一种中碳预硬化锯片钢及其制造方法与流程

本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种锯片基体用钢及其制造方法。

背景技术：

1、众所周知，在石料加工领域中，金刚石圆锯片用钢应用范围十分广泛，操作人员常常需要采用由金刚石圆锯片用钢制得的锯片，对花岗岩、大理石等切割对象进行切割。

2、在采用金刚石锯片进行切割时，金刚石锯片通过高速旋转以对石材进行切割，通常情况下，切割花岗石的线速度可以控制为25～40m/s，切割大理石的线速度可以控制为45～60m/s。

3、但需要注意的是，由于金刚石锯片在切割过程中具有一定的振动频率，在切割过程中振动频率增加，会产生共振现象；因此，为了确保切割过程的安全，这就要求锯片需要具有较高的弹性极限和较高的屈强比。

4、其次，由于锯片的不平度，或是锯片安装不良，在切割时产生侧压力可能会使锯片反复弯曲，进而导致锯片刚度降低并发生疲劳破坏，所以锯片还应该具有较高的刚度和疲劳强度。

5、再者，在切割过程中，锯片还要承受高速旋转产生的离心力，水槽部位承受循环的切割压力和冲击力，锯片还应具有一定的强韧性。

6、为此，在现有技术中，锯片必须通过调质处理，来获得使用性能要求，由于锯片是在油中进行淬火，再回火处理，其回火时间一般在12～14h，这种调质热处理工艺在技术上有明显缺点，其不仅存在生产工艺复杂、周期长、能耗高等缺点，还有可能因油淬造成环境污染。

7、基于此，针对现有技术中的不足和缺陷，为了满足在实际使用过程中对于锯片性能的要求，本发明期望获得一种新的中碳预硬化锯片钢，其通过合理的化学成分设计并配合优化工艺，可以确保制得锯片钢同时具备强硬度高，韧性佳，硬度均匀，机械加工性和热稳定性能优异，易于焊接的优点；该锯片钢不仅具备优异的性能，还具有较低的生产成本，其对于环境比较友好，可以有效适用于生产制备超宽金刚石锯片，具有十分良好的推广前景和应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种中碳预硬化锯片钢，该中碳预硬化锯片钢在具有优异力学性能的同时，还能够控制较低的生产成本，其布氏硬度大于 400hb，夏比v型纵向冲击功大于50j，对于环境比较友好，可以有效适用于生产制备超宽金刚石锯片，具有十分良好的推广前景和应用价值。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种中碳预硬化锯片钢，其含有fe和不可避免的杂质，其还含有质量百分比如下的下述化学元素：

3、c：0.46～0.60％，si：0.10～0.80％，mn：0.50～2.50％，b：0.0010～0.0050％，al：0.010～0.070％，ti：0.005～0.080％，ca：0.0010～0.0060％，以及nb： 0.005～0.050％、cr：0.01～0.50％、mo：0.01～0.80％、ni：0.01～1.00％、re： 0.01～0.10％、cu：0.10～0.40％中的至少其中之一。

4、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，其各化学元素质量百分比为：

5、c：0.46～0.60％，si：0.10～0.80％，mn：0.50～2.50％，b：0.0010～0.0050％，al：0.010～0.070％，ti：0.005～0.080％，ca：0.0010～0.0060％，以及nb： 0.005～0.050％、cr：0.01～0.50％、mo：0.01～0.80％、ni：0.01～1.00％、re： 0.01～0.10％、cu：0.10～0.40％中的至少其中之一；余量为fe和不可避免的杂质。

6、在本发明的上述技术方案中，本发明采用了合理的化学成分设计，其成分设计简单且合理，其主要以中高碳、锰、硼为主添加元素，可以有效降低生产制造的成本。

7、在本发明所述中碳预硬化锯片钢的化学成分设计中，本发明的锯片钢的合金成分以低合金为主，其充分利用nb、ti等微合金元素的细化、强化等特点，可以在减少碳及合金元素cr、mo和ni等的同时，保证宽锯片钢板具有良好的力学性能和优异的焊接性能。

