CN120575018A - 一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条及其制造方法，盘条的化学成分及质量百分比包括：C：0.57％~0.62％、Si：0.38％~0.47％、Mn：0.53％~0.63％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免杂质，轧制吐丝为盘条后经过在线熔盐等温韧化处理，控制盘条从高温奥氏体状态进入索氏体相区，形成以细片层间距索氏体为主的组织，并进行等温回火，最后经过辊道慢冷，制为显微组织包括回火索氏体、铁素体和熔断索氏体的盘条，能够达到抗拉强度为1050~1100MPa，断面收缩率为45%~50%，用于制造碳素工具钢等应用领域，以便经冷成型后可直接加工成工具零件。

Description

一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条及其制造方法

技术领域

本发明属于热轧盘条相关技术领域，具体涉及一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条及其制造方法。

背景技术

碳素工具钢由于原材料成本低、冶炼工艺相对简单，经冷加工成型和热处理后，广泛用于制作刃具、模具和量具等领域。成本低、耐用性好作为碳素工具钢的重要竞争条件，严重影响企业的订单，而持续提高碳素工具钢的耐用性，则会导致生产成本的提高和企业碳素工具钢市场竞争力的下降，因此需要开发一种免热处理型高强度碳素工具钢盘条及其制造方法，以便经冷成型后可直接加工成工具零件，快速提升企业的竞争力。

现有技术中的工具钢盘条会添加Cr、V、Nb等合金元素、采用斯太尔摩风冷线生产，例如：专利CN119640155A公开的一种低成本高塑性索氏体工具用合金钢盘条及其制造方法，采用C-Si-Mn-Cr的中碳高硅成分设计，结合低温轧制吐丝后风冷和保温冷却制为索氏体组织盘条，达到抗拉强度1045~1075MPa，虽然无V、Mo等贵微合金元素，但Si、Mn、Cr含量较高，进一步降低合金含量、省却合金元素的碳素工具钢盘条在制造时还存在以下技术问题：

一、由于无V、Nb等细化晶粒的元素，为了抑制轧制过程中的晶粒粗化，以便在风冷线上得到索氏体组织，需采用低温控轧吐丝以细晶强化、保留部分轧制畸变，但也导致轧件的变形抗力和轧制线的载荷需求增加，将加剧对轧制线的磨损，导致轧制速度和效率下降，影响生产效率。

二、合金钢盘条中，高硅含量用于固溶强化铁素体，Mn、Cr元素用于提高盘条淬透性，以促进过冷奥氏体在风冷作用下能够向索氏体转变，而降低合金含量、省却淬透性合金元素后，过冷奥氏体稳定性下降，受斯太尔摩风冷线的最高冷却能力限制，盘条中易形成粗片层珠光体或珠光体与铁素体的混合组织，索氏体含量降低，导致盘条强度和韧性大幅下降，影响工具钢耐用性，冷加工不得不采用热处理调整产品性能，也带来工具钢产品生产能耗、成本增加和效率下降的问题，故常规碳素钢盘条一般通过提高碳含量弥补强度，但高碳含量会导致网碳问题和塑性急剧下降，使冷加工时容易开裂。

三、低合金化后盘条的冷速敏感性提高，提高风冷强度后，受风机风量、风温的不稳定性影响，将进一步增加盘条受风面与被风面、搭接处与非搭接处的温差，因晶粒粗大和局部扩快冷却容易形成魏氏体、马氏体等脆性相，产生较高的组织应力、劣化盘条塑韧性能，同时以较高进罩温度长时间的保温处理将影响下线速度和生产效率，表面到芯部的温度梯度将进一步增大，使芯部在较慢的冷却速度下更容易形成软相珠光体组织，不仅导致基体强度和组织均匀性下降、力学性能波动进一步增加，且会加剧相变前的热应力累积，使表面会受心部约束产生拉应力，叠加产生组织应力，受斯太尔摩风冷线的长度和最低冷却能力限制，盘条在连续冷却过程中需要较长的相变孕育时间，渗碳体片层粗、分布不均将增加应力释放难度，盘条经过相变孕育后已处于低温状态，使得组织中存在较大的应力残留，在后续冷加工中残余应力与外加载荷叠加，易在应力集中区达到断裂强度，导致加工断丝或使用裂纹，影响工具钢的工艺合格率和耐用性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条及其制造方法，能够降低材料成本、提高盘条的整体强塑性，以便经冷成型后可直接加工成工具零件，降低工具钢产品的生产能耗和成本、提高生产效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其制造方法包括：

将钢坯经过轧制、按照≥850℃的吐丝温度吐丝为盘条后，经过在线熔盐等温韧化处理，控制盘条以≥35℃/s的冷速从高温奥氏体状态进入索氏体相区，形成以索氏体为主的组织，控制盘条在等温区间进行等温回火，促进索氏体片层熔断、韧化去应力处理，最后经过辊道慢冷，制为显微组织包括回火索氏体、铁素体和熔断索氏体的盘条，所述盘条的化学成分及质量百分比包括：C：0.57％~0.62％、Si：0.38％~0.47％、Mn：0.53％~0.63％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免杂质。

