雙金屬帶鋸背材用鋼DS120的研發

齊 峰，盧秉軍，闞 開

（本鋼板材股份有限公司產品研究院，遼寧 本溪117000）

帶鋸機是使用最廣泛的制材設備，可用于木料、金屬等材料連續切割，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，以優質彈簧鋼為背部材料，經真空電子束焊接、開齒、熱處理等工序加工為成品。雙金屬鋸條具有優良的紅硬性，具有耐用度高、抗疲勞性能好等優點[1]，適用于幾乎所有類型的金屬材料加工。可以預見，未來雙金屬帶鋸在材料切削行業的地位將不可動搖[2]。

鋸切材料時，帶鋸條作45°～90°的扭轉環形運動，受到周期性的拉伸、沖擊、彎曲及扭轉等復雜應力，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度、耐磨性以及優良的抗疲勞性能，同時冶金質量要求非常嚴格。

1 產品設計

1.1 成分設計

現有的雙金屬帶鋸背部材料常用彈簧鋼，彈簧鋼生產的帶鋸在使用中存在抗疲勞性能差，塑性、韌性差等缺點。彈簧鋼中硅含量較高，鋼的脫碳傾向嚴重，導致鋸條表面極易產生為裂紋。為解決以上問題，提高帶鋸背部材料的使用壽命，本鋼開發了DS120鋼，化學成分見表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，設計w（C）為0.30%，w（Mn）為0.90%。鋼中的硅可提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，而過高的硅含量使鋼材脫碳傾向明顯，導致鋸條表面微裂紋的產生，綜合考慮，設計w(Si)為0.30%。鉻對鋼的耐磨性、高溫強度、淬透性均有有利的影響，特別是質量分數在3%～6%范圍內時，可有效提高鋼的高溫強度，故設計w(Cr)為3.85%。鉬可以提高鋼的淬透性，同時抑制由于鉻含量過高導致的回火脆性及塑性、韌性的降低，提高鋼的熱強性，設計w(Mo)為1.20%。鎳在改善淬透性的同時有效提高鋼的強度，補償低碳含量帶來的強度下降，設計w（Ni）為0.70%。鋁可脫氧固氮，細化晶粒，改善鋼的抗彈減性，提高鋼的塑性變形能力，設計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，同時增加鋼的高溫持久強度和蠕變抗力，設計w（V）為0.32%。

表1 DS120鋼目標成分 %

1.2 工藝設計

設計采用“EBT+LF+VD+CC”工藝生產235 mm×265 mm規格連鑄坯，再由特殊鋼廠800初軋機軋制203 mm×203 mm方鋼。方鋼入保溫坑保溫48 h，后進行精整修磨及檢驗。

1.2.1 EBT工藝要點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

1）投入石灰、氧化鋁球造渣，可采用適量螢石調整爐渣流動性。

2）使用硅鈣粉、細面碳粉、鋁粉進行擴散脫氧，保持還原渣。

1.2.3 VD工藝要點

1）最低真空度低于100 Pa，保持時間≥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。

3）靜吹氬25 min以上，同時嚴禁鋼水裸露，避免鋼水氧化。

1.2.4 連鑄工藝要點

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

2）過熱度與拉速對照見表2。

表2 過熱度與拉速對照

3）中包全程吹氬，烘烤時間≥4 h。

4）連鑄坯入保溫坑，采用紅鋼墊底，保溫時間≥30 h。

1.2.5 軋制工藝要點

1）采用方鋼203 mm規格專用孔型軋制，邊長203 mm±2 mm，對角線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，保溫時間≥48h，出坑溫度≤200℃。

2 產品試制及應用

2.1 首次試制

首次試制DS120鋼35 t，化學成分及低倍組織滿足標準要求，鋼材檢驗合格交付用戶。方鋼經“壓力加工+電子束焊接+球化退火+焊縫平整+開齒+連續淬火+回火”制成雙金屬帶鋸條并投放市場。

2.2 質量問題分析

DS120鋼生產的雙金屬帶鋸條總體性能穩定，但仍有小批量出現質量問題，使用過程中帶鋸基體表面出現裂紋。裂紋產生于基體邊部及齒根部，沿著與長度方向垂直的方向擴展。在斷口處進行疲勞分析（見圖1），可見試樣基體存在大量夾雜物，對夾雜物顆粒進行能譜分析發現，顆粒物是C、O和Fe的富集區域，還含有少量的Al、Si、Cr、S等元素，推測夾雜物為Al2O3和Fe2O3等氧化物組成的夾雜物富集區。分析認為此類夾雜物塑性差，與基體變形不協調，且熱膨脹系數與基體相差較大，產生微小裂紋，引起應力集中。由于應力集中和切削乳化劑水腐蝕的協同作用，微裂紋擴展并最終導致鋸條基體開裂[3]。綜上所述，雙金屬帶鋸基體疲勞裂紋的主要原因為氧化物夾雜的富集。

圖1 裂紋斷口形貌

3 工藝調整及效果

3.1 工藝調整

為提高鋼的純凈度，擬將DS120鋼生產工藝調整為“EBT+LF+VD+CC+ESR”，通過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及分布。各工藝環節調整如下：

1）原料鐵水比由70%調整為80%，減少廢鋼投入，以減少殘余元素含量。

2）VD真空處理時間延長至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按標準上限控制，防止電渣重熔燒損導致成分不合。

4）連鑄坯電極退火后需仔細修磨，清除氧化鐵皮，減少帶入電渣熔池內的氧。

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

6）電渣重熔過程投入氬氣保護裝置（見71頁圖2），減少氧化。

7）電渣錠按熱作磨具鋼工藝進行退火。

3.2 質量反饋

據反饋，采用“EBT+LF+VD+CC+ESR”工藝生產的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裂的現象明顯減少，使用壽命顯著提高。工藝調整后，DS120鋼能夠滿足高端帶鋸條背材的要求。

圖2 氬氣保護裝置

4 結論

1）通過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度、塑性、紅硬性等性能要求，DS120鋼成分設計合理。

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

3）本鋼設計生產的DS120鋼完全滿足雙金屬帶鋸背材要求，DS120生產的成品帶鋸條壽命穩定，疲勞開裂較少發生。