專利名稱：一種石材切割鋸片鋼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種中碳、低合金鋼，特別涉及用于切割石材的直徑1000mm以上的大型鋸片用鋼及其制造方法。
背景技術：
用于石材切割鋸片的鋼板厚度通常在2～10mm，采用熱連軋機組生產(chǎn)卷板，卷板開平后，用戶進行切削加工，隨后再進行調(diào)質(zhì)熱處理，以獲得硬度HRC40以上，通常維持在HRC41～45，以使鋸片鋼在具有一定切割硬度的同時具有良好的韌性。目前市場上常用鋼種是65Mn和75Cr1，其化學成分如表1所示。
表1常用鋸片鋼的化學成分，wt％
由于屬于高碳低合金鋼，兩鋼在調(diào)質(zhì)熱處理后的韌性不高，可能導致切割使用過程中崩刃。此外，這兩個鋼在連鑄和熱軋技術都存在相當大難度。表現(xiàn)在高碳鋼連鑄坯冷卻時組織應力和熱應力大，裂紋敏感性大，如在連鑄坯下線后不及時熱裝進入加熱爐，鑄坯容易發(fā)生斷坯現(xiàn)象。此外，高碳鋼熱軋時的變形抗力大，如不采用適當?shù)能堉乒に?，難于在連軋機組進行生產(chǎn)。最后，高碳鋼熱軋后強度高，如不采用適當?shù)能堉坪屠鋮s工藝，軋后抗拉強度可能超過1050MPa，用戶難于進行切削加工。
為了改善鋸片鋼的可制造性及改善調(diào)質(zhì)熱處理后的韌性，當今鋸片鋼發(fā)展的重要方向之一就是在保證調(diào)質(zhì)熱處理硬度前提下，盡可能開發(fā)碳含量較低的鋼種?，F(xiàn)有專利如表2所示。
表2現(xiàn)有發(fā)明專利的化學成分，wt％
顯然，上述三項發(fā)明專利的碳含量比目前使用的65Mn和75Cr1更低。其中專利99107945.0的碳含量最低，只有0.20～0.30％。但為了保證調(diào)質(zhì)熱處理后的硬度，在碳含量如此低的情況下需要添加1.0％以上的鉻和0.20％以上的鉬，因此成本顯著上升，不具備推廣應用價值。
專利97117273.0和02116753.2優(yōu)點類似，屬于中碳釩合金化鋼。但專利97117273.0使用的硅含量太高，在冶煉時容易出現(xiàn)粗大氧化物夾雜，在軋制時由于硅含量太高導致塑性下降明顯而容易出現(xiàn)裂紋，其可制造性差。因此目前獲得工業(yè)應用的只有專利02116753.2。
但專利02116753.2存在的明顯缺點是由于碳含量降低后導致鋼的淬透性不夠，尤其是厚6mm以上、寬1000mm以上的大型鋸片油淬時，后入油部位不能夠獲得全馬氏體組織。一般而言，鋸片先入油部位(a)是全馬氏體組織，而后入油部位(b)由于油溫升高冷卻能力下降，導致屈氏體組織出現(xiàn)。鋸片片體未能夠獲得均勻的組織，將不僅影響片體硬度分布的均勻性，而且導致片體淬火過程中的應力分布不均勻，影響了片體板型。有關鋸片淬火過程如圖1所示。
鋸片片體經(jīng)過機械加工后，成為圓形片體。在淬火過程中，片體先經(jīng)過500～600℃預熱30分鐘，然后在預先設定好淬火溫度的鹽浴爐內(nèi)加熱，保溫一定時間后，快速取出，放入油槽中進行淬火。由于片體各部位進入油槽時的時間先后不同，其硬度可能會因為空中停留時間和油中冷卻時間，特別是油的冷卻速度變化導致硬度變化。圖1示意了入油槽的過程。部位a最先入油，部位b最后入油，部位c和的d入油時間正好介于它們之間。片體直徑越大，部位a和部位b入油時間差距越大。對于直徑為1800mm的片體，實際生產(chǎn)過程中，兩者時間差距一般在5秒左右。也正是考慮到生產(chǎn)過程中不同部位的冷卻條件不同，實際生產(chǎn)過程中，通常需要對abcd四個部位檢測硬度，只有四個部位的硬度均達到要求，才能成為合格產(chǎn)品。
按照發(fā)明專利02116753.2制造的厚10mm、直徑1800mm的鋸片在進行油淬試驗時發(fā)現(xiàn)，片體硬度分布并不均勻，先入油的部位和最后入油的部位硬度差距達到了7HRC，如表3所示。