上述盘条的化学成分及质量百分比设计依据包括：

（1）碳：C元素作为有效的碳化物强化元素和奥氏体形成元素，价格相对低廉，通过固溶强化可提升盘条的硬度和工具钢耐磨性，随着碳含量的增加，能增加奥氏体的碳溶解度、降低奥氏体向索氏体转变的临界温度，使索氏体转变的温度区间向低温偏移，抑制铁素体的形成，低温下原子扩散速度慢，使得在熔盐处理过程中索氏体的形核率提高、片层间距减小，回火前的硬度更高、抗回火软化能力增强，以提供强韧性基础，但碳含量过高会增加脱碳敏感性、凝固与轧制过程中的碳偏析和先共析碳化物析出风险，增加组织均匀性的控制难度，延长索氏体相变的孕育期，增加回火残余应力消除难度，降低钢的韧性和塑性，因此为了满足工具钢的强度和耐用性需求、控制材料成本，同时避免过快回火软化、强度和硬度过度下降，C的质量百分比控制为0.57％~0.62％。

（2）硅：Si元素是脱氧元素，可提高钢的纯净度，通过固溶强化提高奥氏体的硬度，同时降低奥氏体向珠光体转变的临界冷速，抑制在线熔盐等温韧化处理时的晶粒粗化和渗碳体析出，有助于抑制珠光体的粗片层形成，使相变在更低温度完成，减慢原子扩散速度，易形成更细的索氏体片层，等温回火时硅可阻碍碳原子的扩散与迁移，提高抗回火稳定性、延缓硬度下降，使冷加工后硬度与耐磨性保持稳定，但硅含量过高会导致夹杂物增多，会延缓相变孕育转变速度，降低盘条的塑性和冲击韧性，影响冷加工性能，因此为了提高基体强度、适应在线熔盐对组织的调控，Si的质量百分比控制为0.38％~0.47％。

（3）锰：Mn元素是淬透性元素和强奥氏体稳定化元素，可扩大奥氏体区，显著降低索氏体转变的临界温度，抑制铁素体的形成和珠光体片层的粗化，配合熔盐处理使索氏体的渗碳体片层更薄、间距更小，从而细化组织，因片层更细密，晶界面积更大，回火时位错运动与滑移更容易通过晶界协调释放残余应力，但Mn的含量过高时，有促使钢的晶粒长大的倾向，高温加热时易导致晶粒粗化，增加钢坯凝固过程中的偏析风险，进而影响局部相变速度、增大相变应力和异常组织的析出风险，影响盘条冲击韧性和疲劳性能，故为了兼顾工具钢盘条耐用性、便于熔盐处理调控组织相变，降低塑性和组织均匀性的控制难度，Mn的质量百分比控制为0.53％~0.63％。

（4）磷、硫：P元素和S元素属于杂质元素，越低越好，因此控制P≤0.015％、S≤0.015％。

上述盘条采用C-Si-Mn的碳素成分设计，不含Cr、V等合金元素、Si含量更低，可降低材料成本，同时调控盘条淬透性和抗回火软化能力，为索氏体相变在较低的温度下进行以细化片层间距、降低组织均匀性和塑性调控难度、避免强硬度过度下降提供有利条件，在此基础上，选用较高的吐丝温度，使盘条处于高温奥氏体状态，避免吐丝温度过低导致碳或合金元素扩散不充分，均匀的奥氏体状态为后续索氏体相变提供了一致的基体，为增大过冷度、加速相变动力、抑制粗大珠光体作组织上的准备，吐丝后的盘条不经过风冷，而直接经过熔盐进行在线熔盐等温韧化处理：

一、相较于斯太尔摩风冷线因最高冷却能力有限和控温不稳定，而难以抑制粗大珠光体或脆性异常组织，一方面，熔盐可促进盘条快速冷却，跳过奥氏体向铁素体或渗碳体的先共析析出阶段，避免先共析相干扰，降温至索氏体相区，抑制粗大珠光体形成，利用更大的过冷度提高相变驱动力、促进索氏体形核率提升，生成片层间距更细的索氏体组织，弥补省却V、Nb等合金元素和Cr、Mo等淬透性元素对索氏体相变的不利影响，随着处理时间延长，可促进奥氏体组织向索氏体充分转变，形成以细片层间距索氏体为主的组织，降低铁素体占比，提供较高的基体强度和硬度基础；另一方面，盘条经过熔盐时，熔盐覆盖在盘条表面均匀换热，较风冷不存在受风面与被风面、搭接处与非搭接处的温差问题，可避免局部过冷而产生马氏体等脆性组织，提高组织均匀性、降低力学性能波动。

