一種新型含鋁低合金高速鋼的製作方法

2023-09-23 17:12:25 1

專利名稱：一種新型含鋁低合金高速鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金高速鋼，尤其是一種鎢當量控制在9≤(W+2Mo)≤11範圍內，並同時含有鋁、稀土、鈦及氮的低合金高速鋼。該鋼的主要用途是用於製作切削普通金屬材料的常規切削刃具。
在我國現行的鋼鐵標準中，高速鋼品種較少，尤其缺乏一種低成本、高性能，適用於切削普通金屬材料的低合金高速鋼，導致在許多機械加工生產中往往不分被加工金屬材料的對象一律使用少數幾種鎢當量較高的通用高速鋼。例如GB9941-88標準中提供的W6Mo5Cr4V2(M2)高速鋼，W18Cr4V(W18)高速鋼，W9Mo3Cr4V(W9)高速鋼。這些高速鋼中鎢當量均為(W+2Mo)≥15。鎢、鉬均是昂貴的金屬，鎢當量越高，高速鋼成本越高，若將這類通用高速鋼用於製作切削普通金屬材料的切削刃具實屬大材小用，造成鎢、鉬資源的浪費和機加工成本的增加。
為降低普通金屬材料的機加工成本，金屬材料界提供了一些低合金高速鋼，希望通過降低高速鋼中合金元素的含量來降低高速鋼的成本進而降低切削刃具成本，其典型代表牌號為D106，301，GM等。這些低合金高速鋼中鎢、鉬的含量都有不同程度的降低，高速鋼成本亦隨之下降，可部份取代昂貴的通用高速鋼用於加工某些普通金屬材料。但這些低合金高速鋼存在的不足之處是用這些低合金高速鋼製作的切削刃具的性能與上述通用高速鋼差距太大，對硬度較大的金屬材料在加工時顯得無能為力，對被加工金屬材料的適用範圍非常窄。
例如301是一種含鋁的低合金高速鋼，由於鋁的加入，使得用這種低合金高速鋼製作的切削刃具的單件性能有所提高，對被加工金屬材料的適用範圍也更廣。但由於鋁的加入又惡化了高速鋼的金相組織，易於出現混晶，碳化物顆粒粗大，夾雜物偏多以及存在相當數量的游離鐵素體等金相組織缺陷，導致用這種含鋁低合金高速鋼製作的切削刃具的使用壽命不穩定，使用壽命值分散度大，限制了含鋁低合金高速鋼的實用價值。
因此，研製一種性能較上述各種低合金高速鋼更穩定、更接近於通用高速鋼，適用範圍更廣，而成本卻比通用高速鋼更低的低合金高速鋼是非常必要的。
本發明的目的就是要避免上述各種低合金高速鋼的不足之處，提供一種新型含鋁低合金高速鋼，這種新型含鋁低合金高速鋼的成本與現有各種低合金高速鋼相當，大大低於通用高速鋼。同時這種新型含鋁低合金高速鋼克服或改善了現有各類低合金高速鋼存在的綜合機械性能偏低，適用範圍窄，不能很好滿足常規金屬材料切削要求等缺陷。
本發明的設計思想是1、在由碳、鎢、鉬、鉻、釩等基本元素組成的高速鋼中，降低鎢、鉬含量，控制鎢當量至9≤(W+2Mo)≤11，使該鋼的鎢當量僅為通用高速鋼的1/3，達到節約鎢、鉬資源，降低成本的目的。
2、適當提高碳含量，彌補由於鎢當量降低而造成的高速鋼綜合機械性能的下降。
3、同時加入鋁、鈦、稀土和氮。鋁的加入可克服由於碳含量的提高而導致的鋼種易過熱傾向。鈦、稀土和氮的加入又克服了由於加鋁對高速鋼金相組織造成的不利作用。
