專利名稱：一種高強韌性刀片鋼及其冶金制造方法
一種高強韌性刀片鋼及其冶金制造方法
駄領域
本發明涉及一種鋼材，具體涉及一種刀片鋼及該刀片鋼的冶金制造方法。 背景駄
工具鋼通?？梢苑譃橥ㄓ眯凸ぞ咪?、通用型模具鋼和高合金工具鋼三類。通用型工具 鋼主要用于機械行業通用型工具的制造， 一般是用于室溫狀態的冷加工、冷成形等工具的 制造；通用型模具鋼主要是用于熱作模具、塑料模具和冷作模具的制造；高合金工模具鋼 通常用于高速運轉狀態下同時具有較高溫度的高速切削工具的制造。機械行業使用的諱隨 冷剪切刀片用的刀片鋼屬于通用型工具鋼類中較為常用的一種，廣泛用于制造冷剪切刀片。
我國目前使用的刀片鋼采用的是國家標準GB/T1299-2000中材料號為120421、鋼號為 Cr4W2MoV的鋼種。這種刀片鋼的化學成分為C: 1.12-1.25wt%、 Cr: 3.5(M.00wt°/o、 Mo: 0.80-1.20 wt%、 W: 1.90-2.60、 V: 0.80-UO wtQ/。、 Si: 0.40-0.70wt%、 Mn《0.40wt%、 P《 0.030wt%、 S《0.030wt%。這種刀片鋼的化學成份中含有較高的碳元素，鋼材組織中偏析嚴 重，存在大量鎢的碳化物，同時化學成份的鉻含量配比不足，使得材料組織中鉻的碳化物 含量少，并且鋼淬透性降低，這樣大大降低了刀片鋼的強韌性性能。刀片鋼的強韌性性能 指標為抗彎強度3600MPa、沖擊韌性值160J/cm2，網狀碳化物3.5級。這些性能指標是刀 片鋼的關鍵技術指標，是衡量刀片鋼質量好壞的主要技術參數指標，刀片鋼市場選購刀片 鋼就是將這些強韌性性能參數作為刀片鋼的質量檔次進行挑選的。強韌性性能指標數值越 高，其產品的價格也越高。因此，多年來，廣大冶金材料學禾種開技術人員在冶金材料領域 里一直在尋找一種高強韌性刀片鋼來替代目前的Cr4W2MoV刀片鋼，開發高檔次刀片鋼， 搶占刀片鋼高端市場。
現有刀片鋼的冶金制造工藝是采用電弧爐冶煉、澆注成小鋼錠鍛造開坯和軋鋼機軋制 成材的工藝，具體步驟依次為煉鋼、電液錘鍛造開坯、軋制成材、熱處理，最后形成產品。 其中，電弧爐冶煉完成之后澆注成500 kg-700 kg小鋼錠；電液錘鍛造開坯過程要進行4 個火次(加熱一鍛造一回爐，循環一次稱為一個火次)。這種制造工藝存在如下問題1) 澆注錠型較小，小錠型降低了產品的成材率和制造產能；2)采用電液錘鍛造開坯生產，冶 金制造廠的鍛造開坯成本較高；3)鍛造開坯需要4火次進行，從而增加了開坯所需的能耗， 增加了產品制造成本；4)主要性能指標抗彎強度、沖擊韌性和網狀碳化物等性離旨標低導致產品檔次低。
申請號為00119079.2的中國專利申請公開了以下化學成分重量百分比的刀片鋼C:
0.5 1.05%， Cr: 4.00 6.00%， Mo: 1.50 4.50%， V: 1.75 3.00%， Ni: 1.75 3.00%， W: 1.75 3.00%， Si: 0.3 1.20%， Mn: 0.4 1.20%， Cu《0.05%， S《0.030%， P-0.030
%，其余量為Fe。該專利申請公開鋼的化學成份組成的特點是高碳、高釩、高鴇、高鎳及 低鉻含量，其對性能的作用和強化機理主要是通過釩的碳化物、鎢的碳化物進行強化，并 通過高鎳含量來增加鋼的淬透性以強化鋼的組織，提高鋼的強韌性能。由于其鉻含量不高， 鋼的強韌性仍不理想；同時，由于采用了較高的鎳含量，使得該刀片鋼成本較高。
本發明的目的在于提供一種化學成分配比合理的刀片鋼，以提高刀片鋼的強韌性；本 發明的目的還在于提供一種該刀片鋼的冶金制造方法，以降低本發明刀片鋼的冶金制造工 藝成本。

發明內容
本發明的目的是這樣實現的
本發明提供一種高強韌性刀片鋼，其特征在于，其化學成分的質量百分比為C:
0.55-0.65; Mn: 0.30-0.60; Cr: 7.20-8.20; Si: 0.75-0.98; Mo: 1.55-1.90; W: 0.95-1,45; V: 0.20-0.40; Cu《0.30; Ni《0,25; P《0.020; S《0.015;其余為Fe和不可避免雜質。
