專利名稱：一種鈣處理釩－氮－鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微合金非調(diào)質(zhì)鋼及其制備工藝，特別涉及一種一種鈣處理釩-氮-鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼及其制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著家電、通訊、汽車及儀表等工業(yè)的高速發(fā)展，塑料制品表面光潔度要求越來越高，相應(yīng)地模具型腔表面拋光性能要求越來越高。這就要求用作模具型腔的材料硬度相應(yīng)提高，因?yàn)橛捕仍礁?，拋光性能越好。與此同時(shí)，和型腔相配合的模架的硬度也要提高，以提高耐磨性。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外均使用軋態(tài)或者正火中碳鋼S50C～S55C制造模架。其使用硬度為VHN160～200，抗拉強(qiáng)度為610～700MPa。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，切削加工容易。缺點(diǎn)是硬度偏低，耐磨性差，焊補(bǔ)性能差，耐大氣腐蝕性差，不能夠滿足日益發(fā)展的模具工業(yè)的需要。為了提高模架的硬度，用戶經(jīng)常需要對(duì)S50C～S55C進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使硬度提高到VHN230～280。但由于該類鋼的淬透性差，無法使厚100mm以上的大截面模塊心部淬透，從而無法保證心部獲得VHN230以上的硬度。同時(shí)，熱處理會(huì)增加變形和開裂傾向，而且使制造成本每噸增加至少500元。此外，這類中碳鋼由于碳含量在0.50％左右，冶煉澆鑄過程產(chǎn)生較嚴(yán)重的碳偏析，使心部出現(xiàn)硬點(diǎn)，嚴(yán)重影響切削加工性能。釩微合金化非調(diào)質(zhì)鋼自上世紀(jì)70年代開始已經(jīng)在汽車等領(lǐng)域中獲得了越來越多的應(yīng)用，但主要用于結(jié)構(gòu)件，用來取代S45C和40Cr等調(diào)質(zhì)鋼。通常在鋼中加入0.05～0.20％釩，并輔以氮微合金化，可使鋼在熱加工后空冷過程中產(chǎn)生V(C，N)析出相，從而提高鋼的強(qiáng)度。日本特許廳公開特許公報(bào)，昭和59-136420報(bào)道了用于螺栓冷加工的非調(diào)質(zhì)鋼0.35～0.50％C，0.15～0.35％Si，0.50～1.50％Mn，0.05～0.20％V，0.006～0.02％N。要求熱加工后在500～700℃的冷速為10～100℃/min才能保證硬度VHN200～260，進(jìn)一步冷加工后的硬度為VHN220～280。該冷速的下限相當(dāng)于厚35mm板坯表面空冷速度，但高于空冷時(shí)板坯心部冷速。該專利只適合于制造厚度，或者直徑35mm以下的零件。
JP78091/93報(bào)道了用于汽車零件的非調(diào)質(zhì)鋼0.15～0.40％C，0.90～1.30％Si，1.2～3.0％Mn，0.10～0.50％Cr，0.03～0.10％S，0.05～0.50％V，0.008～0.02％N。如此高的硅和錳含量，是為了獲得貝氏體+殘余奧氏體組織，具有強(qiáng)烈的加工硬化能力，切削加工性比較差。該鋼在熱加工后要求250～650℃時(shí)效，以使殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，并消除應(yīng)力。添加了0.03～0.10％S，以改善切削加工性能。