表3發(fā)明專利02116753.2制造的厚8mm、直徑1800mm的鋸片淬火硬度
顯然，最后入油部位的硬度達不到相應的淬硬性要求(≥HRC56)。其原因一方面同淬火過程不可避免的片體不同部位入油時間不同，空中停留時間及油溫變化導致冷卻速度不同等影響因素有關，另一方面更同鋼材本身的淬透性有關。組織分析表明，部位(a)為全馬氏體組織，而部位(b)除了馬氏體組織外，還出現(xiàn)了屈氏體組織。
為了提高最后入油部位的淬火硬度，曾經(jīng)嘗試提高淬火溫度、延長油中停留時間等工藝，雖然有所改觀，但效果不大，不能夠從根本上解決問題，而且由于溫度提高或者時間延長，導致片體變形嚴重。
因此，為了提高鋼的淬透性，以使大直徑、厚規(guī)格片體淬火后獲得均勻的硬度分布，并盡可能減少淬火變形，必須從化學成分方面進行優(yōu)化和改進。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種石材切割鋸片鋼及其制造方法，可使加工鋸片片體厚度達10mm、直徑達1800mm的大型鋸片片體能夠獲得硬度HRC40以上以及均勻的硬度分布。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是，石材切割鋸片鋼，其化學成分重量百分比為C 0.45～0.60Si 0.10～0.60Mn 1.30～1.80P ≤0.02S ≤0.01V 0.05～0.20Cr 0.15～0.30N 0.005～0.020Ca 0～0.0050Al 0.005～0.040其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
進一步，其化學成分重量百分比還可以為C 0.48～0.55Si 0.15～0.40Mn 1.45～1.65P ≤0.02S ≤0.01V 0.10～0.18Cr 0.20～0.25N 0.005～0.015Ca 0～0.0050Al 0.01～0.04其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
石材切割鋸片鋼的制造方法，包括如下步驟a.冶煉、澆鑄，連鑄坯采用熱送熱裝工藝，保證進入板坯加熱前的鑄坯溫度在300℃以上；b.板坯加熱溫度1150℃以上，熱軋時控制終軋溫度在900℃以上；
c.軋后空冷、卷取，卷取溫度控制在700℃以上。
進一步，鋼卷經(jīng)過開平和剪切后，用戶進行表面機械切削加工，再施以調(diào)質(zhì)熱處理810～840℃油淬火及410～440℃回火。
本發(fā)明在中碳釩合金化鋼基礎上，添加少量鉻，以進一步提高淬透性。同時進行氮微合金化，以強化釩的析出硬化效果，提高鋸片在切削過程中的紅硬性。利用該成分可以生產(chǎn)厚2～10mm的鋸片鋼。經(jīng)過冶煉、澆鑄后，利用熱連軋機組進行熱軋。連鑄坯采用熱送熱裝工藝，保證進入板坯加熱前的鑄坯溫度在300℃以上，以減少熱應力和組織應力，避免鑄坯發(fā)生斷坯現(xiàn)象。熱軋時控制終軋溫度在900℃以上，以保證熱軋時的變形抗力不超過軋機設備能力。軋后空冷，并控制卷取溫度在700℃以上，以保證所發(fā)明的鋼獲得盡可能低的抗拉強度(1000MPa以下)和硬度(HRC30以下)，從而能夠順利卷取。對鋸片制造用戶而言，也更容易進行各種機械切削加工。
卷經(jīng)過開平和剪切后，用戶進行表面機械切削加工，再施以調(diào)質(zhì)熱處理810～840℃油淬火及410～440℃回火，從而獲得硬度HRC43±2。下面詳細敘述各合金元素的作用。
C0.45～0.60％，是保證淬火硬度和淬透性的重要元素。太低，不能保證獲得全馬氏體組織及調(diào)質(zhì)熱處理后的硬度。太高，會導致連鑄板坯中心偏析嚴重，熱連軋軋制時變形抗力高，調(diào)質(zhì)熱處理后韌性降低。
Si0.10～0.60％，適當硅含量可以幫助脫氧，并和鈣鋁一起形成硅鹽，有助于改善切削加工性能。但太高的硅含量會增加鋼的脆性。
