CN100430510C - 高性能低成本高速钢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能低成本高速钢,该高速钢材料的基本组成为:0.8-1.2Wt%C,2.0-3.0Wt%Si,0.3-1.0Wt%RE,3.5-5.0Wt%Cr,1.0-3.0Wt%Mo,2.5-4.5Wt%W,0.8-1.6Wt%V,0.1-0.5Wt%Mn,杂质元素P和S含量分别小于0.03Wt%;其余为Fe。该合金高速钢的优点在于:(1)使用了高含量的资源丰富、廉价的Si,大幅度降低了贵重元素含量;(2)使用了高含量的我国资源丰富的RE,从而明显改善了冶金质量;(3)本发明的钢各项性能不低于通用高速钢,尤其是在高转速、大进刀量条件下使用时更显性能优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型高速钢材料,尤其是一种适用于制备高转速、大进刀量条件下使用的各种刀具的高性能低成本的低合金高速钢。
背景技术
高速钢是一种量大面广的金属切削刀具材料,若从泰勒和怀特1898年发明的W18Cr9V钢算起,至今已有百年历史。高速钢较一般工具钢有好得多的红硬性,可将切削速度提高到50m/min以上,故称高速切削钢。通常情况下,为保证高速钢的红硬性,高速钢必须加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素。为进一步提高红硬性,还可加入价格昂贵的合金元素Co,世界闻名的M42即含有高含量Co的高速钢,其价格是通用M2高速钢的5倍。由于高速钢有许多独特的优点,如强度和韧性是现有刀具材料中最高的、同时各种性能波动小、可加工性能好、能制造各种复杂刀具和微型刀具,如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具等,因而一百多年来,尽管如立方氮化硼等一些新材料陆续进入切削领域,但始终动摇不了高速钢的主要地位。
高速钢按化学成分可分为钨系和钼系等类,后者在欧美用得较多;按制造工艺方法不同,可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢;按用途可分为低碳高速钢、通用高速钢、高碳高速钢、超硬高速钢四大类。随着科学事业的不断发展和外向型经济的需要,世界上工业发达的国家都在不断地开发新钢种,特别注意研制和生产钨当量(W+2Mo)<12的低合金高速钢,在刀具生产中逐步取代目前常用的M2(W6Mo5Cr4V2)之类的通用高速钢,其目的在于一方面减少一些稀缺元素的用量,另一方面是降低成本以提高效益。
由于高速钢属于高合金钢,合金元素含量一般在17-25%,高者可达40%,据有关方面报道,目前高速钢使用的各种主要合金资源情况,在世界范围内勘定的较为可靠的储藏量只能够用40-60年,加上潜在的储量,最多只能够用100年。预测世界各种合金元素资源的枯竭危险程度从大到小的顺序为W、Co、Mo、Ta、Nb、V、Cr、Ti等。若以Fe储量为100计,则Ti为9,W仅为0.003。所以研究最佳合金化配方、降低稀缺元素的消耗已迫在眉睫。同时,随着目前高速钢中常用合金元素的日益紧缺,钢材成本和价格大幅增加是必然趋势,而无论是钢厂还是工具厂历来都十分注重经济效益,所以在流通领域,价格是比较敏感的问题,因此,开发新型高性能低成本的低合金高速钢,具有重大的经济价值和重要的社会意义。
低合金高速钢的研制和使用始于第二次世界大战期间,那时的德国为克服合金元素不足而研制出ABCIII高速钢,迄今已有60多年的历史。该钢由于高温性能差,使用受到限制,曾一度被冷落。上世纪七十年代后国际上又开始重视低合金高速钢,其中以瑞典的D950、波兰的SW3S2、西德的S3-3-2和美国的3-0.5-4-2等牌号较成功。据报道其性能在多数方面不亚于M7和M2,用以制造麻花钻等刀具,在切削寿命上和M2钢相当。苏联从上世纪三十年代开始研究低合金高速钢,发展至今,其低合金高速钢钢种数量是通用高速钢的30倍。日本研制低合金高速钢牌号有HSK17,HS325等,多用于家用刃具。
我国开发和研究低合金高速钢起步较晚,但进程快,试验钢的牌号有W6Cr4V,W4MoCr2V4,W8Mo2Cr4 V2A1等。到了上世纪八十年代中期,科研和生产速度加快,多种牌号的低合金高速钢从实验室走向工业化生产,其中大连钢厂的D101(W2Mo5Cr4V)、重庆特钢的301(W3Mo2Cr4VSi)、抚顺钢厂的F205(W4Mo3Cr4 VSiN)最引人注目。尽管目前我国已陆续开发出一些低合金高速钢,但总体上其性能仍然偏低,只适用于制备一些中低层次使用的刀具,因此进一步开发高性能低成本的低合金高速钢,以满足制备高层次使用的刀具仍是我国科研和生产单位的努力目标。针对目前低合金高速钢性能普遍偏低现状,我们研制了一种高性能低合金高速钢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种高性能低成本高速钢,不仅要进一步降低稀缺元素的含量,从而使钢材成本大幅减少;而且其性能达到通用高速钢M2水平,尤其在高转速、大进刀量条件下使用时性能优于M2钢。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是,该高速钢的各种元素含量为:0.8-1.2Wt%C,2.0-3.0Wt%Si,0.3-1.0Wt%RE,3.5-5.0Wt%Cr,1.0-3.0Wt%Mo,2.5-4.5Wt%W,0.8-1.6Wt%V,0.1-0.5Wt%Mn,杂质元素P和S含量分别小于0.03Wt%,其余为Fe。