如此高的硫含量會(huì)導(dǎo)致中心偏析，影響鋼的組織和硬度分布的均勻性，因此不適合制造大截面板坯，特別是塑料模具板坯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提高模具鋼的硬度并同時(shí)保持良好的切削加工性、提高其截面組織的均勻分布性、提高其焊接性能、提高其耐腐蝕性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的發(fā)明思路是提供一種鈣處理釩-氮-鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，本發(fā)明擬采用碳、錳、硅、鉻、釩和氮等合金元素的匹配設(shè)計(jì)，并施行鈣處理，在熱加工后控制冷卻獲得必需的組織和硬度。鈣處理的一般目的是為了控制夾雜物形態(tài)和組成，改善韌性和切削加工性能。在本發(fā)明鋼中，鈣處理有特殊的作用。本發(fā)明鋼板坯在熱加工后的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體除了改善韌性外，還可以改善切削加工性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種鈣處理釩-氮-鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，其元素組成包括Fe、C、Mn、Si、V、Cr、N、S、Ti，其特征是組成元素還包括有微量Ca，各元素的重量配比為C0.25～0.40％Mn1.0～1.70％Si0.30～0.70％V0.05～0.20％Cr0.30～2.0％Ti0.005～0.0250％N0.0080～0.02％S0.005～0.025％Ca0.0005～0.0050％其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)一種鈣處理釩-氮-鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼制備工藝為根據(jù)上述合金設(shè)計(jì)方案，鋼的均熱溫度1220～1280℃，1150～1200℃開軋，終軋溫度950～1050℃。鋼在熱加工后先空冷至500℃，然后堆冷。即可以獲得沿截面均勻分布的鐵素體+珠光體組織及硬度VHN220～280。
本發(fā)明的有益效果是由于厚100mm以上板坯心部存在不可避免的碳、錳偏析，獲得鐵素體組織的能力比表面低，導(dǎo)致心部有時(shí)出現(xiàn)全珠光體，對(duì)硬度分布的均勻性和切削加工性不利。本專利發(fā)現(xiàn)，含鈣硫化物能夠誘導(dǎo)鐵素體相變。而心部往往存在較多的硫化物，對(duì)鐵素體相變的誘導(dǎo)作用更明顯。因此，在施行鈣處理情況下，可以使厚板坯心部仍然獲得部分鐵素體組織，從而改善硬度和組織分布的均勻性及鋼的切削加工性能。
以下是有關(guān)本發(fā)明鋼的合金成分設(shè)計(jì)和熱加工工藝說明C0.25～0.40％，是保證獲得硬度VHN230以上，而組織為鐵素體+珠光體的重要元素。太低，先共析鐵素體太多，不能保證所需要硬度。太高，由于在冶煉澆鑄過程產(chǎn)生的偏析，會(huì)導(dǎo)致成品板坯中心偏析，無法形成鐵素體+珠光體組織，而形成屈氏體組織，降低鋼的切削加工性能和韌性。
Mn1.0～1.70％，是保證獲得硬度VHN230以上，同時(shí)獲得鐵素體+珠光體組織的重要元素。太低，無法保證上述硬度。太高，由于在冶煉及澆鑄過程產(chǎn)生偏析，使板坯中心無法獲得珠光體組織，而獲得屈氏體組織，降低鋼的切削加工性能和韌性。
Si0.30～0.70％，是既能有效提高鐵素體分?jǐn)?shù)，又能提高硬度的元素。由于促進(jìn)鐵素體形成，Si能夠有效平衡由于鉻和錳的加入導(dǎo)致的鐵素體分?jǐn)?shù)的減少。而適當(dāng)分?jǐn)?shù)的鐵素體，有助于改善切削加工性能。
V0.05～0.20％。同0.008～0.0250％N相配合，通過V在鍛/軋后從鐵素體中析出碳氮化物，以提高鋼的硬度和強(qiáng)度。
Cr0.30～2.0％。加入鉻，一方面能夠提高鋼的硬度和強(qiáng)度，另一方面能夠改善鋼的耐腐蝕性能。
Ti0.005～0.0250％。微鈦處理對(duì)于非調(diào)質(zhì)鋼在加熱過程中阻止晶粒的長(zhǎng)大有明顯幫助。但其含量不能夠太高，不然TiN顆粒粗大，不僅不能夠阻止晶粒長(zhǎng)大，而且會(huì)損害鋼的切削加工性能。
