CN1904119A - 一种石材切割锯片钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

石材切割锯片钢，其化学成分重量百分比为：C 0.45～0.60、Si 0.10～0.60、Mn 1.30～1.80、P≤0.02、S≤0.01、V 0.05～0.20、Cr 0.15～0.30、N 0.005～0.020、Ca 0～0.0050、Al 0.005～0.040、其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法为：包括如下步骤：冶炼、浇铸，连铸坯采用热送热装工艺，保证进入板坯加热前的铸坯温度在300℃以上；板坯加热温度1150℃以上，热轧时控制终轧温度在900℃以上；轧后空冷、卷取，卷取温度控制在700℃以上。本发明钢的淬透性高于常用中碳、低合金钢，特别适用于制造直径1000mm以上的大型锯片，用于切割石材。

Description

一种石材切割锯片钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种中碳、低合金钢，特别涉及用于切割石材的直径1000mm以上的大型锯片用钢及其制造方法。

背景技术

用于石材切割锯片的钢板厚度通常在2～10mm，采用热连轧机组生产卷板，卷板开平后，用户进行切削加工，随后再进行调质热处理，以获得硬度HRC40以上，通常维持在HRC41～45，以使锯片钢在具有一定切割硬度的同时具有良好的韧性。目前市场上常用钢种是65Mn和75Cr1，其化学成分如表1所示。

                                   表1常用锯片钢的化学成分，wt％

钢种	C	Si	Mn	P	S	Cr
							65Mn	0.62～0.70	0.17～0.37	0.90～1.20	≤0.015	≤0.010	0.00
75Crl	0.72～0.80	0.20～0.45	0.60～0.90	≤0.020	≤0.010	0.30～0.60

由于属于高碳低合金钢，两钢在调质热处理后的韧性不高，可能导致切割使用过程中崩刃。此外，这两个钢在连铸和热轧技术都存在相当大难度。表现在高碳钢连铸坯冷却时组织应力和热应力大，裂纹敏感性大，如在连铸坯下线后不及时热装进入加热炉，铸坯容易发生断坯现象。此外，高碳钢热轧时的变形抗力大，如不采用适当的轧制工艺，难于在连轧机组进行生产。最后，高碳钢热轧后强度高，如不采用适当的轧制和冷却工艺，轧后抗拉强度可能超过1050MPa，用户难于进行切削加工。

为了改善锯片钢的可制造性及改善调质热处理后的韧性，当今锯片钢发展的重要方向之一就是在保证调质热处理硬度前提下，尽可能开发碳含量较低的钢种。现有专利如表2所示。

                           表2现有发明专利的化学成分，wt％

专利号	C	Si	Mn	P	S	Cr	V	Al	Mo
										97117273.0	0.52～0.60	0.80～1.40	0.80～1.30	≤0.030	≤0.030		0.10～0.16
99107945.0	0.20～0.30	0.15～0.30	0.65～1.30	≤0.030	≤0.030	1.0～1.5			0.20～0.50
										02116753.2	0.35～0.65	0.10～0.35	1.20～2.00	≤0.030	≤0.030		0.06～0.20	0.02～0.06

显然，上述三项发明专利的碳含量比目前使用的65Mn和75Cr1更低。其中专利99107945.0的碳含量最低，只有0.20～0.30％。但为了保证调质热处理后的硬度，在碳含量如此低的情况下需要添加1.0％以上的铬和0.20％以上的钼，因此成本显著上升，不具备推广应用价值。

专利97117273.0和02116753.2优点类似，属于中碳钒合金化钢。但专利97117273.0使用的硅含量太高，在冶炼时容易出现粗大氧化物夹杂，在轧制时由于硅含量太高导致塑性下降明显而容易出现裂纹，其可制造性差。因此目前获得工业应用的只有专利02116753.2。

但专利02116753.2存在的明显缺点是由于碳含量降低后导致钢的淬透性不够，尤其是厚6mm以上、宽1000mm以上的大型锯片油淬时，后入油部位不能够获得全马氏体组织。一般而言，锯片先入油部位(a)是全马氏体组织，而后入油部位(b)由于油温升高冷却能力下降，导致屈氏体组织出现。锯片片体未能够获得均匀的组织，将不仅影响片体硬度分布的均匀性，而且导致片体淬火过程中的应力分布不均匀，影响了片体板型。有关锯片淬火过程如图1所示。

