高端精密量具卡尺用鋼40Cr14鋼的開發

張 爽，李 鐵，王俊海

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100）

1 前言

游標卡尺是最常見的通用量具之一，可用于測量內外尺寸、高度、深度及尺厚，常見規格有150 mm、200 mm、300 mm量程，國內游標卡尺主要原料為45鋼及40Cr13不銹鋼［1］，其中不銹鋼材質的卡尺無論是耐磨性、尺寸精度、耐蝕性及美觀都優于碳鋼，被廣泛應用在高端及出口領域。

高精度量具卡尺對鋼材本身性能要求很高：1）在加工方面，激光切割要求良好的馬氏體不銹鋼板形控制；2）一方面要保證合適的原料加工強度，易于開槽、打孔、切削等再加工，另一方面也要保證高硬度、高耐磨性的成品性能，以確保在長期使用過程中不會很快磨損而失去精度；3）要通過合理的成分、組織等控制，保證熱處理后產品的微變形量、使用強度與使用韌性要求［2］；4）保證產品在特殊環境下的抗腐蝕性能；5）確保鋼材潔凈度與均勻質地，從而降低廢品率。

常見的40Cr13不銹鋼游標卡尺淬火+回火后，使用硬度可達52.5～55 HRC，300 mm大量程卡尺在熱處理后易出現熱處理微變形量不合格［3］。泰鋼針對游標卡尺使用性能要求，以進一步提高成品硬度及耐磨性，消除熱處理變形提高精度為目標，在40Cr13基礎上進行差異化成分設計，開發了游標卡尺用40Cr14不銹鋼，產品使用硬度可達55.5～58.0 HRC，其耐磨性、韌性及耐腐蝕性均優于常規40Cr13鋼。

2 研制結果

2.1 生產工藝流程

泰鋼生產40Cr14不銹鋼的工藝流程為：鐵水預處理→TSR→LF→連鑄→板坯退火→帶溫修磨→加熱爐加熱→立輥軋機→四輥粗軋機→切頭飛剪→爐卷軋機＋三機架連軋→卷取機→帶卷運輸線（含鋼卷檢查）→罩式退火→酸洗→包裝、噴印→入庫。

2.2 化學成分

40Cr14鋼化學成分控制穩定，尤其在C、Cr、N等主要元素方面控制波動范圍窄，特別控制元素P含量均滿足≤0.013%。40Cr14鋼化學成分控制范圍見表1。

表1 40Cr14鋼化學成分控制范圍（質量分數）%

2.3 力學性能及硬度

為滿足游標卡尺后續加工要求，尤其針對部分采用沖壓成型初加工客戶，特別控制原料板硬度，高碳、高強度馬氏體不銹鋼40Cr14鋼硬度波動范圍在82～91 HRB。40Cr14鋼力學性能及硬度控制范圍見表2。

表2 40Cr14鋼力學性能及硬度控制范圍

2.4 夾雜物及組織

40Cr14鋼質純凈，非金屬夾雜物最高B類1.0級；基體組織為鐵素體+碳化物，晶粒度10.5～11.0級，晶粒尺寸均勻，碳化物細小、均勻、彌散分布，無碳化物偏析，數據見表3。40Cr14鋼基體組織見圖1。

圖1 40Cr14鋼基體組織

表3 40Cr14鋼夾雜物與晶粒度評級表

2.5 板形控制與尺寸精度

由于負荷分配和輥形設定合理，40Cr14鋼熱軋鋼卷板凸度和平直度都控制在非常理想的狀態，板形平直度控制在35～30 I，板凸度控制在0.01～0.03 mm，楔形控制≤0.03 mm。

鋼帶產品厚度精度最高達到±0.10 mm，寬度偏差控制在+5～+10 mm（頭尾30 m控制在+5～+20 mm）。同板厚差±50μm達到98.8%，-100μm達到99.5%，-150μm達到100%。

2.6 耐磨性

對 取 熱 處 理 后 的20Cr13、30Cr13、40Cr13、40Cr14鋼樣品進行摩擦磨損試驗。各試樣摩擦系數隨磨損時間的變化曲線見圖2，可以看出隨著時間的延長摩擦系數變化不大，而各試樣的摩擦系數差異性也不大，但整體來看40Cr14鋼摩擦系數更穩定。

圖2 摩擦系數隨磨損時間的變化曲線

各試樣摩痕寬度隨磨損時間的變化曲線見圖3，可以看出隨著時間延長各試樣的磨痕寬度均逐漸增加，但40Cr14鋼的明顯緩慢，由此判斷試樣40Cr14鋼的耐磨性較好，40Cr13鋼的次之，20Cr13鋼的最差。