本發明主要元素的作用及其限定說明如下
C: 0.55-0.65wt%
碳元素是高強韌性刀片鋼的主要化學元素之一，是形成鴇碳化物、釩碳化物、鉬碳化 物和鉻碳化物等各種碳化物的不可缺少的基本元素，也是影響鋼的成分偏析和鋼的組織均 勻性的重要元素。但是，鋼中碳含量如果偏高，將導致過多碳化物的形成和偏析組織的產 生，影響鋼的網狀性能，特別是造成鋼的抗彎強度和沖擊韌性降低。本發明設計的碳含量 相對原有的材料Cr4W2MoV有較大幅度的降低，其目的是改善鋼的顯微組織中碳化物的分 布和性質，并改善鋼的網狀碳化物的級別。碳含量過高，鋼在凝固的過程中產生偏析組織， 從而造成鋼的抗彎強度和沖擊韌性下降，較低的碳元素含量可以減少這種現象。但是，鋼 中碳元素含量低于一定范圍，也會造成碳元素和其他合金元素結合形成碳化物的當量發生 偏差，鋼中不能有效地形成穩定、細小的碳化物，影響鋼的強度和鋼的淬硬性。本發明設 計的碳含量范圍適中，既保證了鋼的強度和韌性，又能有效形成穩定的細小碳化物，保證 了鋼的強度和淬硬性。
Mn: 0.30-0.60wt%錳元素不是碳化物形成元素，但一定量的錳元素可以增加鋼的基體強化作用并能推遲 貝氏體的轉變，但是，錳元素可以造成鋼中殘余奧氏體的含量增加。在刀片鋼中，錳不是 主要的合金成分元素，錳元素太高會造成鋼的沖擊韌性的下降，因此本發明中錳含量設計
為0.30-0.60wt%，這樣有利于性能的穩定，且有禾盱提高鋼的基體 破和性能指標。 Cr: 7.20-8.20wt%
鉻元素在本發明成分設計中是對鋼的性能影響最大的合金元素，同時也是多種形態碳 化物形成的關鍵元素。鉻既是碳化物的形成元素也是鋼中提高鋼的淬透性的合金元素。在 原有的材料Cr4W2MoV鋼中，鉻元素的含量不高，只能形成少量鉻的碳化物，并且由于鋼 種含有較高的碳元素，因此，這些鉻的碳化物在鋼的結晶過程中分布不均勻，不僅影響了 鉻元素在鋼中提升淬透性的作用，而且降低了鋼的抗彎強度和沖擊韌性值。本發明設計的 鉻含量較原有的Cr4W2MoV鋼的鉻元素含量增加了百分之五十，其目的是在鋼中形成大量 的不同類型的碳化物，并且均勻分布。本發明中鉻含量設計為7.20-8.20wtn/。，可以在鋼中形 成穩定的多種碳化物類型，其中主要的鉻碳化物類型Q7C3和Cr23C6類型碳化物可以起到 強化基體的作用，并且可以提高鋼的淬透性，熱處理過程中使得珠光體的轉變臨界值向右 移動，并且這種鉻元素的控制使得鋼在回火的過程中析出穩定的彌散相，這種彌散相(:r7C3 和Cr23C6不但能夠提高鋼的抗回火性能，而且能夠使得鋼產生一定的紅硬性，提高鋼的抗 彎強度。
Si: 0.75-0.98wt%
添加一定量的硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體 的分解，這主要是通過擬制e碳化物質點的長大和擴大e碳化物穩定區，延遲了 e碳化物 向Fe3C的轉變。本本發明中硅的含量相對目前使用的Cr4W2MoV鋼的硅含量稍高一些， 其目的是進一步阻止馬氏體轉變后在回火過程中的分解，對提高鋼在淬火后的抗彎強度和 沖擊性能值有一定的作用。
Mo: 1.55-1.90 wt%
鉬元素也是本發明化學成分設計中的重要化學元素之一，在本發明中，鉬元素的加入 量比原來的Cr4W2MoV多加了百分之零點五左右，鉬元素的加入提高了鋼奧氏體的穩定性 以及鋼的淬透性，并且在鋼的回火過程中與碳元素結合形成數量較多的穩定的M3C合金碳 化物的，該碳化物以一種彌散的質點強化相析出，較為均勻地分布在鋼的基體中，產生重 要的彌散析出碳化物的基體強化作用。較高的鉬含量可以使鋼在回火過程中產生兩次較大 的強化的作用，這對鋼的韌性和屈服強度的提高起著重要的作用，因此，鉬元素加入量的 增加可以提高鋼的抗彎強度，對鋼的沖擊韌性的提高起到了重要的作用。V: 0.20-0.40 wt%
釩元素是強碳化物形成元素，其在鋼中的強化作用和鉬元素相似，釩元素在鋼中形成 的是M2C和MC類型的碳化物，產生彌散強化相提高鋼的強度性能。由于本發明鋼中的鉻 含量較大，因此，釩元素在本技術鋼中有所下降，主要是用來細化晶粒，而提升強度和韌 性主要還是依靠鉻碳化物的作用。
