一种高碳易切削钢盘条及其生产方法

1.本发明属于易切削钢及其热处理技术领域，更具体地说，涉及一种高碳易切削钢盘条及其生产方法。


背景技术：

2.易切削钢主要用于制作曲轴、连杆、齿轮制动器和火花塞等汽车零部件。目前，国内外生产及使用最多的易切削钢主要为硫系和硫+铅系易切削钢。硫、铅元素因具有毒性且冶炼、回收熔炼时易造成严重污染，在易切削钢上的应用不断受到限制，各钢铁企业也积极开发无铅、低硫和环保型易切削钢。石墨易切削钢因具有优良的切削性、冷成型性、高疲劳强度和环境友好等多种优点，近年来引起了国内外零部件加工商和冶金学者的广泛关注，其研发思路是将钢中作为渗碳体存在的碳变成易切削相石墨。
3.为能实现工业化规模生产，石墨易切削钢的研究热点主要集中在石墨化时间的缩短上，且在促进石墨化的元素应用(si、al、b等)和热处理工艺改进两个方面进行了深入探索。目前，石墨易切削钢常用的热处理工艺为淬火+石墨化回火工艺，其淬火工艺(如公布号为cn101906597a、cn102660666a、cn100535171c、cn101899555a和cn106947907a等中国发明专利公开的)是将钢加热至全部或部分奥氏体化并保温一段时间，然后以水冷方式快冷至马氏体转变温度以下以控制钢中c原子以过饱和固溶态形式存在，同时保证基体具有较高的晶格畸变能，从而加速后续回火过程c的石墨化进程，有效缩短回火时间。然而，石墨易切削钢热轧盘条在采用现有水淬工艺淬火过程中极易产生不同程度的裂纹，从而导致其产品质量下降和废品率增加，严重影响了其工业化稳定生产。
4.需要说明的是，近年来，本技术的发明人一直致力于石墨易切削钢材料及其制备工艺的研究，并取得了不少研究成果，如中国专利申请号为202110800295.0、202210890492.0的发明专利申请分别公开了一种用于钻孔制锁的高碳高铝钢和一种中碳葫芦锁体材料及其制备方法，但上述方法只适用于生产大断面的石墨易切削钢锁体材料，而当用于生产小断面的石墨易切削钢线材时，则难以保证其热态盘条水淬时内外应力的均匀性以及不会发生开裂。
5.因此，随着人们对机械零部件用环保型石墨易切削钢线材的需求增加，亟待有效解决石墨易切削钢热态盘条的淬火开裂问题，从而实现其产品质量提升，以满足工业化稳定生产要求。