锯片片体经过机械加工后，成为圆形片体。在淬火过程中，片体先经过500～600℃预热30分钟，然后在预先设定好淬火温度的盐浴炉内加热，保温一定时间后，快速取出，放入油槽中进行淬火。由于片体各部位进入油槽时的时间先后不同，其硬度可能会因为空中停留时间和油中冷却时间，特别是油的冷却速度变化导致硬度变化。图1示意了入油槽的过程。部位a最先入油，部位b最后入油，部位c和的d入油时间正好介于它们之间。片体直径越大，部位a和部位b入油时间差距越大。对于直径为1800mm的片体，实际生产过程中，两者时间差距一般在5秒左右。也正是考虑到生产过程中不同部位的冷却条件不同，实际生产过程中，通常需要对abcd四个部位检测硬度，只有四个部位的硬度均达到要求，才能成为合格产品。

按照发明专利02116753.2制造的厚10mm、直径1800mm的锯片在进行油淬试验时发现，片体硬度分布并不均匀，先入油的部位和最后入油的部位硬度差距达到了7HRC，如表3所示。

表3发明专利02116753.2制造的厚8mm、直径1800mm的锯片淬火硬度

部位a，HRC	部位b，HRC	部位c，HRC	部位d，HRC
				57、58、57	52、51、51	56、57、57	56、56、57

显然，最后入油部位的硬度达不到相应的淬硬性要求(≥HRC56)。其原因一方面同淬火过程不可避免的片体不同部位入油时间不同，空中停留时间及油温变化导致冷却速度不同等影响因素有关，另一方面更同钢材本身的淬透性有关。组织分析表明，部位(a)为全马氏体组织，而部位(b)除了马氏体组织外，还出现了屈氏体组织。

为了提高最后入油部位的淬火硬度，曾经尝试提高淬火温度、延长油中停留时间等工艺，虽然有所改观，但效果不大，不能够从根本上解决问题，而且由于温度提高或者时间延长，导致片体变形严重。

因此，为了提高钢的淬透性，以使大直径、厚规格片体淬火后获得均匀的硬度分布，并尽可能减少淬火变形，必须从化学成分方面进行优化和改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石材切割锯片钢及其制造方法，可使加工锯片片体厚度达10mm、直径达1800mm的大型锯片片体能够获得硬度HRC40以上以及均匀的硬度分布。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，石材切割锯片钢，其化学成分重量百分比为：

C      0.45～0.60

Si     0.10～0.60

Mn     1.30～1.80

P      ≤0.02

S      ≤0.01

V      0.05～0.20

Cr     0.15～0.30

N      0.005～0.020

Ca     0～0.0050

Al     0.005～0.040

其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步，其化学成分重量百分比还可以为：

C      0.48～0.55

Si     0.15～0.40

Mn     1.45～1.65

P      ≤0.02

S      ≤0.01

V      0.10～0.18

Cr     0.20～0.25

N      0.005～0.015

Ca     0～0.0050

Al     0.01～0.04

其余为Fe和不可避免的杂质。

石材切割锯片钢的制造方法，包括如下步骤：

a.冶炼、浇铸，连铸坯采用热送热装工艺，保证进入板坯加热前的铸坯温度在300℃以上；

b.板坯加热温度1150℃以上，热轧时控制终轧温度在900℃以上；

c.轧后空冷、卷取，卷取温度控制在700℃以上。

进一步，钢卷经过开平和剪切后，用户进行表面机械切削加工，再施以调质热处理：810～840℃油淬火及410～440℃回火。

本发明在中碳钒合金化钢基础上，添加少量铬，以进一步提高淬透性。同时进行氮微合金化，以强化钒的析出硬化效果，提高锯片在切削过程中的红硬性。利用该成分可以生产厚2～10mm的锯片钢。经过冶炼、浇铸后，利用热连轧机组进行热轧。连铸坯采用热送热装工艺，保证进入板坯加热前的铸坯温度在300℃以上，以减少热应力和组织应力，避免铸坯发生断坯现象。热轧时控制终轧温度在900℃以上，以保证热轧时的变形抗力不超过轧机设备能力。轧后空冷，并控制卷取温度在700℃以上，以保证所发明的钢获得尽可能低的抗拉强度(1000MPa以下)和硬度(HRC30以下)，从而能够顺利卷取。对锯片制造用户而言，也更容易进行各种机械切削加工。

卷经过开平和剪切后，用户进行表面机械切削加工，再施以调质热处理：810～840℃油淬火及410～440℃回火，从而获得硬度HRC43±2。下面详细叙述各合金元素的作用。