N0.0080～0.02％％。氮可以同釩、碳一起形成碳氮化釩，在軋后冷卻過程中析出，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。太高的氮?jiǎng)t損害鋼的韌性。
S0.005～0.025％。一定硫含量，可以改善切削加工性能。另外，硫化物，特別是鈣處理硫化物在鋼中可以成為鐵素體形核的非均質(zhì)核心。硫含量太高，則加劇鋼的偏析。
Ca0.0005～0.0050％。鈣處理的目的，一方面是為了控制硫化物形態(tài)，降低偏析，改善韌性和切削加工性。另一方面是獲得含鈣的硫化物，誘導(dǎo)鐵素體相變，從而進(jìn)一步改善切削加工性能和硬度分布。
表1對(duì)比了日本特許廳公開特許公報(bào)，昭和59-136420專利[1]、JP78091/93專利〔2〕和本發(fā)明鋼的化學(xué)成分及應(yīng)用領(lǐng)域。
表1

同專利[1，2]相比，本專利申請(qǐng)最重要的發(fā)現(xiàn)在于施行了鈣處理。鈣處理使硫化物變性為紡錘狀，而含鈣紡錘狀硫化物能夠成為鐵素體相變的非均質(zhì)核心，誘導(dǎo)厚板坯心部在碳和錳等元素偏析情況下，仍然獲得鐵素體組織，從而改善硬度和組織分布的均勻性及切削加工性能。這對(duì)于厚板坯的塑料模具鋼而言至關(guān)重要。相反，未經(jīng)過鈣處理的硫化物沒有這種作用。此外，本專利申請(qǐng)還在下列方面有不同之處。
同專利[1]比較，本發(fā)明鋼的硅含量較高，有利于促進(jìn)心部鐵素體組織的形成。同時(shí)本發(fā)明鋼進(jìn)行了微鈦處理，有利于控制均熱過程中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。圖6顯示本發(fā)明鋼0.30％C，0.50％Si，1.40％Mn，0.017％P，0.012％S，0.38％Cr，0.013％N，0.020％Al，0.010％Ti，0.0025％Ca在熱加工狀態(tài)下的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線.可以看出，在冷速0.05～0.5℃/s范圍內(nèi)，本發(fā)明鋼均發(fā)生鐵素體-珠光體相變，而硬度受冷卻速率的影響較小，為VHN250左右。必須說明的是，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，厚35～500mm板坯表面到心部在空冷條件下的冷卻速率全在該范圍內(nèi)。這說明，本專利申請(qǐng)能夠制造厚35～500mm板坯，在先空冷，后堆冷條件下獲得VHN220～280硬度，組織和熱應(yīng)力小，從而滿足高檔次模架用塑料模具鋼的需求。而按照專利[1]的成分設(shè)計(jì)，在空冷條件下，無法保證厚35mm以上板坯心部獲得VHN220以上的硬度。如使用風(fēng)冷，獲得所要求的冷速，則導(dǎo)致表面和心部的硬度差距加大，同時(shí)，增加冷卻應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致厚板坯在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)變形，甚至開裂。同專利[2]相比，本發(fā)明鋼的硅含量低，而且組織為鐵素體+珠光體，同時(shí)硬度也較低。
而專利[2]依靠高硅和錳含量獲得貝氏體+殘余奧氏體組織。另一個(gè)不同之處在于本發(fā)明鋼的硫含量為0.005～0.025％，比專利[2]報(bào)道的0.03～0.10％低。太高的硫含量，難于保證硫化物變性成為紡錘狀，從而失去了對(duì)鐵素體相變的促進(jìn)作用。


圖1為本發(fā)明1#鋼的層面硬度分布2為本發(fā)明2#鋼的層面硬度分布3為S48C鋼種的層面硬度分布4為本發(fā)明2#鋼金相組織圖，×100圖5為S48C鋼種金相組織圖，×100圖6為本發(fā)明1#鋼芯部金相組織圖，×400圖7銑削本發(fā)明鋼和S48C鋼的后刀面磨損量8焊補(bǔ)本發(fā)明鋼和S48C鋼時(shí)從母體到焊縫的硬度變化圖
