本发明涉及高速钢，特别涉及一种搓丝板材料。同时，本发明还涉及一种搓丝板材料的制备方法。
背景技术：
搓丝板是标准紧固件加工螺钉和螺栓螺纹时常用的螺纹工具，其加工原理为冷挤压成型，由于具有生产效率高，加工成本低，加工出的螺纹精度及强度高，表面质量好等优点，因此得到了广泛应用。
随着我国汽车、航空行业的大力发展，对高强度螺钉的要求也相应提高，螺钉螺栓的性能等级达到了8.8～12.9级，甚至达到12.9级以上，目前市场上常用的cr12mov、dc53等材料制造的搓丝板已不能满足其生产要求，每年需进口大量的搓丝板材料(6000吨以上)，搓丝板材料急需升级换代。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种搓丝板材料，以获得碳化物粒度细小，且具备优异冲击韧性、热塑性及可加工性的搓丝板材料。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种所述搓丝板材料的化学组分按质量百分比计包括：c：1.04-1.10％，w：1.20-1.60％，mo：9.40-9.80％，cr：3.50-4.10％，v：1.10-1.40％，co:3.00～3.50％，余量为铁；所述搓丝板材料的碳化物组成为mc碳化物和m6c碳化物，其中mc碳化物的类型为vc。
本发明通过采用高mo、低w、低v和含co的设计原则，综合考虑钢的碳化物组织、耐磨性和韧性的配合，采用专用的工艺流程，从而使钢材具备优异的冲击韧性、热塑性、耐磨性和可加工性。
c元素的作用：c元素是碳化物的组成元素之一，部分c元素部分固溶于基体，提高基体强度。c的含量不低于1.04％，以保证合金元素能够充分参与碳化物的析出，当c含量低于1.04％时，碳化物的数量相应减少，使钢的耐磨性和切削性能降低。c的最大含量不高于1.10％，以保证钢的均匀性和冲击韧性，当c含量高于1.10时，则会形成过剩碳化物，导致碳化物的分布不均匀性增加，使钢的塑性、韧性降低。在上述c含量为1.04～1.10％范围内，能够获得最大的耐磨性、均匀性和冲击韧性的配合。
w元素的作用：1)形成一定数量难以溶解的一次碳化物，使钢可接受近熔点的高温淬火，并且提高钢的耐磨性；2)形成足够量的二次碳化物，通过高温固溶淬火获得高w的马氏体，是回火后获得二次硬化和红硬性的主要因素；3)由于w是强碳化物形成元素，因此凝固时一次析出的共晶碳化物主要是粗大的骨骼型网状m6c，不易通过变形加工破碎均匀，对钢的塑性不利，因此本发明设计w元素的含量为1.20～1.60％。w元素的含量不低于1.20％，以形成足够量的碳化物。w元素的最大含量不高于1.60％，以保证钢的热塑性。
mo元素的作用：与w元素的主要作用相当。但是，在非平衡冷却情况下，mo元素形成的碳化物发生相变，产生亚稳态的m2c碳化物，呈片状的、扇形分布的m2c在凝固后冷却后进行锻造加热、保温时分解为细小的m6c+mc，并使其易于分布均匀，增加钢的韧性并提高其热塑性。
v元素的作用：v元素为强碳化物形成元素，在钢中与c元素结合形成高硬度、高强度的mc碳化物，是钢耐磨性的决定性组织因素。溶解的v元素能大大加强钢的二次硬化，而保留的碳化物vc则可大大增加钢的耐磨性。但高的v元素含量又在一定程度上降低了产品的可加工性。因此本发明设计v元素的含量为1.10～1.40％。v元素的含量不低于1.10％，以保证能够形成足够数量的mc碳化物，当v的含量低于1.10％时，mc碳化物的数量相应减少，使钢的耐磨性和切削性能降低。v的最大含量不高于1.40％，以保证钢的可加工性。
co元素的作用：1)促使热处理过程中m6c碳化物充分析出，保证高速钢有足够的硬度；2)抑制析出mc碳化物和m6c碳化物的生长，进一步细化碳化物的粒度，从而增加钢的韧性。本发明设计co元素的含量为3.00～3.50％。co元素的含量不低于3.00％，以保证碳化物的充分析出。
cr元素的作用：cr元素能够促进碳化物的析出，同时，部分cr元素部分固溶于基体，主要作用为提高钢的淬透性和回火硬度。本发明cr元素的含量为3.50～4.10％。
进一步的，所述搓丝板材料的化学组分按质量百分比计包括：c：1.04-1.06％；w：1.40-1.60％；mo：9.60-9.80％；cr：3.50-3.70％；v：1.30-1.40％，co:3.00～3.20％，余量为铁，余量为铁。
进一步的，所述mc碳化物的体积分数为23～28％，至少12-15％体积分数的所述mc碳化物尺寸≤4μm，mc碳化物最大尺寸不超过15μm。