二、相较于斯太尔摩风冷线因最低冷却能力有限和连续冷却，而导致盘条力学性能波动较大、组织均匀性和塑性不足、下线速度较慢，一方面，熔盐与盘条表面充分接触且换热效率更高，可有效减少盘条表面至芯部的冷速差异，使盘条整个截面同步进入索氏体相变区，避免风冷线表面冷速快、芯部冷速慢导致的表面细索氏体和芯部粗珠光体组织差异性分布，随着盘条在索氏体峰值析出温度的处理时间延长，可促进索氏体的均匀和充分相变，可提升组织均匀性、进一步降低力学性能波动、减少热应力与相变应力的叠加；另一方面，相变孕育后，熔盐可控制盘条与熔盐温度一致进行等温处理而非连续冷却，可延长盘条处于高温等温温度区间的时间，可提供更多热动力主动调控相变后的组织，通过原子扩散促进连续的索氏体片层发生局部熔断，韧化去应力处理，由于索氏体相变在较低的温度下进行，配合适当硅优化抗回火软化能力，既保留细片层的界面强化作用，又通过熔断结构改善塑韧性，降低应力集中，随后通过辊道慢冷防止盘条在冷却过程中因冷速过快导致应力增加，促进盘条组织进一步韧化，提高盘条软化效果，进而提升盘条的整体强塑性，也不必采用过高的入罩温度或长时间保温处理，以便较快下线，保证生产节奏和效率。

所述轧制前，控制适当的加热炉均热温度和在炉时间，可促进碳与合金元素充分扩散，降低成分偏析影响，促进奥氏体晶粒均匀化，提高轧制塑性并避免均热温度过高或在炉时间过长导致晶粒粗化，在优选的技术方案中，所述轧制前，控制加热炉均热温度为1070~1120℃，在炉时间为90~200min。

所述轧制时，控制适当的初轧温度可使钢坯的轧制变形抗力适中，提高轧制速度，避免奥氏体晶粒粗化，避免初轧温度过低导致轧制线过度磨损或过载，控制适当的终轧温度和终轧压下量，通过动态再结晶细化奥氏体晶粒、增加晶界面积、为索氏体形核提供更多位置，避免终轧温度和终轧压下量过低引起局部应力集中或影响吐丝温度，在优选的技术方案中，所述轧制时，控制初轧温度为1015~1060℃，终轧温度为860~910℃，终轧压下量为15%~20%。

所述吐丝时，可进一步控制吐丝温度，避免奥氏体晶粒长大，有利于进一步降低后续相变过程中的热应力，在优选的技术方案中，所述吐丝时，控制吐丝温度为850~895℃。

在优选的技术方案中，所述在线熔盐等温韧化处理分为前段熔盐处理和后段熔盐处理，前段熔盐处理的熔盐循环量大于后段熔盐处理的熔盐循环量，前段熔盐处理选用较大的熔盐循环量可控制熔盐温升，促进盘条快速降温，抑制粗片状珠光体和先共析铁素体，促进组织形成以细片层索氏体为主的组织，后段熔盐处理选用较小的熔盐循环量可降低生产能耗，控制等温韧化处理。

所述前段熔盐处理的熔盐温度处于索氏体相区，熔盐温度越低，可提高相变驱动力，抑制粗大片层珠光体，提高细片层索氏体的形核速度，随着处理时间延长，可形成以细片层间距索氏体为主的组织，提供较高的强度和硬度基础，但熔盐温度过低，将减小碳的扩散速度，增加相变孕育时间，随着处理时间过长，将增加生产能耗，因偏析和过冷度过大，将增加马氏体脆性相风险；反之，熔盐温度越高，有利于减小盘条表面到芯部的温度梯度，减小热应力和相变应力，降低软化难度，随着处理时间减短，有利于减小生产能耗，但熔盐温度过高、处理时间过短，将损失相变驱动力，引起片层间距增大、损失基体强度、增加力学性能波动和熔断难度，因此前段熔盐处理可控制熔盐温度和处理时间，控制盘条快速从高温奥氏体状态进入索氏体相区，形成以细片层间距索氏体为主的组织、提高组织均匀性，为后段熔盐处理作组织上的准备，在优选的技术方案中，所述前段熔盐处理的熔盐温度为450~495℃，处理时间为150~250s。

所述前段熔盐处理可进一步控制熔盐循环量，利用较高的熔盐循环量增强熔盐与盘条表面的换热，快速带走热量，降低盘条截面表面到芯部的温度梯度，抑制碳或锰偏析导致的相变差异，在优选的技术方案中，所述前段熔盐处理的熔盐循环量为480~680t/h，熔盐温升≤8℃。

