一种耐寒工具钢及其生产方法与流程

本发明属于工具钢生产，涉及一种耐寒工具钢及其生产方法。

背景技术：

1、随着各类工具加工制造业、农业和园林畜牧业机械化发展，冬季作业越来越多，对适合低温环境作业的工具及适合加工这类工具的钢材的需求也越来越多。普通工具钢一般碳含量高，脆性大，韧塑性差，低温环境下易开裂，使用寿命短。急需开发适合-40℃以下低温高寒环境使用的工具钢。另一方面，钢材表面质量直接影响加工工具的生产工艺太冲击性能，高表面质量的钢材可以减少打磨量，提高加工制造生产率，降低生产成本，抗冲击。

2、一种耐低温铜管其制备方法，申请号201310715230.1，其化学成分的质量百分比为:c0.05-0.15、si0.1-0.3、ni2.2-2.8、cr1.5-2.0、mn0.8-1.2、ai0.3-0.6、mo0.2-0.4、nb0.1-0.2、ti0.05-0.15、nd0.03-0.05、er0.02-0.04、n0.004-0.008、v0.002-0.005、s≤0.01、p≤0.02，余量为fe。具有很好的低温冲击韧性，能够在-196℃以下的极低温区长期使用，但该钢种碳含量低，强度硬度低，耐磨性差不适合做工具钢。

3、一种高强耐低温钢及其生产方法，申请号20151072034 1.0，公开了：c 0.05-0.2％、si0.1-0.26％、mn0.60-8.00％、cr0.4-0.8％、mo0.12-0.28％、cu≤0.03％、al0.02-0.06％、ti0.010-0.018％、p≤0.012％、s≤0.005％、n0.004-0.01％、o≤0.0012％、h≤0.00012％、ca0.001-0.005％、sb0.0001-0.0005％、sn≤0.001％、as≤0.005％、b≤0.0010％、v≤0.08％、nb≤0.03％，低温冲击功率显著，-20℃冲击功值在260-350j，-40℃冲击功值在240-300j。但其碳含量低，强度硬度低，耐磨性差不适合做工具钢。

4、一种双金属锯条背材用d6a热轧宽带钢及其生产方法，申请号201710014769.2，其化学成分的质量百分比为：c 0.45～0.55，si 0.05～0.30、mn 0.6～1.0、p≤0.025、s≤0.010、cr 0.9～1.20、v 0.08～0.15、ni 0.50～0.70、mo 0.90～1.20、al 0.05～0.15、n0.007～0.015，余量为fe。热轧宽带钢的规格为(3.0～8.0)×(960～1500)mm。210t转炉冶炼、钢包炉与真空炉精炼、板坯连铸机浇注，板坯热装热送，板坯进入加热炉的入炉温度大于400℃，板坯加热温度大于等于1200℃，热轧终轧温度860～920℃。轧后的带钢采用层冷稀疏冷却，卷取温度650～720℃。热轧钢卷入缓冷坑或缓冷罩缓慢冷却。断面为(3.0～8.0)×(960～1500)mmd6a热轧宽带钢，带钢厚度波动在±0.08mm以内，凸度＝45～55μm，同卷硬度差在6rhc以内,晶粒尺寸细小(≤5μm)，均匀。带钢显微组织为铁素体+退化珠光体+粒状贝氏体的混合组织，自表层至中心，晶粒尺寸极其细小，大小非常均匀，平均晶粒尺寸在5μm以下。该发明没有控制表面氧化脱碳手段，表面质量不佳，低温韧塑性差，不适合低温环境使用。转炉冶炼后需要lf精炼和rh真空处理双炉冶炼，成本高，效率低。

5、一种双金属锯条背材用冷轧带钢及其制造方法，申请号201811343856.3，热轧钢卷经软化退火、酸洗、全氢罩式炉球化退火、单机架可逆式冷轧机冷轧、抛光机组砂布抛光、全氢罩式炉退火、平整，得到成品；该发明基于普钢生产设备，解决表面脱碳与表层晶界氧化，退火还原的海绵铁难以酸洗，平直度控制不良等问题，实现高质量的低成本生产；所述双金属锯条背材用冷轧带钢，铁素体平均晶粒尺寸为4～4.5μm，渗碳体尺寸为0.3μm以下，球化率95％以上；平均硬度为256～280hv；无半脱碳层，无晶界氧化层；宽度方向平直度为不超过宽度的0.5％。该发明退火次数多，成本高，低温韧塑性差，不适合低温环境使用。

