CN114990425A - 一种废钢破碎用刀具及其制备、修复方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种热作模具钢，具有如下组分C：0.35‑0.4%，Si：1.2‑2.2%，Mn：2.1‑2.8%，Cr：4.5‑5.8%，S：0.03%以下，Al：0.01‑0.2%，V：0.01‑0.15%，Mo：0.1‑0.3%，RE：0.05‑0.15%；Ni：0.2‑0.4％，Nb:0.45‑0.85%，Ti：0.1‑0.3，余量为Fe和不可避免的杂质元素。其中Ni：Al=1～1.5，(Nb+V+Ti)：3/4C在2.5～3.5。所述热作模具钢的抗拉强度可达1960MPa以上，屈服强度达1650Mpa以上，且夏比U型缺口冲击功≧38J/cm²，硬度可达57HRC以上。采用该模具钢制作的模具钢，采用组分为CoCrNbFeMnCx的高熵合金粉末进行激光重熔修复，其中x为0.1～0.5。

Description

一种废钢破碎用刀具及其制备、修复方法

技术领域

本发明属于物料破碎设备技术领域，尤其涉及一种用于废钢破碎用刀具领域。

背景技术

目前随着我国绿色经济的不断发展，钢铁材料的回收利用，已成为循环经济中的重要一环。但在废钢的破碎回收的过程中，由于废铁、废钢筋中不可避免的夹杂有淬硬物料，导致破碎刀具容易出现塌陷、崩角及开裂等状况，致使使用过程中刀具的消耗非常大，一旦损坏就需要拆除更换，而破碎刀具的成本高，更换刀具影响了破碎机械的工作时间，这给企业生产的连续性带来了巨大影响，同时大大提高了企业的生产成本。现有的刀具强度低，磨损快，使用寿命短，容易断裂，不能满足现有的市场需求。

因此，发展综合性能优异、使用寿命长便于修复的刀具，是我们亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种适用于废铁回收的刀具，其具有优异的硬度均匀性、强度和韧性的良好匹配，相对现有破碎用刀具显著提升了使用寿命。本发明的另一个目的是提供该刀具的制备方法，以及采用所述刀具钢制备的刀具的修复方法。

本申请通过Nb、V、Ti、RE的复合添加，并配合在线亚临界球化退火和淬火工艺，获得了具有高强度、高韧性、高耐磨性和硬度均匀性的刀具钢，由于降低了V、Mo的加入量，显著降低了成本，其适合大范围推广使用。同时本申请还提供一种采用与该刀具钢相配合的高熵合金对刀具进行修复的方法，通过该方法使得刀具的整体使用寿命延长，显著降低了企业生产成本。

具体技术方案是：

一种刀具，采用如下钢制备，以质量百分比计，具有如下组分：

C：0.35-0.4%，Si：1.2-2.2%，Mn：2.1-2.8%，Cr：4.5-5.8%，S：0.03%以下，Al：0.01-0.2%，V：0.01-0.15%，Mo：0.1-0.3%，RE：0.05-0.15%；Ni：0.2-0.4％，Nb:0.45-0.85%，Ti：0.1-0.3，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，所述合金组分满足以下公式：

Ni：Al=1～1.5 公式1

(Nb+V+Ti)：3/4C在2.5～3.5 公式2

本发明的刀具用钢通过如下工艺步骤进行制造：

（1）冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼，在炉外精炼时采用先向钢中加入Al-Si线进行脱氧处理，再向钢中加入Al-RE中间合金进行处理；

（2）在保护气氛下进行浇铸，获得铸坯；

（3）将钢坯的再加热温度在1180～1230℃，均热时间控制在2～8h；

（4） 轧制：控制开轧温度为1120～1200℃，终轧温度控制在820～890℃，冷却速率控制在5～15℃/s，终冷温度520～580℃；

（5）在线等温球化退火工艺：轧制终冷结束后，在线升温至第一阶段等温退火温度820～840℃，升温速率为2-4℃/s，退火时间为1～2h；第二阶段等温退火温度为720～760℃，退火时间为4～8h；

（6）淬火 ：淬火温度为980～1040℃，保温30-60min，采用真空淬火；

（7）淬火后立即回火，在回火工艺中，首先通过520~580℃的高温回火，促进碳化物的析出，有效提高钢材的硬度，再通过280-320℃的低温回火降低钢材的应力，提高韧性，从而获得强韧性满足要求的刀具钢。

本发明所述刀具用钢的抗拉强度可达1960MPa以上，屈服强度达1650Mpa以上，且夏比U型5mm缺口冲击韧性≥38J/cm²，硬度可达57HRC以上。

激光表面合金化是一种表面修复技术，它以高能激光束为热源将基材快速加热熔化，并将增强粉末注入熔池，从而形成以原基材为基的新表面合金化层。该技术可有效修复刀具表明的损伤，获得新的具有高硬度、耐磨性的修复层。本发明还提供一种针对所述刀具钢制备刀具的修复方法，本发明采用组分为CoCrNbFeMnCx的高熵合金粉末进行激光重熔修复，其中x为0 .1～0.5，在激光重熔后的快速冷却中会形成体心立方(BCC)+面心立方(FCC)，会形成双相固溶体，兼顾强度和硬度，并形成M23C6或M7C3型碳化物，弥散在合金组织中，产生弥散强化作用，从而使该类高熵合金硬度和耐磨性提高。