Cu《0.30wt%
本發明中銅元素的設計值是小于一定的值，是作為一種殘余元素加以控制的，銅元素 的控制可以降低鋼在熱加工時的脆裂傾向，防止開坯熱加工時發生銅脆，提高鋼的冶金質 量和成材率。
Ni《0.25 wt%
本發明中的鎳元素是控制在少量的范圍，鎳元素本身不是碳化物形成元素，在鋼的基 體中不會起到強化的作用，但是過多的鎳元素會造成金屬間化合物的結合作用，從而降低 鋼的性能，所以控制鎳元素在鋼中的含量對防止鋼性能的下降起到一定的作用。
P《0.020wt%
磷是鋼中的有害元素，增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性，因此磷元素含量較原技術 Cr4W2MoV鋼更低一些，對性能指標值的提高有一定的作用。 S《0.020wt%
硫元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中 產生過熱和過燒現象。因此，硫含量控制在較原有技術Cr4W2MoV鋼低，這樣可以提高鋼 加工性能和機械性能，特別是對徑鍛機鍛造開坯時的連續鍛造加工所產生的過熱現象起到 抑制的作用。
本發明還提供一種上述鋼的冶金制造方法，包括冶煉、鍛造開坯、車L制成材和熱處理， 其特征在于，鋼錠的置爐溫度為600°C-800°C，加熱至1140'C-116(TC后保溫；徑鍛機鍛造 開坯開鍛溫度為1000°C-1080°C，停鍛溫度為850。C-95(TC。
根據本發明的冶金制造方法，在一個 的實施方案中，冶煉后澆注成1200kg-2500 kg鋼錠。
根據本發明的冶金制造方法，在一個優選的實施方案中，所述加熱的升溫速度為60°C /h—120°C/h。
根據本發明的冶金制造方法，在一個優選的實施方案中，加熱后的保溫時間為3-5小時。
本發明主要工藝參數控制及原理如下采用電爐和爐外精煉冶煉之后澆注成1200 kg - 2500 kg的鋼錠 1200 kg - 2500 kg重量的鋼錠較為適合徑鍛機鍛造開坯，其計時產能和鍛造成材率比 700kg小鋼錠高，并能夠在徑鍛機鍛造過程中獲得較大的鍛造壓縮比，從而能改善化學成分 的偏析，有利于鋼材的內部成分的均勻性。
由于這種相對較大的鋼錠是多角錠型設計，因此熱應力敏感性較高，容易在加熱的過 程中產生應力裂紋。在本發明中，鋼錠的入爐溫度控制在60(TC-80(rC，升溫速度控制在 60°C/h - 120°C/h，可以防止鋼錠在加熱的過程中產生熱應力裂紋；加熱至114(TC-116(TC 后保溫3-5小時，使鋼錠的整個表面至中心的溫度都可以保持均勻，這樣可以改善鋼錠的 可鍛性，防止鋼在鍛造過程中的開裂傾向，并可以改善鋼的顯微組織指標，提高鋼的強度 和韌性。
由于這種鋼在IOO(TC - 108(TC溫度范圍是鋼的奧氏體單相組織區域，有著最佳的高溫 熱塑性，有利于高溫變形加工處理，不容易產生高溫熱加工開裂，所以徑鍛機鍛造開坯開 鍛溫度為100(TC-108(TC。
由于鋼錠終車L溫度對鋼錠軋制質量有著重要的影響，徑鍛機停鍛溫度低于所規定的控 制范圍，非常容易引起鋼錠在徑鍛機鍛造開坯過程中產生鋼錠開裂，但是，停鍛溫度高于 控制范圍容易弓胞鋼在徑鍛機鍛造開坯后產生鋼組織粗晶現象，并形成嚴重的網狀碳化物， 降低鋼的性能。本發明中，徑鍛機停鍛溫度設計為85(TC-95(rC。
本發明與現有的技術相比，具有如下的優點
1. 化學成分的配比更加合理。降低了碳元素的含量和增加了鉻元素的含量使得鋼可以 獲得更多的鉻碳化物和組織偏析的改善，從而使得高強韌性刀片鋼的抗彎強度、網狀碳化
物等性能指標提高，降低了碳元素的含量也減少了鋼的碳偏析趨勢而造成性能的下降；增
加了鉬元素的加入量使得鋼在回火的過程中產生較大的兩次強化的作用，這對鋼的韌性和 抗彎強度的提高起著重要的作用 ，適當提高了鋼中的硅含量可以進一步阻止鋼在馬氏體轉
變后的回火過程中的分解，對提高鋼在淬火后的抗彎強度和沖擊性能值有一定的作用；控 制銅元素和鎳元素的含量在一定的低值可以防止脆性的產生和金屬間化合物的產生，提高 鋼的性能；降低磷和硫的含量可以使得鋼液更加純凈，減少鋼的非金屬夾雜物形成趨勢， 降低鋼調質回火脆性。
