本發(fā)明屬于金屬材料制作領(lǐng)域，具體涉及一種銼刀用碳素工具鋼盤條及其制備方法。
背景技術(shù)：
工具鋼是用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的鋼。碳素工具鋼是常見(jiàn)的一類工具鋼，由于其生產(chǎn)成本較低，原材料來(lái)源方便，易于冷、熱加工，在熱處理后可獲得相當(dāng)高的硬度，因而得到廣泛應(yīng)用。
銼刀是一種多刃口、主要用于銼削硬度較高材料的切削工具。由于其特殊的工作環(huán)境，要求銼刀具有高硬度、較高的強(qiáng)度、良好的耐磨性等特性，而目前由現(xiàn)有的工具鋼盤條經(jīng)加工后制得的銼刀常出現(xiàn)斷齒崩刃、開裂、斷裂、磨損嚴(yán)重等非正常失效形式，使用壽命較低，造成這種現(xiàn)象的主要原因是：現(xiàn)有銼刀用工具鋼盤條韌性較差，脫碳層深，組織不均勻，碳化物在鋼中的分布不均勻，甚至沿晶界出現(xiàn)碳化物定向的缺陷，導(dǎo)致鋼材性能變差；且由于盤條含碳量非常高，若工藝控制不當(dāng)易造成石墨化析出，盤條發(fā)生脆斷現(xiàn)象。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)以上技術(shù)難題，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的化學(xué)成分、選擇合理的工藝，提供一種銼刀用碳素工具鋼盤條及其制備方法，確保工具鋼盤條成本低廉、純凈度高、組織均勻、通條性好，脫碳層深度≤直徑的0.6％，無(wú)液析和脆斷現(xiàn)象發(fā)生，完全滿足高標(biāo)準(zhǔn)銼刀用盤條的技術(shù)要求，用此盤條制得的銼刀硬度高且均勻，達(dá)70～72hrc，使用壽命長(zhǎng)，顯著降低了斷齒崩刃、斷裂、磨損嚴(yán)重等非正常失效形式出現(xiàn)的概率，
本發(fā)明所提供的銼刀用碳素工具鋼盤條的化學(xué)成份按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為：[c]1.26～1.32％、[si]0.08～0.18％、[mn]0.20～0.35％、[cr]0.55～0.70％、[v]0.10～0.25％、[p]≤0.025％、[s]≤0.025％、[al]≤0.008％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)，
優(yōu)選地，其化學(xué)成份按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為：[c]1.27～1.31％、[si]0.11～0.15％、[mn]0.26～0.30％、[cr]0.62～0.70％、[v]0.15～0.20％、[p]≤0.020％、[s]≤0.020％、[al]≤0.005％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)，
本發(fā)明成分設(shè)計(jì)理由：
c可以提高鋼的淬硬性、熱硬性和耐磨性能，保證熱處理后鋼中碳化物數(shù)量，但含量過(guò)高會(huì)使鋼的韌性降低；
si可以增加鋼的淬透性，提高鋼的回火穩(wěn)定性，但含量過(guò)高會(huì)使鋼在高溫加熱時(shí)易脫碳和促進(jìn)石墨化，
其中，脫碳是鋼加熱時(shí)表層碳含量降低的現(xiàn)象，脫碳的過(guò)程即鋼中碳在高溫下與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳離開鋼材料(除碳外，其他元素如硅、錳、鉻等未離開鋼材料)，導(dǎo)致硬度下降；而鋼的石墨化是指，高溫下鋼中碳化物會(huì)分解成游離的石墨，使鋼的強(qiáng)度和塑性顯著降低而引起鋼的脆斷，析出就是指的鋼中碳化物形成石墨的過(guò)程，但仍存在于鋼的內(nèi)部，而非從鋼中脫除，這一點(diǎn)與脫碳不同；
mn可以起到固溶強(qiáng)化的作用，但錳含量過(guò)高會(huì)增加鋼的過(guò)熱傾向；
cr可以增加碳化物的耐磨性，提高鋼的強(qiáng)度、硬度及回火抗力，抑制鋼的石墨化傾向，但含量過(guò)高會(huì)影響鋼的韌性；
v可以細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性，但含量過(guò)高會(huì)增加成本；