具体的激光重熔修复工艺为：

1）：对待修复刀具表面进行清洁、喷砂等前处理；

2）：对刀具作去应力退火，采用220-300℃保温5-7h去应力退火，释放刀具工作及损坏过程中的的内应力；

3）：进行重熔修复，激光功率为2200-4200W，控制惰性保护气体流量为1～30L/min扫描速度为12～20mm/s，送粉量为2.5～6 .5g/s，搭接量50-55%；

4）修复刀具后续处理，对修复后刀具进行磨削，达到刀具设计的尺寸及精度。

本发明各元素的作用：

C：0.35-0.4%

主要的奥氏体化元素、主要的强化元素，随着含碳量提高，钢的析出硬化效果愈加显著，为了保证足够碳化物的析出，回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生二次硬化现象，本发明中的C含量应不低于0.35%。

Si：1.2-2.2%

Si可作为脱氧元素，在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度。 钢经450~650℃回火后，会促进钢产生二次硬化效应，提高钢的高温强度，且能够有效提高钢在高温下的抗氧化能力，提高在氧化介质之中的耐蚀性。为了获得上述性能，本发明中控制Si含量为1.2-2.2%。

Mn：2.1-2.8%

Mn在钢中起到固溶强化的作用，同时强烈减低钢的Ms点，能增加钢的淬透性。

Cr：3.5-5.0%

Cr是用于改善相变行为（淬透性）并且同时通过形成碳化物来增加钢的强度的必要元素。如果Cr量小于3.5%，则降低相变温度和细化显微组织的效果不足，并且不能充分获得硬度和冲击值。 此外，暴露于腐蚀环境的刀具所需的耐腐蚀性随着Cr量的增加而提高。

V：0.01-0.15%

钒，碳化物形成元素，本发明采用低的钒含量减少了潜在的裂纹引发位点的数量，因此也改善了本发明材料的高温冲击韧性。

Ni：0.4-0.6%

Ni会降低基体导热性，在热处理过程中与Al析出金属间化合物，析出相能够与基体保持共格关系，提高热导率。析出相平均尺寸小于10nm，因此能改善钢材的综合性能。

Al：

铝元素能够和镍元素在400～550℃二次回火过程中形成NiAl金属间化合物。加入0.4以下的Al，且满足Ni：Al在1～1.5之间。

Ti：0.1-0.3%，Nb:0.1-0.25%

刀具钢中大量Cr碳化物析出会导致导热下降，而且尺寸通常为100nm级，还会降低韧性。通过合金合理配比设计(Nb+V+Ti)：3/4C在2.5～3.5，通过控制碳化物的体积分数，Nb+V+Ti的析出物尺寸细小，而且当满足此条件时，Mo、W一次析出物尺寸＜100nm，二次析出物尺寸＜10nm，因此韧性较良好。Ti、V、Nb均是强碳化物形成元素，当这三种元素复合加入，进一步提高钢的二次硬化效果，当满足下边公式时，

2.5≤(Nb+V+Ti)：3/4C≤3.5

能够保证钢中足够量细小碳化物的析出，在满足硬度需求的情况下提高韧性。

Mo：0.1-0.3%

Mo是重要的碳化物形成元素，特别是在可以通过回火硬化大幅提高回火的钢材硬度，提高钢材耐磨性。

RE：0.05-0.15%

RE可净化钢材，改变夹杂物形态，并使其在晶内弥散分布，而非沿晶界分布的硫化物夹杂，从而提高韧性。

采用亚临界的在线等温球化退火工艺，利用轧后余热，提高了生产效率。且通过低温球化工艺获得片层间距细小珠光体组织，球化后的粒状珠光体细小、弥散分布，为淬火做好预组织准备。配合之后的淬火工艺，钢的组织为铁素体与马氏体混合组织，且马氏体细小弥散分布、铁素体夹杂其间期间，获得了具有良好硬度和韧性组合的刀具钢。

在回火工艺中，首先通过520~580℃的高温回火，促进碳化物的析出，有效提高钢材的硬度，再通过280-320℃的低温回火降低钢材的应力，提高韧性，从而获得强韧性满足要求的刀具钢。

附图说明书

图1为采用亚临界的在线等温球化退火后组织。

具体实施方式

实施例1-5、对比例1-5的具体组分见下表1，并均按照以下步骤进行制备：

冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼，在炉外精炼时采用先向钢中加入Al-Si线进行脱氧处理，再向钢中加入Al-RE中间合金进行处理；

