一种疲劳寿命优异的纺织针用钢及其制造方法与流程

本发明涉及冶金，尤其涉及一种疲劳寿命优异的纺织针用钢及其制造方法。

背景技术：

1、纺织针是针织机械的核心成圈机件，主要由钢丝、钢带经精密机械加工制成，承担着纱线勾取、线圈串套、织物成型的核心功能，广泛应用于电脑横机、圆纬机、经编机等各类纺织设备，是纺织行业实现高效、高品质针织生产的关键基础零部件。在高速、连续、往复的服役工况下，纺织针需长期承受周期性疲劳应力、纱线摩擦磨损以及反复弯折形变，其使用寿命、尺寸精度、力学稳定性直接决定针织织物质量、生产效率与设备运行成本，而纺织针用钢作为核心基材，其材料成分、组织状态、纯净度与综合力学性能，是决定纺织针成品质量的核心因素。

2、随着纺织行业向自动化、高速化、精细化方向发展，纺织机械运转速度持续提升，针织纱线逐步向高弹丝、化纤长丝、特种纤维等多元化方向延伸，对纺织针的性能要求不断升级。一方面，高速运转下纺织针的针钩、针舌、针杆等关键部位需具备高硬度、高耐磨性，避免与纱线长期摩擦出现尺寸磨损、表面划痕，保障线圈成型精度；另一方面，周期性往复运动与频繁弯折，要求材料具备优异的抗疲劳强度与强韧性匹配，防止服役过程中出现疲劳断裂、弯折开裂，减少设备停机换针频次，降低生产损耗。同时，纺织针多为超薄、异形精密结构，加工过程需经过冷轧、冲压、折弯、热处理等多道工序，还要求基材具备良好的冷加工成型性与热处理适配性，避免加工过程中出现开裂、变形等问题。

3、纺织针用钢多以高碳钢、微合金化高碳钢为主，行业内常用72b、sk85等碳素工具钢，通过调整碳含量与合金成分，实现材料强度与硬度的基础调控。但由于碳含量高，导致偏析及偏析带内夹杂严重。传统纺织针用钢通过冶炼和连铸工艺控制夹杂和偏析，但无法有效控制钢中硫化物、氧化物等非金属夹杂物，大尺寸、不规则夹杂物会成为材料疲劳裂纹源，大幅降低纺织针的疲劳寿命。而碳偏析引起的碳化物分布不均、晶粒粗大等问题，会导致材料冷加工性能差，折弯、冲压时易开裂，热处理后硬度均匀性不足。另外，传统材料的耐磨性与韧性难以兼顾，高碳含量提升硬度的同时会加剧材料脆性，无法适配高速纺织设备、特种纤维编织的严苛工况。

4、申请号为200510110462.x的中国专利申请公开了一种“高纯净钢纺织针用钢带及其生产方法”，钢中化学成分为c：0.9%～1.0%，mn：0.35%～0.50%，si：0.15%～0.30%，p≤0.030%，cr：0.15%～0.30%，s≤0.007%。原料热轧钢带经一次退火-一次冷轧-二次退火-二次冷轧-三次退火，得到一种球状珠光体冷轧高碳带钢，95%碳化物粒径1.5～2.5μm，无魏氏体、无带状组织，硬度255±15hv。但其采用多次罩退和多次冷轧，工艺复杂，生产效率低，成本高。另外其采用极低硫成分设计，虽然显著降低了热脆与夹杂物，但冶炼脱硫成本高。

5、申请号为202110827891.8的中国专利申请公开了“一种sk85碳素工具钢”，钢中化学成分为c：0.80%～0.90%、si≤0.35%、mn≤0.50%、p≤0.030%、s≤0.030%、cr≤0.30%、ni≤0.25%、cu≤0.25%。金相组织为均匀粒状/球状珠光体，无粗大晶粒、无网状碳化物，硬度hv170～250。采用罩式退火炉650℃后保温10h至12h去应力退火→酸洗→罩式退火炉730℃后保温14h软化退火→冷轧制→罩式退火炉680℃、720℃、750℃多次往复循环球化退火的工艺，工艺复杂，生产效率低，成本高，且表面易氧化脱碳，影响耐磨性和疲劳寿命。

