一种免退火使用高碳合金工具钢大盘卷的控轧控冷工艺

技术领域

本发明属于工具钢轧制技术领域，涉及一种免退火使用高碳合金工具钢大盘卷的控轧控冷工艺。

背景技术

工具钢是用于制造扳手、刀具、钻头、丝锥、量具、锯片等工具类产品的钢，特殊的用途要求其具有较高的硬度和耐磨性能，并保持一定的韧性。根据不同的化学成分，工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三大类，其中合金工具钢用途广泛。合金工具钢通常是指在碳素钢的基础上加入铬、钼、钨、钒、铌等合金元素，以提高其硬度、耐磨性、耐热性、韧性和淬透性的一类钢种。目前，国内常用合金工具钢多数都是中碳钢或高碳钢，碳含量主要集中在0.40％～0.80％，其中碳含量的0.60％以上的通常被称为高碳合金工具钢。由于高碳合金工具钢具有更高的硬度和耐磨性，且淬透性更好，目前已成为制造高档次六角扳手的主流材料，而热轧棒线材则成为工具钢的主要产品形态。

高碳合金工具钢由于碳含量较高，为了提高硬度和耐磨性能，硅、铬含量也较高，化学成分决定了其热轧状态金相组织易存在马氏体、贝氏体等低温组织，降低材料塑性；另一方面，高碳高硅造成钢的脱碳敏感性显著上升，在棒线材轧制过程中的加热和轧后冷却过程中极易产生脱碳，而工具钢对脱碳的要求又较为严格；因此，金相组织和脱碳的控制一直是钢厂轧制工具钢棒线材的难点，该问题也限制了下游用户的加工工艺，由于热轧棒线材塑性较差，直接进行拉拔、冷弯等加工会造成材料开裂或断裂，因此下游用户在加工前必须进行1～2次退火处理，而退火的过程也易产生脱碳。CN202010267215.5一种降低高碳合金工具钢盘条脱碳层深度的控轧控冷工艺，通过科学的控轧和控冷组合，有效抑制了两相区脱碳，全程低温加热方案，金相组织中易存在马氏体组织导致材料拉拔和冷弯断裂，无法达到不退火拉拔六角钢丝、冷弯成型的应用效果，尤其是对于具有更高的Cr、Si含量，元素偏析问题更严重的方案，该方案更难以适用。并且其使用的是精轧设备均为二辊轧机，采用二辊轧机+吐丝机生产的适用规格目前行业中不会超过Φ26.0mm，其轧后控冷采用的是吐丝+斯太尔摩控冷线，控冷方案是先用水雾风机快速冷却之后盖保温罩缓冷的先快后慢的组合冷却方案，主要解决的是脱碳的问题，同时可以减少马氏体的析出，但无法达到获得珠光体的效果。CN201911311641.8一种热轧高碳钢的生产方法，产品为热轧钢板，钢种为高碳碳素钢，该产品形态和钢种条件下，只要采用常规轧制工艺就能获得珠光体，而不同于产品为热轧大盘卷，钢种为高碳合金钢的生产工艺。产品形态和钢种类型上的差异导致获得珠光体组织的难度完全不一样。产品为热轧大盘卷，钢种为高碳合金钢的生产工艺条件下采用常规工艺金相组织中必然存在马氏体组织，导致无法不退火拉拔和冷弯成型。在高碳合金工具钢轧制领域，如何获得珠光体组织属于本领域的技术难题。

综上所述，开发一种合适的控轧控冷工艺，改善高碳合金工具钢热轧棒线材金相组织和脱碳，提高材料塑性，免去退火工序降低脱碳风险，满足下游用户不退火拉拔六角钢丝、冷弯成型的加工需求，是目前钢厂亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明通过在大盘卷轧线控轧控冷工艺的创新应用，使热轧高碳合金工具钢大盘卷获得珠光体组织，塑性大幅度提升，同时保证了脱碳层深度符合要求，满足了下游用户不退火拉拔六角钢丝、冷弯成型的加工，实现了高碳合金工具钢大盘卷的免退火使用。

一种免退火使用高碳合金工具钢大盘卷的控轧控冷工艺，控轧控冷工艺和化学成分，下面对本发明的大盘卷控轧控冷工艺做详细叙述。

控轧控冷工艺：

轧制工艺流程为连铸坯加热—粗中轧—预精轧—精轧—热卷取—保温隧道控冷—打捆。

连铸坯加热：

连铸坯采用蓄热式加热炉加热，连铸坯断面为160mm*160mm，加热炉分为预热一段、预热二段、加热段、均热段；加热温度在900～1200℃，其中预热一段温度900～950℃，预热二段温度1000～1050℃，加热段温度1150～1200℃，均热段温度1000～1050℃。其中加热段使用1150～1200℃的高温加热，是为了有利于后续获得珠光体金相组织。该加热方案既可以保证扩散效果，又可以减少脱碳，同时实现了钢经高温扩散后温度较低，为后续轧制温度提供条件。

