高速冷剪刃用合金鋼的製作方法
2023-05-29 03:28:11 1
專利名稱：高速冷剪刃用合金鋼的製作方法
技術領域：
本發明屬於化學冶金中的鐵基合金，即國際專利分類C22C38/00。是針對高速冷剪刃用鋼要求而製造的一種新的Cr12型冷作工具鋼。
與本發明相關的現有技術主要是提高鋼的韌性、耐磨性和耐疲勞性的方法。
稀土是目前所知的提高鋼的韌性和耐疲勞性的有效合金元素之一。稀土與鋼中的S、P、O、H等有害雜質生成穩定的極微細的稀土化合物，因而起到了消除或減弱鋼中這些有害雜質的作用。由於稀土的強烈的內吸附性，這種淨化作用將優先在晶界上進行，因而效果更為明顯;稀土還起變質劑的作用，顯著地縮小枝晶間距，使共晶碳化物細化，並有利於析出碳化物球化和彌散均勻分布。此外，稀土還能改善鋼水的流動性。
稀土元素的這種作用，早已在低碳鋼板中獲得了應用，以消除其各向異性;其後又被用於W和Mo含量很高的高速鋼中，但在Cr12型冷作工具鋼中，尚未具體應用。
本發明所涉及的合金中實際碳量與理論平衡碳量的關係及其對合金的韌性及耐磨性的影響過去只見於高速鋼中。對於Cr12型鋼來說，過去通常都是通過降低碳含量來提高鋼的韌性，同時犧牲了其耐磨性，例如，Cr12MoV是對Cr12的改進，其中就把降低碳含量作為提高其韌性的手段之一，與此同時降低了其耐磨性。
已知專利文獻JP57-198250(A)和JP57-210954(A)分別了公布了高韌性高速鋼和活塞環用鋼的成份與性能。其中前者分析了在W和Mo含量很高的高速鋼中，稀土對共晶碳化物的細化作用和對析出碳化物的形態、分布的影響。
有關的參考資料還有馮曉曾等，模具用鋼和熱處理，機械工業出版社，1984年7，P297-304。
陳佩芳稀土金屬在鋼中的作用，金屬學報1978，6。
高瑞珍稀土元素對鋼的凝固特性及結晶組織的影響，稀土，1985，3，P7。
章守華合金鋼，冶金工業出版社，1981，P172。
邱巨峰稀土在晶界存在的形式及對晶界狀態的影響，稀土，1983，4，P58。
高速冷剪刃是我國鋼管業近年從國外引進的縱剪機組所使用的剪刃，其特點是剪速高，可達100米/分左右，約為原國產機組剪速的3-4倍;剪刃薄，厚度在12-15mm之間，約為國產剪刃厚度的1/2。因此，此種剪刃用鋼必須具有更高的抗衝擊，磨損和疲勞性能。我國的目前的剪刃材質，包括低速剪切性能較低的5CrW2Si，6CrW2Si和Cr12和MoVo等，均不適合這種剪刃材質的要求。其主要原因是韌性不足而過早嚴重崩刃，同時本身的耐磨性也不能滿足高速剪刃的長壽命要求。
本發明的目的是提供一種新的抗衝擊，耐磨損和壽命長的高速剪刃用合金鋼，該合金也可用作長壽命普通冷剪刃和其它冷剪工具。
本發明的具體內容包括兩個方面，即製造高速冷剪刃的合金鋼的配方和相應的熱加工工藝。
本發明的合金成份如下(按Wt%計)1.4-2.2%C;8-13%Cr;0.8-4%V;0.6-3%Mo;0.3-3%Ni;0.2-0.6%Cu;0.005-0.4%混合稀土;冶煉脫氧後，Al，Mn，Si的殘量≤0.8%;其餘為Fe。
其中混合稀土的成份為7-10%Nd;16-25%Pr;30-35%Ce;其餘為La。
此種成份的合金，主要是針對我國Cr12MoV鋼中實際碳量C實與理論平衡碳量C平之比，即C實/C平值過高;有害雜質控制不嚴;共晶碳化物呈粗大的尖角狀以及高耐磨型碳化物數量不足等不利於高速剪切性能的因素而提出的。
與Cr12MoV相比，此合金的成份設計具有如下的特點。
採用低的C實/C平值適當的降低了合金的淬火硬度;應用混合稀土消除鋼中有害雜質，改善共晶碳化物和析出碳化物的形態與分布;以及利用Ni和Cu的固溶效果等手段提高合金的韌性和耐疲勞性。
降低C實/C平值主要是通過增加V和Mo的含量，尤其是V的含量實現的，這樣高耐磨型的V和Mo碳化物數量的增加可保證在硬度適當降低的條件下，合金的耐磨性能繼續提高。
混合稀土和Cu的作用改善了合金的液態流動性和鑄造質量，從而能使製造此種合金冷剪刃的實際生產流程得以高質量的實施。
為了防止稀土元素燒損並充分發揮其作用，稀土應在鋼水經Al、Mn、Si充分脫氧後加入，同時Al、Mn、Si在鋼中的殘留量也應限制在0.8%以下，以免引起鋼的韌性及耐疲勞性下降。
為了保證本合金足夠的耐磨性和韌性，應使V/Cr≥0.1;C實/C平＜1.1。
其中，平衡碳量的簡化算式為