Mn1.30～1.80％，是保證淬火硬度和淬透性的重要元素。太低，不能保證獲得全馬氏體組織及調(diào)質(zhì)熱處理后的硬度。太高，會導致連鑄板坯中心偏析嚴重，鑄坯熱應力和組織應力大，容易斷坯。另外熱連軋軋制時變形抗力高，軋后抗拉強度偏高，不利于用戶進行機械加工。
V0.05～0.20％，加入V有利于提高調(diào)質(zhì)后硬度的穩(wěn)定性。但如太高，則成本增加顯著。
Cr0.15～0.30％，加入鉻，主要是提高淬透性。由于鉻是能夠顯著提高淬透性的合金元素，加入后能夠改善淬透性，尤其是厚6mm以上鋼板的淬透性。太低，作用不明顯，但太高，成本增加，而且會提高鋼的變形抗力，增加熱連軋工序的難度，同時會提高軋態(tài)抗拉強度，不利于用戶進行機械切削加工。
Ca0～0.0050％，鈣處理可以控制硫化物形態(tài)，改善鋼的橫向沖擊韌性，并且通過氧化物-硫化物復合，可以改善切削加工性能。
N0.005～0.020％，在釩微合金化鋼中，適當?shù)牡靠梢源龠M調(diào)質(zhì)熱處理過程中的V(C，N)析出，提高鋼的紅硬性。但過高的氮含量會損害鋼的韌性，也會增加連鑄坯的脆性，降低可制造性。
Al0.005～0.04％，適當鋁含量可以幫助脫氧，并和鈣、硅一起形成硅鹽，有助于改善切削加工性能。但太高的鋁含量會形成氮化鋁，使鋼的熱加工性能和調(diào)質(zhì)熱處理后的韌性惡化。
P≤0.02％和S≤0.01％，盡量降低該兩雜質(zhì)元素含量，以降低偏析，并提高鋼的韌性。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明鋼和對比鋼(專利02116753.2，下同)的共同特點是均采用中碳釩合金化鋼的成分設計思路，以減少傳統(tǒng)高碳鋼存在的連鑄斷坯風險，熱軋時變形抗力大的技術問題。但對比鋼存在淬透性差、淬硬性低、鋸片片體變形等影響用戶使用的嚴重技術問題，本發(fā)明主要從如下幾方面進行了創(chuàng)造性改進。
a.添加0.15～0.30％Cr，以顯著改善淬透性，從而使厚6mm以上、寬1000mm以上的大型鋸片基體在調(diào)質(zhì)熱處理后比對比鋼具有更高的硬度、更均勻的硬度分布及更少的淬火變形，因此特別適用于石材切割鋸片基體的制造。
b.本發(fā)明將氮作為有益元素而不是一般鋼中的有害元素，進行氮合金化至0.0050～0.02％水平，從而充分利用V(C，N)在回火時的析出硬化作用，提高鋸片切割時的紅硬性。
c.連鑄時采用熱送熱裝工藝，保證進入板坯加熱前的鑄坯溫度在300℃以上，避免連鑄板坯斷坯。
d.板坯加熱溫度1150℃以上，并控制終軋溫度在900℃以上，卷取溫度在700℃以上，從而確保該鋼在連軋機組順利進行熱軋，并盡可能降低卷板的抗拉強度，以有利于下游用戶的機械切削加工。
e.采用合理的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，810～840℃油淬及410～440℃回火，確保鋸片獲得均勻的組織和硬度分布，并減少鋸片片體的變形。
圖1為鋸片片體入油槽過程的示意圖；圖2為氮含量對回火硬度的影響的示意圖；圖3a為對比鋼的靜態(tài)奧氏體連續(xù)冷卻轉變行為的示意圖；圖3b為本發(fā)明鋼的靜態(tài)奧氏體連續(xù)冷卻轉變行為的示意圖；圖4為冷卻速率對本發(fā)明和對比例鋼硬度的影響的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明根據(jù)上述合金成分設計思路，在冶煉了9爐鋼，澆鑄成鋼錠，其化學成分如表4所示。為比較，同時示出了按照對比發(fā)明專利02116753.2工業(yè)生產(chǎn)的成分。將鋼錠鍛造加工成65×120mm試樣，再在小軋機上進行軋制試驗，軋制成厚度10mm、寬度150mm的試驗鋼板。板坯加熱溫度1200℃，加熱時間為120min。終軋溫度900～940℃，軋后空冷至卷取溫度750℃。
表4本發(fā)明和對比例的化學成分，wt％
注對比例為中國專利02116753.2。
