一种含矾合金工具钢及其生产工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种含矾合金工具钢及其生产工艺，其组成采用高Mn/C比通过固溶强化、微量B以间隙原子吸附晶界提高钢的抗拉强度和钢材淬透性；通过(Nb，V，Ti)C析出物在奥氏体晶界和铁素体晶内析出，在γ相向α相相变过程中促进铁素体形核；按电炉冶炼

【技术实现步骤摘要】
一种含矾合金工具钢及其生产工艺


[0001]本专利技术属于工具钢
，具体涉及一种含矾合金工具钢及其生产工艺。

技术介绍

[0002]随着高端手工具的发展，对工具钢疲劳性能和相应切削、加工性能的要求提高，碳素工具钢淬火后虽能达到高硬度和耐磨性，但淬透性和红硬性较差，已无法满足实际工况需求，合金工具钢在在碳素工具钢中加入Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等合金元素，用于提高淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性等，如40CrV钢、60CrV钢等，但仍存在以下缺陷：
[0003](1)晶界能、钢的热敏感性和回火脆性较大，Mn成分偏析使淬火晶粒易粗大、导致残余奥氏体增加，通过微合金细化晶粒和固溶强化提高强度，但增大钢的冷脆性，导致冷裂纹敏感性增大；(2)钢水纯净度、夹杂物数量和夹杂物形态影响钢的组织形态，采用铝脱氧工艺，夹杂物包括簇族状氧化铝夹杂、硫化锰、硅酸盐类夹杂，存在水口结瘤和脆性夹杂物对基体的损害，使热加工时钢在夹杂物界面上产生微裂纹，同时夹杂物阻碍位错运动，使塑性变形性困难引起应力裂纹；(3)浇铸过程中受凝固梯度影响，钢锭各部位渗碳能力不同，初生坯壳不均匀、结晶器与铸坯间的，引起碳偏析、中心疏松、中心缩孔、铸坯横截面1/2位置和铸坯角部产生纵向凹陷等缺陷，易产生网状碳化物、马氏体影响退火组织均匀性；(4)采用低温控轧工艺时受变形率、变形温度、变形速度等因素影响，铸坯温度不一致导致部分组织发生动态再结晶，奥氏体晶粒未能充分破碎，影响晶粒组织均匀性，导致热处理后奥氏体晶粒粗大，力学性能波动较大。(5)吐丝控冷不当导致碳化物在高温下析出，晶粒粗大、冷铁素体+过渡层深度过大，冷速过低而增加脱碳层厚度，未能充分发挥微合金作用，出现马氏体、贝氏体等异常组织，钢的强度和韧性难以兼顾。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本专利技术提供一种含矾合金工具钢及其生产工艺，控制钢水纯净度、夹杂物数量和夹杂物形态，细化铁素体晶粒尺寸，改善凹陷、角部裂纹，碳偏析、抗拉强度、韧性、淬透性和冷裂纹敏感性，有效降低力学性能波动，提高综合性能。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种含矾合金工具钢，其组成成分按质量分数计为：C：0.28
‑
0.32％，Mn：0.75
‑
0.88％，Si：0.05
‑
0.1％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：0.35
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0.46％，Ni：0.22
‑
0.31％，Cu：≤0.03％，Mo：≤0.03％，Al：≤0.015％，Ti：≤0.002％，V：0.09
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0.12％，Nb：0.008
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0.023％，B：0.0015
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0.003％，Sn：≤0.003％，Se：≤0.002％，[O]：≤0.0015％，[N]：≤0.005％；余量为Fe和不可避免的杂质。
[0007]上述含矾合金工具钢，进一步地，组成中Mn/C控制在2.65
‑
3，可以提高钢的抗拉强度和钢材淬透性，有利于针状铁素体的形核，Nb+V控制在0.1
‑
0.125，Nb占V的10％
‑
17％，控制Nb与V有利于轧制控制、扩大铁素体的相变区，并通过(Nb，V，Ti)C析出物在奥氏体晶界和
铁素体晶内析出，在γ相向α相相变过程中促进铁素体形核，细化铁素体晶粒尺寸。
[0008]上述含矾合金工具钢，进一步地，所述工具钢的铁素体+过渡层深度≤线材公称直径的0.9％，过渡层为局部脱碳的铁素体+珠光体，晶粒度≥9级，抗拉强度为970
‑
1050Mpa，屈服强度为810
‑
914Mpa，伸长率≥14％，断面收缩率≥54％，冲击功Akv≥75J。
[0009]上述含矾合金工具钢的成分设计依据为：
[0010](1)C含量的确定：C是影响耐磨性的重要元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的中心偏析、塑韧性和裂纹敏感性能带来不利影响，同时会增加脱碳倾向；本专利技术C含量的范围确定为0.28
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0.32％。
[0011](2)Mn含量的确定：Mn作为炼钢过程的脱氧元素，高Mn/C比可以通过固溶强化提高钢的抗拉强度和钢材淬透性，有利于针状铁素体的形核，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生成，但Mn元素含量过高会造成钢材中心偏析严重，淬火时晶粒粗大导致残余奥氏体增加；本专利技术Mn含量的范围确定为0.75
‑
0.88％。
[0012](3)Si含量的确定：Si为强化铁素体，可提高碳的活度和材料的基体强度，对材料屈服强度和抗拉强度有显著贡献；本专利技术Si含量的范围确定为0.05
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0.1％。
