五金工具專用鋼及其製備方法
2023-05-10 01:52:31 2
五金工具專用鋼及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種五金工具專用鋼及其製備方法。該鋼的化學成分按重量百分數計為：C：0.50～0.60％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.50％，P：0.008～0.020％，S：0.001～0.005％，Cr：0.25～0.60％，Ni：0.20～0.35％，Cu：0.07～0.25％，Ti：0.010～0.030％，其餘為鐵和不可避免的夾雜。其製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟。本發明通過設計鋼中各合金元素成分，適當提高碳含量、降低貴重金屬Ni、Cr等含量，控制冶煉和軋制工藝，得到具有高淬硬的表面和低硬度堅韌的心部材料基體的五金工具專用鋼，該鋼能滿足五金工具所需性能及最佳經濟效益的目標。
【專利說明】五金工具專用鋼及其製備方法【技術領域】
[0001]本發明屬於五金工具專用鋼【技術領域】，特別是指一種五金工具專用鋼及其製備方法。
【背景技術】
[0002]五金工具是重要的基礎件，在大多數機械產品加工、工程結構建造、所有產品的維修以及日常生活中應用十分廣泛。五金工具用鋼是專業性較強的鋼種，它應具有高淬硬的表面和低硬度堅韌的心部，同時還具有高速切削、加工性能，具有一定的加工紅硬性，特別是剪切不能蹦口、掉塊、剝落等。由於鋼種應具有這些特殊的性能，常規的五金工具用鋼主要是在中碳鋼中添加大量合金元素鉻Cr、鎳N1、鑰Mo、釩V等，甚至還增加鎢W、鈦Ti和鈷Co等貴重稀有重金屬，通過控制冶煉合金化、軋制(鍛制)控溫冷卻、加工熱處理，形成彌散的固熔組織、析出碳化合物強化相，即可獲得以上五金工具所要求的力學性能、加工性能等。眾所周知，合金元素鉻Cr、鎳N1、鑰Mo、釩V等，或鎢W、鈦Ti和鈷Co等價格昂貴，採用這些合 金元素生產的鋼種成本極高，製造的五金工具必然售價高、市場銷售量少。同時，採用這些昂貴鋼材製造的工具，使用壽命極大富裕，資源有所浪費。另外，隨著冶金技術的發展，鋼鐵材料純淨度提高，加工熱處理等工藝水平專業化，五金工具鋼中添加的合金逐步減少。
[0003]由於五金工具的特殊要求，即其工作部位(剪切口、咬合口、嚙合口等)表面要很高的硬度及芯部一定的韌性，而以前通常採用的工具鋼T7、T8、9SiCr等，雖然經熱處理後其工作部位硬度要求能滿足，但芯部韌性差，工具使用的疲勞壽命低，特別是高碳系列鋼種，如9SiCr鋼製工具易出現蹦口。而45、40Cr、38CrSi等鋼製成工具並熱處理後，工作部位的硬度及疲勞壽命均不理想。45~50CrNi等鋼性能可滿足五金工具要求，但其合金元素Cr、Ni都高，特別是Ni含量高達1.0~1.4%，僅Ni元素的價格就2000元以上。故五金工具用鋼市場極為混亂，沒有統一的標準。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於通過設計鋼中各合金元素成分，適當提高碳含量、降低貴重金屬N1、Cr等含量，控制冶煉和軋制工藝，得到具有高淬硬的表面和低硬度堅韌的心部材料基體的五金工具專用鋼及其製備方法，該鋼能滿足五金工具所需性能及最佳經濟效益的目標。
[0005]為實現上述目的，本發明的五金工具專用鋼，其特殊之處在於，它的化學成分按重量百分數計為:c:0.50 ~0.60%, S1:0.17 ~0.37%, Mn:0.20 ~0.50%, P:0.008 ~0.020%,S:0.001 ~0.005%,Cr:0.25 ~0.60%,N1:0.20 ~0.35%,Cu:0.07 ~0.25%，T1:0.010~0.030%，其餘為鐵和不可避免的夾雜。
[0006]優選地，所述五金工具專用鋼的化學成分按重量百分數計為:C:0.53~0.58%，S1:0.17 ~0.37 %，Mn:0.20 ~0.40 %，P:0.008 ~0.020 %，S:0.001 ~0.005 %, Cr:0.30 ~0.45%,N1:0.23 ~0.30%,Cu:0.08 ~0.20%,T1:0.010 ~0.020%，其餘為鐵和