技术实现要素：

6.1、要解决的技术问题
7.本发明的目的在于提供一种高碳易切削钢盘条及其生产方法，从而解决现有石墨易切削钢热轧盘条在淬火过程中易发生开裂，导致产品质量下降的技术难题，大大提高了所得产品的合格率。
8.2、技术方案
9.本发明提供了一种高碳易切削钢盘条，该盘条中的c元素含量为0.60％～1.0％，其金相组织由铁素体和无碳贝氏体组成。目前现有高碳易切削钢盘条由于碳含量较高，在淬火过程中难以有效避免裂纹的产生，从而导致产品质量下降和废品率增加，严重影响了工业化生产的稳定性。本发明的高碳易切削钢盘条的金相组织由铁素体和无碳贝氏体组成，从而可以有效改善高碳易切削钢盘条的塑韧性，并防止淬火过程中裂纹的发生。
10.更进一步的，该盘条还包含如下质量百分比的组分：si：1.60％～2.20％，mn：0.15％～0.35％，al：0.03％～0.50％，si+al：≥2.10％。
11.更进一步的，所述盘条中p：≤0.035％，s：≤0.015％，n：≤0.008％。
12.本发明还提供了上述高碳易切削钢盘条的生产方法，包括热轧、吐丝、斯太尔摩风冷线缓冷和盐淬生产工序。
13.目前现有技术中高碳易切削钢盘条通常都是直接采用热轧-水淬生产工艺，而本技术经热轧、吐丝处理后采用斯太尔摩风冷线进行缓冷处理，之后进行在线盐浴处理，从而既可以充分保证盘条淬火后无有害碳化物析出，又能最大程度削弱盘条淬火过程形成的热应力和组织应力，进而降低盘条淬火过程的开裂倾向，达到减少裂纹废品率，降低生产成本，提高生产效率和产品质量的目的。经盐淬处理后的盘条再进行回火处理，之后还可以根据需要进行其他特殊加工处理。
14.更进一步的，所述吐丝温度控制在a
c3
+30～a
c3
+60℃或a
ccm
+30～a
ccm
+60℃，同时控制吐丝后盘条以≤5℃/s的冷速进行冷却。本发明进一步通过采用高吐丝温度和低斯太尔摩风冷线辊道冷速，从而有利于进一步提高热态盘条冷却时内外组织的均匀性，使内应力短时间快速释放，减轻盘条横截面方向的局部应力集中。
15.更进一步的，待热态盘条在斯太尔摩风冷线上冷却至a
c3-30℃～a
c3
或a
ccm-30～a
ccm
℃时，将其进行等温盐浴处理，盐浴温度为390～450℃，盐浴时间为3～5min。
16.本发明进一步通过对淬火温度和盐浴温度进行优化控制并缩短二者温差，既能有效避免因急冷带来的热应力加剧，又能充分利用铁素体的软相特性弱化盐淬过程产生的组织应力，获得低脆性的铁素体+无碳贝氏体细晶组织，从而避免石墨易切削钢热态盘条盐淬后因内外组织不均和内应力加剧、集中产生裂纹的质量问题。
17.更进一步的，所述盐浴液采用kno3与nano3混合溶液，且kno3与nano3的质量比为1：1。
18.更进一步的，当盘条离开盐浴线并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。
19.更进一步的，所述盘条的直径控制为5.5～13mm，从而可以有效保证确其淬火及回火后横截面组织和切削性能的一致性。
附图说明
20.图1为本发明实施例1盐淬后的低倍形貌；
21.图2为本发明实施例1盐淬后的金相组织；
22.图3为对比例1水淬后的低倍形貌；
23.图4为对比例1水淬后的金相组织；
24.图5为对比例2盐淬后的金相组织；
25.图6为实施例1-4和对比例1-2的淬火盘条表层至心部的硬度值(打点位置从1至6为盘条从表层至中心)。
具体实施方式
26.为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作详细描述。
27.实施例1
28.本实施例的高碳易切削钢盘条，该易切削钢成分按质量百分比为：0.63％c、2.15％ si、0.16％mn、0.032％al、0.031％p、0.012％s、0.0077％n，其余含量为fe和不可避免的杂质。本实施例的高碳易切削钢盘条的生产工艺为：将易切削钢热轧成直径13mm的盘条，盘条吐丝温度控制为910
±
5℃，当盘条进入斯太尔摩风冷线辊道前关闭风机，保温罩盖上，控制冷却速度≤5℃/s，待盘条表面温度降至860
±
5℃时，将其放入450℃的盐浴槽内(kno3：nano3(质量比)＝1：1)等温处理3min，随后将盘条捞出并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。本实施例经盐淬之后样品的低倍形貌和进行组织具体如图1、图2所示。
29.实施例2
30.本实施例的高碳易切削钢盘条，该易切削钢成分按质量百分比为：0.75％c、2.03％ si、0.32％mn、0.11％al、0.028％p、0.008％s、0.0044％n，其余含量为fe和不可避免的杂质。该易切削钢热轧成直径10mm的盘条，盘条吐丝温度控制为895
±
5℃(其a
c3
温度为873℃)，当盘条进入斯太尔摩风冷线辊道前关闭风机，保温罩盖上，待盘条表面温度降至850
±
5℃，将其放入420℃的盐浴槽内(kno3：nano3(质量比)＝1：1)等温处理4min，随后将盘条捞出并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。
31.实施例3
32.本实施例的高碳易切削钢盘条，该易切削钢成分按质量百分比为：0.82％c、1.83％ si、0.28％mn、0.287％al、0.026％p、0.010％s、0.0053％n，其余含量为fe和不可避免的杂质。该易切削钢热轧成直径8mm的盘条，盘条吐丝温度控制为890
±
5℃，当盘条进入斯太尔摩风冷线辊道前关闭风机，保温罩盖上，待盘条表面温度降至855
±
5℃，将其放入390℃的盐浴槽内(kno3：nano3(质量比)＝1：1)等温处理3.5min，随后将盘条捞出并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。
33.实施例4
34.本实施例的高碳易切削钢盘条，该易切削钢成分按质量百分比为：0.97％c、1.67％ si、0.24％mn、0.482％al、0.025％p、0.006％s、0.0061％n，其余含量为fe和不可避免的杂质。该易切削钢热轧成直径5.5mm的盘条，盘条吐丝温度控制为900
±
5℃，当盘条进入斯太尔摩风冷线辊道前关闭风机，保温罩盖上，待盘条表面温度降至845
±
5℃，将其放入420℃的盐浴槽内(kno3：nano3(质量比)＝1：1)等温处理4.5min，随后将盘条捞出并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。
35.对比例1
36.本对比例的一种高碳易切削钢生产方法，该易切削钢化学成分同实施例1，该易切削钢热轧成直径13mm的盘条，盘条吐丝温度控制为910
±
5℃，当盘条进入斯太尔摩风冷线辊道前关闭风机，保温罩盖上，待盘条表面温度降至860
±
5℃，将其放入25℃的循环水槽内
等温处理3min，随后将盘条捞出并自然冷却。
37.对比例2
38.本对比例的一种高碳易切削钢生产方法，该易切削钢化学成分同实施例3。该易切削钢热轧成直径8mm的盘条，盘条吐丝温度控制为890
±
5℃，盘条吐丝后快速放入350℃的盐浴槽内(kno3：nano3(质量比)＝1：1)等温处理3.5min，随后将盘条捞出并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。本对比例经盐淬之后样品的低倍形貌和进行组织具体如图5所示。
39.通过肉眼观察各淬火盘条表层和横截面心部的开裂情况，通过莱卡金相显微镜观察各淬火盘条边部和心部的金相组织，通过维氏硬度计测量淬火盘条表层至心部的维氏硬度。具体检测结果如下表1和图6所示。
40.表1实施例1-4和对比例1-2的淬火盘条开裂情况及其表层、心部组织
[0041][0042]
通过表1和图6可以看出，实施例1～4的石墨易切削钢热态盘条盐淬后表面和心部均无裂纹，组织(结合图2)均为铁素体+无碳贝氏体，维氏硬度值在320～350hv之间。相比实施例1～4，对比例1(结合图4)的淬火组织为铁素体+针状马氏体，硬度值明显更高(680～700hv)，但其盘条淬火后出现明显开裂且裂纹从表面延伸至其心部。而对比例2的淬火组织(结合图5)为针状马氏体，硬度值也较高(450～480hv)，其盘条淬火后表面存在明显小裂纹。
[0043]
实施例5
[0044]
本实施例的高碳易切削钢盘条，易切削钢成分及生产工艺基本同实施例2，区别在于：本实施例中盐淬温度为850
±
5℃，盐浴温度为450℃。
[0045]
实施例6
[0046]
本实施例的高碳易切削钢盘条，易切削钢成分及生产工艺基本同实施例2，区别在于：本实施例中盐淬温度为850
±
5℃，盐浴温度为390℃。
[0047]
对比例3-12
[0048]
对比例3-12的高碳易切削钢盘条，易切削钢成分及生产工艺基本同实施例2，区别在于：盐淬温度及盐浴温度与实施例2不同。
[0049]
表2对比例3-15的淬火盘条开裂情况及其表层、心部组织
[0050][0051]
结合表2所示，结果表明，盐淬温度和盐浴温度都会对所得盘条组织及韧性产生较大影响，当盐淬温度为a
c3-30℃～a
c3
或a
ccm-30～a
ccm
℃，盐浴温度为390～450℃时，可以使盘条组织为铁素体+无碳贝氏体，有效降低盘条硬度，提高盘条韧性，防止盘条开裂，同时还能够有效保证所得盘条组织的均匀性。其中，当盐浴槽温度超过450℃，硝酸盐会大量蒸发，造成环境污染；盐浴槽温度低于330℃，硝酸盐开始凝固结晶，盐淬效果差。

