CN113528937A

CN113528937A - 一种经济型五金工具用钢及其制造方法

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Publication number: CN113528937A
Application number: CN202110641769.1A
Authority: CN
Inventors: 韩伏; 张汪洋; 肖丙政; 邓伟; 陈兴华
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开了一种经济型五金工具用钢及其制造方法，该济型五金工具用钢包括C、Si、Mn、P、S、Cr、B、Ti、N、Al，余量为Fe及不可避免的杂质组成，通过钢坯冶炼、钢坯轧制、上冷床冷却，分段，包装，避风堆冷的加工工序实现，该方法通过合理设计化学成分、冶炼和轧制，确保材料具有良好的耐磨性、高硬度、高韧性，完全满足扳手等五金工具用钢工作的质量要求。

Description

一种经济型五金工具用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工工艺领域，具体是一种经济型五金工具用钢及其制造方法。

背景技术

五金工具钢用途广泛，主要用于制造高硬度钳子、活口扳手、螺丝刀等手工工具，其使用环境复杂多变，工作中需确保承受负荷、冲击、震动和弯曲等复杂的应力保持不变形，尤其不断发生断裂，以保证使用扳手等五金工具的人员安全。因此，对原材料的质量要求相当严苛。

五金工具钢是在碳素钢基础上加入Cr、V、Mo等合金元素，铬可以增加钢的淬透性并改善耐磨性和提高硬度；钒对改善钢的硬度、耐磨性和韧性有很大的贡献，特别是对提高钢的耐磨性最为有效；钼能改善钢的淬透性和回火稳定性，细化晶粒改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性；五金工具钢往往加入CrV、CrMo等多种合金元素组合以确保其质量稳定性，但其成本较高，其性能也存在一定程度的过剩。虽然已有的一些经济型工具钢的专利在以往的工具钢基础上创新性的减少了一些合金用量，但其成本依旧较高。

例如，专利申请CN110029264A一种低成本40CrV工具钢及其生产方法，该工具钢合金成分设计添加了0.05-0.08％的微合金元素V，以细化钢的晶粒、提高钢的强度、韧性及耐磨性，但V合金成本较高，该工具钢比一般的碳素工具钢高了200元/吨左右。

专利申请CN107419175A疲劳寿命良好的经济型工具钢及其生产方法，该工具钢合金成分设计添加了0.05-0.20％的微合金元素V及0.30-1.10％的Cr，以提高钢的淬透性、淬硬性和回火稳定性及耐磨性，但其生产成本依旧较高。

与此同时，随着全球矿产资源日益紧张，实现钢铁材料的低成本化与合金减量化成为钢铁产业一个重要的发展趋势。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足,本发明提供了一种经济型五金工具用钢及其制造方法，该方法通过合理设计化学成分、冶炼和轧制，确保材料具有良好的耐磨性、高硬度、高韧性，完全满足扳手等五金工具用钢工作的质量要求。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种经济型五金工具用钢，它包括如下质量百分比的元素：碳：0.37-0.44％、硅：0.17-0.37％、锰：0.50-0.80％、磷≤0.030％、硫≤0.030％、铬：0.80-1.10％、硼：0.0005-0.0035％、钛：0.020-0.050％、氮≤0.0080％、铝：0.015-0.050％、余量为铁及不可避免的杂质，该技术方案的原理是：基于合金元素成分优化设计，

其中，合金元素成分优化设计的依据如下：

C：提高淬透性和获得高硬度的主要元素，C含量需在0.37以上，含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低，影响冷加工性能，因此C含量上线不超过0.44％。

Si：能提高钢的弹性极限，但影响冷加工性能，因而控制其含量在0.17％以上，但不超过0.37％。

Mn：能提高钢的淬透性，但Mn在钢的凝固过程易产生偏析，在淬火回火时促进回火脆性，为保证性能稳定，Mn含量控制在0.50-0.80％。

P、S：P增加钢的冷脆性，在钢液凝固时形成微观偏析，增加钢的延迟断裂敏感性，因此控制P含量在0.030％以下。S增加钢的热脆性，在钢液中易形成MnS夹杂，因而控制其含量在0.030％以下。