8、在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，各化学元素的设计原理如下所述：

9、c：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，c是锯片钢中最基本、最重要的元素，添加适量的c元素可以提高钢材的强度和硬度，进而提高钢材的耐磨性。但需要注意的是，c元素同时会对钢材的韧性和焊接性能产生不利影响，因此，需要合理控制钢中c元素含量。基于此，考虑到c元素含量对于锯片钢性能的影响，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将c元素的质量百分比控制在0.46～0.60％之间。

10、si：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，si可以固溶在铁素体和奥氏体中，进而可以提高它们的硬度和强度，然而si元素含量过高时也会导致钢材的韧性急剧下降。同时，结合考虑到硅与氧的亲和力比铁强，在焊接时很容易产生低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量，因此钢中si元素含量不宜过多。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将 si元素的质量百分比控制在0.10～0.80％之间。

11、mn：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，添加适量的mn元素可以强烈地增加钢材的淬透性，降低钢材的转变温度和钢的临界冷却速度。但需要注意的是，钢中mn元素含量不宜过高，当钢中mn元素含量过高时，不仅有使晶粒粗化的倾向，还会增加钢的回火脆敏感性，而且很容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将mn元素的质量百分比控制在0.50～2.50％之间。

12、b：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，添加适量的b元素可以增加钢材的淬透性，但钢中b元素含量过高时，将导致热脆现象，影响钢的焊接性能及热加工性能，因此需要严格控制钢中b元素的含量。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将b元素的质量百分比控制在0.0010～0.0050％之间。

13、al：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，al元素能够和钢中的n元素形成细小难溶的aln颗粒，细化钢的晶粒。钢中添加适量的al元素可以有效细化钢的晶粒，固定钢中的n和o，以减轻钢对缺口的敏感性，减小或消除钢材的时效现象，并提高钢材的韧性。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将al元素的质量百分比控制在0.010～0.070％之间。

14、ti：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，ti是强碳化物形成元素之一， ti元素可以与c元素结合形成细微的tic颗粒。其中，tic颗粒细小，其可以分布在晶界，从而达到细化晶粒的效果；此外，tic颗粒较硬，其可以提高钢的耐磨性。基于此，考虑到ti元素的有益效果，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将ti元素的质量百分比控制在0.005～0.080％之间。

15、ca：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，ca元素对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用。铸钢中添加适量的ca可以将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的cas或(ca，mn)s夹杂，ca所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，其易于上浮排除。此外，ca还可以显著降低s在晶界的偏聚，这些都有益于提高铸钢的质量，进而提高钢的性能。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将ca元素的质量百分比控制在0.0010～0.0060％之间。

16、nb：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，nb的细化晶粒和析出强化作用，对提高材料强韧性贡献是极为显著；nb是强烈的c、n化物的形成元素，可以强烈地抑制奥氏体晶粒长大。nb通过晶粒细化作用提高钢的强度和韧性， nb主要通过析出强化和相变强化来改善和提高钢的性能，nb已经被作为高强度低合金结构钢中最有效的强化剂之一。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，可以将nb元素的质量百分比控制在0.005～0.050％之间。

17、cr：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，cr元素可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。cr在钢中可以形成(fe，cr)3c、(fe，cr)7c3和(fe，cr)23c7等多种碳化物，其可以有效提高钢材的强度和硬度。此外，需要说明的是，钢中添加适量的cr可以在回火时阻止或减缓碳化物的析出与聚集，从而提高钢材的回火稳定性。基于此，考虑到cr元素的有益效果，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，可以将cr元素的质量百分比控制在0.01～0.50％之间。

18、mo：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，添加适量的mo可以有效细化晶粒，提高钢材的强度和韧性。mo在钢中存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含mo钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。此外，mo还是减小回火脆性的元素，钢中添加适量的mo元素，还可以提高材料的回火稳定性。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将mo元素的质量百分比控制在0.01～0.80％之间。