4、通過各合金元素的微合金化作用，改善或克服現有各種低合金高速鋼存在的機械性能不佳，刃具使用壽命值低，使用壽命值分散度大等不足，使本發明新型含鋁低合金高速鋼的使用性能得以穩定提高，其生產工藝及熱處理工藝性能亦有明顯改善，反映在用這種新型含鋁低合金高速鋼製作的切削刃具上，就是這種刃具的成本大大低於通用高速鋼，各項性能優於現有各類低合金高速鋼，與通用高速鋼的性能接近，對被加工金屬材料的適用範圍更廣、更具實用性。
本發明新型含鋁低合金高速鋼的化學成份為(重量％)C0.95-1.20W1.00-9.00Mo1.00-5.00Cr3.50-4.50V1.65-2.05Al0.80-1.50 Re0.005-0.20 Ti0.05-0.40N≤0.10，餘為鐵及雜質。
各化學元素的作用及運用原則如下碳碳是本發明新型含鋁低合金高速鋼的基本元素之一，它和高速鋼中的鎢、鉬、鉻、釩等碳化物形成元素相結合，形成各種合金碳化物，這些合金碳化物在熱加工及熱處理過程中通過改變形態、類型及分布對高速鋼的各項性能產生最基本的影響。碳含量過低將降低高速鋼的硬度、紅硬性及耐磨性，碳含量過高又將惡化高速鋼的熱加工性能，熱處理工藝性能及常溫韌性。本發明規定碳含量為0.95-1.20(重量％)。
鎢、鉬、釩、鉻它們在本發明新型含鋁低合金高速鋼中均為易形成碳化物元素，它們與鋼中的碳形成MC、M6C、M2C等一次碳化物和M23C6、MC等二次碳化物。一次碳化物是鋼液凝固時形成的共晶碳化物它們在鍛造加工過程中被破碎之後，分散在基體中，具有抑制奧氏體晶粒長大和提高耐磨性的作用。二次碳化物則是在鋼材冷卻時從過飽和的奧氏體中析出來的，這些二次碳化物在淬火時部份固溶於基體，回火時，在馬氏體分解過程中主要以非常彌散、均勻、細小的碳化物顆粒析出、產生二次硬化作用，析出的碳化物數量越多、越細、越穩定，鋼的二次硬化效果越好，鋼的硬度、耐磨性、紅硬性也越高。本發明新型含鋁低合金高速鋼為節約鎢、鉬，降低成本，同時從合金強化角度考慮允許降低鎢、鉬含量的限度，將鎢、鉬的總量按鎢當量規定在9≤(W+2Mo)≤11範圍內。其中規定鎢含量為1.00-9.00(重量％)，鉬含量為1.00-5.00(重量％)，鉻含量為3.50-4.50(重量％)，釩含量為1.65-2.05(重量％)。
鋁鋁在高速鋼中是非碳化物形成元素，在本發明新型含鋁低合金高速鋼研製中發現，鋁在高速鋼中具有晶界、相界及表面偏聚現象，並對碳元素產生界面控制作用，本發明新型含鋁低合金高速鋼中鋁的作用是1、促進彌散碳化物的析出，延緩其長大，起到提高鋼的耐磨性及紅硬性的作用。
2、增大碳化物開裂的臨界尺寸，降低因鋼中共晶碳化物粗大而使刃具在使用過程中提前崩刃及熱加工性能下降的傾向。
3、降低刃具表面與工件接觸面的摩擦係數，延緩因被切削工件與刃具粘連導致的刃具破壞。
4、阻止碳化物淬火時在晶界析出的傾向，提高鋼的抗過熱能力，提高鋼中碳含量允許上限。
但鋁的加入會導致混晶，碳化物顆粒粗大，夾雜物偏多及游離鐵素體增多等組織缺陷，惡化鋼的金相組織，降低刃具使用壽命的穩定性。因此在鋼中應合理控制鋁的加入量，同時採取相應的微合金化措施來克服因加鋁而產生的組織缺陷。本發明新型含鋁低合金高速鋼規定鋁的含量為0.80-1.50(重量％)。