本發(fā)明首先意識(shí)到al是促進(jìn)高碳鋼的石墨化傾向的元素，因此對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的控制；
p、s為鋼中的有害元素，同樣需要嚴(yán)格控制。
本發(fā)明所提供的銼刀用碳素工具鋼盤條的制備方法包括轉(zhuǎn)爐冶煉、lf精煉、小方坯連鑄和軋制步驟，具體操作如下：
(1)轉(zhuǎn)爐加入煉鋼原料進(jìn)行高拉碳冶煉，采用全程底吹氬攪拌，控制出鋼[c]0.10～0.60％，出鋼[p]≤0.015％，出鋼1/4時(shí)隨鋼流依次加入碳化硅、低氮增碳劑、合金和渣料，出鋼過(guò)程采用滑板擋渣操作，出鋼時(shí)間為4～5min，
作為優(yōu)選，步驟(1)中采用的煉鋼原料為廢鋼、生鐵和鐵水，廢鋼占煉鋼原料總重的5％～7％，生鐵占煉鋼原料總重的6％～8％，煉鋼原料的總裝入量132～138t/爐，轉(zhuǎn)爐冶煉13～15min，出鋼溫度為1630～1680℃，出鋼采用擋渣操作，下渣量不超過(guò)50mm，
作為優(yōu)選，步驟(1)中的合金為硅錳、硅鐵、高碳鉻鐵和釩鐵，其相對(duì)于煉鋼原料的加入量為，硅錳4.0～4.5kg/t、硅鐵0.8～1.2kg/t、高碳鉻鐵11.6～12.4kg/t、釩鐵3.8～4.2kg/t；步驟(1)中渣料及加入量為石灰600kg/爐、合成渣300kg/爐，
碳化硅相對(duì)于煉鋼原料的加入量為1.0kg/t；
(2)lf采用電石進(jìn)行渣面脫氧，根據(jù)渣況適時(shí)調(diào)整以保證爐渣的流動(dòng)性，嚴(yán)禁加入鋁脫氧，確保精煉時(shí)間≥35分鐘，待成分、溫度調(diào)整合適后，轉(zhuǎn)入軟吹氬操作，軟吹氬時(shí)間15～25分鐘，軟吹后確保合適的吊包溫度；
進(jìn)一步地，步驟(2)中軟吹后的吊包溫度為，開澆爐次1507～1527℃、連澆爐次1487～1507℃，
嚴(yán)禁加入鋁脫氧，避免鋼中出現(xiàn)石墨碳析出使鋼的強(qiáng)度和塑性顯著降低而引起脆斷，向鋼中加入cr等合金元素，能阻止石墨化過(guò)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
(3)連鑄工序采用全程保護(hù)澆鑄，采用低過(guò)熱度、低拉速控制，過(guò)熱度控制在15～30℃，拉速控制在1.65±0.05m/min；
結(jié)晶器采用電磁攪拌、非正弦振動(dòng)模式，并使用低熔點(diǎn)、低堿度、低粘度的結(jié)晶器保護(hù)渣，一冷水流量為1850±100l/min，水溫差6.5～8.5℃，二冷采用弱冷配水模式，并配有末端電磁攪拌；
作為優(yōu)選，步驟(3)中，連鑄全程保護(hù)澆鑄，大包長(zhǎng)水口氬封保護(hù)，
中包采用整體式塞棒中包，水口直徑≥30mm，中包使用覆蓋劑和碳化稻殼雙層覆蓋，中包使用時(shí)間≤15小時(shí)，水口使用時(shí)間6.0～7.0h，
結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)為300a/5hz，非正弦振動(dòng)參數(shù)為振幅±3.0mm、頻率100+40opm、偏斜率15％，結(jié)晶器保護(hù)渣使用西保高碳鋼保護(hù)渣，堿度為r＝0.60～0.63，熔點(diǎn)1020～1040℃，粘度為0.29～0.33pa.s/1300℃，
每隔2小時(shí)測(cè)量一次液渣層厚度，確保液渣層厚度為5～8mm，
進(jìn)一步地，步驟(3)中的弱冷配水模式中，比水量0.60l/kg，末端電磁攪拌參數(shù)為400a/8hz；
采用低過(guò)熱度、末端電磁大電流攪拌可以有效減輕連鑄坯偏析，使盤條組織更致密，同時(shí)配備合理的加熱工藝，避免軋制出的盤條出現(xiàn)液析現(xiàn)象；采用弱冷配水、低拉速可以減小連鑄拉坯應(yīng)力，避免出現(xiàn)角部裂紋等缺陷；使用低熔點(diǎn)、低堿度、低粘度的結(jié)晶器保護(hù)渣可以增加鋼的潤(rùn)滑能力；
(4)軋制工序采用高溫加熱、采用高壓水除磷，低吐絲、風(fēng)冷工藝，
作為優(yōu)選，步驟(4)中加熱爐一段爐頂溫度910±30℃，加熱爐二段爐頂溫度1160±20℃，均熱段爐溫1160～1200℃，空氣過(guò)剩系數(shù)為1.15～1.20，出鋼節(jié)奏≤44支/小時(shí)，開軋溫度1040±30℃，精軋機(jī)前溫度為900±20℃，吐絲溫度為820±15℃；風(fēng)冷工藝為開啟前5臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為80％，佳靈裝置10％；高壓水除磷壓力為≥16mpa，