19、ni：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，ni能与铁以任何比例互溶，其可以通过细化铁素体晶粒改善钢的低温韧性，并具有明显降低冷脆转变温度的作用。但需要注意的是，钢中ni元素含量不宜过高，当钢中ni元素含量过高时，容易导致钢板表面氧化皮难以脱落，且显著增加成产成本。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将ni元素的质量百分比控制在0.01～1.00％之间。

20、re：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，添加适量的稀土可以减少硫、磷等元素的偏析，改善非金属夹杂物的形状、大小和分布，同时可以细化晶粒，提高硬度。此外，稀土还可以提高屈强比，其有利于改善低合金高强度钢的强韧性，能够提高钢板的热稳定性。但需要注意的是，钢中稀土的含量不宜过多，否则会产生严重偏析，从而降低铸坯质量和力学性能。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将re的质量百分比控制在0.01～0.10％之间。

21、cu：在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，cu在钢中主要以固溶态和单质相沉淀析出状态存在，固溶的cu可以起到固溶强化作用；由于cu在铁素体中的固溶度随温度降低迅速减小，因而在较低温度下，以过饱和固溶的cu 能够以单质形式沉淀析出，从而起到析出强化作用。此外，钢中添加适量的 cu时，还可以显著提高钢的抗大气腐蚀能力，特别是当cu与p共存时，效果特别显著。基于此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，将cu元素的质量百分比控制在0.10～0.40％之间。

22、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，其各化学元素质量百分比为：

23、c：0.47～0.58％，si：0.15～0.80％，mn：0.50～2.00％，b：0.0010～0.0040％，al：0.010～0.060％，ti：0.005-0.070％，ca：0.0010～0.0050％，以及nb： 0.008～0.050％、cr：0.05～0.50％、mo：0.05～0.70％、ni：0.10～0.90％、re： 0.01～0.08％、cu：0.10～0.35％中的一种或几种；余量为fe和不可避免的杂质。

24、在本发明的上述技术方案中，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将本发明所述的中碳预硬化锯片钢中的各化学元素质量百分比进行进一步地控制，以控制满足上述优选技术方案的要求。

25、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，其各化学元素还满足下述各项的至少其中之一：

26、c：0.48～0.58％；

27、si：0.15～0.70％；

28、mn：0.5～1.5％；

29、b：0.0010～0.0035％；

30、ti：0.005～0.060％；

31、al：0.015～0.055％；

32、nb：0.008～0.045％；

33、cr：0.05～0.45％；

34、mo：0.05～0.60％；

35、ni：0.1～0.8％；

36、re：0.01～0.06％；

37、cu：0.15～0.35％；

38、ca：0.0010～0.0045％。

39、相应地，在上述技术方案中，为了获得最优的实施效果，可以最优选地控制本发明所述的中碳预硬化锯片钢中的化学元素满足上述各项的至少其中之一。

40、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，在不可避免的杂质中， p≤0.030％，s≤0.010％。

41、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，在不可避免的杂质中， p≤0.015％，s≤0.005％。

42、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，在不可避免的杂质中， p≤0.012％，s≤0.003％。

43、在本发明所述的锯片钢中，p和s均是不可避免的杂质元素，为了确保锯片钢的质量，在条件允许的前提下，钢中杂质元素的含量越低越好。

44、需要说明的是，p、s均为有害元素，它们的含量要严格控制。因此，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，可以控制不可避免的杂质元素满足：p≤ 0.030％，s≤0.010％。

45、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步地控制p、s杂质元素的含量满足：p≤0.015％，s≤0.005％。为了确保锯片钢的质量，最优选地可以控制p、s杂质元素的含量满足：p≤0.012％，s≤0.003％。