6、申请号为201911340909.0的中国专利申请公开了“一种高碳工具钢sk85冷轧宽钢带的制造工艺”，钢中化学成分为c：0.82%～0.88%、si：0.12%～0.28%、mn：0.25%～0.45%、p≤0.025%、s≤0.010%、cr≤0.05%、ni≤0.05%、cu≤0.05%，其余为fe和杂质。生产工艺为：lf炉精炼-连铸-热轧-酸洗-一次冷轧+一次球化退火+二次冷轧+二次球化退火+三次冷轧，冷轧宽钢带具有均匀细腻的球状珠光体组织，无网状碳化物缺陷。硬度稳定在170～250hv。但其采用多次球化罩退和多次冷轧，工艺复杂，生产效率低，成本高。

7、申请号为202511531303.0的中国专利申请公开了一种“高碳工具钢sk85冷轧宽钢带高效制备工艺”，包括热卷预处理、纳米复合润滑、在线感应热处理等过程，通过多道次温轧，降低变形抗力与边裂风险，配合精准板形与残余应力控制，无需离线退火即可生产sk85冷轧宽钢带。但其未提及冷轧后球化率、强度、韧性、疲劳等性能指标，而未经球化处理的高碳钢珠光体片层脆性大，典型偏析等问题仍存在，影响使用性能。另外该工艺仅适于2mm以下薄规格钢板，对于2mm以上厚度则不适用。

8、综上，目前国内高端纺织针用钢在纯净度控制、精细组织调控、综合力学性能稳定性等方面与国际先进水平仍存在差距，难以满足高端精密纺织机械、高速智能化生产的需求。同时，行业对纺织针用钢的夹杂物等级、碳化物球化率、强韧性匹配等关键指标缺乏精细化管控，导致国产纺织针普遍存在寿命短、易断裂、精度差等问题，制约了纺织行业高端化、高效化发展。因此，研发一种高纯净度、组织均匀、强韧性与耐磨性兼具的新型纺织针用钢，优化材料成分设计与制备工艺，突破行业技术瓶颈，是实现纺织针基材国产化替代的关键。

技术实现思路

1、本发明针对我国纺织针等用途高碳过共析工具钢夹杂和偏析严重、脆性大韧性差、疲劳寿命短等问题，提供了一种疲劳寿命优异的纺织针用钢及其制造方法，冷轧带钢厚度0.5～2mm，珠光体球化率100%，球化直径不超过1.5μm，硬度160～220hv，表面硬度差在±5hv以内，热处理后硬度在700hv以上，抗拉强度≥1800mpa，成品纺织针的疲劳寿命≥1.2×107次。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种疲劳寿命优异的纺织针用钢，钢中化学成分按重量百分比计为：0.83%≤c≤0.99%，0.1%≤si≤0.4%，0.3%≤mn≤0.7%，cr≤0.3%，0.002%≤ce≤0.010%，al≤0.02%，p≤0.02%，s≤0.01%，h≤0.0002%，o≤0.002%，n≤0.006%，余量为fe和不可避免的杂质；成品带钢组织为均匀细小的针状马氏体和少量残余奥氏体的混合组织，其中针状马氏体的针长不超过15μm，残余奥氏体的体积占比为5%～8%；热处理后带钢的硬度在700hv以上，表面硬度差在±5hv以内，抗拉强度≥1800mpa；成品纺织针的疲劳寿命≥1.2×107次。

4、一种疲劳寿命优异的纺织针用钢的制造方法，包括如下步骤：

5、（1）冶炼：

6、包括转炉冶炼及lf电炉精炼，转炉造碱性渣，出钢前磷≤0.014%，硫≤0.010%，残氧≤0.05%；lf炉造弱碱性渣，出站前游离氧≤0.015%、残氧≤0.02%，然后添加ce合金；