不可避免的夾雜。
[0007]本發明的五金工具專用鋼的製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟，其特殊之處在於:
[0008]採用轉爐或電爐冶煉時，出鋼溫度1630~1680°C，出鋼目標C重量百比分含量≥0.15%、出鋼P重量百比分含量≤0.015%，出鋼1/3時加入活性石灰、脫氧鋁及Mn-S1、高C-Cr、Ni合金；
[0009]對鋼水進行LF爐精煉，送電化好渣後，再加入電石、SiC脫氧劑加強脫氧，造白渣且保持時間> 15min，成份全部調整好後軟吹氬> 1min ；
[0010]連鑄時控制連鑄過熱度15~35°C (本鋼種液相線溫度1490°C )，拉速為0.8~
2.2m/min ；
[0011]鑄坯加熱採用高溫加熱工藝，連鑄方坯的加熱溫度為1140~1220°C ;這樣有利於提高碳化物溶解於奧氏體中速度，使其呈彌散分布；
[0012]軋制時，開軋溫度保持在1040~1120°C，終軋溫度保持在870~960°C，壓下量^ 12倍，可以使沉澱析出優先於再結晶，這樣沉澱速度便會大大加快，起到明顯地抑制奧氏體晶粒長大的作用，而形變會明顯地提高沉澱速度，有利於細化晶粒。 [0013]熱軋棒材經過精軋後在冷床進行控制冷卻，冷卻速度為5~20°C /min，打捆後入坑緩冷。
[0014]進一步地,鋼的冶煉時,所脫氧招加入量為每噸鋼0.8~1.2kg。
[0015]更進一步地，所述連鑄時拉速為:當200 X 200mm <連鑄坯斷面尺寸< 250 X 250mm時控制拉速0.8~1.2m/min ;當150 X 150mm <連鑄坯斷面尺寸≤200 X 200mm時控制拉速
1.3~1.7m/min ；當連鑄還斷面尺寸^ 150 X 150mm時控制拉速1.8~2.2m/min。
[0016]再進一步地，所述軋制時，開軋溫度保持在1065~1110°C，終軋溫度保持在890~950。。。
[0017]本發明五金工具專用鋼中各元素含量控制的機理及作用和製備過程中工藝參數設置原理如下:
[0018]本發明鋼的成分設計方案如下所示:
[0019]C:基體鋼的硬度取決於含碳量，特別是中碳鋼，主要是碳的存在形式及碳化物的形狀、大小、以及分布狀態(不同的金相組織形式)。隨著碳含量的增加，使鋼中的鐵素體和珠光體變細、減少，珠光體、碳化物數量增加，使鋼的強度提高、硬度增加。碳過高時，鋼中易形成大塊碳化物，導致鋼的韌性急劇下降。因此，根據五金工具所需性能，碳含量設計為
0.50~0.60%，最好在0.53~0.58%，可以保證基體鋼強硬韌相最佳匹配。
[0020]Si =Si在鋼中不形成碳化物，能固溶於鐵素體中影響鋼的強度性能。為了五金工具鋼的性能，設計的鋼中Si含量為0.17~0.37%。
[0021]Mn:錳和鉻一樣是碳化物形成元素，能代替部分鐵原子形成(Fe.Μη)3(:型碳化物。但是這種碳化物與鉻的碳化物(Fe，Cr)3C不同，加熱時易溶於奧氏體，回火時也易析出和聚集。錳能顯著提高鋼的淬進性，部分錳溶於鐵素體中，提高鐵素體的硬度和強度。因此，Mn含量為0.10~0.60%時對鋼性能有良好的作用，本鋼種設計Mn含量為0.20~0.50%，優選為 0.20 ~0.40%。[0022]P:P能強化鐵素體相，因此在材料加工過程中表現出很好的抑制變形的能力，但P在鋼中的飽和度有限，過高的P對鋼的表面成型性能表現不利，因此設計鋼中P含量
0.008 ~0.020%。
[0023]S:控制S元素，使鋼中形成MnS夾雜物，特別是使鋼中不易變形的氧化物夾雜被硫化物包裹而使鋼的切削加工性能增加，同時，鐵素體除在原奧氏體晶界析出外，也以MnS為核心析出，從而細化了鐵素體-珠光體組織，但S含量高時鋼易熱脆，影響工具的韌性及使用壽命，因此設計的S含量為0.001~0.005%。
[0024]Cr:鉻是碳化物形成元素，主要作用是提高鋼的淬透性和耐腐蝕性能，並可提高強度、硬度、耐磨性、彈性極限和屈服極限。在鋼中鉻能顯著改變鋼中碳化物的分布及其顆粒大小，使含鉻的滲碳體型碳化物(Cr.Fe)3C退火聚集的傾向性變小。因此，鉻使鋼中碳化物變得細小、分布均勻，並擴大了退火的溫度範圍，一部分鉻溶於奧氏體中，提高馬氏體回火穩定性，提高鋼紅硬性能。鉻還能減小鋼的過熱傾向和表面脫碳速度。但Cr含量過高的鉻含量容易形成大塊碳化物，如Cr7C3，這種最難熔碳化物使鋼的韌性降低，因此設計的Cr含量為0.25~0.60%，優選為0.30~0.45%。