稀土元素稀土元素的加入其作用在於1、阻止彌散碳化物的聚集長大，進一步提高鋼的紅硬性。
2、細化因鋁的加入而粗大的一次碳化物顆粒，減少因碳化物顆粒粗大超過臨界開裂尺寸而造成刃具提前崩刃的現象。
3、在鋼的冶煉過程中起到脫硫及使夾雜物改性的作用，提高鋼的高溫塑性及常溫韌性，降低由於夾雜物存在而造成刃具提前崩刃的有害作用。
4、提高鋼的抗氧化能力本發明規定稀土元素的含量為0.005-0.20(重量％)鈦鈦與鋼中的碳、氮形成穩定的碳氮化物，其主要作用是作為一種奧氏體優先形核的非自發核心，細化因鋁的加入而出現的混晶組織中的粗晶，達到細化晶粒的目的。經鈦細化後的晶粒非常穩定，能在1200-1240℃的較寬的淬火溫度範圍內不發生粗化，也不會因重新加熱而再次出現混晶或粗晶組織，這樣既可使鋼廠取消為細化晶粒而進行的高溫退火，又放寬了對刃具生產廠熱處理工藝和熱加工工藝的限制，熱處理變形也相對減少，因此，無論對冶金廠還是對刃具生產廠，都減少了生產工藝難度，降低了生產成本。
過多的鈦又會對高速鋼的冶金質量造成不利影響，尤其是易於導致澆注時渣鐵不分，形成皮下夾雜。因此，本發明規定鈦的含量為0.05-0.40(重量％)。
氮氮在本發明新型含鋁低合金高速鋼中與碳一起和鎢、鉬、鉻、釩、鈦等元素形成碳氮化物，也能和鋁、稀土元素等非碳化物形成元素形成氮化物，起到細化高速鋼的鑄態組織，降低鍛後一次碳化物顆粒尺寸，增加彌散碳化物數量的作用，本發明規定氮的含量≤0.10(重量％)。
本發明新型含鋁低合金高速鋼同時加入上述合金元素的綜合作用是在降低鋼中的鎢、鉬含量，使鋼的成本與現有各類低合金高速鋼相當的同時，適當提高鋼的碳含量，並同時加入鋁、鈦、稀土、氮，通過這些元素的微合金化作用，彌補因降低鎢、鉬含量所損失的部份性能，使本發明新型含鋁低合金高速鋼的各項綜合性能穩定地達到一般通用高速鋼的水平，優於現有各類低合金高速鋼，而其成本則與現有各類低合金高速鋼相當。既克服了現有各類低合金高速鋼普遍存在的使用性能差，使用壽命不穩定，對被加工金屬材料適用範圍窄的不足，又避免了為滿足加工要求不得不選用高成本的通用高速鋼的大材小用現象。為常規金屬材料的切削加工提供了一種既經濟，又能滿足使用的新鋼種。
本發明新型含鋁低合金高速鋼的製造方法為原材料選用高速鋼返回料、生鐵、鋁塊、稀土、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鈦鐵及含氮鉻鐵，採用電弧爐或感應爐冶煉，鋼錠經鍛造開坯軋制獲得成品材。
本發明新型含鋁低合金高速鋼生產工藝與現有含鋁低合金高速鋼生產工藝基本相同，但由於本發明新型含鋁低合金高速鋼同時加入鋁、稀土、鈦、氮等元素，使得該鋼在1200-1240℃之間淬火時，不會出現現有含鋁低合金高速鋼中普遍存在的因混晶而引起晶粒粗化的現象，故無需為細化晶粒而進行高溫退火，僅需進行常規相變球化退火即可。同時由於上述合金元素的微合金化作用，使本發明新型含鋁低合金高速鋼的一次碳化物較細，故其鍛造性能優於現有含鋁低合金高速鋼，因此與現有各類低合金高速鋼相比，本發明新型含鋁低合金高速鋼的工藝難度更低，更適合於工業化規模生產。