7、（2）连铸：

8、连铸拉速0.9～1.2m/min，二冷水量0.10～0.30l/kg，铸坯厚度200～250mm，铸坯表面温度偏差不大于10℃；

9、（3）铸坯加热：

10、铸坯热送热装，入加热炉温度≥500℃；加热炉采用还原性气氛，空气过剩系数0.7～0.9；预热段温度550～700℃，保温时间40min以上，一加热段温度1000～1100℃，二加热段温度1150～1220℃，均热段温度1150～1220℃，残氧量0.7%～1%，在炉总时间170～200min；

11、（4）轧制及冷却：

12、粗轧开轧温度1160～1220℃，粗轧首道压下量30～40mm，粗轧轧制速度4～7m/s；中间坯厚度30～40mm；精轧穿带速度6～10m/s，精轧开轧温度1080～1150℃，精轧首道次压下量25～35mm，精轧终轧温度900～980℃；钢板出精轧机入层流冷却，以30～60℃/s冷速冷却到550～660℃卷取；卷取后10min内入缓冷坑缓冷72h以上，得到细小片状珠光体+索氏体混合组织，珠光体团尺寸不超过20μm，索氏体体积占比30%以上；

13、（5）酸洗：

14、缓冷后的钢卷在酸洗液中酸洗，酸洗速度70～100m/min；

15、（6）罩退软化：

16、钢卷入全氢罩式退火炉退火，先以100～150℃/h的速度加热到650～680℃保温4～6h，再加热到700～750℃保温10～14h；然后以30～50℃/h的速度冷却到650～680℃保温4～6h，再以15～25℃/h的速度缓冷到500～550℃，最后以100～200℃/h的速度冷却到200℃以下出炉；得到细小球化珠光体组织，球化碳化物尺寸不超过3μm；

17、（7）冷轧：

18、冷轧轧制3～5道次，首道次压下率25%以上，冷轧总压下率50%～60%，冷轧带钢全板宽厚度精度控制在±0.03mm以内；冷轧带钢中各类非金属夹杂不超过1.0级，碳偏析度不超过1.07；珠光体球化率100%，且球化碳化物直径不超过1.5μm；硬度160～220hv，表面硬度差在±5hv以内，抗拉强度950～1050mpa，屈服强度700～800mpa，断后伸长率≥18%，表面粗糙度ra≤0.2μm；

19、（8）热处理：

20、采用连续热处理，先感应加热到730～820℃，保温10～25min，然后在铅铋混合剂中以40～60℃/s的冷速冷却到200～250℃，入炉保温30min以上。

21、所述步骤（1）中，转炉冶炼过程中加入石灰和轻烧白云石造碱性渣，碱性渣碱度r=2.0～3.5，渣厚70～100mm；lf电炉精炼加入硅石、石灰和萤石造弱碱性渣，弱碱性渣碱度r=1.0～2.0。

22、所述步骤（4）中，粗轧、精轧前均采用高压水除鳞，除鳞水压力不小于20mpa；粗轧采用3+1轧制，精轧采用7道次连轧。

23、所述步骤（5）中，酸洗液采用质量浓度为15%～30%的hcl盐酸。

24、所述步骤（7）中，冷轧采用20辊可逆冷轧机轧制。

25、所述步骤（8）中，铅铋混合剂中铅与铋的质量比为3：1～4：1。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明通过化学成分和工艺改进，生产出一种厚度为0.5～2mm的纺织针用钢；采用cr、ce等元素合金化，同时控制冶炼、连铸、加热、热轧、冷却、退火、冷轧、热处理等过程的工艺参数，无需rh处理和控制连铸过热度，所得到的冷轧带钢各类非金属夹杂不超过1.0级，碳偏析度不超过1.05级，无石墨等偏析相，珠光体球化率达到100%，球化碳化物直径不超过1.5μm；钢板全板宽厚度精度±0.03mm，硬度160～220hv，表面硬度差在±5hv以内，抗拉强度950～1050mpa，屈服强度700～800mpa，断后伸长率≥18%，表面粗糙度ra≤0.2μm。冷轧带钢经连续热处理后得到均匀细小的针状马氏体和少量残余奥氏体（5%～8%）的混合组织，针状马氏体的针长不超过15μm；热处理后成品带钢的硬度在700hv以上，表面硬度差在±5hv以内，抗拉强度≥1800mpa。采用该材料制成的纺织针疲劳寿命≥1.2×107次。