所述后段熔盐处理的熔盐温度处于高温等温区间，熔盐温度越高、处理时间越长，有利于提供更多热动力，促进索氏体片层熔断、释放热应力与组织应力，提升盘条塑韧性能，减小盘条表面与芯部的组织差异，改善加工性能，但熔盐温度过高，碳的扩散速度和索氏体片层熔断速度加快，随着处理时间延长，索氏体的渗碳体快速粗化，过度软化，将过度损失基体强度；反之，熔盐温度越低、处理时间越短，原子扩散速度下降，可降低强度损失和生产能耗，但熔盐温度过低、处理时间过短，索氏体片层不易断裂，应力释放不足，塑韧性能提升有限，因此后段熔盐处理可控制熔盐温度和处理时间，控制盘条在高温等温区间对组织进行高温等温回火、韧化去应力处理，促进索氏体片层熔断而不过度损失强度，提升盘条的强塑性匹配，在优选的技术方案中，所述后段熔盐处理的熔盐温度为475~500℃，处理时间为200~300s。

由于盘条经过前段熔盐处理的盘条温度与后段熔盐处理的熔盐温度温差较小，选用较小的熔盐循环量可降低生产能耗，同时控制熔盐温升，促进韧化去应力均匀进行，在优选的技术方案中，所述后段熔盐处理的熔盐循环量为200~400t/h，熔盐温升≤3℃。

盘条经过后段熔盐处理后的温度相对较高、组织充分相变，辊道慢冷选用较低的冷却速度可避免盘条因冷速过快导致应力增加，同时利用盘条的高温状态延续后段熔盐处理的效果，促进盘条进入韧化，同时避免冷却速度过低影响下线效率，在优选的技术方案中，所述辊道慢冷控制盘条以0.2~0.65℃/s的冷却速度缓慢冷却至300℃以下。

一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条，所述盘条由上述任意一项所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法制造获得。

上述盘条采用C、Si、Mn的碳素钢成分体系，较合金工具钢盘条成分简单、Si更少，较碳素工具钢盘条碳、合金含量更少，可有效降低材料成本，同时显微组织包括以回火索氏体和熔断索氏体为主、少量铁素体的混合组织，相较风冷线的珠光体/索氏体+铁素体组织工具钢盘条，可避免局部冷却异常形成异常组织，避免芯部冷却过慢形成粗化珠光体，索氏体较珠光体的片层间距更细、强度和韧性更好，可降低组织中的铁素体占比，提高碳元素的强化作用、基体强度和组织均匀性，降低力学性能波动，弥补降低合金含量、省却合金元素对盘条强度和韧性的不利影响，满足高强度工具钢对性能一致性的需求，同时通过释放组织应力，促进索氏体片层熔断，转变为向球化组织转变的中间过度态回火索氏体与熔断索氏体，在受力时既能保持较高的承载能力，又能通过片层熔断后的滑移协调作用提升塑性与强度匹配，降低冷加工中的开裂风险，避免应力集中导致裂纹，进而经冷成型后可直接加工成工具零件，提高工具钢的耐用性。

所述显微组织中，回火索氏体的体积占比越多、片层间距越细，则基体强度越高，熔断索氏体的体积占比越多，则基体塑韧性能越好，在优选的技术方案中，所述回火索氏体的体积百分比为64%~79%，片层间距为90~120nm，熔断索氏体的体积百分比为18%~28%；所述铁素体的体积百分比为3%~8%。

在优选的技术方案中，所述盘条的直径为6~10mm，抗拉强度为1050~1100MPa，断面收缩率为45%~50%，力学性能同圈差≤28MPa，盘条直径属于中小规格，可减少冷加工道次和材料损耗，盘条具有较高的抗拉强度，用于制造碳素工具钢等应用领域，可省却冷加工后的额外热处理，以便在冷加工后直接达到目标强度，增强工具钢载荷和耐用性，盘条具有较高的断面收缩率和较小的力学性能同圈差，可减小冷加工过程中的断丝或裂纹风险，提高工具钢生产成材率和工艺稳定性，增加工具钢疲劳性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

（1）针对受到斯太尔摩风冷线生产工序的限制，难以开发免热处理型高强度碳素工具钢盘条的现状，本发明采用碳素化学成分设计结合在线熔盐强等温韧化技术，不必采用低温控轧，吐丝后的盘条可快速从高温奥氏体状态进入索氏体相区，抑制珠光体和脆性异常组织，形成以细片层间距索氏体为主的组织，提高组织均匀性，再控制盘条在高温等温区间对淬火组织进行高温等温回火，韧化去应力处理，促进索氏体片层熔断，提升强塑性能匹配，最后辊道慢冷促进盘条组织进一步韧化，可提高盘条的整体强塑性，具有良好的工业适应性。

（2）针对现有合金工具钢盘条成本高、碳素工具钢盘条强塑性不足、力学性能波动大，冷加工后需要额外热处理的现状，本发明的采用C、Si、Mn的碳素钢成分体系，成分简单、合金含量更少，可有效降低材料成本，显微组织包括回火索氏体、铁素体和熔断索氏体，可弥补降低合金含量、省却合金元素对盘条强度和韧性的不利影响，提升强塑性能匹配，达到产品抗拉强度为1050~1100MPa，断面收缩率为45%~50%，用于制造碳素工具钢等应用领域，经冷成型后可直接加工成工具零件，降低工具钢产品的生产能耗和成本、提高生产效率，具有良好的市场应用前景。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例1的金相组织图；