將軋制后的鋼板進行調(diào)質(zhì)熱處理。淬火溫度為825℃，回火溫度為425℃。測定淬火及淬火+回火后的硬度，如表5所示，并觀察組織。
表5本發(fā)明和對比發(fā)明鋼在淬火及淬火+回火后的硬度，HRC
可見，在實驗室條件下，本發(fā)明鋼比對比發(fā)明鋼在淬火及淬火+回火后的硬度稍高2～3HRC。由于是實驗室小試樣淬火，不同部位入油時間差距不大、油溫的變化小、冷卻速度受到的影響也小，因此各部位的組織和硬度差距不大。如在工業(yè)生產(chǎn)條件下大片體淬火時，本發(fā)明鋼和對比發(fā)明鋼的淬火硬度差距應該更明顯。
為了研究氮對回火后硬度變化的影響，對其它元素成分接近，但氮含量顯著不同的本發(fā)明鋼2#、4#和5#進行了回火溫度對硬度影響的試驗，結果如圖2所示。圖2氮含量對回火硬度的影響的示意圖。
從中可見，氮含量從0.0050％提高到0.0150％時，鋼板在450℃以下回火時的硬度差距不大。但當回火溫度超過450℃，特別是在500～600℃之間時，氮含量為0.0150％的鋼板回火后的硬度明顯高于氮含量低(0.0050％)的鋼板。這是由于氮增加了高溫回火過程中碳氮化釩的析出強化效果而產(chǎn)生的現(xiàn)象。因此，適當提高鋼中的氮含量有利于改善鋸片在切削過程中的紅硬性。
為了研究添加鉻的本發(fā)明鋼和對比發(fā)明鋼(專利02116753.2)的組織相變特點，利用‘Formaster’模擬試驗機測定了兩鋼在0.1～15℃/s冷卻速率范圍內(nèi)的組織轉變溫度(CCT圖)和硬度，如圖3a和圖3b所示。
由CCT圖可以看出，添加Cr后的本發(fā)明鋼，其奧氏體冷卻轉變曲線位置明顯右移，鋼的淬透性明顯提高。對比發(fā)明鋼在15℃/s冷速下的組織為馬氏體+屈氏體，添加鉻的本發(fā)明鋼則幾乎全部為馬氏體組織。這充分說明添加Cr后的本發(fā)明鋼的淬透性更高。從冷卻速率對硬度的影響可以看出，當冷卻速率超過5℃/s后，本發(fā)明鋼的硬度明顯高于對比發(fā)明鋼。這說明，本發(fā)明鋼的淬硬性也得到提高。圖3對比發(fā)明鋼和本發(fā)明鋼鋼靜態(tài)奧氏體連續(xù)冷卻轉變行為。圖4所示為冷卻速率對本發(fā)明鋼和對比發(fā)明鋼硬度的影響。
根據(jù)上述成分設計原則及試驗室小爐冶煉和熱模擬的試驗結果，進行了工業(yè)性試制。生產(chǎn)流程為轉爐冶煉、LF+RH精煉，連鑄，板坯加熱，利用熱連軋機組軋制成厚10mm、寬1800mm的卷板。連鑄坯采用熱送熱裝工藝，保證進入板坯加熱前的鑄坯溫度在300℃以上，一般在350～400℃左右。板坯加熱溫度1200℃，熱軋時控制終軋溫度920±20℃，軋后空冷至卷取溫度750±30℃。
鋼的化學成分和厚10mm、寬1800mm的卷板軋態(tài)力學性能如表6所示。添加0.20％Cr對軋態(tài)強度和延伸率無太大影響。經(jīng)過機械加工后，對圖1所示的片體在工業(yè)生產(chǎn)條件下進行調(diào)質(zhì)熱處理。具體工藝為825℃油淬、425℃回火。
表6按照本發(fā)明一實施例及對比發(fā)明專利生產(chǎn)的兩爐鋼的主要合金元素的化學成分(wt％)和卷板的機械性能
測定片體不同部位在淬火后的硬度，結果如表7所示。
表7工業(yè)生產(chǎn)的本發(fā)明鋼和對比發(fā)明鋼的淬火硬度，HRC
顯然，經(jīng)過鉻合金化的本發(fā)明鋼在淬火后的硬度明顯高于對比發(fā)明鋼，而且均勻性更好。如本發(fā)明鋼淬火后片體部位硬度最大差距在2HRC，而對比發(fā)明鋼則在7HRC。組織觀察也發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鋼所有部位淬火后均獲得了全馬氏體組織，而對比發(fā)明鋼在后入油部位存在部分屈氏體組織，如圖2所示。這種硬度和組織分布均勻性的改善也促進了淬火后本發(fā)明鋼制造的鋸片片體板型的改善，其片體的平面度更好。