粗中轧和预精轧：

粗中轧和预精轧机组采用平立交替式二辊轧机轧制，将加热后的钢坯轧制成中间轧件；其中粗中轧机架数为14架，预精轧机架数为4架，粗中轧和预精轧机组轧制温度在900～980℃。粗中轧和预精轧为基础变形阶段，仅需保证全程轧制温度符合要求即可。

精轧：

精轧机组采用5架三辊轧机将中间轧件轧至成品规格，精轧机组轧制温度在800～840℃。5架三辊轧机间冷却水开启，抑制轧件温升，降低轧件温差，确保控轧效果。大盘卷适用规格为Φ25.0～42.0mm。

热卷取：

轧制结束后的大盘卷使用热卷取机卷曲收集，卷曲温度在700～730℃，之后立即转运至保温隧道控制冷却。减少热卷取至保温隧道的作业时间，控制大盘卷温降≤50℃。卷曲温度直接影响钢后续的金相组织转变。

保温隧道控冷：

大盘卷进入保温隧道的温度控制在650～680℃，大盘卷采用间隔下线的方式进入保温隧道，即每件大盘卷之间设置一个空步，保温隧道保温罩全部开启，调节保温隧道步进节奏，确保大盘卷在保温隧道的时间为30～40min，冷却速率0.20～0.22℃/s，大盘卷出保温罩温度控制在＜200℃。本发明轧后控冷采用的是热卷曲+保温隧道，控冷方案是全程缓冷，提高保温冷却时间，主要解决钢的相变问题，使钢获得珠光体组织，避免马氏体的析出，在实现组织控制目的同时有效抑制脱碳。

打捆：

控冷结束后的大盘卷转运至打捆机打捆，打捆温度＜100℃，采用钢带打捆机，打捆压力10～15吨。

化学成分：

本发明所述免退火使用高碳合金工具钢大盘卷的主要化学成分范围按重量百分数计为C：0.69～0.75％，Si：1.40～1.60％，Mn：0.50～0.70％，Cr：1.00～1.20％，Ni:0.10～0.20％，V:0.15～0.20％，Al:0.015～0.030％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cu≤0.20％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明的高碳合金工具钢碳含量达到0.7％水平，Si含量超过1.40％，Cr含量超过1.0％，另外加入了Ni、V两个微合金元素，同时添加了少量的Al，该成分设计可以有效的提高材料的硬度和耐磨性能，并且获得较高的淬透性，可以保证下游的加工需求，又能满足高档次六角扳手的产品要求。其他元素作为残余或有害元素控制。

本发明通过在大盘卷轧线控轧控冷工艺的创新应用，使热轧高碳合金工具钢大盘卷获得珠光体组织，塑性大幅度提升，同时保证了脱碳层深度符合要求，满足了下游用户不退火拉拔六角钢丝、冷弯成型的加工，实现了高碳合金工具钢大盘卷的免退火使用。

附图说明

图1为实施例1生产的盘条金相组织图。

图2为实施例2生产的盘条金相组织图。

图3为对比例1生产的盘条金相组织图。

图4为对比例2生产的盘条金相组织图。

图5为对比例3生产的盘条金相组织图。

具体实施方式

本发明：免退火使用高碳合金工具钢大盘卷70SiCrV的具体化学成分如下：

Wt，％

盘条制备工艺流程：转炉初炼—RH真空精炼—钢坯连铸—开坯轧制—盘条轧制—盘条控冷。

本发明大盘卷适用规格为Φ25.0～42.0mm，实施例以Φ26.0mm规格为例。

实施例1

1、化学成分

化学成分设计按重量百分数计为C：0.70％，Si：1.45％，Mn：0.68％，Cr：1.09％，Ni:0.14％，V:0.16％，Al:0.016％，P:0.010％，S:0.006％，Cu:0.05％，其余为铁和不可避免的杂质。

2、控轧控冷工艺：

轧制工艺流程为连铸坯加热—粗中轧—预精轧—精轧—热卷取—保温隧道控冷—打捆。

连铸坯加热：

连铸坯采用蓄热式加热炉加热，连铸坯断面为160mm*160mm，加热炉分为预热一段、预热二段、加热段、均热段；加热温度在905～1190℃，其中预热一段温度905～940℃，预热二段温度1010～1038℃，加热段温度1160～1190℃，均热段温度1015～1031℃。

粗中轧和预精轧：

粗中轧和预精轧机组采用平立交替式二辊轧机轧制，将加热后的钢坯轧制成中间轧件；其中粗中轧机架数为14架，预精轧机架数为4架，粗中轧和预精轧机组轧制温度在907～969℃。