图2是本发明实施例2的金相组织图；

图3是本发明实施例3的金相组织图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，旨在用于解释本发明，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明，而不能理解为对本发明的范围有任何限制，本发明的范围仅由所附权利要求来限定；对下述实施例和对比例所得盘条进行组织与性能检测包括：拉伸测试采用《GB-T228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行测试，获得抗拉强度和断面收缩率；按照GB/T13298标准的金属显微组织检测方法进行组织检测；力学性能同圈差测试方法：距盘卷端部5m取2圈盘条，以搭接区域位置为基点，将每圈盘条平均等分为8段，在每段上各取1个拉伸试样，所取拉伸试样经拉伸测试后的强度极差即为力学性能同圈差。

实施例1：

本发明所述1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法的一种较佳实施方式，所述盘条的化学成分及质量百分比包括C：0.57％、Si：0.44％、Mn：0.57％、P：0.013％、S：0.014％，其余为Fe和不可避免杂质；其制造方法按照轧制→吐丝→在线熔盐等温韧化处理→辊道慢冷→集卷的工艺流程制造，具体的：

所述轧制工序用于将规格为180mm×180mm的钢坯，通过加热炉加热为达到可轧制塑性的高温钢坯，促进碳与合金元素充分扩散，加热炉按照预热段、加热段和均热段三段升温程序控制，通过轧制线将高温钢坯轧制为直径规格为7.5mm的线材，选用合适的轧制温度和压下量，提高轧制效率并避免晶粒粗化，促进终轧轧制过程动态再结晶，细化晶粒，具体的：控制加热炉均热温度为1080℃，在炉时间为180min，初轧温度为1035℃，终轧温度为880℃，终轧压下量为19%；所述吐丝工序用于将出轧制线的线材，经过吐丝机制为盘条，盘条散布在辊道上沿辊道输送，使盘条处于高温奥氏体状态，为增大过冷度、加速相变动力、抑制粗大珠光体作组织上的准备，具体的：控制吐丝温度为865℃。

所述在线熔盐等温韧化处理工序采用内设熔盐的两段盐浴槽，吐丝后的盘条经辊道输送穿过第一段盐浴槽进行前段熔盐处理，使盘条以37℃/s的冷速降温，从高温奥氏体状态快速进入索氏体相区，抑制粗大珠光体，形成以细片层间距索氏体为主的组织，之后盘条经辊道输送穿过第二段盐浴槽进行后段熔盐处理，降低熔盐循环量，控制盘条在高温等温区间进行等温回火，促进索氏体片层熔断、韧化去应力处理，避免过度软化，提升盘条的强塑性匹配，具体的：前段熔盐处理的熔盐温度为466℃，处理时间为185s，熔盐循环量为520t/h，熔盐温升≤8℃；后段熔盐处理的熔盐温度为495℃，处理时间为250s，熔盐循环量为255t/h，熔盐温升≤3℃。

所述辊道慢冷工序采用关闭保温罩，由输送辊道输送经过第二段盐浴槽的盘条经过保温罩缓慢冷却，防止盘条在冷却过程中冷速过快导致应力增加，并促进盘条组织进一步韧化，提高盘条软化效果，直至集卷，具体的：控制盘条以0.35℃/s的冷却速度缓慢冷却至295℃；所述集卷工序用于通过集卷筒将盘条集卷为盘卷，包装入库后获得盘条成品，其金相组织图如图1所示。

对比例1：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例1的区别在于：其制造方法按照轧制→吐丝→斯太尔摩风冷线→集卷的工艺流程制造，具体的：所述轧制工序中控制加热炉均热温度为1040℃，在炉时间为215min，初轧温度为975℃，终轧温度为820℃，控制吐丝温度为800℃，所述斯太尔摩风冷线采用1~4#风机风量的75%开启，控制盘条以7.2℃/s的速度冷却至682℃，5~14#风机按25%开启，控制盘条以2.5℃/s的速度冷却至290℃，风机总风量为20万m³/h，由集卷筒收集，获得盘条成品，盘条显微组织中珠光体的体积百分比为75%，片层间距为198nm，铁素体的体积百分比为25%，抗拉强度为727MPa，断面收缩率为35%，力学性能同圈差为73MPa。

对比例2：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例1的区别在于：控制加热炉均热温度为1050℃，在炉时间为200min，初轧温度为985℃，终轧温度为835℃，控制吐丝温度为815℃，盘条经过前段熔盐处理并以34℃/s的冷速降温，获得盘条成品。