Cr：提高钢的淬透性并改善耐磨性和提高硬度，但含量过高会恶化钢的冷加工性能，因此将其含量控制在0.80-1.10％。

B、Ti、N：B能显著提高钢的淬透性，但需保障有效硼的存在，即一定要以酸溶硼的形式存在才有意义，将B含量控制0.0005-0.0035％。Ti是微合金元素，Ti可与C,N形成TiC,TiN析出相，使奥氏体晶粒细化，比Nb、V的碳氮化物更稳定，形成的碳氮化物在基体中沉淀，钉扎在奥氏体的晶界，阻碍奥氏体晶粒长大。为保证有效硼的存在，首先需控制钢中气体N含量，将N含量控制在0.0080％以下。硼钢淬透性首先随Ti/N的增加而升高，然后随Ti/N的增加趋于平稳，最后随Ti/N的增加而下降，因此将Ti含量控制在0.020-0.050％。

Al：钢中主要脱氧元素，细化晶粒，但Al含量偏高时，易导致钢中B类夹杂物增多，钢中铝含量应控制在0.015-0.050％。

一种经济型五金工具用钢的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、钢坯冶炼

将化学成分按质量百分比计为：碳：0.37-0.44％、硅：0.17-0.37％、锰：0.50-0.80％、磷≤0.030％、硫≤0.030％、铬：0.80-1.10％、硼：0.0005-0.0035％、钛：0.020-0.050％、氮≤0.0080％、铝：0.015-0.050％、余量为铁及不可避免的杂质，进行转炉冶炼和LF炉精炼处理，将得到的钢水保护浇注成220m～250mm×220m～300mm断面钢坯；

步骤二、钢坯轧制

将均匀加热后的钢坯通过高压水除去表面氧化铁皮后，依次经过GCC8565型轧机、GCC6548型轧机、GCC4838型轧机进行粗中轧和预精轧，然后由RSB370++型KOCKS辊径精轧机进行控温轧制。

步骤三、上冷床冷却，分段，包装，避风堆冷。

作为本发明的进一步优选，步骤一中，在转炉冶炼过程中，终点控制转炉，转炉时终点碳为≥0.06％，从而避免钢水过氧化，出钢时避免钢包下渣。

作为本发明的进一步优选，步骤一中，LF炉外精炼过程中采取快速造白渣工艺；

作为本发明的进一步优选，所述的LF炉外精炼过程中白渣精炼时间为≥15min，以保证脱硫和脱氧效果；

作为本发明的进一步优选，步骤一中，LF炉外精炼过程中先加铝脱氧，减少钢中的氧含量，再加钛铁固氮，然后再加硼铁，最后进行钙处理，通过向钢液中喂入硅钙线，有利于钢水进行深脱氧，去除钢液中残余氧及金属氧化物，提高钢水纯净度，保证钢中有效硼的存在；

作为本发明的进一步优选，步骤一中，LF炉精炼处理时，保持LF炉内微正压高于大气压200-400Pa，避免钢水吸气增N。

作为本发明的进一步优选，步骤二中，钢坯出炉温度为1090～1180℃，开轧温度为1000-1090℃，进KOCKS辊径精轧机温度为830-880℃，轧后避风堆冷。。

有益效果：本发明所述的一种经济型五金工具用钢及其制造方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1、控制钢中合金元素含量，使最终得到的五金工具棒材具有一定的淬透性；

2、通过采用钢包精炼炉精炼处理(LF炉精炼处理)工艺，再经轧制成形，在不添加V、Mo等贵重合金元素的情况下，获得较好的淬透性；

3、通过优化冶炼与轧制工艺获得均匀组织，使得最终制作的五金工具具备良好的耐磨性、高硬度、高韧性和使用寿命长等优点；

4、通过降低合金元素的用量，使用较少含量的B、Ti等元素，提高了钢的综合力学性能，有利于经济的工业规模化生产；

5、通过合理设计化学成分、冶炼和轧制可节约材料费用4％-5％。因此，开发成本低廉但综合力学性能优异的五金工具钢具有重大经济效益和社会效益。

附图说明

图1为实施例中编号B3热处理后200倍显微金相照片；

图2为实施例中编号B3热处理后400倍显微金相照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

本发明所述的一种经济型五金工具用钢，它包括的质量百分比的元素如下：C：0.37-0.44％、Si：0.17-0.37％、Mn：0.50-0.80％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr：0.80-1.10％、B：0.0005-0.0035％、Ti：0.020-0.050％、N≤0.0080％、Al：0.015-0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，通过钢坯冶炼、钢坯轧制、上冷床冷却，分段，包装，避风堆冷的加工工序实现。