C：0.45～0.60％，是保证淬火硬度和淬透性的重要元素。太低，不能保证获得全马氏体组织及调质热处理后的硬度。太高，会导致连铸板坯中心偏析严重，热连轧轧制时变形抗力高，调质热处理后韧性降低。

Si：0.10～0.60％，适当硅含量可以帮助脱氧，并和钙铝一起形成硅盐，有助于改善切削加工性能。但太高的硅含量会增加钢的脆性。

Mn：1.30～1.80％，是保证淬火硬度和淬透性的重要元素。太低，不能保证获得全马氏体组织及调质热处理后的硬度。太高，会导致连铸板坯中心偏析严重，铸坯热应力和组织应力大，容易断坯。另外热连轧轧制时变形抗力高，轧后抗拉强度偏高，不利于用户进行机械加工。

V：0.05～0.20％，加入V有利于提高调质后硬度的稳定性。但如太高，则成本增加显著。

Cr：0.15～0.30％，加入铬，主要是提高淬透性。由于铬是能够显著提高淬透性的合金元素，加入后能够改善淬透性，尤其是厚6mm以上钢板的淬透性。太低，作用不明显，但太高，成本增加，而且会提高钢的变形抗力，增加热连轧工序的难度，同时会提高轧态抗拉强度，不利于用户进行机械切削加工。

Ca：0～0.0050％，钙处理可以控制硫化物形态，改善钢的横向冲击韧性，并且通过氧化物-硫化物复合，可以改善切削加工性能。

N：0.005～0.020％，在钒微合金化钢中，适当的氮含量可以促进调质热处理过程中的V(C，N)析出，提高钢的红硬性。但过高的氮含量会损害钢的韧性，也会增加连铸坯的脆性，降低可制造性。

Al：0.005～0.04％，适当铝含量可以帮助脱氧，并和钙、硅一起形成硅盐，有助于改善切削加工性能。但太高的铝含量会形成氮化铝，使钢的热加工性能和调质热处理后的韧性恶化。

P：≤0.02％和S：≤0.01％，尽量降低该两杂质元素含量，以降低偏析，并提高钢的韧性。

本发明的有益效果

本发明钢和对比钢(专利02116753.2，下同)的共同特点是均采用中碳钒合金化钢的成分设计思路，以减少传统高碳钢存在的连铸断坯风险，热轧时变形抗力大的技术问题。但对比钢存在淬透性差、淬硬性低、锯片片体变形等影响用户使用的严重技术问题，本发明主要从如下几方面进行了创造性改进。

a.添加0.15～0.30％Cr，以显著改善淬透性，从而使厚6mm以上、宽1000mm以上的大型锯片基体在调质热处理后比对比钢具有更高的硬度、更均匀的硬度分布及更少的淬火变形，因此特别适用于石材切割锯片基体的制造。

b.本发明将氮作为有益元素而不是一般钢中的有害元素，进行氮合金化至0.0050～0.02％水平，从而充分利用V(C，N)在回火时的析出硬化作用，提高锯片切割时的红硬性。

c.连铸时采用热送热装工艺，保证进入板坯加热前的铸坯温度在300℃以上，避免连铸板坯断坯。

d.板坯加热温度1150℃以上，并控制终轧温度在900℃以上，卷取温度在700℃以上，从而确保该钢在连轧机组顺利进行热轧，并尽可能降低卷板的抗拉强度，以有利于下游用户的机械切削加工。

e.采用合理的调质热处理工艺，810～840℃油淬及410～440℃回火，确保锯片获得均匀的组织和硬度分布，并减少锯片片体的变形。

附图说明

图1为锯片片体入油槽过程的示意图；

图2为氮含量对回火硬度的影响的示意图；

图3a为对比钢的静态奥氏体连续冷却转变行为的示意图；

图3b为本发明钢的静态奥氏体连续冷却转变行为的示意图；

图4为冷却速率对本发明和对比例钢硬度的影响的示意图。

具体实施方式

本发明根据上述合金成分设计思路，在冶炼了9炉钢，浇铸成钢锭，其化学成分如表4所示。为比较，同时示出了按照对比发明专利02116753.2工业生产的成分。将钢锭锻造加工成65×120mm试样，再在小轧机上进行轧制试验，轧制成厚度10mm、宽度150mm的试验钢板。板坯加热温度1200℃，加热时间为120min。终轧温度900～940℃，轧后空冷至卷取温度750℃。