6、上述现有技术提及的钢种及生产方法均存在一定缺陷，不适于加工低温环境作业工具需求。

技术实现思路

1、本发明提供了一种耐寒工具钢及其生产方法。采用本发明生产的工具钢，热处理后-40℃低温环境下，硬度55hrc以上，屈服强度600mpa以上，冲击功30j以上，表面晶间氧化深度不超过20μm，低温环境下耐磨性和冲击韧性优异，使用寿命明显提升。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种耐寒工具钢，钢中化学成分按重量百分比计为：c 0.30％～0.60％、si≤0.5％、mn0.4％～1.5％、cr 0.5％～2.0％、mo 0.5％～2.0％、ni 0.5％～1.5％、v 0.05％～0.5％、al 0.02％～0.5％、n 0.003％～0.005％、ca 0.0005％～0.005％，si不为零，杂质元素b≤0.0008％、p≤0.020％、s≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质。其中，100≤c/n≤150。

4、以下详细阐述本发明的结构用钢各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：

5、c是钢中主要的固溶强化元素，且本发明中需足量的c也n结合抑制表面脱碳和晶间氧化，c含量若低于0.38％，则很难保证钢板强硬性，另一方面c含量若高于0.60％，则强度过高，恶化钢的韧塑性，影响屈强比，成型性不好。因此，c含量要控制在0.30％～0.60％。

6、mn价格相对便宜，是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素。锰和铁能无限固溶形成固溶体，提高硬度和强度，对塑性的影响相对较小。mn与s结合形成mns，避免晶界处形成fes而导致的热裂纹影响工具钢的热成形性。同时mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。钢中mn含量低，不能满足高强硬性的要求，mn含量过高偏析严重，影响焊接性能和成型性，且增加生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，mn含量应该控制在0.4％～1.5％。

7、si是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，si是铁素体形成元素，非碳化物形成元素，si固溶在铁素体中提高淬透性和耐回火性能，提高强度和硬度，改善耐磨性能，显著提高弹性极限、屈服强度和屈强比，并提高疲劳强度，延长钢的使用寿命。si含量超过0.5％会促使工具钢表面脱碳氧化，形成疏松的氧化层及晶间氧化等微裂纹缺陷，严重影响疲劳性能。si≤0.5％。

8、mo细化钢的晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。在工具钢中可提高红硬性，抑制合金钢由于回火脆性。使a3和a1温度升高，gs线向左上方移动，钼为中强碳化物形成元素。mo0.5～2.0％。

9、cr为中强碳化物形成元素，本发明加cr后形成的碳化物，降低珠光体中碳浓度，减小枝晶末端碳等其他元素的微观偏析，从而抑制成品钢板微观偏析，提高珠光体球化率，提高低温韧塑性。cr还显著提高强度、硬度和耐磨性，提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，使a3和a1温度升高，gs线向左上方移动，减缓a分解，提淬透性；抗氧化提表面质量，提回火稳定性，高硬度，提高耐磨性。本发明cr与c\n共同作用，提高耐腐蚀性和抗高温氧化性，改善表面质量。cr0.5～2.0％。

10、v高温固溶提淬透性；形成vc，高熔点、高硬度、高弥散度碳化物、强烈提耐磨性；细化晶粒，提屈强比，提回火稳定性；降低脱碳敏感性，抑制晶间氧化，提升表面质量。

11、v 0.05％～0.5％.