2. 澆注大鋼錠可以提高鋼在徑鍛機開坯過程中的計時產能和開坯成材率，由于大鋼錠 的徑鍛機鍛造開坯是一火成材的，這種一火鍛造成材的開坯技術比現有的4火次電液錘鍛 造開坯方式不僅僅斷氐了開坯成本，而且也節約了能耗，降低了噸鋼的制造成本達到1000 元，并且計時產能提高30%，這樣就可以提高了產品的經濟效益。3.合理的化學成分配比和先進的制造工藝使得鋼的性能指標明顯提升，抗彎強度從
3600MPa增加至4800MPa、沖擊韌性值從160J/cm2增加至250 J/cm2，網狀碳化物不均勻度 從3.5級下降至2級。產品質量的提高，增強了企業的競爭力。


圖1鋼錠入爐加熱處理的工藝曲線圖。
A點表示入爐溫度，入爐溫度范圍為600-80(TC; B點表示預定的升溫溫度，該溫度范 圍為1140-1160°C; A-B間的升溫速度為60-120°C/h; A-C的保溫時間為3-5小時；D點表 示開鍛溫度，溫度范圍為1000-1080°C; E點表示停鍛溫度，溫度范圍為850-95(TC。
圖2是金相球化顯微組織圖。
圖3是網狀碳化物金相組織圖。
具體實 式
實施例1
本實施例中鋼的化學成分質量百分比為C: 0.61; Mn: 0.48; Cr: 7.90; Si: 0.88; Mo: 1.80; W: 1.35; V: 0.26; Cu《0.30; Ni: 0.15; P: 0.013; S: 0.012;其余為Fe和不可避 免的雜質。
電爐和爐外精煉之后澆注成1200kg的鋼錠，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐中進行加熱處理， 鋼錠的入爐MS 650°C，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐內以80°C/h的升溫速度加熱至1143。C后保 溫4.0小時，加熱工藝曲線見圖1所示。圖1中鋼錠的加熱升溫速度、高溫段均熱時間控制合 亂開鍛溫度和停鍛溫度的控制能夠使得鋼在鍛造的過程中塑性變形順利進行，不宜開裂， 變形后晶粒不粗大，對改善鋼的網狀碳化物級別也起到了一定的作用。
1200kg鋼錠經過徑鍛機鍛造開坯，開鍛溫度為107(TC，停鍛、鵬為88(TC;車L制成材。
實施例2
本實施例中鋼的化學成分質量百分比為C: 0.65; Mn: 0.30; Cr: 7.70; Si: 0.78; Mo: 1.67; W: 1.22; V: 0.40; Cu: 0.21; Ni: 0.11; P: 0.010; S: 0.015;其余為Fe和不可避免 的雜質。
鋼錠的入爐溫度為680°C，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐內以60°C/h的升溫速度加熱至1130 r后保溫3.0小時。開鍛溫度為1025'C，停鍛溫度為90(TC。其余同實施例1。 實施例3本實施例中鋼的化學成分質量百分比為C: 0.57; Mm 0.33; Cr: 8.20; Si: 0.75; Mo: 1.78; W: 1.45; V: 0.28; Cu: 0.30; M: 0.25; P: 0.019; S: 0.009;其余為Fe和不可避免 的雜質。
鋼錠的入爐溫度800°C，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐內以80°C/h的升溫速度加熱至1160°C 后保溫5.0小時。開鍛溫度為100(TC，停鍛溫度為95(TC。其余同實施例1。 實施例4
本實施例中鋼的化學成分質量百分比為C: 0.58; Mn: 0.39; Cr: 7.40; Si: 0.90; MO: 1.55; W- 1.13; V: 0.20; Cu: 0.22; Ni: 0.16; P: 0.020; S: 0.012;其余為Fe和不可避免 的雜質。