                                   表4本发明和对比例的化学成分，wt％

实施例	C	Si	Mn	Cr	V	N	Ca	Al	Fe
										1	0.45	0.30	1.80	0.15	0.20	0.020	0	0.005	余量
2	0.52	0.24	1.50	0.20	0.15	0.0050	0	0.009	余量
										3	0.60	0.35	1.38	0.30	0.10	0.0085	0.0050	0.008	余量
4	0.53	0.24	1.51	0.22	0.15	0.0090	0.0030	0.005	余量
										5	0.53	0.24	1.50	0.24	0.14	0.0150	0.0040	0.010	余量
6	0.48	0.40	1.65	0.25	0.18	0.0150	0.0050	0.012	余量

7	0.55	0.15	1.45	0.20	0.10	0.0075	0.0030	0.025	余量
										8	0.50	0.40	1.35	0.26	0.12	0.0140	0.0050	0.040	余量
9	0.58	0.15	1.30	0.18	0.05	0.0105	0.0010	0.032	余量
										10	0.55	0.10	1.45	0.20	0.10	0.0075	0.0020	0.0065	余量
对比例	0.52	0.24	1.44	0.00	0.12	0.0076

注：对比例为：中国专利02116753.2。

将轧制后的钢板进行调质热处理。淬火温度为825℃，回火温度为425℃。测定淬火及淬火+回火后的硬度，如表5所示，并观察组织。

表5本发明和对比发明钢在淬火及淬火+回火后的硬度，HRC

试验钢	淬火硬度	淬火+回火硬度
			实施例1	58，57，57	42，42，43
实施例2	58，58，59	42，42，43
			实施例3	59，60，60	44，43，43
实施例4	58，58，59	43，43，42
			实施例5	58，58，59	43，43，43
实施例6	58，58，58	42，42，41
			实施例7	58，58，59	42，42，43
实施例8	58，58，57	42，42，43
			实施例9	59，59，60	43，43，42
实施例10	58，58，59	42，43，42
			对比例02116753.2	57，57，56	41，40，40

可见，在实验室条件下，本发明钢比对比发明钢在淬火及淬火+回火后的硬度稍高2～3HRC。由于是实验室小试样淬火，不同部位入油时间差距不大、油温的变化小、冷却速度受到的影响也小，因此各部位的组织和硬度差距不大。如在工业生产条件下大片体淬火时，本发明钢和对比发明钢的淬火硬度差距应该更明显。

为了研究氮对回火后硬度变化的影响，对其它元素成分接近，但氮含量显著不同的本发明钢2#、4#和5#进行了回火温度对硬度影响的试验，结果如图2所示。图2氮含量对回火硬度的影响的示意图。

从中可见，氮含量从0.0050％提高到0.0150％时，钢板在450℃以下回火时的硬度差距不大。但当回火温度超过450℃，特别是在500～600℃之间时，氮含量为0.0150％的钢板回火后的硬度明显高于氮含量低(0.0050％)的钢板。这是由于氮增加了高温回火过程中碳氮化钒的析出强化效果而产生的现象。因此，适当提高钢中的氮含量有利于改善锯片在切削过程中的红硬性。

为了研究添加铬的本发明钢和对比发明钢(专利02116753.2)的组织相变特点，利用‘Formaster’模拟试验机测定了两钢在0.1～15℃/s冷却速率范围内的组织转变温度(CCT图)和硬度，如图3a和图3b所示。

由CCT图可以看出，添加Cr后的本发明钢，其奥氏体冷却转变曲线位置明显右移，钢的淬透性明显提高。对比发明钢在15℃/s冷速下的组织为马氏体+屈氏体，添加铬的本发明钢则几乎全部为马氏体组织。这充分说明添加Cr后的本发明钢的淬透性更高。从冷却速率对硬度的影响可以看出，当冷却速率超过5℃/s后，本发明钢的硬度明显高于对比发明钢。这说明，本发明钢的淬硬性也得到提高。图3对比发明钢和本发明钢钢静态奥氏体连续冷却转变行为。图4所示为冷却速率对本发明钢和对比发明钢硬度的影响。

根据上述成分设计原则及试验室小炉冶炼和热模拟的试验结果，进行了工业性试制。生产流程为：转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸，板坯加热，利用热连轧机组轧制成厚10mm、宽1800mm的卷板。连铸坯采用热送热装工艺，保证进入板坯加热前的铸坯温度在300℃以上，一般在350～400℃左右。板坯加热温度1200℃，热轧时控制终轧温度920±20℃，轧后空冷至卷取温度750±30℃。