进一步的，所述m6c碳化物的类型为(mo、w)6(c、n)。
进一步的，所述m6c碳化物的体积分数为6～9％，至少5％体积分数的所述m6c碳化物mc尺寸≤8μm，m6c碳化物最大尺寸不超过18μm。
本发明还提出一种搓丝板材料的制备方法，以制备上述搓丝板材料。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种搓丝板材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)制备电渣锭：将原料精炼，得到φ350-380mm的电极棒；将所述电极棒退火后进行电渣重熔，得到φ400mm的电渣锭；
(2)开坯：
a、电渣锭均质化处理：将所述φ400mm的电渣锭进行匀质化处理；将经均质化处理的的所述电渣锭随炉冷却，得到φ400mm的电渣锭。
b、开坯：将步骤a中所述φ400mm的电渣锭锻造为φ135mm的圆坯。
c、成材：将所述φ135mm的圆坯锻打成材，得到φ50mm的锻材。
进一步的，所述电渣锭匀质化处理包括下列步骤：
第一台阶：将所述电渣锭放入加热炉中，以90-100℃/h的速率升温至850℃，保温3h；第二台阶：将所述电渣锭以90-100℃/h的速率升温至1070℃，保温1.5h；第三台阶：将所述电渣锭以90-100℃/h的速率升温至1180℃，保温8.0h；第四台阶：将所述电渣锭以200-250℃/h的速率快速降温至900℃，保温3.0h；第五台阶：将所述电渣锭以100-120℃/h的速率升温至1130℃，保温4h。
进一步的，步骤b中开坯为快锻与精锻复合开坯。
进一步的，将步骤a得到的所述电渣锭进行快锻，得到φ240mm的圆坯；将所述φ240mm的圆坯进行精锻，得到φ135mm的圆坯。
进一步的，步骤c中成材时使碳化物流向平行齿向。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)采用本发明的技术方案，得到的搓丝板材料碳化物粒度细小，而且具备优异冲击韧性、热塑性硬度、及可加工性；
(2)采用本发明的搓丝板材料加工而成的搓丝板，在使用过程中质量稳定，使用寿命达到了15万次。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1.3所述的搓丝板材料的碳化物不均匀度图片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的设计思想为通过采用高c、高v和含w的设计原则，并采用喷射成型工艺制备搓丝板材料。
通过该整体设计思想的设置，可以促进合金元素在喷射成形工艺下参与碳化物的形核与细化，从而使钢材具备优异的耐磨性能和韧性。
基于如上的整体设计思想，如下的实施例，涉及搓丝板材料及其制备方法。以对如上设计思想下的其中一部分具体应用的详细说明。
实施例1
本实施例涉及一组搓丝板材料，其化学组分如表1.1所示：
表1.1实施例1的搓丝板材料，其化学组分如表1.1所示：
采用如下制备步骤：
特殊电渣工艺制备电渣锭→电渣锭均质化处理→高速钢电渣锭镦拔处理+快锻与精锻复合开坯方式→改变金属流线的成材工艺。
(1)制备电渣锭
将上述质量分数组成的原料采用炉外精炼，得到φ350-380mm的电极棒，将所述电极棒退火后进行电渣重熔，实施例1.1-1.4中电压分别为57v、60v、63v、65v，电流分别为485a、521a、584a、615a，冶炼为φ400mm的电渣锭。其中退火温度为800℃，保温2h，后以10℃/s的速度冷却至700℃，随炉冷却。其中，电渣工艺引入r值概念，r＝电压/电流，控制重熔时r值在8.5～9.5。同时，电极锥头形状保持平头，使熔滴细化、滴落在电极边部区域，减小金属熔池温度心部与边部温差，使钢锭熔池浅平，改善心部组织。
(2)、开坯
a、电渣锭均质化处理
高温均质化处理过程共包括5个台阶，其具体步骤及参数如下所示：
第一台阶：将电渣锭放入加热炉中，升温至850℃，保温3h；其中，实施例1.1-1.4的升温速率分别为90、98、95、100℃/h；
第二台阶：将电渣锭至1070℃，保温1.5h；其中，实施例1.1-1.4的升温速率分别为98、96、100、90℃/h；
第三台阶：将电渣锭升温至1180℃，保温8.0h；其中，实施例1.1-1.4的升温速率分别为92、90、94、100℃/h；