技术特征：
1.一种高碳易切削钢盘条，其特征在于，该盘条中的c元素含量为0.60％～1.0％，其金相组织由铁素体和无碳贝氏体组成。2.根据权利要求1所述的高碳易切削钢盘条，其特征在于，该盘条还包含如下质量百分比的组分：si：1.60％～2.20％，mn：0.15％～0.35％，al：0.03％～0.50％，si+al：≥2.10％。3.根据权利要求2所述的高碳易切削钢盘条，其特征在于，所述盘条中p：≤0.035％，s：≤0.015％，n：≤0.008％。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的高碳易切削钢盘条的生产方法，其特征在于，包括热轧、吐丝、斯太尔摩风冷线缓冷和盐淬生产工序。5.根据权利要求4所述的高碳易切削钢盘条的生产方法，其特征在于，所述吐丝温度控制在a
c3
+30～a
c3
+60℃或a
ccm
+30～a
ccm
+60℃，同时控制吐丝后盘条以≤5℃/s的冷速进行进行冷却。6.根据权利要求5所述的高碳易切削钢盘条的生产方法，其特征在于，待热态盘条在斯太尔摩风冷线上冷却至a
c3-30℃～a
c3
或a
ccm-30～a
ccm
℃时，将其进行等温盐浴处理，盐浴温度为390～450℃，盐浴时间为3～5min。7.根据权利要求6所述的高碳易切削钢盘条的生产方法，其特征在于，所述盐浴液采用kno3与nano3混合溶液，且kno3与nano3的质量比为1：1。8.根据权利要求7所述的高碳易切削钢盘条的生产方法，其特征在于，当盘条离开盐浴线并自然冷却1min后，利用高压水除去盘条表面残留的硝酸盐。9.根据权利要求4-8中任一项所述的高碳易切削钢盘条的生产方法，其特征在于，所述盘条的直径为5.5～13mm。

技术总结
本发明公开了一种高碳易切削钢盘条及其生产方法，属于易切削钢热处理工艺领域。本发明的一种高碳易切削钢盘条，该盘条中的C元素含量为0.60％～1.0％，其金相组织由铁素体和无碳贝氏体组成。本发明的高碳易切削钢盘条的生产方法主要包括热轧-吐丝-斯太尔摩风冷线缓冷-盐淬-高压水除盐等工序。本发明采用了独特的斯太尔摩风冷线+在线盐浴工艺路线，既充分保证了盘条淬火后无有害碳化物析出，又最大程度削弱了盘条淬火过程形成的热应力和组织应力，有效降低了其盘条淬火后的硬度和开裂倾向，从而促进了高碳易切削钢的工业化稳定生产。产。产。


技术研发人员：万勇 田莉杰 刘明启 温永红 赵晴晴 李杰
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/20