上述片體在425℃回火后的硬度分布如表8所示?？梢姡鼗鸷?，本發(fā)明鋼回火后片體部位硬度最大差距在2HRC，而對比發(fā)明專利則在5HRC。前者不僅整體硬度水平高，而且硬度分布的均勻性更好。
表8工業(yè)生產(chǎn)的本發(fā)明鋼和對比發(fā)明鋼的回火硬度，HRC
通過上述實施例及效果分析可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鋼比對比發(fā)明鋼在調(diào)質(zhì)熱處理后制造的鋸片具有更高，而且更均勻的硬度分布，同時淬火后的板型控制更好。
本發(fā)明鋼由于添加了改善淬透性的合金元素鉻，使得厚6mm以上、寬1000mm以上的鋸片基體在調(diào)質(zhì)熱處理后比先前使用的中碳鋼具有更高的硬度、更均勻的硬度分布及更少的淬火變形。其特別適用石材切割鋸片基體的制造。申請人生產(chǎn)了10000多噸本發(fā)明的鋸片鋼，所制造的鋸片厚度范圍2～10mm，寬度1000～1800mm。用戶反映調(diào)質(zhì)后的硬度水平比先前使用的鋼更高，分布更均勻，片體變形也更小。正在逐步取代傳統(tǒng)的65Mn鋸片鋼及先前的對比發(fā)明鋼，獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種石材切割鋸片鋼，其化學成分重量百分比為C 0.45～0.60Si0.10～0.60Mn1.30～1.80P ≤0.02S ≤0.01V 0.05～0.20Cr0.15～0.30N 0.005～0.020Ca0～0.0050Al0.005～0.040其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權利要求1所述的石材切割鋸片鋼，其特征是，其化學成分重量百分比為C 0.48～0.55Si0.15～0.40Mn1.45～1.65P ≤0.02S ≤0.01V 0.10～0.18Cr0.20～0.25N 0.005～0.015Ca0～0.0050Al0.01～0.04其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
3.石材切割鋸片鋼的制造方法，包括如下步驟a.冶煉、澆鑄，連鑄坯采用熱送熱裝工藝，保證進入板坯加熱前的鑄坯溫度在300℃以上；b.板坯加熱溫度1150℃以上，熱軋時控制終軋溫度在900℃以上；c.軋后空冷、卷取，卷取溫度控制在700℃以上。
4.如權利要求1所述的石材切割鋸片鋼的制造方法，其特征是，鋼卷經(jīng)過開平和剪切后，用戶進行表面機械切削加工，再施以調(diào)質(zhì)熱處理810～840℃油淬火及410～440℃回火。
全文摘要
石材切割鋸片鋼，其化學成分重量百分比為C 0.45～0.60、Si 0.10～0.60、Mn 1.30～1.80、P≤0.02、S≤0.01、V 0.05～0.20、Cr 0.15～0.30、N 0.005～0.020、Ca 0～0.0050、Al 0.005～0.040、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其制造方法為包括如下步驟冶煉、澆鑄，連鑄坯采用熱送熱裝工藝，保證進入板坯加熱前的鑄坯溫度在300℃以上；板坯加熱溫度1150℃以上，熱軋時控制終軋溫度在900℃以上；軋后空冷、卷取，卷取溫度控制在700℃以上。本發(fā)明鋼的淬透性高于常用中碳、低合金鋼，特別適用于制造直徑1000mm以上的大型鋸片，用于切割石材。
文檔編號C22C33/04GK1904119SQ20051002831
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權日2005年7月29日
發(fā)明者江來珠, 華蔚, 歐鵬, 胡會軍, 吳小弟, 徐鼎華 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司