本發(fā)明涉及工具鋼制造，具體而言，尤其涉及一種免酸洗高表面質(zhì)量、硬度均勻的工具鋼及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、隨著時(shí)代的發(fā)展，工具鋼用途越來越廣泛，一般熱處理后硬度37hrc以上。工具鋼零部件使用過程中的失效模式主要有斷裂和耐磨性不足兩種，分析這兩種失效模式形成原因，耐磨性不足主要與熱處理硬度低或不均勻有關(guān)，斷裂主要與熱處理后硬度不均勻及韌塑性差有關(guān)。由于工具鋼碳含量高，一方面熱軋組織以珠光體為主，熱軋板成分和組織是影響熱處理硬度和韌塑性的主要因素，另一方面表面氧化脫碳及形成的氧化鐵皮也是影響熱處理硬度均勻性的主要因素，不同厚度的表面氧化鐵皮在熱處理加熱過程中使鋼件表面受熱不均，導(dǎo)致淬火時(shí)鋼件溫度不均，淬后硬度不均勻，降低耐磨性和韌塑性。而且熱處理后表面氧化鐵皮仍然存在，還需要拋丸處理，生產(chǎn)效率低。

2、受鋼板生產(chǎn)工藝限制，目前工具鋼熱軋卷板表面氧化鐵皮深度通常為幾十個(gè)μm，30mpa的高壓水除鱗也不能完全清除，熱處理后表面硬度差最小3hrc左右。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，減少工具鋼零部件失效，提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，很多工具鋼零部件制造企業(yè)采用酸洗板替代熱軋板，但酸洗一方面增加成本，另一方面污染環(huán)境，按環(huán)保要求很多地區(qū)已經(jīng)關(guān)停了酸洗產(chǎn)線，因此急需開發(fā)一種無需酸洗，表面無氧化鐵皮的高表面質(zhì)量工具鋼板，提高熱處理后硬度均勻性。

3、專利cn201510687941.1公開了一種合金工具鋼及其生產(chǎn)方法，鋼中含有：c0.5％，si?0.2％，mn?0.5％，cr?5.0％，mo?2.3％，v?0.5％，s≤0.003％，p≤0.02％，該合金工具鋼中加入cr、mo、v等合金較多，冶煉需采用電渣重熔澆注鑄錠，成材率低，需要軟化退火、球化退火、淬火、回火等多道熱處理工序，成本高，不適于加工制造形狀復(fù)雜的各類工具。

4、專利cn201210204255.0公開了一種降低高碳彈簧帶鋼脫碳層厚度的生產(chǎn)方法，采用控制加熱溫度和爐內(nèi)氣氛、單道次軋制壓下率、冷速的方法控制2.5～3.55mm彈簧的鋼脫碳層深度不超過0.02mm。該方法不適用于更厚規(guī)格鋼板，而且加熱爐內(nèi)氣氛、溫度分段控制精度要求高，操作困難。

5、上述發(fā)明提及的工具鋼及生產(chǎn)方法均未提及表面氧化鐵皮的控制方案，且都存在一定缺陷，不能滿足高表面質(zhì)量工具鋼使用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有工具鋼表面硬度均勻性差，熱處理后硬度不均，耐磨性差，易斷裂的問題。本發(fā)明提供了一種無需酸洗，表面無氧化鐵皮的工具鋼及其制造方法，其表面質(zhì)量為fb等級(jí)，粗糙度3.0～5.0μm，熱處理后表面硬度42hrc以上，表面硬度差±0.5hrc以內(nèi)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明一方面提供一種免酸洗高表面質(zhì)量、硬度均勻的工具鋼，所述工具鋼其化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為：c：0.30％～0.60％，si：0.10％～0.40％，mn：0.4％～1.5％，cr：0.02％～1.5％，al：0.01％～0.2％，n：0.0010％～0.010％，ca：0.0005～0.02％，2≤al/n≤20，0.5≤s/n≤4，b≤0.0008％，p≤0.025％，s≤0.025％，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

4、以下詳細(xì)闡述本發(fā)明的工具鋼各合金成分作用機(jī)理：

5、c：c是工具鋼中主要的固溶強(qiáng)化元素，且本發(fā)明中需足量的c與n和al生成碳化物，抑制表面氧化，提升硬度均勻性。同時(shí)保證生成的表面氧化鐵皮稀疏，噴砂處理時(shí)容易清除徹底，表面粗糙度3.0～5.0μm。c含量若低于0.30％，則很難保證鋼板熱處理后的強(qiáng)硬性，另一方面c含量若高于0.60％，表面易氧化脫碳，惡化鋼熱處理后的韌塑性，易斷裂。