12、ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。ni扩大γ相区，ni不形成碳化物而全部进入奥氏体，形成无限固溶体，在α铁中的最大溶解度约10％，固溶强化及提高淬透性。本发明ni与mo、v共同作用，抑制大片状珠光体形成，珠光体团均匀细小，最大直径不超过20μm，得到硬而细的珠光体，珠光体片层间距≤0.3μm。细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。ni 0.5％～1.5％。

13、n一般认为n是有害元素，钢中n越低越好。这是因为，当钢中溶有过饱和的氮，放置较长一段时间或随后在200～300℃加热或退火时，钢中氮与合金元素会以氮化物形式的析出，通常认为，生成的氮化物是非金属夹杂物，影响钢的韧塑性，且降低了合金元素的作用。本发明采用含n的成分设计，在冶炼连铸时，通过结晶器在连铸坯壳附近通入0.003％以上含量的n，使其大量溶入铸坯表面a体中，减少碳扩散，抑制铸坯表面的脱碳和晶间氧化，从而提升钢板表面质量。另一方面，本发明利用n强烈的a体形成作用，生成大量γ相，减小晶粒粗化倾向，显著阻碍a晶粒粗化，细化晶粒，改善钢的低温韧性和焊接性能。本发明限定了100≤c/n≤150，才能保证n抑制铸坯表面的脱碳和晶间氧化作用和细化晶粒作用，从而改善钢的低温韧塑性。

14、p和s都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的p和s含量尽可能降低。本发明最高p含量限制在0.020％，最高s含量限制在0.010％。硫在钢中以cas、caals形式存在，减小形成热脆性差的mns倾向，rh真空处理时间不小于20分钟，促进cas、caals等上浮，减少夹杂，改善低温韧性。p：≤0.025％、s：≤0.010％。

15、b作为提高淬硬性元素，可明显提高钢板淬硬性。但硼太活泼，冶炼很难控制，高n钢中如果硼含量高，形成大量bn化合物，推迟奥氏体再结晶，提高钢的奥氏体化温度，产生硼脆现象铸坯开裂。因此，本发明的高n钢控制钢水中硼含量小于0.0008％。

16、al用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别能降低钢的脆性转变温度；al是非碳化物形成元素，能提高钢的抗氧化性能，抑制表面氧化脱碳，提高表面质量。al 0.02％～0.5％。

17、ca作为微合金化元素，能细化晶粒，部分脱硫，改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能，提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。工具钢碳较高，钢水流动性差，夹杂物不易上浮，本发明加钙，改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，加快钢水流动，促使夹杂物上浮充分，提高钢质纯净度，成品钢中各类非金属夹杂不超过1.5级，而且改善钢表面光洁度,消除组织的各向异性，改善低温韧性，延长使用寿命。ca 0.0005％～0.005％。

18、一种耐寒工具钢的生产方法，包括：

19、1)冶炼工艺：本发明的钢板由转炉冶炼、lf电炉精炼，rh真空处理，浇注的连铸坯轧制而成，铸坯厚度170～250mm；转炉出钢前钢水0.3％≤c≤0.50％；采用lf电炉精炼，精炼硫含量≤0.010％，rh真空处理20分钟以上；连铸采用轻压下和结晶器电磁搅拌，电磁搅拌电流300～700a,频率2.2～2.9hz，同时加n调整钢水n含量，结晶器冷却水动态水量80～160l/min,使用专用结晶器保护渣浇注,结晶器钢水液位750～850mm，过热度20～30℃；连铸拉速0.8～1.4m/min，二冷水量0.15～0.35l/kg，铸坯表面温度偏差不大于10℃，等轴晶率50％以上，控制柱状晶末端合金液态微偏析；

20、2)铸坯处理工艺：铸坯热送热装，铸坯入步进式加热炉前温度500℃以上；加热炉采用弱还原性气氛，在炉总时间3～4小时；

21、3)轧制工艺：粗精轧前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30mpa，保证钢板表面质量；粗轧每道次压下率15％～35％，温度1000～1250℃，钢带全长每道次轧制温度差≤30℃；精轧每道次压下率≤30％，轧制温度800～1100℃，钢带全长每道次轧制温度差≤20℃；

22、4)冷却工艺：钢板出精轧机后进入层冷冷却，均匀冷却，冷却速度10～50℃/s，冷却到500～700℃卷取，以3～10℃/h冷速缓慢冷到200℃以下；得到细片状珠光体+球化珠光体混合组织，珠光体团直径≤40μm，珠光体片间距≤0.3μm，球化比例不低于20％。