具體實(shí)施例方式根據(jù)上述合金設(shè)計(jì)思路，在試驗(yàn)室冶煉并鍛造了8爐鋼，澆鑄成100kg鋼錠，其化學(xué)成分如表2所示。將鋼錠鍛造加工成80×150mm試樣，加熱溫度1200～1250℃，開鍛溫度1150℃，終鍛溫度950℃，鍛后分別進(jìn)行空冷和砂冷至室溫。在1/4對(duì)角線部位截取金相樣，進(jìn)行硬度測(cè)定，結(jié)果如表2所示。之所以分空冷和砂冷，主要是考察所設(shè)計(jì)鋼的硬度對(duì)冷卻速率的敏感性。
表2 試驗(yàn)室冶煉的化學(xué)成分，wt％

從表2可以看出，設(shè)計(jì)的1～4號(hào)鋼，其鉻含量為0.30～0.40％，硬度為VHN220～245，5～8號(hào)鋼，其鉻含量為1.20～1.60％，硬度為VHN245～280。另外，空冷比砂冷硬度普遍偏高僅10VHN左右，差距不大，說明設(shè)計(jì)鋼對(duì)冷卻速率不敏感。這預(yù)示用這些成分設(shè)計(jì)的板坯，硬度沿截面分布的均勻性好。它們的顯微組織均為鐵素體+珠光體，其中1～4號(hào)鋼鐵素體份數(shù)在30～50％，而5～8號(hào)鋼為20～40％。Ca處理，可以增加鐵素體含量。
根據(jù)上述成分設(shè)計(jì)原則及試驗(yàn)室小爐煉鋼工作，進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)，板坯厚度230mm，其化學(xué)成分如表3所示。熱加工工藝為1200～1280℃均熱，1150～1200℃開軋，950～1050℃終軋，軋后空冷至500℃再堆冷。剖析了板坯1/2寬度-1/2厚度截面的硬度分布，并同150mm厚的軋態(tài)交貨的S48C進(jìn)行了對(duì)比，如圖1、圖2、圖3所示。
表3 工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)的本發(fā)明鋼的化學(xué)成分，wt％

本發(fā)明鋼所有測(cè)試部位的硬度均高于VHN220，其中1#發(fā)明鋼硬度更高，均在VHN240以上，平均比S48C鋼高70VHN以上。另外，本發(fā)明鋼硬度分布的均勻性比S48C鋼好。組織分析表明，整個(gè)截面組織均為鐵素體+珠光體，本發(fā)明鋼的組織比S48C鋼細(xì)小得多，而且鐵素體分?jǐn)?shù)更多(參見圖4、圖5)。這同微鈦處理的晶粒細(xì)化和含鈣硫化物對(duì)鐵素體相變的促進(jìn)作用有關(guān)(圖6)。圖6清楚地顯示，鈣促進(jìn)硫化物球化，而球化后的硫化物可以成為鐵素體形核的核心，誘導(dǎo)鐵素體相變。這對(duì)于塑料模具鋼特厚板坯而言，尤其具有重要意義。由于厚板坯中心容易產(chǎn)生碳、錳等偏析，不利于獲得鐵素體組織，鈣變性硫化物的出現(xiàn)，使心部在偏析情況下，仍然能夠獲得鐵素體組織，從而改善了組織和硬度分布的均勻性及切削加工性能。
2#發(fā)明鋼的組織同1#鋼類似，只不過鐵素體分?jǐn)?shù)多10～20％左右。
進(jìn)行了銑削加工試驗(yàn)，以比較發(fā)明鋼1#和對(duì)比鋼S48C的切削加工性能。兩種試驗(yàn)鋼的硬度分別為VHN250和VHN195。所用銑刀為M2高速鋼，直徑16mm。切削參數(shù)為切削深度3mm、進(jìn)刀量0.067mm/rev、切削速度37.5m/min。測(cè)量切削過程中的后刀面磨損，作為評(píng)價(jià)切削性能的指標(biāo)。后刀面磨損越大，加工性能越差。從試驗(yàn)結(jié)果(圖7)看，銑削本發(fā)明鋼1#和S48C鋼的后刀面磨損量相當(dāng)，表明兩者的切削性能接近。