圖3 磨痕寬度隨磨損時間的變化

2.7 熱處理硬度

對熱處理后的卡尺抽取150件進行硬度檢測，40Cr14鋼材質的游標卡尺硬度主要分布在55.5～58.0 HRC。

2.8 耐點腐蝕性

取20Cr13、30Cr13、40Cr13、40Cr14鋼熱處理樣品，參照GB/T 17897進行三氯化鐵點腐蝕試驗，試驗溫度35℃，試驗時長24 h。耐三氯化鐵點腐蝕性能：20Cr13鋼＞40Cr14鋼＞40Cr13鋼＞30Cr13鋼。20Cr13鋼出現點腐蝕坑，30Cr13鋼全面腐蝕+點腐蝕，40Cr13鋼、40Cr14鋼均為全面腐蝕，40Cr14鋼耐蝕性相對優于40Cr13鋼。

3 重點設計及工藝控制

3.1 成分設計

在馬氏體不銹鋼中C和N的配合使用，可以共同提高淬火硬度。與單一元素的作用相比，C和N配合使用時有明顯的優勢，一方面N具有抑制碳化物析出的作用，另一方面加入N后可以減少C含量即可得到高硬度的同時具有更好的韌性、耐腐蝕性能。為了取得穩定的高熱處理硬度，要求0.45%≤C+N≤0.50%，過高的C+N會使材料的韌性變差，熱處理變形嚴重［4］，直接影響廢品率。

Cr是提高耐蝕性、耐磨性能的元素，并具有一定的回火穩定和韌性，但Cr是強鐵素體形成元素，含量高時會使馬氏體鋼奧氏體化困難，直接導致后期熱處理溫度升高，也會同時增加合金和加工成本［5］，由此Cr含量按13.8%～14.5%控制。

P增加回火脆性，顯著降低鋼的塑性和韌性，在相同的淬火硬度下，P含量越低韌性越好，40Cr14鋼不銹鋼提出嚴控P元素，要求成品P含量≤0.013%。

綜合以上，泰鋼40Cr14鋼在國標牌號40Cr13基礎上對合金元素進行差異化設計。提出通過C、N的配合使用增加產品淬火硬度。通過提Cr控P，進一步增加產品耐磨性、耐蝕性與淬火韌性。

3.2 高潔凈冶煉技術

采用高潔凈冶煉技術，降低鋼中非金屬夾雜物，能顯著減少卡尺加工過程中的廢品率。40Cr14鋼不銹鋼采用獨特的“鐵水預處理+TSR+LF”冶煉工序，全鐵水原料，鐵水在脫磷站進行鐵水罐脫磷，控制鐵水磷含量≤0.003%，制得的脫磷鐵水直接進入TSR爐進行脫碳、合金化、還原，得還原鋼水。由于鐵水進行脫磷后直接進入不銹鋼精煉爐進行冶煉，所以降低了不銹鋼精煉過程中控磷的要求，提高了鋼水的潔凈程度。

3.3 板形控制

馬氏體不銹鋼熱軋及退火后因應力釋放易產生板形不良，40Cr14鋼不銹鋼采用爐卷軋機+三連軋工藝，在板形控制上主要采取以下措施：1）優化二級輸入板凸度控制值，以減小鋼帶凸度，微中浪進行控制；2）優化連軋末道次軋輥輥型，采用平輥，并減小末道次軋制負荷；3）在酸洗線全長投用平整機。

3.4 組織均勻性控制

40Cr14鋼等馬氏體不銹鋼由于較高的碳含量及其容易形成碳化物偏析條帶，在卡尺鋼中，碳化物偏析引起組織不均勻。一方面影響產品表面狀態，進而導致鍍層不均；另一方面直接導致熱處理后硬度不均與熱處理微變形。

通過適當的罩式退火工藝消除或減輕碳化物偏析，實現均勻組織［6］。前期試驗結論得知，馬氏體不銹鋼組織中碳化物偏析條帶隨退火保溫時間的延長而明顯減弱，退火溫度對其影響不大。當加熱到825℃以上進入奧氏體+碳化物兩相區后，使熱軋出現的馬氏體奧氏體化，由此綜合考慮鋼卷在罩式退火過程中的冷熱點溫差，退火溫度設定840～860℃。為使擴散充分，消除碳化物偏析，若在此高溫退火區間充分延長保溫時間，不僅增加成本，還會引起晶粒粗大，影響產品性能。由于碳原子在鐵素體中的擴散速度遠遠大于在奧氏體中的擴散速度（大幾個數量級），在40Cr14鋼不銹鋼罩式退火工藝中采取雙梯度退火工藝，即在原有高溫退火溫度區間保溫后，增加鐵素體相區保溫區間，在鐵素體相區保溫加速原子擴散，有利于消除熱軋后的帶狀組織。

4 結語

泰鋼通過深挖產品使用性能要求，差異化設計開發個性化產品?？ǔ哂?0Cr14鋼不銹鋼通過合理的成分設計與組織均勻性控制技術，提高了成品使用硬度、耐磨性、耐蝕性，并消除了熱處理過程中的微變形，所開發出的產品無論從后續加工及成品使用性能方面均滿足要求，被廣泛應用在高端及出口領域。