本發(fā)明高溫加熱的目的在于：促進(jìn)碳及合金元素?cái)U(kuò)散，減輕碳及合金元素偏析，使組織均勻致密，減輕網(wǎng)碳，同時(shí)配備適當(dāng)?shù)能堉萍袄鋮s工藝可以有效減少心部的馬氏體組織，降低石墨碳析出的傾向等，
同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)控制加熱爐內(nèi)的空氣過(guò)剩系數(shù)，采用氧化氣氛加熱，在氧含量較高的加熱氣氛下，鋼坯表面氧化鐵皮的生成速度大于脫碳速度，阻止和減少了鋼坯脫碳，且軋制前經(jīng)過(guò)高壓水除磷，便可以將氧化鐵皮脫除干凈，
本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)軋制前后的冷卻水流量控制軋制溫度，實(shí)現(xiàn)低溫軋制，不僅可以促進(jìn)快速冷卻，減少表面脫碳的形成，而且還能夠破碎、破損網(wǎng)碳、抑制網(wǎng)碳的形成，抑制了石墨化析出，
過(guò)共析鋼軋后開始冷卻的溫度落在二次碳化物析出區(qū)間(acm-a1)內(nèi)，如果冷卻較慢，會(huì)導(dǎo)致析出網(wǎng)狀碳化物，控冷工藝在吐絲后加強(qiáng)盤條冷卻，會(huì)抑制二次碳化物的析出，同時(shí)可以減少盤條表面脫碳，且發(fā)現(xiàn)強(qiáng)冷、快冷操作在本專利的高碳鋼軋制中并沒(méi)有導(dǎo)致盤條內(nèi)產(chǎn)生大的應(yīng)力和裂紋(因?yàn)閺膫鹘y(tǒng)觀念來(lái)看，鋼中碳含量高會(huì)導(dǎo)致盤條塑性降低、內(nèi)應(yīng)力增大)，這也確保了盤條的表面質(zhì)量良好，無(wú)脆斷；使用佳靈裝置可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，可以使盤條冷卻更均勻。
本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明通過(guò)添加一定量的cr、v元素，嚴(yán)控鋁含量，配備選擇合理的工藝，提供一種銼刀用碳素工具鋼盤條及其制備方法，確保工具鋼盤條，成本低廉，純凈度高，組織均勻，通條性好，脫碳層深度≤直徑的0.6％，克服了盤條存在的液析和脆斷的問(wèn)題，完全滿足高標(biāo)準(zhǔn)銼刀用盤條的技術(shù)要求。
本發(fā)明工藝與現(xiàn)有工藝技術(shù)相比，具有操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，用此盤條制得的銼刀硬度高且均勻，達(dá)70～72hrc，使用壽命長(zhǎng)，顯著降低了斷齒崩刃、斷裂、磨損嚴(yán)重等非正常失效形式出現(xiàn)的概率等特點(diǎn)，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
具體實(shí)施方式
生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述如下：轉(zhuǎn)爐冶煉→lf精煉→小方坯連鑄(160*160mm2)→軋機(jī)軋制。
實(shí)施例1
(1)轉(zhuǎn)爐冶煉
轉(zhuǎn)爐加入煉鋼原料(煉鋼原料為廢鋼、生鐵和鐵水，廢鋼占煉鋼原料總重的6％，生鐵占煉鋼原料總重的7％，煉鋼原料的總裝入量136t/爐)進(jìn)行高拉碳冶煉，采用全程底吹氬攪拌，控制出鋼[c]0.20％，出鋼[p]0.009％，出鋼溫度1665℃，出鋼1/4時(shí)隨鋼流依次加入碳化硅1.0kg/t、低氮增碳劑12.0kg/t、硅錳4.2kg/t、硅鐵1.0kg/t、高碳鉻鐵12.0kg/t、釩鐵4.0kg/t、石灰600kg/爐，合成渣300kg/爐，出鋼過(guò)程采用滑板擋渣操作，下渣量小于50mm，出鋼時(shí)間為4.2min；
(2)lf精煉
lf采用電石120kg/爐進(jìn)行渣面脫氧，根據(jù)渣況適時(shí)調(diào)整以保證爐渣的流動(dòng)性，嚴(yán)禁加入鋁脫氧，精煉時(shí)間37分鐘，待成分、溫度調(diào)整合適后，轉(zhuǎn)入軟吹氬操作，軟吹氬時(shí)間20分鐘，軟吹后吊包溫度為：開澆爐次1515℃；