6、si：si是鋼中常見元素之一，在煉鋼過程中用作還原劑和脫氧劑，si是鐵素體形成元素，非碳化物形成元素，si固溶在鐵素體中提高淬透性和耐回火性能，提高強(qiáng)度和硬度，改善耐磨性能，顯著提高彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，并提高疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)鋼的使用壽命。si含量超過0.4％鋼表面脫碳氧化，嚴(yán)重影響硬度均勻性和疲勞性能。0.1％～0.4％的si保證鋼表面形成疏松的氧化鐵皮，易清除，得到表面粗糙度3.0～5.0μm的鋼卷，熱處理后表面硬度差±0.5hrc以內(nèi)，避免作業(yè)開裂。

7、mn：mn價(jià)格相對(duì)便宜，是良好的脫氧劑和脫硫劑，是保證鋼的強(qiáng)度和韌性的必要元素。錳和鐵能無限固溶形成固溶體，提高硬度和強(qiáng)度，對(duì)塑性的影響相對(duì)較小。mn與s結(jié)合形成mns，避免晶界處形成fes而導(dǎo)致的熱裂紋影響鋼的熱成形性。同時(shí)mn也是良好的脫氧劑并增加淬透性。鋼中mn含量低，不能滿足高強(qiáng)硬性的要求，mn含量過高偏析嚴(yán)重，影響焊接性能和成型性，且增加生產(chǎn)成本，因此，綜合考慮成本及性能要求等因素，mn含量應(yīng)該控制在0.40％～1.5％。

8、cr：鉻為中強(qiáng)碳化物形成元素，本發(fā)明加cr后與碳和fe形成復(fù)合碳化物存在表面氧化鐵皮中，使氧化鐵皮疏松易清除。鉻還能使a3和a1溫度升高,gs線向左上方移動(dòng).減緩a分解，提淬透性；提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，提回火穩(wěn)定性，高硬度，提高耐磨性。

9、al：al用作煉鋼時(shí)的脫氧劑，細(xì)化晶粒，抑制鋼的時(shí)效，改善鋼在低溫時(shí)的韌性，降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。al是非碳化物形成元素，能提高鋼的抗氧化性能，抑制表面氧化脫碳，提高表面質(zhì)量。控制2≤al/n≤20，al與n、c、s形成≤50nm的細(xì)小粒子，存在表面氧化鐵皮中，使氧化鐵皮疏松易清除。

10、n：一般認(rèn)為n是有害元素，鋼中n越低越好。本發(fā)明采用含n的成分設(shè)計(jì)，在精煉時(shí)，通入0.001％以上含量的n，控制2≤al/n≤20，0.5≤s/n≤4，使n與al和c、s形成≤50nm的細(xì)小粒子，存在表面氧化鐵皮中，使氧化鐵皮疏松易清除，得到表面粗糙度3.0～5.0μm的鋼卷，熱處理后表面硬度差±0.5hrc以內(nèi)，避免作業(yè)開裂。n含量超過0.01％，降低韌塑性。

11、b、p和s：p和s都是鋼中不可避免的有害雜質(zhì)，它們的存在會(huì)嚴(yán)重惡化鋼的韌性，因此要采取措施使鋼中的p和s含量盡可能降低。本發(fā)明p含量限制在p≤0.025％，最高s含量限制在0.025％，減少mns的形成；本發(fā)明有效控制鋼中b含量，避免硼脆現(xiàn)象。

12、ca：ca作為微合金化元素，與cr和al等形成復(fù)合碳化物，抑制微觀偏析，減輕帶狀，促進(jìn)碳化物形核，球化，易于表面噴砂處理且不脆斷，改善熱處理后平整度及表面硬度差。

13、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述工具鋼熱軋板組織為細(xì)小球化珠光體、片狀珠光體和鐵素體混合組織；熱處理后組織為細(xì)小回火馬氏體組織。

14、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述工具鋼鋼板粗糙度為3.0～5.0μm，熱處理后鋼板表面硬度42hrc以上，表面硬度差±0.5hrc以內(nèi)。

15、本發(fā)明另一方面提供一種上述的雙金屬鋸用鋼的制造方法，所述方法包括以下步驟：

16、(1)冶煉：轉(zhuǎn)爐出鋼前鋼水c含量為0.2％～0.5％，鋼水進(jìn)入lf電爐精煉，硫含量≤0.025％以后進(jìn)行合金化，同時(shí)通入n調(diào)整鋼水n含量為0.001％～0.010％；