对于16-50mm规格圆钢制作的五金工具，淬透性较好，综合力学性能可满足五金工具用钢的技术要求。

对应于上述经济型五金工具钢，本发明所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法的步骤包括：

(1)钢坯冶炼

将如下质量百分比的元素：C：0.37-0.44％、Si：0.17-0.37％、Mn：0.50-0.80％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr：0.80-1.10％、B：0.0005-0.0035％、Ti：0.020-0.050％、N≤0.0080％、Al：0.015-0.050％、余量为Fe及不可避免的杂质，进行转炉冶炼和LF炉精炼处理，将得到的钢水保护浇注成220*220、250*300mm断面钢坯，在转炉冶炼过程中，转炉做好终点控制，要求终点碳≥0.06％，避免钢水过氧化，出钢时避免钢包下渣；LF炉外精炼过程应采取快速造白渣工艺，保持精炼过程中白渣精炼时间≥15min，以保证脱硫和脱氧效果；炼钢过程中先加铝脱氧，减少钢中的氧含量，然后再加钛铁固氮，再加硼铁，最后进行钙处理，来保证钢中有效硼的存在；同时生产过程保持LF炉内微正压，避免钢水吸气增N；

(2)钢坯轧制

将均匀加热后的钢坯通过高压水除去表面氧化铁皮后，依次经过GCC8565、GCC6548、GCC4838型轧机粗中轧和预精轧和RSB370++型KOCKS辊径精轧机进行控温轧制。

其中，钢坯出炉温度为1090～1180℃，开轧温度1000-1090℃；进KOCKS轧机温度830-880℃，轧后避风堆冷。

(3)上冷床冷却，分段，包装，避风堆冷。

实施例

为了验证本发明各元素限定范围均能实现技术效果，按照上述元素组成要求，冶炼6炉本发明的五金工具用钢，并按照GB/T 3077-2015中要求冶炼3炉40CrV钢作为对比钢，实施例与对比钢的化学成分如表1所示(余量为Fe和杂质)。以下为本发明钢的具体实施例，B1、B2、B3、B4、B5、B6为发明钢，V1、V2、V3为对比钢。

表1实施例和对比钢的化学成分(wt％)

表2制造工艺参数

在相同的热处理条件下整体热处理，检验拉伸、冲击力学性能，结果如表3至表4示。

同一热处理工艺下，检验淬透性(16规格太小，无法检测)，结果如表5所示：

表3检验结果1

表4检验结果2

表5检验结果3

从上表可以看出，本发明钢和40CrV钢相比，所得实施例的V元素为残余，其含量明显低于现有技术的40CrV钢，只增加了一点Ti、B元素，大大降低了生产成本。同时，在相同的热处理条件下，本发明钢较对比钢40CrV的淬透性显著提高，拉伸、冲击等力学性能均好于40CrV钢，所得实施例的发明钢强韧性均优于40CrV钢。上述对比结果表明，发明钢较为经济可行，且具有较好的综合力学性能，可满足用户16mm-50mm规格五金工具的质量要求。

Claims

1.一种经济型五金工具用钢，其特征在于，它包括如下质量百分比的元素：碳：0.37-0.44％、硅：0.17-0.37％、锰：0.50-0.80％、磷≤0.030％、硫≤0.030％、铬：0.80-1.10％、硼：0.0005-0.0035％、钛：0.020-0.050％、氮≤0.0080％、铝：0.015-0.050％、余量为铁及不可避免的杂质。

2.一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、钢坯冶炼

步骤二、钢坯轧制

将均匀加热后的钢坯通过高压水除去表面氧化铁皮后，依次经过GCC8565型轧机、GCC6548型轧机、GCC4838型轧机进行粗中轧和预精轧，然后由RSB370++型KOCKS辊径精轧机进行控温轧制；

步骤三、上冷床冷却，分段，包装，避风堆冷。

3.根据权利要求2所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：步骤一中，在转炉冶炼过程中，终点控制转炉，转炉时终点碳为≥0.06％。

4.根据权利要求2所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：步骤一中，LF炉外精炼过程中采取快速造白渣工艺。

5.根据权利要求4所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：所述的LF炉外精炼过程中白渣精炼时间为≥15min。

6.根据权利要求2所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：步骤一中，LF炉外精炼过程中先加铝脱氧，再加钛铁固氮，然后再加硼铁，最后进行钙处理。

7.根据权利要求2所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：步骤一中，LF炉精炼处理时，保持LF炉内微正压高于大气压200-400Pa。

8.根据权利要求2所述的一种经济型五金工具用钢的制造方法，其特征在于：步骤二中，钢坯出炉温度为1090～1180℃，开轧温度为1000-1090℃，进KOCKS辊径精轧机温度为830-880℃，轧后避风堆冷。