实施例2：

本发明所述1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法的一种较佳实施方式，所述盘条的化学成分及质量百分比包括C：0.62％、Si：0.47％、Mn：0.53％、P：0.015％、S：0.015％，其余为Fe和不可避免杂质；其制造方法按照轧制→吐丝→在线熔盐等温韧化处理→辊道慢冷→集卷的工艺流程制造，具体的：

所述轧制工序用于将规格为180mm×180mm的钢坯，通过加热炉加热为达到可轧制塑性的高温钢坯，促进碳与合金元素充分扩散，加热炉按照预热段、加热段和均热段三段升温程序控制，通过轧制线将高温钢坯轧制为直径规格为9mm的线材，选用合适的轧制温度和压下量，提高轧制效率并避免晶粒粗化，促进终轧轧制过程动态再结晶，细化晶粒，具体的：控制加热炉均热温度为1100℃，在炉时间为150min，初轧温度为1050℃，终轧温度为895℃，终轧压下量为17.5%；所述吐丝工序用于将出轧制线的线材，经过吐丝机制为盘条，盘条散布在辊道上沿辊道输送，使盘条处于高温奥氏体状态，为增大过冷度、加速相变动力、抑制粗大珠光体作组织上的准备，具体的：控制吐丝温度为875℃。

所述在线熔盐等温韧化处理工序采用内设熔盐的两段盐浴槽，吐丝后的盘条经辊道输送穿过第一段盐浴槽进行前段熔盐处理，使盘条以37℃/s的冷速降温，从高温奥氏体状态快速进入索氏体相区，抑制粗大珠光体，形成以细片层间距索氏体为主的组织，之后盘条经辊道输送穿过第二段盐浴槽进行后段熔盐处理，降低熔盐循环量，控制盘条在高温等温区间进行等温回火，促进索氏体片层熔断、韧化去应力处理，避免过度软化，提升盘条的强塑性匹配，具体的：前段熔盐处理的熔盐温度为479℃，处理时间为205s，熔盐循环量为605t/h，熔盐温升≤8℃；后段熔盐处理的熔盐温度为488℃，处理时间为280s，熔盐循环量为360t/h，熔盐温升≤3℃。

所述辊道慢冷工序采用关闭保温罩，由输送辊道输送经过第二段盐浴槽的盘条经过保温罩缓慢冷却，防止盘条在冷却过程中冷速过快导致应力增加，并促进盘条组织进一步韧化，提高盘条软化效果，直至集卷，具体的：控制盘条以0.55℃/s的冷却速度缓慢冷却至292℃；所述集卷工序用于通过集卷筒将盘条集卷为盘卷，包装入库后获得盘条成品，其金相组织图如图2所示。

对比例3：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例2的区别在于：所述盘条经过前段熔盐处理并以36℃/s的冷速降温，前段熔盐处理的熔盐温度为505℃，处理时间为110s，获得盘条成品。

对比例4：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例2的区别在于：所述盘条经过前段熔盐处理并以43℃/s的冷速降温，前段熔盐处理的熔盐温度为420℃，处理时间为270s，获得盘条成品。

实施例3：

本发明所述1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法的一种较佳实施方式，所述盘条的化学成分及质量百分比包括C：0.58％、Si：0.38％、Mn：0.60％、P：0.015％、S：0.015％，其余为Fe和不可避免杂质；其制造方法按照轧制→吐丝→在线熔盐等温韧化处理→辊道慢冷→集卷的工艺流程制造，具体的：

所述轧制工序用于将规格为180mm×180mm的钢坯，通过加热炉加热为达到可轧制塑性的高温钢坯，促进碳与合金元素充分扩散，加热炉按照预热段、加热段和均热段三段升温程序控制，通过轧制线将高温钢坯轧制为直径规格为6mm的线材，选用合适的轧制温度和压下量，提高轧制效率并避免晶粒粗化，促进终轧轧制过程动态再结晶，细化晶粒，具体的：控制加热炉均热温度为1070℃，在炉时间为200min，初轧温度为1015℃，终轧温度为860℃，终轧压下量为20%；所述吐丝工序用于将出轧制线的线材，经过吐丝机制为盘条，盘条散布在辊道上沿辊道输送，使盘条处于高温奥氏体状态，为增大过冷度、加速相变动力、抑制粗大珠光体作组织上的准备，具体的：控制吐丝温度为850℃。

所述在线熔盐等温韧化处理工序采用内设熔盐的两段盐浴槽，吐丝后的盘条经辊道输送穿过第一段盐浴槽进行前段熔盐处理，使盘条以39℃/s的冷速降温，从高温奥氏体状态快速进入索氏体相区，抑制粗大珠光体，形成以细片层间距索氏体为主的组织，之后盘条经辊道输送穿过第二段盐浴槽进行后段熔盐处理，降低熔盐循环量，控制盘条在高温等温区间进行等温回火，促进索氏体片层熔断、韧化去应力处理，避免过度软化，提升盘条的强塑性匹配，具体的：前段熔盐处理的熔盐温度为450℃，处理时间为150s，熔盐循环量为480t/h，熔盐温升≤8℃；后段熔盐处理的熔盐温度为500℃，处理时间为200s，熔盐循环量为200t/h，熔盐温升≤3℃。