雖然本發明新型含鋁低合金高速鋼與現有各類低合金高速鋼相比添加了鈦、稀土、氮等合金元素，但所增加合金元素的總量不足0.4％，(重量％)原材料成本增加極少。然而由於取消了高溫退火使生產工藝成本降低，同時鋼的綜合機械性能與現有各類低合金高速鋼相比又有突破性改進，因而使得本發明新型含鋁低合金高速鋼的價格質量比更加優異。
本發明新型含鋁低合金高速鋼的回火硬度可達HRC66-67，但韌性仍然較好。
與現有技術相比，本發明有如下優點1、本發明新型含鋁低合金高速鋼與現有一般通用高速鋼相比雖然大幅度減少了鎢、鉬的含量，但由於合理調整碳含量，同時加入鋁、鈦、稀土、氮等元素，使鋼的成本下降，而機械性能和使用壽命卻達到和接近一般通用高速鋼的水平，優於現有各類低合金高速鋼，既節約了資源，降低了成本，又保證了本發明新型含鋁低合金高速鋼的綜合性能。
2、本發明新型含鋁低合金高速鋼在加入鋁的同時，又加入了鈦、稀土、氮等元素。較園滿地解決了現有含鋁低合金高速鋼存在的粗晶、碳化物粗大，夾雜物偏多等多種金相組織缺陷，使用該鋼製作的切削刃具的使用壽命值，使用壽命值穩定性較現有各類低合金高速鋼有明顯提高，對被加工金屬材料的適應範圍更廣，提高了該鋼的實用價值。
3、雖然本發明新型含鋁低合金高速鋼較現有各類低合金高速鋼添加了更多的合金元素，但所添加的合金總量不足0.4(重量％)，原材料成本的增加極少，而性能卻比現有各類低合金高速鋼有明顯改善，同時由於這些合金元素的加入降低了鋼的熱處理工藝和熱加工工藝難度，其總的成本與現有各類低合金高速鋼相當。
4、本發明新型含鋁低合金高速鋼對被加工金屬材料的適用範圍比現有各類低合金高速鋼更廣，不僅能用於製作加工常規金屬材料的切削刃具，而且能用於製作切削諸如GCr15之類調質合金鋼的切削刃具，其切削性能達到甚至超過一般通用高速鋼，這是現有各類低合金高速鋼所不能達到的。
本發明附圖的說明

圖1為本發明新型含鋁低合金高速鋼鋼錠半徑1/2處鑄態組織圖片圖2為現有含鋁低合金高速鋼鋼錠半徑1/2處鑄態組織圖片下面結合實施例對本發明作進一步描述實施例鋼的化學成份如表1中編號為3#所列，表1中同時還給出了用作對比的現有通用高速鋼M2(1#)，現有含鋁低合金高速鋼(2#)的化學成份表1
實施例鋼和對比鋼均用感應爐冶煉。原材料為高速鋼返回料、生鐵、鋁塊、稀土、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鈦鐵及含氮鉻鐵，鋼錠經950℃退火，1150℃開鍛，鍛成64mm方坯，軋製成φ16軋材，再加工成試樣進行熱處理性能測試。
為驗證本發明新型含鋁低合金高速鋼中所添加的微量元素對鋼錠鑄態組織的改善作用，分別對實施例鋼(3#)和用作對比的現有含鋁低合金高速鋼(2#)取鑄態組織樣塊，鑄態組織見圖1，圖2。圖1，圖2表明在實施例鋼(3#)的鑄態組織中，原共晶碳化物已被眾多非自發核心形核所幹擾分散，而現有含鋁低合金高速鋼的鑄態組織中則明顯保持完整的骨骼狀共晶碳化物。
表2給出本發明實施例鋼與通用高速鋼M2的熱處理性能對比。
表3給出本發明實施例鋼與通用高速鋼M2，現有含鋁低合金高速鋼的淬火晶粒度對比。