[0013](4)Cr含量的确定：Cr是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr可以提高淬透性和耐磨性，能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度；但Cr含量过高会与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，导致塑性降低；本专利技术Cr含量的范围确定为0.35
‑
0.46％。
[0014](5)Ni含量的确定：Ni与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，通过Ni与Mo配合可以改善低温韧性，但Ni过高易在晶界上形成NiS网状组织而发生热脆；本专利技术Ni含量的范围确定为0.22
‑
0.31％。
[0015](6)Cu含量的确定：Cu有利于提高钢的强度、耐磨性和屈强比，本专利技术Cu含量的范围确定为≤0.03％。
[0016](7)Mo含量的确定：Mo可以提高淬透性、热强性和碳化物的稳定性，提高钢中铁素体对蠕变的抗力，抑制渗碳体的聚集，促进弥散，本专利技术Mo含量的范围确定为≤0.03％。
[0017](8)Al含量的确定：Al是炼钢中的脱氧定氮剂，能细化钢的晶粒，提高低温韧性，本专利技术Al含量的范围确定为≤0.015％。
[0018](9)Ti含量的确定：微合金元素Ti通过细化晶粒和固溶强化提高强度，可以降低固溶N含量，改善热影响区的韧性，但Ti过高，表面形状不规则的TiN夹杂物影响疲劳寿命，本专利技术Ti含量的范围确定为≤0.002％。
[0019](10)V含量的确定：V是微合金化钢最有效的强化元素之一，形成V(C/N)影响钢的组织和性能，在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，细化铁素体晶粒，起到强化弥散作用，提高钢的强度和韧性，但V过高会增大钢的冷脆性，导致冷裂纹敏感性增大；本专利技术V含量的范围确定为0.09
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0.12％。
[0020](11)Nb含量的确定：Nb与V、Ti协同具有弥散强化作用，可以形成碳化铌、氮化铌、碳氮化铌等第二相，固溶起溶质拖拽作用，析出扎钉在奥氏体晶界；专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含矾合金工具钢，其特征在于，其组成成分按质量分数计为：C：0.28
‑
0.32％，Mn：0.75
‑
0.88％，Si：0.05
‑
0.1％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：0.35
‑
0.46％，Ni：0.22
‑
0.31％，Cu：≤0.03％，Mo：≤0.03％，Al：≤0.015％，Ti：≤0.002％，V：0.09
‑
0.12％，Nb：0.008
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0.023％，B：0.0015
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0.003％，Sn：≤0.003％，Se：≤0.002％，[O]：≤0.0015％，[N]：≤0.005％；余量为Fe和不可避免的杂质；组成中Mn/C控制在2.65
‑
3，Nb+V控制在0.1
‑
0.125，Nb占V的10％
‑
17％。所述含矾合金工具钢的生产工艺包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、加热、高压水除鳞、轧制、吐丝和斯太尔摩线冷却工序；所述电炉冶炼工序出钢过程加入铝锭、锰铁合金、硅铁合金、石灰、铝酸钙和CaF2；所述LF精炼工序采用沉淀脱氧结合扩散脱氧，精炼后期喂入钙镁线；所述VD真空脱气工序破空后喂入钙线；所述连铸工序控制过热度为10
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25℃，拉速为1.2
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1.6m/min；所述轧制工序控制开轧温度为1000～1050℃，粗轧冷速为4
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6℃/s，中轧冷速为9
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11℃/s，入精轧机温度900
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940℃，入减定径温度870
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920℃；所述吐丝工序控制吐丝温度为830
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860℃；所述斯太尔摩线冷却工序初段辊道速度设定为0.12～0.16m/s，后续辊道速度以0.02～0.03m/s的速度递增，控制线材以1
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2.5℃/s的冷速进入保温罩，进罩温度在650
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720℃，在罩内以≤0.8℃/s的冷速完成470
‑
520℃的相变。2.根据权利要求1所述的一种含矾合金工具钢，其特征在于，所述工具钢的铁素体+过渡层深度≤线材公称直径的0.9％，晶粒度≥9级，抗拉强度为970
‑
1050Mpa，屈服强度为810
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914Mpa，伸长率≥14％，断面收缩率≥54％，冲击功Akv≥75J。3.根据权利要求1所述的一种含矾合...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文杰，张华，饶子才，
申请(专利权)人：联峰钢铁张家港有限公司，
类型：发明
国别省市：