所述辊道慢冷工序采用关闭保温罩，由输送辊道输送经过第二段盐浴槽的盘条经过保温罩缓慢冷却，防止盘条在冷却过程中冷速过快导致应力增加，并促进盘条组织进一步韧化，提高盘条软化效果，直至集卷，具体的：控制盘条以0.2℃/s的冷却速度缓慢冷却至298℃；所述集卷工序用于通过集卷筒将盘条集卷为盘卷，包装入库后获得盘条成品，其金相组织图如图3所示。

对比例5：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例3的区别在于：所述后段熔盐处理的熔盐温度为515℃，处理时间为350s，获得盘条成品。

对比例6：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例3的区别在于：所述后段熔盐处理的熔盐温度为450℃，处理时间为150s，获得盘条成品。

实施例4：

本发明所述1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法的一种较佳实施方式，所述盘条的化学成分及质量百分比包括C：0.60％、Si：0.40％、Mn：0.63％、P：0.015％、S：0.015％，其余为Fe和不可避免杂质；其制造方法按照轧制→吐丝→在线熔盐等温韧化处理→辊道慢冷→集卷的工艺流程制造，具体的：

所述轧制工序用于将规格为180mm×180mm的钢坯，通过加热炉加热为达到可轧制塑性的高温钢坯，促进碳与合金元素充分扩散，加热炉按照预热段、加热段和均热段三段升温程序控制，通过轧制线将高温钢坯轧制为直径规格为10mm的线材，选用合适的轧制温度和压下量，提高轧制效率并避免晶粒粗化，促进终轧轧制过程动态再结晶，细化晶粒，具体的：控制加热炉均热温度为1120℃，在炉时间为90min，初轧温度为1060℃，终轧温度为910℃，终轧压下量为15%；所述吐丝工序用于将出轧制线的线材，经过吐丝机制为盘条，盘条散布在辊道上沿辊道输送，使盘条处于高温奥氏体状态，为增大过冷度、加速相变动力、抑制粗大珠光体作组织上的准备，具体的：控制吐丝温度为895℃。

所述在线熔盐等温韧化处理工序采用内设熔盐的两段盐浴槽，吐丝后的盘条经辊道输送穿过第一段盐浴槽进行前段熔盐处理，使盘条以39℃/s的冷速降温，从高温奥氏体状态快速进入索氏体相区，抑制粗大珠光体，形成以细片层间距索氏体为主的组织，之后盘条经辊道输送穿过第二段盐浴槽进行后段熔盐处理，降低熔盐循环量，控制盘条在高温等温区间进行等温回火，促进索氏体片层熔断、韧化去应力处理，避免过度软化，提升盘条的强塑性匹配，具体的：前段熔盐处理的熔盐温度为495℃，处理时间为250s，熔盐循环量为680t/h，熔盐温升≤8℃；后段熔盐处理的熔盐温度为475℃，处理时间为300s，熔盐循环量为400t/h，熔盐温升≤3℃。

所述辊道慢冷工序采用关闭保温罩，由输送辊道输送经过第二段盐浴槽的盘条经过保温罩缓慢冷却，防止盘条在冷却过程中冷速过快导致应力增加，并促进盘条组织进一步韧化，提高盘条软化效果，直至集卷，具体的：控制盘条以0.65℃/s的冷却速度缓慢冷却至290℃；所述集卷工序用于通过集卷筒将盘条集卷为盘卷，包装入库后获得盘条成品。

对比例7：

一种盘条的制造方法，其制造方法与实施例4的区别在于：其制造方法按照轧制→吐丝→在线熔盐等温韧化处理→空冷→集卷的工艺流程制造，具体的：所述空冷工序采用由输送辊道输送经过第二段盐浴槽的盘条在空气中自然冷却，盘条以1.6℃/s的冷却速度冷却至285℃，获得盘条。

对上述实施例1~4和对比例2~7所得盘条进行组织与性能检测，获得的对比结果如下表1所示：

表1.不同盘条成分与制造方法的组织性能对比结果

由实施例1与对比例1的对比结果可见，相较于降低合金含量、省却合金元素的碳素工具钢盘条采用斯太尔摩风冷线生产，易形成粗片层珠光体或珠光体与铁素体的混合组织，导致盘条强度和韧性大幅下降，力学性能波动较大，影响工具钢耐用性，冷加工不得不采用热处理调整产品性能，本发明采用碳素化学成分设计结合在线熔盐强等温韧化技术，不必采用低温控轧，吐丝后的盘条可快速从高温奥氏体状态进入索氏体相区，抑制珠光体和脆性异常组织，形成以细片层间距索氏体为主的组织，提高组织均匀性，再控制盘条在高温等温区间对淬火组织进行高温等温回火，韧化去应力处理，提升强塑性能匹配，由实施例1~4的结果可见，可达到产品抗拉强度为1050~1100MPa，断面收缩率为45%~50%，用于制造碳素工具钢等应用领域，经冷成型后可直接加工成工具零件。