[0025]N1:鎳在鋼中不與碳形成碳化物，它是形成和穩定奧氏體的主要合金元素，Ni與Fe以互溶的形式存在鋼中的α相和Υ相中，使之強化，並通過細化α相的晶粒，改善鋼的低溫性能，特別是降低鋼的低溫脆性轉變溫度。Ni降低珠光體轉變溫度，使珠光體變細，從而提聞鋼的強度及朝性。另外，鎮可以提聞鋼對疲勞的抗力和減小鋼對缺口的敏感性，到切時不蹦口、掉塊、剝落等。但鎳是一種比較稀缺的貴重金屬元素，大批量使用將會提高工具的製造成本，因此設計的Ni含量為0.20~0.35%，優選為0.23~0.30%。
[0026]Cu:銅在鋼中一般以CuS顆粒、CuTi (CN)複合夾雜物、ε -Cu析出相等形態存在，屬低熔點金屬。銅是擴大奧氏體相區的元素，也能提高鋼的疲勞強度、衝擊韌性、抗大氣腐蝕性能等，但含銅較高的鋼，在熱加工時容易開裂，即銅熱脆。一定含量的Cu有利鋼材的熱加工性能，同時ε -Cu析出相在高溫能釘扎晶界，提高鋼的紅硬性，故設計的Cu含量為
0.07 ~0.25%，優選為 0.08 ~0.20%。
[0027]T1:鈦在鋼中易於形成細小的TiNJ12等顆粒，阻礙奧氏體晶粒粗大化，產生微鈦效應，即結合鋼中N、O生成彌散的氮化鈦和氧化鈦微粒，起到彌散強化作用。同時，這些彌散均勻微粒在高溫下能釘扎晶界，提高鋼的紅硬性，故設計的Ti含量為0.010~0.030%,優選為0.010~0.020% O
[0028]與現有技術相比，本發明技術特點是只需進行適當合金體系設計，無需改造任何生產設備、無需對現有生產工藝作重大調整，就可以生產出適應五金工具所需圓鋼。本發明中加入微量的Cu、Ti合金，起到了提高鋼材的紅硬性能，試驗證明本發明鋼種與常規的50CrNi合金鋼(Cr含量:0.45 ~ 0.75%,Ni含量:1.00~1.40% )相比，本鋼種紅硬性比50CrNi鋼高1.5~4HRc。另外，本發明鋼種與50CrNi鋼相比，調整了 C、Mn、Cr等元素含量(提高C含量、降低Mn、Cr含量)，在保證強度的同時，提高了材料的延展性、韌性，特別是衝擊功由常溫的39J提高到~20°C條件下47J，使本材料能滿足低溫環境下工具的正常使用。最後，本發明將Ni含量的設計為0.23~0.30%，與常規的50CrNi合金鋼(Ni含量:
1.00~1.40% )相比，僅Ni含量就降低了 0.77~1.10%，按Ni板15萬元/t計算，噸鋼節約成本1155~1650元/t。即節約能源、保護環境、又提高了產品的性價比和市場競爭力。
[0029]所以，本發明通過應用合金元素對鋼材性能不同方面的影響，結合工具使用狀況的特殊要求，設計全新鋼種，採用合理的工序流程，達到了能完全滿足五金工具要求且鋼材成本低廉的目的。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明的五金工具專用鋼及其製備方法做進一步詳細說明。
[0031]實施例1
[0032]一種五金工具專用鋼，其化學成分按重量百分數計為:C:0.53%, S1:0.18%, Mn:
0.39%, P:0.008%, S:0.00355，Cr:0.45%, N1:0.23%, Cu:0.20%, T1:0.010%，其餘為
鐵和不可避免的雜質。
[0033]該鋼的製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟，其中:
[0034]電爐冶煉，出鋼溫度1630°C，出鋼目標[C]:0.15%、出鋼P:0.004%，出鋼1/3時加入活性石灰、脫氧招1.2kg/1及Mn-S1、高C_Cr、Ni合金；
[0035]LF爐精煉，送電化好渣再加入電石、SiC等脫氧，造白渣且保持時間22min，成份調好後軟吹IS 1min ；
[0036]連鑄過熱度16°C (本鋼種液相線溫度1490°C )，連鑄坯尺寸150 X 150mm，典型拉速 1.85m/min。
[0037]鑄坯的加熱溫度為1160°C，保溫35min ；
