坯加热及除鳞：基于步骤(2)得到的铸坯在步进式加热炉加热，加热一段温度800～810℃，加热二段温度980～1010℃，均热段温度1030～1050℃；加热总时间119min；除鳞压力14MPa；
(4)轧制：开轧温度980℃，进精轧机温度865℃，进减定径温度900℃，吐丝温度845℃；经轧制得到目标规格盘条；
(5)冷却收集：基于步骤(4)得到的盘条在斯太尔摩线上按慢冷工艺控制冷却并集卷收集，斯太尔摩线上风机全部关闭；初始辊道速度0.20m/s；且每隔18.5米辊速提高0.02m/s以使同圈温度均匀；除前两个保温罩外其他保温罩全部关闭；集卷器收集。
对本实施例工具钢产品的性能进行检测，结果为：组织为正常索氏体+珠光体+铁素体，满足用户免退火拉拔的需要，同时氧化铁皮平均厚度8～14μm，加工成成品六角扳手后表面状态良好。
性能指标：
表1产品组织、性能及客户使用结果
项目 成品规格/mm 组织 氧化铁皮厚度/μm 成品表面状态
对比例1 9 马氏体+贝氏体 14～16 正常
对比例2 8 索氏体+珠光体+铁素体 18～25 雪花斑
实施例1 12 索氏体+珠光体+铁素体 9～12 正常
实施例2 8 索氏体+珠光体+铁素体 8～14 正常
可见本发明在保证成品性能的同时，通过成分优化和工艺控制显著降低了盘条淬火组织的产生，组织为索氏体+珠光体+铁素体；同时免去球化退火工序，极大地降低了能耗，节省了约软化退火成本，并且缩短了下游生产周期；实现性能和效益的双向提升。
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 (8)

1.一种免退火工具用热轧盘条，其特征在于，由下列质量百分比的成分组成：
C：0.42～0.47％、Mn：0.60～0.90％、Si：0.15～0.35％、Cr：0.50～0.70％、V：0.10～0.15％、P：≤0.025％、S：≤0.025％、Ni≤0.25％、Cu≤0.30％、Al≤0.035％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种免退火工具用热轧盘条，其特征在于，由下列质量百分比的成分组成：C：0.43～0.46％、Mn：0.70～0.80％、Si：0.21～0.28％、Cr：0.63～0.68％、V：0.10～0.13％、Al：0.005～0.025％、P：≤0.018％、S：≤0.015％、Ni≤0.10％、Cu≤0.10％，余量为Fe及不可避免杂质。
3.根据权利要求1或2所述的免退火工具用热轧盘条的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钢水冶炼：转炉出钢碳含量0.08～0.25％，出钢磷含量P≤0.015％，出钢目标温度1600～1640℃；LF精炼造白渣并保持≥20min；VD真空脱气，真空度要求低于67Pa、保持时间≥10min，脱氧、脱硫；之后进行软吹氩，软吹时间≥10min；
(2)连铸：基于步骤(1)冶炼得到的钢水进行连铸浇铸，得到铸坯；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为20～35℃，拉速为2.10～2.50m/min；二冷比水量为0.68～0.70L/kg；
(3)钢坯加热及除鳞：基于步骤(2)得到的铸坯在步进式加热炉加热，加热一段温度790～890℃、加热二段温度970～1030℃、均热段温度1010～1070℃、加热总时间100～160min；设置除鳞压力≥12MPa；
(4)轧制：基于步骤(3)得到的除鳞后钢坯进行轧制得到目标规格盘条；其中开轧温度保持在960～1000℃，进精轧机温度865～900℃、进减定径温度885～915℃、吐丝温度835～865℃；
(5)冷却收集：基于步骤(4)得到的盘条在斯太尔摩线上按慢冷工艺控制冷却并集卷收集；具体为：斯太尔摩线上风机全部关闭、初始辊道速度设定为0.16～0.24m/s，且沿运输方向每隔18.5～18.6米辊速设定为在初始辊道速度的基础上提高0.02～0.04m/s，以使同圈温度均匀；Φ7mm以下规格除首个保温罩外其他保温罩全部关闭、Φ7mm及以上规格除前两个保温罩外其他保温罩全部关闭，盘条入口处的方向记为前；最后集卷器进行盘条收集。
4.根据权利要求3所述的免退火工具用热轧盘条的生产工艺，其特征在于，步骤(1)中所述出钢磷含量P≤0.013％、软吹时间≥15min。
5.根据权利要求3所述的免退火工具用热轧盘条的生产工艺，其特征在于，步骤(2)中钢水过热度20～30℃、拉速2.10～2.30m/min、二冷比水量为0.68～0.69L/kg。
6.根据权利要求3所述的免退火工具用热轧盘条的生产工艺，其特征在于，步骤(3)中所述炉内控加热二段温度1000-1020℃、均热段温度1010-1030℃，总加热时间为115～125min，除鳞压力为14～16MPa。
7.根据权利要求3所述的免退火工具用热轧盘条的生产工艺，其特征在于，步骤(4)中所述开轧温度为960～980℃、进精轧机温度865～880℃、进减定径温度885～900℃、吐丝温度835～850℃。
8.根据权利要求3所述的免退火工具用热轧盘条的生产工艺，其特征在于，步骤(5)中所述初始辊道速度为0.20～0.24m/s。
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