双金属带锯背材用钢DS120的研发

齐 峰，卢秉军，阚 开

（本钢板材股份有限公司产品研究院，辽宁 本溪117000）

带锯机是使用最广泛的制材设备，可用于木料、金属等材料连续切割，其最主要的耗材为带锯条。带锯条种类繁多，主要有锰钢、合金钢、双金属带锯条等。双金属锯条以高性能的M42高速钢为齿部材料，以优质弹簧钢为背部材料，经真空电子束焊接、开齿、热处理等工序加工为成品。双金属锯条具有优良的红硬性，具有耐用度高、抗疲劳性能好等优点[1]，适用于几乎所有类型的金属材料加工。可以预见，未来双金属带锯在材料切削行业的地位将不可动摇[2]。

锯切材料时，带锯条作45°～90°的扭转环形运动，受到周期性的拉伸、冲击、弯曲及扭转等复杂应力，此外，带锯条还处在锯床切削乳化剂水溶液中，服役条件恶劣[双金属带锯条面变裂纹分析]，故双金属带锯条背材要求材料拥有较高的强度、耐磨性以及优良的抗疲劳性能，同时冶金质量要求非常严格。

1 产品设计

1.1 成分设计

现有的双金属带锯背部材料常用弹簧钢，弹簧钢生产的带锯在使用中存在抗疲劳性能差，塑性、韧性差等缺点。弹簧钢中硅含量较高，钢的脱碳倾向严重，导致锯条表面极易产生为裂纹。为解决以上问题，提高带锯背部材料的使用寿命，本钢开发了DS120钢，化学成分见表1。

DS120选用较低的碳含量，配合适宜的锰含量，保证了钢材的塑性和韧性，设计w（C）为0.30%，w（Mn）为0.90%。钢中的硅可提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，而过高的硅含量使钢材脱碳倾向明显，导致锯条表面微裂纹的产生，综合考虑，设计w(Si)为0.30%。铬对钢的耐磨性、高温强度、淬透性均有有利的影响，特别是质量分数在3%～6%范围内时，可有效提高钢的高温强度，故设计w(Cr)为3.85%。钼可以提高钢的淬透性，同时抑制由于铬含量过高导致的回火脆性及塑性、韧性的降低，提高钢的热强性，设计w(Mo)为1.20%。镍在改善淬透性的同时有效提高钢的强度，补偿低碳含量带来的强度下降，设计w（Ni）为0.70%。铝可脱氧固氮，细化晶粒，改善钢的抗弹减性，提高钢的塑性变形能力，设计w（Al）为0.080%。钒在弹簧钢中与锰和铬配合，增加钢的弹性极限，同时增加钢的高温持久强度和蠕变抗力，设计w（V）为0.32%。

表1 DS120钢目标成分 %

1.2 工艺设计

设计采用“EBT+LF+VD+CC”工艺生产235 mm×265 mm规格连铸坯，再由特殊钢厂800初轧机轧制203 mm×203 mm方钢。方钢入保温坑保温48 h，后进行精整修磨及检验。

1.2.1 EBT工艺要点1）精料氧化法，铁水比≥70%，保证残余元素合格。

2）采用使用三次以上的炉体及使用两次以上的钢包冶炼钢水。

3）出钢w（P）≤0.003%，0.05%≤w（C）≤0.15%。

1.2.2 LF工艺要点

1）投入石灰、氧化铝球造渣，可采用适量萤石调整炉渣流动性。

2）使用硅钙粉、细面碳粉、铝粉进行扩散脱氧，保持还原渣。

1.2.3 VD工艺要点

1）最低真空度低于100 Pa，保持时间≥15 min，控制氢含量。

2）完成合金化，控制全部成分满足要求，w（Al）按0.075%~0.089%控制，加入硅钙线，控制夹杂物形态。

3）静吹氩25 min以上，同时严禁钢水裸露，避免钢水氧化。

1.2.4 连铸工艺要点

1）控制过热度，浇次头炉过热度30～40℃，其他炉次过热度25～35℃，结晶器水流量160 m3/h，二冷比水量0.23 L/kg，电磁搅拌电流400 A，液面自动控制，使用专用结晶器保护渣。