在保护气氛下进行浇铸，获得铸锭；

将钢坯的再加热温度在1180～1230℃，均热时间控制在2～8h。

轧制：控制开轧温度为1120～1200℃，终轧温度控制在820～890℃，冷却速率控制在5～15℃/s，终冷温度520～580℃；

在线等温球化退火工艺：轧制终冷结束后，立即升温至第一阶段等温退火温度820～840℃，升温速率为2-4℃/s，退火时间为1～2h；第二阶段等温退火温度为720～760℃，退火时间为4～8h。

淬火：淬火温度为980～1040℃，保温30-60min，采用真空淬火；

淬火后立即回火，在回火工艺中，首先通过520-580℃的高温回火，促进碳化物的析出，有效提高钢材的硬度，再通过280-320℃的低温回火降低钢材的应力，提高韧性，从而获得强韧性满足要求的刀具钢。

表1

对二次回火处理后的试样1-5、B1-B5，进行了力学性能。具体结果参见表2。

表2

由表2可以看出，B1由于缺少元素Nb和Mo而造成硬度明显降低，B2由缺少元素RE导致韧性显著降低，B3、B5由于不满足公式2的要求，而导致硬度、韧性显著降低。B4不满足公式1而硬度有所不足。

采用实施例1所述的刀具钢制备刀具A，与本领域常用的H13钢制备的刀具B，在相同的条件下进行使用测试。刀具A的使用寿命可达13000吨-15000吨的破碎量，刀具B的时候用寿命仅为7000-9000吨的破碎量。

对采用出现损坏的刀具A进行修复，激光重熔修复工艺为：

1）：对待修复刀具表面进行清洁、喷砂等前处理；

2）：对刀具作去应力退火，采用220-300℃保温5-7h去应力退火，释放刀具工作及损坏过程中的内应力；

3）：进行重熔修复，激光功率为3200W，控制惰性保护气体流量为25L/min扫描速度为20mm/s，送粉量为5.5g/s，搭接量55%，其中重熔粉末的为CoCrNbFeMnC0.3；

4）修复刀具后续处理，对修复后刀具进行磨削及抛光，达到刀具设计的尺寸及精度。

修复后刀具的使用寿命仍可达到原刀具使用寿命的0.8倍左右，显著延长了刀具整体的使用寿命，有效降低了成本。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种刀具用钢，其特征在于：以质量百分比计，具有如下组分：

C：0.35-0.4%，Si：1.2-2.2%，Mn：2.1-2.8%，Cr：4.5-5.8%，S：0.03%以下，Al：0.01-0.2%，V：0.01-0.15%，Mo：0.1-0.3%，RE：0.05-0.15%；Ni：0.2-0.4％，Nb:0.45-0.85%，Ti：0.1-0.3，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

2.一种如权利要求1所述的模具钢，其中组分满足以下公式：

Ni：Al=1～1.5 公式1

(Nb+V+Ti)：3/4C在2.5～3.5 公式2。

3.一种如权利要求1或2所述刀具用钢的制备方法，其特征在于：

通过如下工艺步骤进行制造：

（1）冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼，在炉外精炼时采用先向钢中加入Al-Si线进行脱氧处理，再向钢中加入Al-RE中间合金进行处理；

（2）在保护气氛下进行浇铸，获得铸坯；

（3）将钢坯的再加热温度在1180～1230℃，均热时间控制在2～8h；

（4） 轧制：控制开轧温度为1120～1200℃，终轧温度控制在820～890℃，冷却速率控制在5～15℃/s，终冷温度520～580℃；

（5）在线等温球化退火工艺：轧制终冷结束后，立即升温至第一阶段等温退火温度820～840℃，升温速率为2-4℃/s，退火时间为1～2h；第二阶段等温退火温度为720～760℃，退火时间为4～8h；

（6）淬火：淬火温度为980～1040℃，保温30-60min，采用真空淬火；

（7）淬火后立即回火，在回火工艺中，首先通过520~580℃的高温回火，促进碳化物的析出，有效提高钢材的硬度，再通过280-320℃的低温回火降低钢材的应力，提高韧性，从而获得强韧性满足要求的模具钢。

4.一种如权利要求3所述刀具用钢的制备方法，其特征在于：

所制备获得的刀具用钢的抗拉强度可达1960MPa以上，屈服强度达1650Mpa以上，且夏比U型5mm缺口冲击韧性≥38J/cm²，硬度可达57HRC以上。

5.一种刀具，其特征在于，采用如权利要求1、2所述的刀具钢或如权利要求3-4任一所述刀具钢制备方法制备获得的刀具钢制作而成。

6.一种如权利要求5所述刀具的修复工艺，其特征在于：

具体的激光重熔修复工艺为：

1）：对待修复刀具表面进行清洁、喷砂等前处理；

2）：对刀具作去应力退火，采用220-300℃保温5-7小时去应力退火，释放刀具工作及损坏过程中的内应力；

3）：进行重熔修复，激光功率为2200-4200W，控制惰性保护气体流量为1～30L/min，扫描速度为12～20mm/s，送粉量为2.5～6 .5g/s，搭接量50-55%；

4）修复刀具后续处理，对修复后刀具进行磨削，达到刀具设计的尺寸及精度。

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