钢的化学成分和厚10mm、宽1800mm的卷板轧态力学性能如表6所示。添加0.20％Cr对轧态强度和延伸率无太大影响。经过机械加工后，对图1所示的片体在工业生产条件下进行调质热处理。具体工艺为825℃油淬、425℃回火。

表6按照本发明一实施例及对比发明专利生产的两炉钢的主要合金元素的化学成分(wt％)和卷板的机械性能

试验钢	C	Si	Mn	Cr	V	N	屈服强度MPa	抗拉强度MPa	延伸率％
										实施例	0.51	0.180	1.50	0.20	0.140	0.0075	635	950	20
对比例02116753.2	0.51	0.155	1.54	0.00	0.138	0.0076	625	935	21

测定片体不同部位在淬火后的硬度，结果如表7所示。

                    表7工业生产的本发明钢和对比发明钢的淬火硬度，HRC

钢种	部位a	部位b	部位c	部位d	最大差距
						实施钢	58、58、59	57、57、58	58、57、58	58、58、57	2HRC
对比例02116753.2	57、58、57	52、51、51	56、57、57	56、56、57	7HRC

显然，经过铬合金化的本发明钢在淬火后的硬度明显高于对比发明钢，而且均匀性更好。如本发明钢淬火后片体部位硬度最大差距在2HRC，而对比发明钢则在7HRC。组织观察也发现，本发明钢所有部位淬火后均获得了全马氏体组织，而对比发明钢在后入油部位存在部分屈氏体组织，如图2所示。这种硬度和组织分布均匀性的改善也促进了淬火后本发明钢制造的锯片片体板型的改善，其片体的平面度更好。

上述片体在425℃回火后的硬度分布如表8所示。可见，回火后，本发明钢回火后片体部位硬度最大差距在2HRC，而对比发明专利则在5HRC。前者不仅整体硬度水平高，而且硬度分布的均匀性更好。

                      表8工业生产的本发明钢和对比发明钢的回火硬度，HRC

钢种	部位a	部位b	部位c	部位d	最大差距
						实施例	44、44、43	42、42、42	42、43、42	43、43、42	2HRC
对比例02116753.2	42、42、43	39、39、38	39、40、39	40、40、39	5HRC

通过上述实施例及效果分析可以发现，本发明钢比对比发明钢在调质热处理后制造的锯片具有更高，而且更均匀的硬度分布，同时淬火后的板型控制更好。

本发明钢由于添加了改善淬透性的合金元素铬，使得厚6mm以上、宽1000mm以上的锯片基体在调质热处理后比先前使用的中碳钢具有更高的硬度、更均匀的硬度分布及更少的淬火变形。其特别适用石材切割锯片基体的制造。申请人生产了10000多吨本发明的锯片钢，所制造的锯片厚度范围2～10mm，宽度1000～1800mm。用户反映调质后的硬度水平比先前使用的钢更高，分布更均匀，片体变形也更小。正在逐步取代传统的65Mn锯片钢及先前的对比发明钢，获得了良好的经济效益和社会效益。

Claims (4)

1.一种石材切割锯片钢，其化学成分重量百分比为：

C     0.45～0.60

Si    0.10～0.60

Mn    1.30～1.80

P     ≤0.02

S     ≤0.01

V     0.05～0.20

Cr    0.15～0.30

N     0.005～0.020

Ca    0～0.0050

Al    0.005～0.040

其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的石材切割锯片钢，其特征是，其化学成分重量百分比为：

C     0.48～0.55

Si    0.15～0.40

Mn    1.45～1.65

P     ≤0.02

S     ≤0.01

V     0.10～0.18

Cr    0.20～0.25

N     0.005～0.015

Ca    0～0.0050

Al    0.01～0.04

其余为Fe和不可避免的杂质。

3.石材切割锯片钢的制造方法，包括如下步骤：

a.冶炼、浇铸，连铸坯采用热送热装工艺，保证进入板坯加热前的铸坯温度在300℃以上；

b.板坯加热温度1150℃以上，热轧时控制终轧温度在900℃以上；

c.轧后空冷、卷取，卷取温度控制在700℃以上。

4.如权利要求1所述的石材切割锯片钢的制造方法，其特征是，钢卷经过开平和剪切后，用户进行表面机械切削加工，再施以调质热处理：810～840℃油淬火及410～440℃回火。

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