23、5)热处理工艺：钢带不进行退火处理，直接开平，分切，加工各类刃具、工具工件。

24、加工后的工件加热到760～880℃油淬，300～400℃回火调质处理，得到细小马氏体组织，板条束最长20μm，m-a岛最大3μm。

25、本发明采用转炉冶炼、lf电炉精炼，rh真空处理；转炉出钢前钢水0.3％≤c≤0.50％，保证精钢连铸后铸坯中碳含量均匀，无宏观偏析；采用lf电炉精炼，精炼硫含量≤0.010％以后添加ca，改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，rh真空处理时间不小于20分钟，促进cas、caals等上浮，减少夹杂，提高钢质纯净度，成品钢中各类非金属夹杂不超过1.0级，而且改善钢表面光洁度,消除组织的各向异性，改善低温韧性；连铸采用轻压下和结晶器电磁搅拌，电磁搅拌电流300a～700a,频率2.2～2.9hz，同时通氮气，调整钢水n含量，使其大量溶入铸坯表面a体中，减少碳扩散，抑制铸坯表面的脱碳和晶间氧化，从而提升钢板表面质量，改善钢的低温韧性。由于本发明采用高n的成分设计，为避免n和b产的硼脆，控制转炉钢水b≤0.0008％。

26、结晶器动态水量80～160l/min,使用专用结晶器保护渣浇注，结晶器液位750～850mm，过热度20～30℃，控夹杂和偏析，同时连铸拉速0.8～1.4m/min，二冷水量0.15～0.35l/kg，保证铸坯表面温度偏差不大于10℃，铸坯冷速均匀，组织均匀，轧制后同卷带钢强度差≤50mpa，同卷硬度差≤5hrb。等轴晶率50％以上，控制柱状晶末端合金液态微偏析。

27、铸坯热送热装，采用步进式加热炉加热，要求铸坯入加热炉前温度500℃以上，减小铸坯表面温差。加热炉采用弱还原性气氛，保证铸坯表面质量，避免氧化脱碳。

28、粗精轧前均采用高压水除鳞，高压水压力不小于30mpa，保证钢板表面质量。粗轧每道次压下率15％～35％，温度1000～1250℃，保证钢带全长每道次轧制温度差≤30℃，组织性能均匀。精轧每道次压下率≤30％，轧制温度800～1100℃，保证钢带全长每道次轧制温度差≤20℃，组织性能均匀，同卷抗拉强度差距≤50mpa，同卷硬度差≤5hrb。

29、钢板出精轧机后进入层冷冷却，均匀冷却，冷速10～50℃/s，冷却到500～700℃卷取，以3～10℃/h冷速缓慢冷到200℃以下，得到细片状珠光体+球化珠光体混合组织，珠光体团直径≤40μm，珠光体片间距≤0.3μm，球化比例不低于20％，热轧板加工成型性优异，钢带加工前无需退火处理，直接开平，分切，加工各类刃具、工具。加工的成品件加热到760～880℃油淬，300～400℃回火调质处理，得到细小马氏体组织，板条束最长20μm，m-a岛最大3μm，-40℃硬度55hrc以上，屈服强度600mpa以上，冲击功30j以上，低温环境下耐磨性和冲击韧性优异，使用寿命明显提升。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、按上述化学成分和工艺生产的钢板，用cr\mo\ni\v\n合金化，同时控制铸坯加热、粗精轧除鳞压力、轧制温度、压下率、冷速、卷取温度等工艺参数，得到细片状珠光体+球化珠光体混合组织，珠光体团直径≤40μm，珠光体片间距≤0.3μm，球化比例不低于20％，钢板表面光洁，表面晶间氧化深度不超过20μm，同卷抗拉强度差≤50mpa，同卷硬度差≤5hrb；热处理后得到细小马氏体组织，板条束最长20μm，m-a岛最大3μm，-40℃低温环境下，硬度55hrc以上，屈服强度600mpa以上，冲击功30j以上，低温环境下耐磨性和冲击韧性优异，使用寿命明显提升。