雙金屬帶鋸背材用鋼DS120的研發(fā)

齊 峰，盧秉軍，闞 開(kāi)

（本鋼板材股份有限公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪117000）

帶鋸機(jī)是使用最廣泛的制材設(shè)備，可用于木料、金屬等材料連續(xù)切割，其最主要的耗材為帶鋸條。帶鋸條種類繁多，主要有錳鋼、合金鋼、雙金屬帶鋸條等。雙金屬鋸條以高性能的M42高速鋼為齒部材料，以優(yōu)質(zhì)彈簧鋼為背部材料，經(jīng)真空電子束焊接、開(kāi)齒、熱處理等工序加工為成品。雙金屬鋸條具有優(yōu)良的紅硬性，具有耐用度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，適用于幾乎所有類型的金屬材料加工?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)雙金屬帶鋸在材料切削行業(yè)的地位將不可動(dòng)搖[2]。

鋸切材料時(shí)，帶鋸條作45°～90°的扭轉(zhuǎn)環(huán)形運(yùn)動(dòng)，受到周期性的拉伸、沖擊、彎曲及扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力，此外，帶鋸條還處在鋸床切削乳化劑水溶液中，服役條件惡劣[雙金屬帶鋸條面變裂紋分析]，故雙金屬帶鋸條背材要求材料擁有較高的強(qiáng)度、耐磨性以及優(yōu)良的抗疲勞性能，同時(shí)冶金質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 成分設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的雙金屬帶鋸背部材料常用彈簧鋼，彈簧鋼生產(chǎn)的帶鋸在使用中存在抗疲勞性能差，塑性、韌性差等缺點(diǎn)。彈簧鋼中硅含量較高，鋼的脫碳傾向嚴(yán)重，導(dǎo)致鋸條表面極易產(chǎn)生為裂紋。為解決以上問(wèn)題，提高帶鋸背部材料的使用壽命，本鋼開(kāi)發(fā)了DS120鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

DS120選用較低的碳含量，配合適宜的錳含量，保證了鋼材的塑性和韌性，設(shè)計(jì)w（C）為0.30%，w（Mn）為0.90%。鋼中的硅可提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，而過(guò)高的硅含量使鋼材脫碳傾向明顯，導(dǎo)致鋸條表面微裂紋的產(chǎn)生，綜合考慮，設(shè)計(jì)w(Si)為0.30%。鉻對(duì)鋼的耐磨性、高溫強(qiáng)度、淬透性均有有利的影響，特別是質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～6%范圍內(nèi)時(shí)，可有效提高鋼的高溫強(qiáng)度，故設(shè)計(jì)w(Cr)為3.85%。鉬可以提高鋼的淬透性，同時(shí)抑制由于鉻含量過(guò)高導(dǎo)致的回火脆性及塑性、韌性的降低，提高鋼的熱強(qiáng)性，設(shè)計(jì)w(Mo)為1.20%。鎳在改善淬透性的同時(shí)有效提高鋼的強(qiáng)度，補(bǔ)償?shù)吞己繋?lái)的強(qiáng)度下降，設(shè)計(jì)w（Ni）為0.70%。鋁可脫氧固氮，細(xì)化晶粒，改善鋼的抗彈減性，提高鋼的塑性變形能力，設(shè)計(jì)w（Al）為0.080%。釩在彈簧鋼中與錳和鉻配合，增加鋼的彈性極限，同時(shí)增加鋼的高溫持久強(qiáng)度和蠕變抗力，設(shè)計(jì)w（V）為0.32%。

表1 DS120鋼目標(biāo)成分 %

1.2 工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用“EBT+LF+VD+CC”工藝生產(chǎn)235 mm×265 mm規(guī)格連鑄坯，再由特殊鋼廠800初軋機(jī)軋制203 mm×203 mm方鋼。方鋼入保溫坑保溫48 h，后進(jìn)行精整修磨及檢驗(yàn)。

1.2.1 EBT工藝要點(diǎn)1）精料氧化法，鐵水比≥70%，保證殘余元素合格。

2）采用使用三次以上的爐體及使用兩次以上的鋼包冶煉鋼水。

3）出鋼w（P）≤0.003%，0.05%≤w（C）≤0.15%。

1.2.2 LF工藝要點(diǎn)

1）投入石灰、氧化鋁球造渣，可采用適量螢石調(diào)整爐渣流動(dòng)性。

2）使用硅鈣粉、細(xì)面碳粉、鋁粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，保持還原渣。

1.2.3 VD工藝要點(diǎn)

1）最低真空度低于100 Pa，保持時(shí)間≥15 min，控制氫含量。

2）完成合金化，控制全部成分滿足要求，w（Al）按0.075%~0.089%控制，加入硅鈣線，控制夾雜物形態(tài)。

3）靜吹氬25 min以上，同時(shí)嚴(yán)禁鋼水裸露，避免鋼水氧化。

1.2.4 連鑄工藝要點(diǎn)