精轧：

精轧机组采用5架三辊轧机将中间轧件轧至成品规格，精轧机组轧制温度在802～832℃。5架三辊轧机间冷却水开启，抑制轧件温升，降低轧件温差，确保控轧效果。

热卷取：

轧制结束后的大盘卷使用热卷取机卷曲收集，卷曲温度在705～728℃，之后立即转运至保温隧道控制冷却。减少热卷取至保温隧道的作业时间，控制大盘卷温降≤50℃。

保温隧道控冷：

大盘卷进入保温隧道的温度控制在661～670℃，大盘卷采用间隔下线的方式进入保温隧道，即每件大盘卷之间设置一个空步，保温隧道保温罩全部开启，调节保温隧道步进节奏，确保大盘卷在保温隧道的时间为35min，冷却速率0.20℃/s，大盘卷出保温罩温度控制在180℃。

打捆：

控冷结束后的大盘卷转运至打捆机打捆，打捆温度＜100℃，采用钢带打捆机，打捆压力12吨。

实施例2

1、化学成分

化学成分设计按重量百分数计为C：0.75％，Si：1.58％，Mn：0.55％，Cr：1.15％，Ni:0.18％，V:0.19％，Al:0.022％，P:0.012％，S:0.010％，Cu:0.09％，其余为铁和不可避免的杂质。

2、控轧控冷工艺：

轧制工艺流程为连铸坯加热—粗中轧—预精轧—精轧—热卷取—保温隧道控冷—打捆。

连铸坯加热：

连铸坯采用蓄热式加热炉加热，连铸坯断面为160mm*160mm，加热炉分为预热一段、预热二段、加热段、均热段；加热温度在911～1198℃，其中预热一段温度911～949℃，预热二段温度1022～1046℃，加热段温度1158～1193℃，均热段温度1012～1044℃。

粗中轧和预精轧：

粗中轧和预精轧机组采用平立交替式二辊轧机轧制，将加热后的钢坯轧制成中间轧件；其中粗中轧机架数为14架，预精轧机架数为4架，粗中轧和预精轧机组轧制温度在911～972℃。

精轧：

精轧机组采用5架三辊轧机将中间轧件轧至成品规格，精轧机组轧制温度在808～833℃。5架三辊轧机间冷却水开启，抑制轧件温升，降低轧件温差，确保控轧效果。

热卷取：

轧制结束后的大盘卷使用热卷取机卷曲收集，卷曲温度在703～725℃，之后立即转运至保温隧道控制冷却。减少热卷取至保温隧道的作业时间，控制大盘卷温降≤50℃。

保温隧道控冷：

大盘卷进入保温隧道的温度控制在659～668℃，大盘卷采用间隔下线的方式进入保温隧道，即每件大盘卷之间设置一个空步，保温隧道保温罩全部开启，调节保温隧道步进节奏，确保大盘卷在保温隧道的时间为36min，冷却速率0.21℃/s，大盘卷出保温罩温度控制在158℃。

打捆：

控冷结束后的大盘卷转运至打捆机打捆，打捆温度＜100℃，采用钢带打捆机，打捆压力13吨。

对比例1

将实施例1步骤2热卷曲中卷曲温度替换成900～930℃，受卷曲温度调整影响，大盘卷进入保温隧道的温度变为832～870℃，大盘卷出保温罩温度变为405℃，其他条件同实施例1。

对比例2

将实施例1步骤2保温隧道控冷方案替换成“大盘卷进入保温隧道的温度控制在661～670℃，大盘卷采用连续下线的方式进入保温隧道，即每件大盘卷之间不能有空格，保温隧道保温罩全部关闭，调节保温隧道步进节奏，确保大盘卷在保温隧道的时间为35min，冷却速率0.10℃/s，大盘卷出保温罩温度控制在455℃”，其他条件同实施例1。

对比例3

将实施例1步骤2热卷曲及保温隧道控冷方案替换成“轧后采用吐丝+斯太尔摩控冷线控冷，吐丝温度705～728℃，冷却速率0.2℃/s，控冷时间19min，控冷结束下线温度492℃”，其他条件同实施例1。

本发明实施例与对比例生产的高碳合金工具钢大盘卷/盘条(对比例3生产的是盘条)，实施例以Φ26.0mm规格为例。以大盘卷/盘条为原料，经过“酸洗—磷化—拉拔外六角钢丝—冷弯90°成形—车削加工—调质热处理—表面处理”加工工艺，加工成六角扳手。采用不同方案生产的高碳合金工具钢大盘卷/盘条检验及加工六角扳手的使用结果对比如下表1：

表1

采用不同方案生产的高碳合金工具钢大盘卷/盘条金相组织如下图1～图5。