第四台阶：将电渣锭快速降温至900℃，保温3.0h；其中，实施例1.1-1.4的升温速率分别为215、230、250、245℃/h；
第五台阶：将电渣锭升温至1130℃，保温4h；其中，实施例1.1-1.4的升温速率分别为120、100、110、110℃/h；
将经均质化处理的的电渣锭随炉冷却，得到φ400mm的电渣锭。
b、快锻与精锻复合开坯
将φ400mm的电渣锭预热至200℃并置于锤砧上，用锤砧夹住电渣锭，预热0.5h；
在950℃下，保温1h，使用快锻机充分破碎电渣锭，得到中间坯；将中间坯在950℃下，保温1h，使用快锻机进行镦粗，镦粗时两端各三次压下，三次变形量分别控制为10％、25％和10％，保证了碳化物的充分破碎；镦粗完成后马上回火不进行拔长，有效的避免了表面和内部缺陷的产生，将其加热至850℃下，保温4h，得到φ240mm的圆坯。
将得到的φ240mm的圆坯在900℃下，保温2h，使用精锻机进行镦粗，镦粗量应为35％，既保证了碳化物的充分破碎又保证了表面和内部质量，得到φ135mm的圆坯。
镦粗过程中，砧宽比w/h控制在0.8～1.0，料宽比b/h控制在0.9～1.2，以避免出现出现表面和内部缺陷。
高速钢由于合金含量高，塑性差，钢锭开坯工艺一般采用拔长，镦粗极易出现折叠、横裂等表面缺陷，同时拔长稍不注意容易出现内裂缺陷，所以高速钢钢锭镦粗极其慎重，该步骤的镦拔工艺在改善材料质量的同时，又保证了表面和内部质量。
c、成材
将步骤b中的φ135mm的圆坯用电液锤锻打成材：控制锻造加热温度为750℃，得到φ50mm的锻材。
其中，为了增加其应用于搓丝板领域的实用性，根据搓丝板的使用特点，可在电液锤成材时利用镦粗进行改向生产，改变碳化物流向，使流向平行齿向，提高使用寿命。
实施例2
本实施例涉及实施例1的搓丝板材料的碳化物含量及粒度、热处理硬度、冲击韧性的验证，其中碳化物含量及粒度基于扫描电镜获取组织图像进行分析。
将实施例1.1、1.2和1.3的搓丝板材料与购买的搓丝板材料(合金a)进行对比分析，其结果如下：
表2.1实施例1.1、1.2与合金a、b的成分组成对比
表2.2实施例1.1、1.2和1.3与合金a、b的碳化物含量及粒度对比
表2.2中，实施例1.1-1.3制得的搓丝板材料，其碳化物粒度为至少80％体积分数碳化物的尺寸。
对本发明搓丝板材料的碳化物进行分析，其碳化物组成为mc碳化物和m6c碳化物，其中mc碳化物的类型为vc，主要成分为v、mo、c及少量fe、cr等合金元素，m6c碳化物为(mo、w)6(c、n)。本发明搓丝板材料的碳化物尺寸为4μm，最大mc碳化物尺寸不超过15μm，且mc碳化物的体积分数为23～28％，一方面是由于mo元素形成的碳化物发生相变，产生亚稳态的m2c碳化物，呈片状的、扇形分布的m2c在凝固后冷却后进行锻造加热、保温时分解为细小的m6c+mc，并使其易于分布均匀，因此，进一步增加钢的冲击韧性并提高其热塑性；另一方面是由于3.00-3.50％的co促进了热处理过程中碳化物的析出，且进一步细化了碳化物的粒度。从而，使得本发明的搓丝板材料具备优异的冲击韧性和热塑性。本发明中m6c碳化物的体积分数为6～9％，其碳化物尺寸为8μm，最大mc碳化物尺寸不超过18μm。对比合金a中的碳化物粒度，本发明的搓丝板材料的碳化物粒度细小于合金a，其细小的mc碳化物和m6c碳化物，使实施例的搓丝板材料具备优异的冲击韧性及可加工性。图1示出了实施例1.3所述的搓丝板材料的碳化物不均匀度图片。由图可知，本实施例搓丝板材料的碳化物不均匀度<3，说明其均匀度较好，促进其粒度均匀细化，进一步增强搓丝板材料的性能。
表2.3实施例1.1、1.2和1.3与合金a、b的热处理硬度和冲击韧性对比：
由表3可知，经过合适的热处理，本发明的搓丝板材料硬度达到75hrc，能够满足本发明搓丝板材料的应用领域需求。对比其冲击韧性能，结果表明，本发明搓丝板材料的冲击韧性能优于合金a。
本发明的搓丝板材料可制成搓丝板材料，使用寿命是考察搓丝板的重要标准。选取实施例1.3的搓丝板材料进行重复使用实验。结果表明，实施例1.3的搓丝板材料在使用过程质量稳定，使用寿命达到了15万次，能够满足高档搓丝板的材料要求，基本达到进口材料水平。
综上所述，本发明的搓丝板材料碳化物粒度细小，而且具备优异的硬度、冲击韧性、热塑性及可加工性；采用本发明的搓丝板材料加工而成的搓丝板，在使用过程中质量稳定，使用寿命长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。