一种剪切刀片用自硬化铁基材料及剪切刀片的制备方法与流程

2021-01-30 20:01:21|

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本发明属于剪切刀具材料技术领域，具体涉及一种剪切刀片用自硬化铁基材料，本发明还涉及采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法。

背景技术：

我国是全球第一大废钢产生及消费国，随着钢铁行业的蓬勃发展，自产废钢不能满足生产用量需求，回收废钢的用量逐年递增。回收废钢的主要来源为加工废钢和折旧废钢，其中折旧废钢是回收废钢的最大来源，也是回收难度最大的一种。

废钢入场后大部分需要用液压剪床(鳄鱼剪、龙门剪和箱式剪等)或联合冲剪机进行截短加工。废钢中板料厚薄不均，形状不规则，常附着有少量水泥沙石，尤其是废钢中的棒料，多数是建筑报废的的螺纹钢，其中不乏黑作坊用地条钢轧制的无牌号杂牌钢筋，性脆、硬度高。鳄鱼剪、联合冲剪机对其进行截短加工时，工况十分恶劣。用t10钢加工并经热处理的剪切刀片磨损快，容易卷刃、变形，甚至发生崩口，严重制约着生产成本和生产周期。因此，发展高强、耐磨-自硬化铁基材料至关重要。

由于水平连铸独特的成型工艺，熔融态金属液是在水冷结晶器内冷却凝固，冷却速度高，形核能力强，使得型材组织致密、晶粒细小，石墨球数多，球化率高，可以加速等温淬火第一阶段反应，少用甚至不用合金元素，有利于得到完全的高碳、室温时热力学及力学性能均稳定的100％奥铁体组织(高碳奥氏体+针状铁素体的混合物组织)，组织更加细密，提高冲击韧性和强度。使用中由于冲击应力作用，工件表面层中的高碳奥氏体会由于接触应力引发相变，高碳奥氏体转变为马氏体，因而硬度提高，耐磨性增加，并且耐磨的表层磨掉后，新的耐磨层同时产生，形成自增强循环，同时内部仍然保持足够的韧性。但在受冲击重载荷的恶劣工况条件下，经表面处理的碳钢和合金钢，会因碳层或硬化层的移动或损耗而丧失耐磨性和抗疲劳强度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种剪切刀片用自硬化铁基材料，解决了现有碳钢和合金钢刀片由于碳层和硬化层的移动或损耗而丧失耐磨性和抗疲劳强度的问题。

本发明的另一目的在于提供一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种剪切刀片用自硬化铁基材料，按质量百分比由以下原料组分组成：c含量为3.0％～4.0％、si含量为2.0％～3.5％、mn含量为0.1％～0.6％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，质量百分比分别按照c含量为3.0％～4.0％、si含量为2.0％～3.5％、mn含量为0.1％～0.6％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量为0.01％～0.10％、mg含量为0.01％～0.10％，余量为fe，进行配比；

步骤2，将步骤1配比好的原料放入感应炉中进行熔炼，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，得到合格熔融态液体；

步骤4，将步骤3得到的合格熔融态液体注入预热的水平连铸保温炉中，通过结晶器激冷，将熔融态液体表层冷却凝固，由牵引机水平拉出成形坯料，经切割机和压断机进行定尺切割，得到水平连铸刀片坯料；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，再进行等温淬火处理，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，对步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤2中熔炼的温度为1400℃～1600℃，时间为10min～60min。

步骤3中球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.0％～2.0％，孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.0％～2.0％。

步骤3中球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种。

步骤4中水平连铸保温炉的预热温度为不低于680℃，浇注前停止预热；冷却凝固采用常温水冷。

步骤4中冷却凝固时间为10～20s。

步骤5中热处理的温度为800℃～1000℃，保温时间为1h～3h。

步骤5中等温淬火处理的温度为220℃～420℃，时间为30min～90min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种剪切刀片用自硬化铁基材料，其组织更加细密，通过控制石墨球形态和分布提高了材料的冲击韧性和强度；

(2)本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，减少了碳素钢或合金钢刀片在加工前需要进行锻造和退火处理等工序，减少了淬火完成后的回火工序，减小了淬火前坯料的磨削加工余量，大幅度降低了材料的制造和加工成本，有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种剪切刀片用自硬化铁基材料实施例1热处理前的石墨球化等级显微照片；

图2是本发明一种剪切刀片用自硬化铁基材料实施例1热处理后的基体组织显微照片；

图3是本发明方法制备的剪切刀片与t10钢加工的剪切刀片的经济性和实用性对比图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种剪切刀片用自硬化铁基材料，按质量百分比由以下原料组分组成：c含量为3.0％～4.0％、si含量为2.0％～3.5％、mn含量为0.1％～0.6％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe。

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为3.0％～4.0％、si含量为2.0％～3.5％、mn含量为0.1％～0.6％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量为0.01％～0.10％、mg含量为0.01％～0.10％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1400℃～1600℃，时间为10min～60min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.0％～2.0％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.0％～2.0％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤4，将步骤3得到的合格熔融态液体注入预热的水平连铸保温炉中，预热温度为不低于680℃，浇注前停止预热，通过结晶器激冷，将熔融态液体表层采用常温水冷的方式冷却凝固10～20s，由牵引机水平拉出成形坯料，经切割机和压断机进行定尺切割，得到水平连铸刀片坯料；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为800℃～1000℃，保温时间为1h～3h，再进行等温淬火处理，，温度为220℃～420℃，时间为30min～90min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