17、(2)連鑄：連鑄采用輕壓下和結(jié)晶器電磁攪拌，電磁攪拌電流400～600a，頻率2.2～2.9hz，結(jié)晶器動(dòng)態(tài)水量80～160l/min，使用結(jié)晶器保護(hù)渣澆注，結(jié)晶器液位750～850mm，過熱度15～25℃，連鑄拉速0.8～1.4m/min，二冷水量0.15～0.35l/kg，得到連鑄坯；

18、(3)鑄坯處理：鑄坯熱送熱裝入步進(jìn)式加熱爐加熱，預(yù)熱段溫度500～600℃，保溫時(shí)間60min以上，一加熱段溫度900～1100℃，保溫時(shí)間60min以上，二加熱段溫度1200～1350℃，在爐總時(shí)間3～4h；

19、(4)軋制：粗軋首道次壓下率30％以上，終軋溫度1100～1150℃，鋼帶全長(zhǎng)每道次軋制溫度差≤20℃，精軋前兩道次每道壓下率25％～40％，開軋溫度900～1000℃，終軋溫度800～900℃，軋線兩側(cè)采用邊部加熱裝置，補(bǔ)償溫度25～35℃，寬度25～35mm，鋼帶全長(zhǎng)軋制溫度差≤10℃；

20、(5)冷卻：鋼板出精軋機(jī)后進(jìn)入層冷冷卻，冷卻到500～700℃卷取，隨后緩慢冷卻到300℃以下；

21、(6)表面處理：鋼卷平整后進(jìn)行噴砂處理，上噴嘴距鋼板表面距離50～80mm，下噴嘴距鋼板表面距離30～50mm，噴砂壓力100～200mpa，穿帶速度10～20m/min，水溫10～50℃，砂粒度0.5～2.0mm；

22、(7)熱處理：將步驟(6)得到的熱軋板加工成零件毛坯，感應(yīng)加熱到800～880℃，淬火處理，隨后冷卻到室溫，再在250～450℃下回火處理。

23、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟(2)中，鋼水采用立彎弧形連鑄機(jī)澆注，立彎連鑄機(jī)的弧形半徑不小于5m；連鑄坯厚度為170～250mm。

24、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟(4)中，粗精軋前均采用高壓水除鱗，高壓水壓力不小于20mpa，保證鋼板表面質(zhì)量；粗軋3～5道次連軋，精軋5～7道次連軋。

25、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟(5)中，層冷冷卻的冷速為10～50℃/s，且同一位置帶寬方向冷速差≤1℃/s；

26、緩慢冷卻的冷速為15～25℃/h。

27、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟(6)中，采用矯直力大于600mpa的9輥矯直機(jī)進(jìn)行平整。

28、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟(7)中，采用油進(jìn)行淬火處理。

29、本發(fā)明采用轉(zhuǎn)爐冶煉、lf電爐精煉，無需rh真空處理；轉(zhuǎn)爐出鋼前鋼水0.2％≤c≤0.5％，保證精鋼連鑄后鑄坯中碳含量均勻，無宏觀偏析；采用lf電爐精煉，精煉硫含量≤0.025％以后添加其他合金，同時(shí)通氮?dú)?，調(diào)整鋼水n含量，改變非金屬夾雜物的成分、數(shù)量和形態(tài)，加快鋼水流動(dòng)，促使夾雜物上浮充分，提高鋼質(zhì)純凈度，成品鋼中各類非金屬夾雜不超過1.5級(jí)，而且改善鋼表面光潔度，消除組織的各向異性。

30、連鑄采用輕壓下和結(jié)晶器電磁攪拌，電磁攪拌電流400a～600a，頻率2.2～2.9hz。結(jié)晶器動(dòng)態(tài)水量80～160l/min，保護(hù)澆注，結(jié)晶器液位750～850mm，過熱度15～25℃，控夾雜和偏析，同時(shí)連鑄拉速0.8～1.4m/min，二冷水量0.15～0.35l/kg，保證鑄坯表面溫度偏差≤10℃，鑄坯冷速均勻，組織均勻，軋制后同卷帶鋼強(qiáng)度差≤20mpa，同卷硬度差≤3hrb。等軸晶率50％以上，控制柱狀晶末端合金液態(tài)微偏析。