2）过热度与拉速对照见表2。

表2 过热度与拉速对照

3）中包全程吹氩，烘烤时间≥4 h。

4）连铸坯入保温坑，采用红钢垫底，保温时间≥30 h。

1.2.5 轧制工艺要点

1）采用方钢203 mm规格专用孔型轧制，边长203 mm±2 mm，对角线258~264 mm，方钢每米弯曲度≤10 mm，总弯曲度≤1%。

2）热轧方钢入坑保温，红钢垫底，保温时间≥48h，出坑温度≤200℃。

2 产品试制及应用

2.1 首次试制

首次试制DS120钢35 t，化学成分及低倍组织满足标准要求，钢材检验合格交付用户。方钢经“压力加工+电子束焊接+球化退火+焊缝平整+开齿+连续淬火+回火”制成双金属带锯条并投放市场。

2.2 质量问题分析

DS120钢生产的双金属带锯条总体性能稳定，但仍有小批量出现质量问题，使用过程中带锯基体表面出现裂纹。裂纹产生于基体边部及齿根部，沿着与长度方向垂直的方向扩展。在断口处进行疲劳分析（见图1），可见试样基体存在大量夹杂物，对夹杂物颗粒进行能谱分析发现，颗粒物是C、O和Fe的富集区域，还含有少量的Al、Si、Cr、S等元素，推测夹杂物为Al2O3和Fe2O3等氧化物组成的夹杂物富集区。分析认为此类夹杂物塑性差，与基体变形不协调，且热膨胀系数与基体相差较大，产生微小裂纹，引起应力集中。由于应力集中和切削乳化剂水腐蚀的协同作用，微裂纹扩展并最终导致锯条基体开裂[3]。综上所述，双金属带锯基体疲劳裂纹的主要原因为氧化物夹杂的富集。

图1 裂纹断口形貌

3 工艺调整及效果

3.1 工艺调整

为提高钢的纯净度，拟将DS120钢生产工艺调整为“EBT+LF+VD+CC+ESR”，通过电渣重熔工艺减少钢中非金属夹杂物总量，控制非金属夹杂物形态及分布。各工艺环节调整如下：

1）原料铁水比由70%调整为80%，减少废钢投入，以减少残余元素含量。

2）VD真空处理时间延长至20 min以上，保证气体元素去除效果。

3）连铸坯成分中C、Si、Mn、Cr、Al按标准上限控制，防止电渣重熔烧损导致成分不合。

4）连铸坯电极退火后需仔细修磨，清除氧化铁皮，减少带入电渣熔池内的氧。

5）电渣重熔使用低烧损的二元提纯渣，渣比m（CaF2）∶m（Al2O3)=7∶3。

6）电渣重熔过程投入氩气保护装置（见71页图2），减少氧化。

7）电渣锭按热作磨具钢工艺进行退火。

3.2 质量反馈

据反馈，采用“EBT+LF+VD+CC+ESR”工艺生产的DS120钢非金属夹杂物总量减少，分布弥散均匀，氧化物聚集程度低。双金属带锯条基体开裂的现象明显减少，使用寿命显著提高。工艺调整后，DS120钢能够满足高端带锯条背材的要求。

图2 氩气保护装置

4 结论

1）通过C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V等元素的合理搭配满足了双金属带锯条背材用钢的强度、塑性、红硬性等性能要求，DS120钢成分设计合理。

2）“EBT+LF+VD+CC+ESR”工艺生产的DS120钢化氧化物夹杂分布弥散均匀，较少聚集，纯净度较高，工艺设计合理。

3）本钢设计生产的DS120钢完全满足双金属带锯背材要求，DS120生产的成品带锯条寿命稳定，疲劳开裂较少发生。