实施例1

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为3.5％、si含量为2.9％、mn含量为0.3％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1500℃，时间为35min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.5％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.0％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤4，将步骤3得到的合格熔融态液体注入预热的水平连铸保温炉中，预热温度为不低于680℃，浇注前停止预热，通过结晶器激冷，将熔融态液体表层采用常温水冷的方式冷却凝固15s，由牵引机水平拉出成形坯料，经切割机和压断机进行定尺切割，得到水平连铸刀片坯料；

如图1所示，本发明的自硬化铁基材料的石墨球化等级为1～2级，球径7级，石墨球数为250～750个/mm²；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为900℃，保温时间为2.5h，再进行等温淬火处理，温度为320℃，时间为80min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

如图2所示，本发明的自硬化铁基材料经热处理后基体为高碳、室温时热力学及力学性能均稳定的100％奥铁体组织(高碳奥氏体+针状铁素体的混合物组织)，组织更加细密，提高冲击韧性和强度，使用中由于冲击应力作用，工件表面层中的高碳奥氏体会由于接触应力引发相变，高碳奥氏体转变为马氏体，因而硬度提高，耐磨性增加，当耐磨的表层磨掉后，新的耐磨层同时产生，形成自增强循环，同时内部仍然保持足够的韧性。

如图3所示，本发明的自硬化铁基材料比t10钢显著降低了生产成本且实用性能明显优于t10钢。

实施例2

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为3.0％、si含量为2.6％、mn含量为0.3％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1600℃，时间为10min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.3％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.4％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤4，将步骤3得到的合格熔融态液体注入预热的水平连铸保温炉中，预热温度为不低于680℃，浇注前停止预热，通过结晶器激冷，将熔融态液体表层采用常温水冷的方式冷却凝固10s，由牵引机水平拉出成形坯料，经切割机和压断机进行定尺切割，得到水平连铸刀片坯料；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为950℃，保温时间为2h，再进行等温淬火处理，温度为350℃，时间为80min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

实施例3

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为3.3％、si含量为2.5％、mn含量为0.1％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1400℃，时间为60min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.5％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.2％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤4，将步骤3得到的合格熔融态液体注入预热的水平连铸保温炉中，预热温度为不低于680℃，浇注前停止预热，通过结晶器激冷，将熔融态液体表层采用常温水冷的方式冷却凝固20s，由牵引机水平拉出成形坯料，经切割机和压断机进行定尺切割，得到水平连铸刀片坯料；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为1000℃，保温时间为1.5h，再进行等温淬火处理，温度为280℃，时间为90min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

实施例4

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为4.0％、si含量为3.5％、mn含量为0.5％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1500℃，时间为40min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.8％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.6％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为950℃，保温时间为1.8h，再进行等温淬火处理，温度为360℃，时间为90min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

实施例5

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为4.0％、si含量为3％、mn含量为0.6％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1400℃，时间为60min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.0％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的2％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为800℃，保温时间为3h，再进行等温淬火处理，温度为420℃，时间为30min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

实施例6

本发明一种采用自硬化铁基材料制备剪切刀片的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取c含量为3.5％、si含量为3％、mn含量为0.4％、p含量不超过0.06％、s含量不超过0.02％、re含量不超过0.05％、mg含量不超过0.04％，余量为fe；

步骤2，将步骤1称取的原料放入感应炉中进行熔炼，温度为1500℃，时间为50min，得到熔融态金属液；

步骤3，将步骤2得到的熔融态金属转入提前加入球化剂和孕育剂的转运包中进行球化和孕育，其中转运包中提前加入得到合格熔融态液体；

其中，球化剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的2％，球化剂为颗粒状的硅铁或者硅钡合金中的一种；

孕育剂为步骤1得到的熔融态金属液质量的1.6％，孕育剂为颗粒状的稀土镁或者纯镁中的一种；

步骤5，将步骤4得到的水平连铸刀片坯料，按刀片长度尺寸锯段，按刀片尺寸图纸，留出磨削量，进行机加工，将机加工后的刀片放入热处理炉中进行热处理，温度为1000℃，保温时间为1h，再进行等温淬火处理，温度为220℃，时间为50min，得到自硬化铁基材料剪切刀片半成品；

步骤6，将步骤5得到的自硬化铁基材料剪切刀片半成品进行硬度检验，合格后，对剪切刀片的刃部进行磨削加工，即可得到自硬化铁基材料剪切刀片。

本发明的自硬化铁基材料避免了t10钢加工前的热处理工序及加工后的回火工序，也规避了t10钢表面强化工序，大幅度降低了材料的经济成本和时间成本；本发明的自硬化铁基材料强度、韧性和耐磨性明显优于t10钢，使用时寿命提高约120％。

本发明的自硬化铁基材料在使用中由于冲击应力工件表面层中的高碳奥氏体会由于接触应力引发相变，高碳奥氏体转变为马氏体，因而硬度提高，耐磨性增加，由于反复受力，耐磨的表层磨掉后，新的耐磨层同时产生，形成自增强循环，同时内部仍然为高碳奥铁组织，保持固有的韧性，有优异的消音减震效果，可以使工作噪音降低到55db以下，加工性能很好，对刀具的磨损小，加工成本低于t10钢约30％。本发明制备的剪切刀片在同样体积下重量比t10钢剪切刀片轻10％。

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