31、鑄坯不下線緩冷，熱送熱裝，節(jié)能減耗，減小鑄坯表面溫差。加熱爐采用弱氧化性氣氛(空氣過剩系數(shù)1.02-1.1，空燃比2.0-2.2)，預(yù)熱段溫度500～600℃，保溫時(shí)間60min以上，一加熱段溫度900～1100℃，保溫時(shí)間60min以上，二加熱段溫度1200～1350℃，在爐總時(shí)間3～4h，保證鑄坯表面質(zhì)量，避免氧化脫碳。

32、粗精軋前均采用高壓水除鱗，高壓水壓力不小于20mpa，保證鋼板表面質(zhì)量。粗軋采用3～5道次連軋，首道次壓下率30％以上，終軋溫度1100～1150℃，為各類碳化物和氮化物析出提供形核動(dòng)力，鋼帶軋制溫度差≤20℃，組織性能均勻。精軋采用5～7道次連軋，精軋前兩道次每道壓下率25％～40％，開軋溫度900～1000℃，終軋溫度800～900℃，有助于后續(xù)冷卻后得到細(xì)小珠光體和鐵素體混合組織，帶狀不超過3.0級(jí)。軋線兩側(cè)采用邊部加熱裝置，補(bǔ)償溫度25～35℃，寬度25～35mm，鋼帶軋制溫度差≤10℃，組織性能均勻，帶鋼厚度波動(dòng)±0.20mm以內(nèi)，凸度≤40μm，同卷抗拉強(qiáng)度差≤20mpa，同卷硬度差≤3hrb。

33、鋼板出精軋機(jī)后進(jìn)入層冷冷卻，冷速10℃～50℃/s，同一位置帶寬方向冷速差≤1℃/s，保證同板組織性能均勻，強(qiáng)度差≤20mpa，硬度差≤3hrb。冷卻到500～700℃卷取，以15～25℃/h冷速冷到300℃以下，有助于碳化物形核，得到均勻細(xì)小球化珠光體、片狀珠光體和鐵素體混合組織，球化珠光體直徑0.2μm以下，球化率15％以上，帶狀不超過3.0級(jí)，屈服強(qiáng)度500mpa以下。冷速超過25℃/h易形成片狀珠光體，冷速低于15℃/h球化珠光體易長(zhǎng)大，韌塑性差。另一方面這個(gè)卷取溫度和冷速形成的表面氧化鐵皮疏松，有助于后續(xù)表面噴砂處理。

34、卷取后的鋼卷空冷到室溫，采用矯直力大于600mpa的9輥矯直機(jī)平整，確保板形平整。噴砂處理設(shè)備上噴嘴距鋼板表面距離50～80mm，下噴嘴距鋼板表面距離30～50mm，噴砂壓力100～200mpa，穿帶速度10～20m/min，水溫10～50℃，砂粒度0.5～2.0mm，確保噴砂處理時(shí)氧化鐵皮清除干凈，表面質(zhì)量為fb較高級(jí)別，表面粗糙度為3.0～5.0μm，無表面晶間氧化和脫碳，熱處理后硬度均勻，表面硬度差±0.5hrc以內(nèi)。

35、零件毛坯感應(yīng)加熱到800～880℃，淬火處理，冷卻到室溫，250～450℃回火處理，得到細(xì)小回火馬氏體組織，表面硬度42hrc以上。

36、本發(fā)明的有益效果為：

37、本發(fā)明工具用鋼板，用cr、al、mn、ca合金化，同時(shí)控制鑄坯加熱、粗精軋除鱗壓力、軋制溫度、壓下率、卷取溫度、冷速、表面噴砂壓力和速度等工藝參數(shù)，無需酸洗和退火得到均勻細(xì)小球化珠光體、片狀珠光體和鐵素體混合組織，屈服強(qiáng)度500mpa以下，球化珠光體直徑0.2μm以下，球化率15％以上，帶狀不超過3級(jí)，無表面氧化脫碳和氧化鐵皮，表面粗糙度3.0～5.0μm，表面質(zhì)量fb較高級(jí)。

38、本發(fā)明通過控軋控冷工藝，控制帶鋼厚度波動(dòng)±0.20mm以內(nèi)，凸度≤40μm，同卷抗拉強(qiáng)度差距≤20mpa，同卷硬度差≤3hrb。這種無表面氧化鐵皮，表面粗糙度3.0～5.0μm的鋼板，無需酸洗，熱處理后表面硬度42hrc以上，表面硬度差±0.5hrc以內(nèi)，壽命延長(zhǎng)0.5倍以上，使用壽命明顯提升。