上述合金元素中的C、W、Cr、Mo、V在高速钢中的作用已为公知。本发明中Si作为主要合金元素并高含量地加入,其主要作用机理在于:Si能促使高速钢凝固时形成的对性能有害的M2C在再次加热时分解为M6C及MC,从而可消除柱状M2C,使碳化物细化,韧性提高。此外,Si还能细化回火时析出的二次碳化物,使回火硬度提高;Si能细化奥氏体晶粒,提高600℃红硬性及低温淬火硬度;Si还可以改善高速钢的切削性能和磨削性能。虽然有专利如公开号CN1296084A、CN1047536A、CN1055773A、CN1049189A等合金中也加入了Si,但其成分设计中Si含量的上限也均在本发明的下限之下;在其它的一些文献报道中,Si在高合金高速钢中虽然也有应用,但只是作为辅助元素而非主要合金元素应用。本发明中加入高含量RE,其主要作用机理在于:RE能净化钢液,进而净化合金的晶界,并有细化晶粒、碳化物析出相,改变夹杂物形态和分布,从而提高热加工塑性和常温的韧性作用。本发明中加入微量的Mn,主要起到固溶强化作用,提高合金强度。
该合金的优点在于:(1)使用了高含量的资源丰富、廉价的Si,大幅度降低了现有通用高速钢中的贵重元素含量,从而使钢材成本显著降低;(2)使用了高含量的我国资源丰富的RE,从而明显改善了冶金质量;(3)本发明的钢各项性能不低于通用高速钢,部分性能明显高于通用高速钢,尤其是在高转速、大进刀量条件下使用时更显其性能的优势。
具体实施方式
实施例1
用本发明成分范围,重量百分比为:0.98%C,2.1%Si,0.3%RE,4.6%Cr,2.2%Mo,3.9%W,1.3%V,0.3%Mn,杂质元素P和S含量分别小于0.03%,其余为Fe的合金配方,经中频感应炉冶炼--电渣重熔--锻造--轧制--热处理后的钢材制备切削刀具,然后与M2(W6Mo5Cr4V2)做对比切削试验:被加工材料为45钢,硬度178HB,切削速度分别为70m/min,100m/min,120m/min,冷却液流量为5L/min,吃刀深度为1mm;各条件下分别经30分钟切削,发现本钢材所制刀具主后面磨损与M2相当;但该刀具在转速100m/min条件下,切削进刀量达到6mm时可平稳工作;而通用高速钢M2只适用于切削进刀量在4mm以下工作。
实施例2
用本发明成分范围,重量百分比为:1.02%C,2.0%Si,0.35%RE,4.2%Cr,2.3%Mo,4.2%W,1.2%V,0.3%Mn,杂质元素P和S含量分别小于0.03%,其余为Fe的合金配方,经中频感应炉冶炼--电渣重熔--锻造--轧制后制备成板材,经不同的淬火--回火后钢材的硬度与通用高速钢M2性能对比如表1,可见其硬度和红硬性与M2相当。
表1本钢材与通用高速钢M2的硬度和红硬性
实施例3
用本发明成分范围,重量百分比为:0.98%C,2.1%Si,0.3%RE,4.4%Cr,2.2%Mo,3.9%W,1.3%V,0.3%Mn,杂质元素P和S含量分别小于0.03%,其余为Fe的合金配方,经中频感应炉冶炼--电渣重熔--锻造--轧制--热处理后制备的钢材,其制备成本仅为3.5万/吨;而同样制备工艺条件下,通用高速钢M2(W6Mo5Cr4V2)由于含较高含量的贵重元素,其制备成本达到6.0万/吨左右。
Claims (2)
1.一种高性能低成本高速钢,其特征在于:该高速钢的各种元素含量为:0.8-1.2Wt%C,2.0-3.0Wt%Si,0.3-1.0Wt%RE,3.5-5.0Wt%Cr,1.0-3.0Wt%Mo,2.5-4.5Wt%W,0.8-1.6Wt%V,0.1-0.5Wt%Mn,杂质元素P和S含量均小于0.03Wt%,其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的高速钢,其特征在于:所述高速钢含量为0.95-1.05Wt%C,2.0-2.2Wt%Si,0.3-0.8Wt%RE,4.0-4.8Wt%Cr,1.8-2.5Wt%Mo,3.5-4.5Wt%W,1.2-1.5Wt%V,0.2-0.4Wt%Mn,杂质元素P和S含量均小于0.03Wt%,其余为Fe。
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