(3)連鑄
連鑄工序采用全程保護(hù)澆鑄，大包長(zhǎng)水口氬封保護(hù)，中包使用覆蓋劑和碳化稻殼雙層覆蓋，連鑄中包采用整體式塞棒中包，中包使用時(shí)間12小時(shí)，水口直徑35mm，水口使用時(shí)間6.5h，過(guò)熱度23℃，拉速1.65m/min；結(jié)晶器采用電磁攪拌，參數(shù)為300a/5hz，非正弦振動(dòng)模式，振幅±3.0mm，頻率100+40opm，偏斜率15％；并使用西保高碳鋼保護(hù)渣，堿度為r＝0.61，熔點(diǎn)1030℃，粘度為0.31pa.s/1300℃，每隔2小時(shí)測(cè)量一次液渣層厚度，確保液渣層深度為5～8mm；一冷水流量為1850±100l/min，水溫差7.0～8.5℃，二冷采用弱冷配水模式，比水量0.60l/kg，并配有末端電磁攪拌，參數(shù)為400a/8hz；
(4)軋制
軋制工序采用高溫加熱、控制加熱爐爐內(nèi)氣氛，采用高壓水除磷，低吐絲、風(fēng)冷工藝：
加熱爐一段爐頂溫度920℃，加熱爐二段爐頂溫度1168℃，均熱段爐溫1190℃，空氣過(guò)剩系數(shù)為1.15～1.20，高壓水除磷壓力為18mpa；出鋼節(jié)奏42支/小時(shí)，開軋溫度1043℃，精軋機(jī)前溫度為901℃，吐絲溫度為823℃；風(fēng)冷工藝為開啟前5臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為80％，佳靈裝置10％。
實(shí)施例2
步驟(1)中控制出鋼[c]0.21％，出鋼[p]0.011％；步驟(2)中控制軟吹后吊包溫度為，連澆爐次1494℃；步驟(3)中控制過(guò)熱度20℃；其余操作與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3
步驟(4)中控制開軋溫度1042℃，精軋機(jī)前溫度為905℃，吐絲溫度為820℃；其余操作與實(shí)施例2相同。
對(duì)比實(shí)施例1
將實(shí)施例1步驟(2)中“采用電石進(jìn)行渣面脫氧，嚴(yán)禁加入鋁脫氧”修改為“采用鋁脫氧”，其他條件同實(shí)施例1。
對(duì)最終制得的鋼材進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)盤條有石墨碳析出，且盤條發(fā)生脆斷現(xiàn)象，遠(yuǎn)差于本發(fā)明實(shí)施例中制備的盤條質(zhì)量。
對(duì)比實(shí)施例2
將實(shí)施例1步驟(4)中“吐絲溫度為823℃，開啟前5臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為80％，佳靈裝置10％”修改為“吐絲溫度為823℃，風(fēng)機(jī)關(guān)閉”，其他條件同實(shí)施例1。
對(duì)最終制得的鋼材進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)盤條表面脫碳嚴(yán)重，達(dá)0.10mm，且發(fā)生脆斷現(xiàn)象，但是盤條表面質(zhì)量良好，可見(jiàn)這應(yīng)該主要是盤條內(nèi)網(wǎng)碳嚴(yán)重導(dǎo)致的脆斷。
對(duì)比實(shí)施例3
將實(shí)施例1步驟(4)中“控制加熱爐爐內(nèi)氣氛，空氣過(guò)剩系數(shù)為1.15～1.20”修改為“控制加熱爐爐內(nèi)氣氛，空氣過(guò)剩系數(shù)為1.00～1.05”，其他條件同實(shí)施例1。
對(duì)最終制得的鋼材進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)盤條表面脫碳較為嚴(yán)重，達(dá)0.12mm，且發(fā)生脆斷現(xiàn)象，并且盤條表面質(zhì)量較差，可見(jiàn)這應(yīng)該是步驟(4)中吐絲后的強(qiáng)冷、快冷操作導(dǎo)致了盤條內(nèi)產(chǎn)生大的應(yīng)力和裂紋，從而導(dǎo)致的脆斷。
實(shí)施例1～3所制得的鋼化學(xué)成分及各實(shí)施例、對(duì)比例中所得盤條的性能、金相組織如表1、表2所示：
表1：實(shí)例1～3所制備的鋼成品的化學(xué)成分(wt/％)
表2脫碳層深度、脆斷現(xiàn)象及用戶加工后硬度