由实施例1与对比例2的对比结果可见，选用较高的吐丝温度，使盘条处于高温奥氏体状态，可避免吐丝温度过低导致碳或合金元素扩散不充分，为增大过冷度、加速相变动力、抑制粗大珠光体作组织上的准备，同时降低对轧制温度的限制，以便提高轧制效率。

由实施例2与对比例3的对比结果可见，前段熔盐处理的熔盐温度处于索氏体相区，熔盐温度越高，有利于减小盘条表面到芯部的温度梯度，减小热应力和相变应力，降低软化难度，随着处理时间减短，有利于减小生产能耗，但熔盐温度过高、处理时间过短，将损失相变驱动力，引起片层间距增大、损失基体强度、增加力学性能波动和熔断难度。

由实施例2与对比例4的对比结果可见，前段熔盐处理的熔盐温度越低，可提高相变驱动力，抑制粗大片层珠光体，提高细片层索氏体的形核速度，随着处理时间延长，可形成以细片层间距索氏体为主的组织，提供较高的强度和硬度基础，但熔盐温度过低，将减小碳的扩散速度，增加相变孕育时间，随着处理时间过长，将增加生产能耗。

由实施例3与对比例5的对比结果可见，后段熔盐处理的熔盐温度处于高温等温区间，熔盐温度越高、处理时间越长，有利于提供更多热动力，促进索氏体片层熔断、释放热应力与组织应力，提升盘条塑韧性能，减小盘条表面与芯部的组织差异，改善加工性能，但熔盐温度过高，碳的扩散速度和索氏体片层熔断速度加快，随着处理时间延长，索氏体的渗碳体颗粒快速粗化，过度软化，将过度损失基体强度。

由实施例3与对比例6的对比结果可见，后段熔盐处理的熔盐温度越低、处理时间越短，原子扩散速度下降，可降低强度损失和生产能耗，但熔盐温度过低、处理时间过短，索氏体片层不易断裂，应力释放不足，塑韧性能提升有限。

由实施例4与对比例7的对比结果可见，盘条经过后段熔盐处理后的温度相对较高、组织充分相变，采用辊道慢冷可避免盘条因冷速过快导致应力增加，同时利用盘条的高温状态延续后段熔盐处理的效果，促进盘条进入韧化，提高软化效果。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，其制造方法包括：

将钢坯经过轧制、按照≥850℃的吐丝温度吐丝为盘条后，经过在线熔盐等温韧化处理，控制盘条以≥35℃/s的冷速从高温奥氏体状态进入索氏体相区，形成以索氏体为主的组织，控制盘条在等温区间进行等温回火，促进索氏体片层熔断、韧化去应力处理，最后经过辊道慢冷，制为显微组织包括回火索氏体、铁素体和熔断索氏体的盘条，所述盘条的化学成分及质量百分比包括：C：0.57％~0.62％、Si：0.38％~0.47％、Mn：0.53％~0.63％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，所述轧制前，控制加热炉均热温度为1070~1120℃，在炉时间为90~200min。

3.根据权利要求1所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，所述轧制时，控制初轧温度为1015~1060℃，终轧温度为860~910℃，终轧压下量为15%~20%；所述吐丝时，控制吐丝温度为850~895℃。

4.根据权利要求1所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，所述在线熔盐等温韧化处理分为前段熔盐处理和后段熔盐处理，前段熔盐处理的熔盐循环量大于后段熔盐处理的熔盐循环量。

5.根据权利要求4所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，所述前段熔盐处理的熔盐温度为450~495℃，处理时间为150~250s；所述后段熔盐处理的熔盐温度为475~500℃，处理时间为200~300s。

6.根据权利要求5所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，所述前段熔盐处理的熔盐循环量为480~680t/h，熔盐温升≤8℃；所述后段熔盐处理的熔盐循环量为200~400t/h，熔盐温升≤3℃。

7.根据权利要求5所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法，其特征在于，所述辊道慢冷控制盘条以0.2~0.65℃/s的冷却速度缓慢冷却至300℃以下。

8.一种1150MPa级高强度碳素工具钢盘条，其特征在于，所述盘条由权利要求1~7任意一项所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条的制造方法制造获得。

9.根据权利要求8所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条，其特征在于，所述回火索氏体的体积百分比为64%~79%，片层间距为90~120nm，熔断索氏体的体积百分比为18%~28%；所述铁素体的体积百分比为3%~8%。

10.根据权利要求8所述的1150MPa级高强度碳素工具钢盘条，其特征在于，所述盘条的直径为6~10mm，抗拉强度为1050~1100MPa，断面收缩率为45%~50%，力学性能同圈差≤28MPa。