[0038]開軋溫度控制在1050~1065°C，終軋溫度保持在890~910°C，軋制Φ 25mm圓鋼，壓下比45.8倍；
[0039]經冷床控冷，冷卻速度19.50C /min,打捆後入坑緩冷。
[0040]對本實施例鋼產品的性能進行檢測，結果為:Rm:1198MPa, Rel:885MPa, A:12%,Z:46%，~20°C Aku2:67J，紅硬性(600°C ):21.5HRc。
[0041]實施例2
[0042]一種五金工具專用鋼，其化學成分按重量百分數計為:C:0.58%, S1:0.35%, Mn:
0.20%, P:0.020%, S:0.005%, Cr:0.30%, N1:0.30%, Cu:0.08%, T1:0.020%，其餘為
鐵和不可避免的雜質。
[0043]該鋼的製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟，其中:
[0044]轉爐冶煉，出鋼溫度1680°C，出鋼目標[C]:0.30%、出鋼P:0.015%，出鋼1/3時加入石灰、脫氧招0.8kg/1及合金；
[0045]LF爐精煉白渣:15min，成份調好後軟吹氬:20min ；
[0046]連鑄過熱度30°C (本鋼種液相線溫度1490°C )，連鑄坯尺寸:200 X 200mm，典型拉速 1.3m/min ；
[0047]鑄坯的加熱溫度為1190°C，保溫55min ；
[0048]開軋溫度控制在1095°C，終軋溫度:932°C，軋制Φ55_圓鋼，壓下比:16.8倍；[0049]經冷床控冷，冷卻速度:8.30C /min,打捆後入坑緩冷。
[0050]對本實施例鋼產品的性能進行檢測，結果為:Rm:1235MPa, Rel:925MPa, A:12%,Z:48%，~20°C Aku2:76J，紅硬性(600°C ):24HRc。
[0051]實施例3
[0052]一種五金工具專用鋼，其化學成分按重量百分數計為:C:0.55%, S1:0.24%, Mn:
0.30%, P:0.012%, S:0.001%, Cr:0.355，N1:0.25%, Cu:0.12%, T1:0.015%，其餘為鐵和不可避免的雜質。
[0053]該鋼的製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟，其中:
[0054]電爐冶煉，出鋼溫度1652°C，出鋼目標[C]:0.19%、出鋼P:0.007%，出鋼1/3時加石灰、脫氧招1.0kg/1及合金；
[0055]LF爐精煉白洛保持時間:18min,成份調好後軟吹気:17min ；
[0056]連鑄過熱度22°C (本鋼種液相線溫度1490°C )，連鑄坯尺寸:240 X 240mm，典型拉速 0.8m/min ；
[0057]鑄坯的加熱溫度為1210°C，保溫75min ；
[0058]開軋溫度控制在1120°C，終軋溫度:950°C，軋制Φ75_圓鋼，壓下比:13.0倍；
[0059]冷床冷速:5°C /min,打捆後入坑緩冷。
[0060]對本實施例鋼產品的性能進行檢測，結果為:Rm:1137MPa, Rel:855MPa, A:15%,Z:55%，~20°C Aku2:82J，紅硬性(600°C ):22HRc。
[0061]實施例4
[0062]一種五金工具專用鋼，其化學成分按重量百分數計為:C:0.56%, S1:0.22%, Mn:
0.31%, P:0.017%, S:0.004%, Cr:0.34%, N1:0.255，Cu:0.16%, T1:0.0255，其餘為鐵和不可避免的雜質。
[0063]該鋼的製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟，其中:
[0064]轉爐冶煉，出鋼溫度1642°C，出鋼目標[C]:0.18%、出鋼P:0.014%，出鋼1/3時加石灰、脫氧招1.lkg/t及合金；
[0065]LF爐精煉白渣時間:17min，成份調好後軟吹氬:12min ；
[0066]連鑄過熱度21°C (本鋼種液相線溫度1490°C )，連鑄坯尺寸:150 X 150mm，典型拉速 2.2m/min。