1）控制過(guò)熱度，澆次頭爐過(guò)熱度30～40℃，其他爐次過(guò)熱度25～35℃，結(jié)晶器水流量160 m3/h，二冷比水量0.23 L/kg，電磁攪拌電流400 A，液面自動(dòng)控制，使用專用結(jié)晶器保護(hù)渣。

2）過(guò)熱度與拉速對(duì)照見(jiàn)表2。

表2 過(guò)熱度與拉速對(duì)照

3）中包全程吹氬，烘烤時(shí)間≥4 h。

4）連鑄坯入保溫坑，采用紅鋼墊底，保溫時(shí)間≥30 h。

1.2.5 軋制工藝要點(diǎn)

1）采用方鋼203 mm規(guī)格專用孔型軋制，邊長(zhǎng)203 mm±2 mm，對(duì)角線258~264 mm，方鋼每米彎曲度≤10 mm，總彎曲度≤1%。

2）熱軋方鋼入坑保溫，紅鋼墊底，保溫時(shí)間≥48h，出坑溫度≤200℃。

2 產(chǎn)品試制及應(yīng)用

2.1 首次試制

首次試制DS120鋼35 t，化學(xué)成分及低倍組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼材檢驗(yàn)合格交付用戶。方鋼經(jīng)“壓力加工+電子束焊接+球化退火+焊縫平整+開(kāi)齒+連續(xù)淬火+回火”制成雙金屬帶鋸條并投放市場(chǎng)。

2.2 質(zhì)量問(wèn)題分析

DS120鋼生產(chǎn)的雙金屬帶鋸條總體性能穩(wěn)定，但仍有小批量出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，使用過(guò)程中帶鋸基體表面出現(xiàn)裂紋。裂紋產(chǎn)生于基體邊部及齒根部，沿著與長(zhǎng)度方向垂直的方向擴(kuò)展。在斷口處進(jìn)行疲勞分析（見(jiàn)圖1），可見(jiàn)試樣基體存在大量夾雜物，對(duì)夾雜物顆粒進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，顆粒物是C、O和Fe的富集區(qū)域，還含有少量的Al、Si、Cr、S等元素，推測(cè)夾雜物為Al2O3和Fe2O3等氧化物組成的夾雜物富集區(qū)。分析認(rèn)為此類夾雜物塑性差，與基體變形不協(xié)調(diào)，且熱膨脹系數(shù)與基體相差較大，產(chǎn)生微小裂紋，引起應(yīng)力集中。由于應(yīng)力集中和切削乳化劑水腐蝕的協(xié)同作用，微裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致鋸條基體開(kāi)裂[3]。綜上所述，雙金屬帶鋸基體疲勞裂紋的主要原因?yàn)檠趸飱A雜的富集。

圖1 裂紋斷口形貌

3 工藝調(diào)整及效果

3.1 工藝調(diào)整

為提高鋼的純凈度，擬將DS120鋼生產(chǎn)工藝調(diào)整為“EBT+LF+VD+CC+ESR”，通過(guò)電渣重熔工藝減少鋼中非金屬夾雜物總量，控制非金屬夾雜物形態(tài)及分布。各工藝環(huán)節(jié)調(diào)整如下：

1）原料鐵水比由70%調(diào)整為80%，減少?gòu)U鋼投入，以減少殘余元素含量。

2）VD真空處理時(shí)間延長(zhǎng)至20 min以上，保證氣體元素去除效果。

3）連鑄坯成分中C、Si、Mn、Cr、Al按標(biāo)準(zhǔn)上限控制，防止電渣重熔燒損導(dǎo)致成分不合。

4）連鑄坯電極退火后需仔細(xì)修磨，清除氧化鐵皮，減少帶入電渣熔池內(nèi)的氧。

5）電渣重熔使用低燒損的二元提純?cè)?，渣比m（CaF2）∶m（Al2O3)=7∶3。

6）電渣重熔過(guò)程投入氬氣保護(hù)裝置（見(jiàn)71頁(yè)圖2），減少氧化。

7）電渣錠按熱作磨具鋼工藝進(jìn)行退火。

3.2 質(zhì)量反饋

據(jù)反饋，采用“EBT+LF+VD+CC+ESR”工藝生產(chǎn)的DS120鋼非金屬夾雜物總量減少，分布彌散均勻，氧化物聚集程度低。雙金屬帶鋸條基體開(kāi)裂的現(xiàn)象明顯減少，使用壽命顯著提高。工藝調(diào)整后，DS120鋼能夠滿足高端帶鋸條背材的要求。

圖2 氬氣保護(hù)裝置

4 結(jié)論

1）通過(guò)C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V等元素的合理搭配滿足了雙金屬帶鋸條背材用鋼的強(qiáng)度、塑性、紅硬性等性能要求，DS120鋼成分設(shè)計(jì)合理。

2）“EBT+LF+VD+CC+ESR”工藝生產(chǎn)的DS120鋼化氧化物夾雜分布彌散均勻，較少聚集，純凈度較高，工藝設(shè)計(jì)合理。

3）本鋼設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DS120鋼完全滿足雙金屬帶鋸背材要求，DS120生產(chǎn)的成品帶鋸條壽命穩(wěn)定，疲勞開(kāi)裂較少發(fā)生。