46、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，其微观组织为贝氏体+ 铁素体+残余奥氏体+碳化物或贝氏体+残余奥氏体+碳化物。

47、进一步地，在本发明所述的中碳预硬化锯片钢中，其布氏硬度为大于 400hb，夏比v型纵向冲击功大于50j。

48、相应地，本发明的另一目的在于提供一种中碳预硬化锯片钢的制造方法，该制造方法的生产流程简便，生产成本较低且对环境压力较小。采用该制造方法制得的中碳预硬化锯片钢同时具备较高的强硬度，较优的韧性和机械加工性能，其易于焊接且布氏硬度为大于400hb，夏比v型纵向冲击功大于50j，尤其适用于生产制备超宽金刚石锯片，具有十分良好的推广前景和应用价值。

49、为了实现上述目的，本发明提出了上述的中碳预硬化锯片钢的制造方法，其包括步骤：

50、(1)冶炼和铸造；

51、(2)加热；

52、(3)轧制；

53、(4)在线淬火：采用水冷进行冷却，其中开冷温度为：(ar3’-50)- (ar3’+50)℃；ms＜终冷温度＜bs，然后再空冷至室温，其中水冷冷却速度为10-40℃/s。

54、在本发明所述的锯片钢的制造方法中，将各冶炼原料按照上述化学成分的配比依次经过冶炼、铸造、加热、轧制、在线淬火步骤，获得所述中碳预硬化锯片钢。其中，在本发明中的在线淬火步骤中，其在轧后充分细化显微组织的同时，采用在线水冷方式冷却，可以省去离线热处理工艺，进而缩短生产流程，提高生产效率，降低生产成本。

55、相应地，在本发明所述步骤(4)中，为了降低钢材的淬硬性，避免钢板开裂，采用水冷冷却时，终冷温度可以控制在bs-ms温度区间内，即控制ms ＜终冷温度＜bs，进而确保锯片钢的淬透性和红硬性，保证后续制得的锯片的韧性。此外，可以控制开冷温度在ar3’以下，保证钢板显微组织中含有一定比例的铁素体软相，进一步提高钢板的韧性和耐疲劳性能。

56、需要说明的是，在本发明中，ar3’表示在在线淬火过程中奥氏体向铁素体开始转变的温度；bs表示贝氏体开始转变的温度；ms表示为马氏体开始转变的温度。

57、由于本发明的锯片钢中科学设计了碳及合金元素的含量，通过合金元素的细化强化作用并优化控制生产工艺，可以使获得的锯片钢具有优异的力学性能 (如高强度，高硬度)、机械加工性和热稳定性等和焊接性能。

58、需要说明的是，在一些优选的实施方式中，在步骤(4)中，可以优选地控制开冷温度为：(ar3’-40)-(ar3’+40)℃，控制终冷温度满足：(ms+15℃) ＜终冷温度＜(bs-15℃)，然后再空冷至室温，其中水冷冷却速度为10-35℃ /s。

59、当然，在某些实施方式中，最优选地，可以控制开冷温度为：(ar3-40) -(ar3+30)℃，控制终冷温度满足：(ms+25℃)＜终冷温度＜(bs-15℃)，然后再空冷至室温，其中水冷冷却速度为10-32℃/s。

60、在本发明中，本发明所述的中碳预硬化锯片钢的制造方法还具有生产流程短，效率高，生产成本较低且对环境压力较小等特点。

61、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制板坯加热温度为1000-1200℃，保温1-3小时。

62、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制板坯加热温度为1000-1150℃。

63、相应地，在某些实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步优选地控制板坯加热温度为1000-1200℃，保温1-3小时；更优选地可以控制板坯加热温度为1000-1150℃；为了提高生产效率并防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化，最优选的可以控制加热温度为1000-1110℃。

64、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制粗轧温度为900-1150℃，精轧温度为850-950℃。