[0067]鑄坯的加熱溫度為1165°C，保溫45min ；
[0068]開軋溫度:1088°C，終軋溫度:916°C，軋制Φ36πιπι圓鋼，壓下比:22.1倍；
[0069]經冷床冷速:9.50C /min,打捆後入坑緩冷；
[0070]對本實施例鋼產品的性能進行檢測，結果為:Rm:1188MPa, Rel:879MPa, A:14%,Z:50%，~20°C Aku2:49J，紅硬性(600°C ):23.5HRc。
[0071]通過上述實施例可以看出，本發明鋼的性能滿足:Rm≥1100MPa, Rel≥850MPa,A ≥ 10%, Z≥ 45%，~20°C Aku2≥47J，紅硬性(600°C )≥2IHRc0與國內現應用的五金工具鋼相比，本發明產品完全能夠滿足五金工具所需的各項性能指標，且價格便宜，節約能源、減輕環境汙染，提高工具使用壽命。
【權利要求】
1.一種五金工具專用鋼，其特徵之處在於，它的化學成分按重量百分數計為:c:0.50 ~0.60%, S1:0.17 ~0.37%, Mn:0.20 ~0.50%, P:0.008 ~0.020%, S:0.001 ~0.005%,Cr:0.25 ~0.60%,N1:0.20 ~0.35%,Cu:0.07 ~0.25%,T1:0.010 ~0.030%,其餘為鐵和不可避免的夾雜。
2.根據權利要求1所述五金工具專用鋼，其特徵在於，它的化學成分按重量百分數計為:C:0.53 ~0.58 %，S1:0.17 ~0.37 %，Mn:0.20 ~0.40 %，P:0.008 ~0.020 %，S:0.001 ~0.005%,Cr:0.30 ~0.45%,N1:0.23 ~0.30%,Cu:0.08 ~0.20%,T1:0.010 ~0.020%，其餘為鐵和不可避免的雜質。
3.—種五金工具專用鋼的製備方法，按通常純淨鋼工藝進行，包括鋼的冶煉、LF爐精煉、連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取的步驟，其特殊之處在於: 鋼的冶煉時，出鋼溫度1630~1680°C，出鋼目標C重量百比分含量≥0.15%、出鋼P重量百比分含量≤0.015%，出鋼1/3時加入活性石灰、脫氧鋁及Mn-S1、高C-Cr、Ni合金；LF爐精煉時，送電化好渣後，再加入脫氧劑加強脫氧，造白渣且保持時間≥ 15min，成份全部調整好後軟吹氬 ≥ 1min ； 連鑄時控制連鑄過熱度15~35°C，拉速為0.8~2.2m/min ； 鑄坯加熱採用高溫加熱工藝，連鑄方坯的加熱溫度為1140~1220°C ； 軋制時，開軋溫度保持在1040~1120°C，終軋溫度保持在870~960°C，壓下量≥12倍; 熱軋棒材經過精軋後在冷床進行控制冷卻，冷卻速度為5~20°C /min，打捆後入坑緩冷。
4.根據權利要求3所述五金工具專用鋼的製備方法，其特徵在於:鋼的冶煉時，所脫氧鋁加入量為每噸鋼0.8~1.2kg。
5.根據權利要求3或4所述五金工具專用鋼的製備方法，其特徵在於:所述連鑄時拉速為:當200X200mm <連鑄坯斷面尺寸≤250X250mm時控制拉速為0.8~1.2m/min ;當150 X 150mm <連鑄坯斷面尺寸≤200 X 200mm時控制拉速為1.3~1.7m/min ;當連鑄坯斷面尺寸≤150X 150mm時控制拉速為1.8~2.2m/min。
6.根據權利要求3或4所述五金工具專用鋼的製備方法，其特徵在於:所述軋制時，開軋溫度保持在1065~1110°C，終軋溫度保持在890~950°C。
7.根據權利要求5所述五金工具專用鋼的製備方法，其特徵在於:所述軋制時，開軋溫度保持在1065~1110°C，終軋溫度保持在890~950°C。
【文檔編號】C22C33/04GK104032229SQ201410238789
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】陳慶豐, 張賢忠, 陳華強, 餘愛華, 汪菊華, 許竹桃, 杜方, 李獻忠, 孫晶, 邵蘭, 李偉, 萬升 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司