鋼錠的入爐溫度600°C，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐內以120'C/h的升溫速度加熱至1140 "C后保溫4.0小時。開鍛溫度為1080。C，停鍛溫度為9i(TC。其余同實施例l。 實施例5
本實施例中鋼的化學成分質量百分比為C: 0.55; Mn: 0.48; Cr: 7.90; Si: 0.88; Mo: 1.90; W: 0.95; V: 0.33; Cu: 0.26; Ni: 0.17; P: 0.013; S: 0.011;其余為Fe和不可避免 的雜質。
鋼錠的入爐溫度750°C，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐內以100°C/h的升溫速度加熱至1135 。C后保溫3.5小時。開鍛溫度為107(TC，停鍛溫度為89(TC。其余同實施例1。 實施例6
本實施例中鋼的化學成分質量百分比為C: 0.60; Mn: 0.45; Cr: 7.65; Si: 0.98; MO: 1.88; W: 0.99; V: 0.29; Cu: 0.23; Ni: 0.20; P: 0.015; S: 0.013;其余為Fe和不可避免
的雜質。
澆注成2500kg的鋼錠，鋼錠的入爐溫度72(TC，鋼錠在徑鍛機鍛造加熱爐內以9(TC/h的 升溫速度加熱至1155匸后保溫4.5小時。開鍛溫度為1075。C，停鍛溫度為850°C。其余同實
施例l。
車L制成材后，金相球化組織照片見圖2、顯示網狀碳化物的金相照片見圖3。圖2金相顯 微組織照片顯示了均勻球化組織，并顯示球化組織級別為25級，這種球化組織對鋼的性能的 提升起到了作用；圖3中，根據國家標準GB/T1299附第二級另l個規范評定其網狀碳化物級 別為2.0級。低級別的網狀碳化物可以提升鋼的性能指標值。
采用本發明的高強韌性刀片鋼的主要性能指標明顯提高，抗彎強度達到4900MPa、沖擊 韌性值達到268J/cm2，網狀碳化物達到2.0級。.
權利要求
1、一種高強韌性刀片鋼，其特征在于，其化學成分的質量百分比為C0.55-0.65；Mn0.30-0.60；Cr7.20-8.20；Si0.75-0.98；Mo1.55-1.90；W0.95-1.45；V0.20-0.40；Cu≤0.30；Ni≤0.25；P≤0.020；S≤0.015；其余為Fe和不可避免雜質。
2、 種如權利要求1所述鋼的冶金制造方法，包括冶煉、鍛造開坯、軋制成材和熱處 理，其特征在于，鋼錠的置爐MS為600。C-80(TC，加熱至1140。C-1160。C后保溫；徑鍛 機鍛造開坯開鍛溫度為1000°C - 1080°C，停鍛溫度為850°C - 950°C。
3、 根據權利要求2所述的冶金制造方法，其特征在于，冶煉后澆注成1200 kg-2500 kg 鋼錠。
4、 根據權利要求2所述的冶金制造方法，其特征在于，所述加熱的升溫速度為60TVh - 120°C/h。
5、 根據權利要求2所述的冶金制造方法，其特征在于，加熱后的保溫時間為3-5小時。
全文摘要
本發明提供了一種高強韌性刀片鋼及其冶金制造方法。本發明鋼的化學成分質量百分比為C0.55-0.65；Mn0.30-0.60；Cr7.20-8.20；Si0.75-0.98；Mo1.55-1.90；W0.95-1.45；V0.20-0.40；Cu≤0.30；Ni≤0.25；P≤0.020；S≤0.015；其余為Fe和不可避免雜質。本發明的鋼成分配比可大大提高鋼的強韌性能。本發明冶金制造方法中，鋼錠的置爐溫度為600℃-800℃，加熱至1140℃-1160℃后保溫；徑鍛機鍛造開坯開鍛溫度為1000℃-1080℃，停鍛溫度為850℃-950℃。該方法操作簡便，節約了生產成本。
文檔編號C22C38/46GK101538685SQ20081003492
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者吳振毅, 維 續, 亮 趙 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司