65、在本发明的上述技术方案中，本发明所述的中碳预硬化锯片钢可以采用控轧控冷(tmcp)工艺生产。在步骤(3)中，可以优选地控制粗轧温度为 900-1150℃，粗轧阶段轧制压下率大于20％，控制精轧温度为850-950℃，精轧阶段轧制压下率大于40％。

66、在某些实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步地优选地控制轧制过程中的粗轧温度为900-1100℃，粗轧阶段轧制压下率大于20％，控制精轧温度为860-930℃，精轧阶段轧制压下率大于40％。

67、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制粗轧温度为900-1100℃，精轧温度为860-930℃。

68、相应地，在一些其他的实施方式中，更优选的，可以控制轧制过程中的粗轧温度为900-1080℃，粗轧阶段轧制压下率大于25％，控制精轧温度为 860-925℃，精轧阶段轧制压下率大于45％。

69、最优选的，可以控制轧制过程中的粗轧温度为910-1080℃，粗轧阶段轧制压下率大于28％，控制精轧温度为860-920℃，精轧阶段轧制压下率大于50％。

70、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制粗轧阶段轧制压下率大于20％，精轧阶段轧制压下率大于40％。

71、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，其中开冷温度为：(ar3’-40)-(ar3’+40)℃，(ms+15℃)＜终冷温度＜(bs-15℃)，其中水冷冷却速度为10-35℃/s。

72、相较于现有技术，本发明所述的中碳预硬化锯片钢及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：

73、(1)从化学成分上看，本发明所述的锯片钢在化学成分设计时对合金成分进行了充分优化，其以低合金为主，通过充分利用nb、ti等微合金元素的细化、强化等特点，可以在减少碳及合金元素cr、mo和ni等的含量的同时，保证锯片钢具有良好的力学性能。

74、(2)从生产工艺上看，本发明所述的锯片钢采用tmcp(控制轧制和控制冷却)工艺生产，通过tmcp工艺中的开、终轧温度、轧制变形量及冷却速度等工艺参数的控制，可以控制组织类型，提高组织细化、强化效果，进而减少碳和合金元素含量，得到力学性能和耐疲劳性能等均十分优异的钢板。此外，该工艺还具有生产流程短，效率高，节约能源，成本低等特点。

75、(3)从显微组织上看，本发明的锯片钢显微组织为贝氏体+铁素体+残余奥氏体+碳化物或贝氏体+残余奥氏体+碳化物，可以保证钢板具有优异的强韧性和耐疲劳性。

76、(4)从产品性能上看，本发明的锯片钢具有高强度、高硬度等优点，并具有良好的焊接性能，其布氏硬度为大于400hb，夏比v型纵向冲击功大于 50j。

77、与以往专利相比，本发明钢成分设计简单且合理，主要以中高碳、锰、钒为主添加元素，降低了生产制造成本；在轧制过程中采用控轧控冷工艺，在充分细化显微组织的同时，采用在线水冷方式冷却，省去了离线热处理工艺，缩短了生产流程，提高生产效率，降低生产成本。为降低钢板的淬硬性，避免钢板开裂，控制终冷温度在bs-ms温度区间内，确保了锯片基体的淬透性和红硬性，也保证了锯片的韧性要求。此外，可以控制开冷温度在(ar3’-50)- (ar3’+50)℃范围内，能够保证钢板显微组织中含有一定比例的铁素体软相，进一步提高钢板的韧性和耐疲劳性能。

78、综上所述可以看出，本发明科学地设计了碳及合金元素的含量，通过合金元素的细化强化作用及控制轧制和冷却工艺的细化、强化效果，使获得的锯片钢具有优异的力学性能(如高强度，高硬度)、机械加工性和热稳定性等和焊接性能。

79、本发明所涉及的中碳预硬化锯片钢具有优异的强韧性匹配，其布氏硬度为大于400hb，夏比v型纵向冲击功大于50j，其可以有效适用于生产制备超宽金刚石锯片，有益于延长使用寿命，具有十分良好的推广前景和应用价值。