盡管本發(fā)明鋼比S48C鋼的硬度高，但前者的鐵素體份數(shù)較多，而且晶粒更細(xì)，因此有利于改善加工性能。另外，適當(dāng)提高的硫含量也有利于切削加工性能。在使用或者裝配過程中，模架會(huì)發(fā)生磨損，或者損壞。這時(shí)就需要對(duì)模架進(jìn)行焊補(bǔ)。焊補(bǔ)時(shí)，焊接部位模架的硬度不可避免會(huì)提高。對(duì)使用者而言，焊補(bǔ)性能中最關(guān)心的是焊補(bǔ)后硬度的升高情況。希望該硬度不要提高太多，不然會(huì)給后續(xù)的磨削及其它加工帶來不便。焊補(bǔ)性能可以用焊補(bǔ)后母體到焊縫的硬度變化情況來表示。使用J707Ni焊條在室溫下進(jìn)行焊補(bǔ)試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼為本發(fā)明鋼和S48C，它們的硬度分別為VHN250和VHN195，尺寸為40×150×200mm。
焊接時(shí)，既不進(jìn)行預(yù)熱，也不進(jìn)行焊后熱處理。測(cè)量焊補(bǔ)后母體到焊縫的硬度變化，如圖8所示?？梢姡秆a(bǔ)S48C時(shí)，其硬度的提高程度明顯比焊補(bǔ)本發(fā)明鋼高。前者在焊補(bǔ)后焊縫的最高硬度為HRC62，而后者僅為HRC48。另外，焊補(bǔ)前者的硬化層比焊補(bǔ)后者深。該結(jié)果表明，本發(fā)明鋼的焊補(bǔ)性能比S48C更好。
綜上所述，同現(xiàn)有中碳鋼相比，用本發(fā)明鋼作塑料模具的模架，使模架的硬度從VHN160～200提高到VHN220～280，其耐磨性改善，另外焊補(bǔ)性能和耐大氣腐蝕性能也得到改善。同時(shí)切削加工性能維持類似水平。
權(quán)利要求
1.一種鈣處理釩-氮-鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，其元素組成包括Fe、C、Mn、Si、V、Cr、N、S、Ti，其特征是組成元素還包括有微量Ca，各元素的重量配比為C0.25～0.40％Mn1.0～1.70％Si0.30～0.70％V0.05～0.20％Cr0.30～2.0％Ti0.005～0.0250％N0.0080～0.02％S0.005～0.025％Ca0.0005～0.0050％其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.一種權(quán)利要求1所述鈣處理釩-氮-鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼的制備工藝，其特征是根據(jù)上述合金設(shè)計(jì)方案，鋼的均熱溫度1220～1280℃，于1150～1200℃開軋，終軋溫度950～1050℃，鋼在熱加工后先空冷至500℃，然后堆冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微合金非調(diào)質(zhì)鋼及其制備工藝，特別涉及一種鈣處理釩—氮—鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼及其制備工藝。解決了已有釩微合金化非調(diào)質(zhì)鋼無法在大截面的情況下保證內(nèi)部硬度及組織均勻性的缺陷。技術(shù)解決方案是一種鈣處理釩—氮—鈦微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，其元素組成包括Fe、C、Mn、Si、V、Cr、N、S、Ti、Ca，各元素的重量配比為C0.25~0.40％、Mn1.0~1.70％、Si0.30~0.70％、V0.05~0.20％、Cr0.30～2.0％、Ti0.005~0.0250％、N0.0080~0.02％、S0.005~0.025％、Ca0.0005~0.0050％、其余為不可避免的雜質(zhì)。制備工藝為根據(jù)上述合金設(shè)計(jì)方案，鋼的均熱溫度1220~1280℃，1150～1200℃開軋，終軋溫度950~1050℃，鋼在熱加工后先空冷至500℃，然后堆冷。主要用于制造耐大氣腐蝕、切削加工性能好、較厚的硬度為VHN220~280塑料模具模架。
文檔編號(hào)C22C38/28GK1502715SQ0214536
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者江來珠, 華蔚, 閻啟, 李建業(yè) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司