表2本發明實施例鋼與通用高速鋼M2的熱處理性能對比。
表3 本發明實施例鋼與對比試驗鋼淬火晶粒度對比
表2、表3所列結果表明，本發明新型含鋁低合金高速鋼的回火硬度，二次硬化效果，紅硬性，晶粒度級別等都明顯優於用於對比的現有含鋁低合金高速鋼，與通用高速鋼相當甚至更好。特別值得指出的是2#對比試驗鋼，即現有含鋁低合金高速鋼在1220℃淬火時就發生晶粒粗化，而本發明實施例鋼(3#)則在1240℃尚保持較細的淬火晶粒，說明本發明新型含鋁低合金高速鋼中所加微量元素抑制了鋁對高速鋼金相組織的不利影響。
用上述1#、2#、3#試驗鋼的鋼坯製成機用鋸條進行鋸切試驗，試驗條件規定為，每鋼號隨機抽取鋸條6隻，按部標JB2583-79機用鋸條的技術標準進行鋸切試驗，鋸切試樣為φ100、45#鋼棒材，鋸切試驗結果見表4用上述1#、2#、3#試驗鋼製作的機用鋸條，根據重慶鋸條廠企業標準進行鋸切試驗，鋸切試樣為φ55、GCr15棒材，試樣調質硬度為HRC44-46.5，鋸切試驗結果見表5。
表4 本發明實施例鋼與對比試驗鋼機用鋸條鋸切45#鋼試驗結果
表5 本發明實施例鋼與對比試驗鋼機用鋸條鋸切GCr15試驗結果
表4及表5的鋸切試驗結果證實，用本發明新型含鋁低合金高速鋼製作的機用鋸條鋸切普通碳素鋼的切削壽命與現有通用高速鋼(M2)及含鋁低合金高速鋼的切削壽命相當，但用於切削硬度較高的GCr15試樣時差距則十分明顯，本發明新型含鋁低合金高速鋼(3#)可鋸切3-5片，現有含鋁低合金高速鋼(2#)鋸切片數的分散度則明顯增大，從2片到4片都有，面通用高速鋼(1#)的鋸切片數最高僅達到3片。以上結果表明，用本發明新型含鋁低合金高速鋼製成的機用鋸條明顯優於通用高速鋼和現有含鋁低合金高速鋼，對被加工金屬材料的適用範圍更廣，是一種成本低，綜合性能優異的新型含鋁低合金高速鋼。
權利要求
1.一種低合金高速鋼，其特徵在於化學成份(重量％)為C0.95-1.20W1.00-9.00Mo1.00-5.00Cr3.50-4.50V1.65-2.05Al0.80-1.50 Re0.005-0.20 Ti0.05-0.40N≤0.10，餘為鐵及雜質。
2.如權利要求1所述，其特徵在於本發明鋼中的鎢鉬元素的含量必須滿足按鎢當量9≤(W+2Mo)≤11式子的要求。
全文摘要
本發明涉及一種低合金高速鋼，尤其是一種將鎢當量控制在9≤(W+2Mo)≤11，且同時含有鋁、稀土、鈦、氮元素的新型含鋁低合金高速鋼。它克服或改善了現有各類低合金高速鋼存在的綜合機械性能較差，使用壽命不穩定，對被加工金屬材料的適應面窄等缺陷，其紅硬性、耐磨性、高溫塑性、常溫韌性、使用壽命、使用壽命值分散度等均比現有各類低合金高速鋼更加優異，與一般通用高速鋼接近。同時，其生產成本比一般通用高速鋼低，與現有各類低合金高速鋼相當，是一種性能優異、成本低，實用性好的低合金高速鋼。
文檔編號C22C38/28GK1227879SQ98111868
公開日1999年9月8日 申請日期1998年3月4日 優先權日1998年3月4日
發明者劉榮運, 趙拓山, 張景惠, 馮仲渝, 胡慶華, 劉學東, 沈懷遠, 彭超 申請人:重慶特殊鋼(集團)有限責任公司