應用本發明合金製造高速冷剪刃的生產流程為冶煉→鑄錠→鍛造→退火→機加→淬火→回火→精磨→煮油。相應的熱加工工藝是在深入地研究了此合金的熱加工過程，包括冶煉、鍛造和熱處理等對組織與性能影響的基礎上而提出的，並經實際裝機試驗而確定，其中主要參數為鍛造溫度約在1050-850℃之間。
鍛造後的退火溫度範圍在830℃(Ac1)-890(Acm)之間。
淬火溫度在980℃-1060℃之間;其淬火硬度範圍為HRC58-62，淬火保溫時間應較Cr12MoV適當的延長。
回火溫度範圍分別為200℃-250℃，和400℃-420℃，其硬度為HRC55-59。
精磨後煮油的溫度為200℃-250℃，4-6小時。
下面具體說明本發明的優點。
1、
圖1為本發明合金的淬火回火組織;圖2為Cr12MoV的淬火回火組織。相比之下可以看出本發明的合金的共晶碳化物遠比Cr12MoV細小，其析出碳化物亦更微細、均勻且數量較多，顯示了本發明合金的組織特點。
2、採用有缺口的梅氏試樣進行示波衝擊實驗表明，在適當的淬火和回火條件下，本發明合金的衝擊韌性較Cr12MoV提高了80%，其中對衝擊韌性貢獻最大的是C實/C平值和混合稀土，僅提高V和Mo的量，降低C實/C平值，衝擊值可比Cr12MoV增加約40%;在此基礎上添加混合稀土，衝擊值又相對增高了30%。
3、表1示出了本發明合金制的冷剪刃與其它材質剪刃實際裝機對比考核試驗結果，試驗是在本溪管廠引進的日本高速縱剪機組上進行的。
表1本發明合金與Cr12MoV、6CrW2Si和SKD11剪刃試驗對比結果
實驗結果表明，本發明合金製成的剪刃一次刃磨單面剪切噸位約為日本SKD11剪刃的2倍，而且由於6CrW2Si的剪刃的5倍，Cr12MoV剪刃的10倍。而且由於6CrW2Si和Cr12MoV剪刃的失效形式是嚴重崩刃，修復量很大，因此以總剪切噸位計，本發明合金剪刃的壽命則更高。
如從耐磨性考慮，我國的Cr12MoV略低於日本的SKD11鋼。據此，在實際剪切條件下，本發明的合金的耐磨性至少相當於Cr12MoV的兩倍。
本發明圖面說明為圖1為本發明合金的淬火、回火組織。
圖2為比較鋼Cr12MoV的淬火、回火組織。
發明人認為，利用廢舊的Cr12MoV零件，尤其是管廠大量失效的此種材質的鋼管軋輥做原料，通過添加適量混合稀土、Cu、Ni、V和Mo來製備此種合金，是實現本發明最經濟的方式。
權利要求
1.一種高速剪刃用合金鋼，其特徵在於合金成份為1.4-2.2%C；8-13%Cr；0.8-4%V；0.6-3% Mo；0.3-3%Ni；0.2-0.6%Cu；0.005-0.4%混合稀土元素，其餘為Fe。
2.根據權利要求1所述的合金鋼，其特徵在於採用提高V和Mo的含量，降低鋼中實際碳量和平衡碳量的比值，C實/C平＜1.1最為適宜。
3.根據權利要求1所述的合金鋼，其特徵在於冶煉脫氧的Al、Mn、Si的殘留量不超過0.8%。
4.一種高速冷剪刃用合金鋼，其特徵在於用該合金鋼作高速剪刃的加工工藝為冶煉→鑄錠→鍛造→退火→機加→淬火→回火→精磨→煮油。
5.根據權利要求4所述的加工工藝，其特徵在於稀土元素應在鋼水經AL、Mn、Si充分脫氧後加入。
6.根據權利要求4所述的加工工藝，其特徵在於鍛後退火溫度可根據Ac1與Acm點的溫度範圍在830℃-890℃之間。
7.根據權利要求4所述的熱加工工藝，其特徵在於淬火硬度範圍為HRC58-62時，淬火溫度在980℃-1060℃之間。
8.根據權利要求4所述的熱加工工藝，其特徵在於回火硬度為HRC55-59，回火溫度範圍在200℃-250℃和400℃-420℃之間。
9.根據權利要求4所述的熱加工工藝，其特徵在於精磨或煮油的溫度為200℃-250℃，時間4-6小時。
全文摘要
本發明屬於化學冶金中的鐵基合金，是針對現有冷剪刃用鋼的韌性與耐磨性不適合高速剪刃長壽命要求而提出的一種合金鋼。本發明採取了提高V和Mo的含量來適當降低鋼中實際碳量與平衡碳量之比以及加入稀土手段改善了鋼的性能，使該合金的衝擊值較Cr12MoV提高了近一倍，用該合金製成的剪刃一次刃磨單面剪切噸位在實際裝機條件下達到了日本SKD
文檔編號C22C38/56GK1032368SQ8810471
公開日1989年4月12日 申請日期1988年7月26日 優先權日1988年7月26日
發明者關振中, 李雨田, 玄學奎, 宋志義, 卜憲章, 劉要武, 路長琴 申請人:中科院長春光學精密機械研究所