CN100575528C - 无钴多元高速工具钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于生产轧辊及辊环和导辊的高速工具钢，该钢种的化学成分为C：1.8-2.2；Si：0.5-1；Mn：0.5-1；S：＜0.05；P：＜0.05；Cr：4-6；V：4-6；Mo：4-6；W：＜2；Ni：0.8-1.2；Nb：0.2；Ti：0.05-0.1；Mg：0.005-0.01；RE：0.05-0.1。本发明突出高碳、高钼、高钒，稀贵金属钨的含量从以往的2.0%以上降低到2.0%以下，同时把稀贵金属钴从材料中去除，节约了材料成本；本发明采用中频炉冶炼，普通卧式离心机铸造，普通高温电阻炉热处理，设备投入少，在离心铸造中采用树脂砂替代耐火涂料，工艺简单、脱模和清理方便、高效、节能、环保；同时采用钇基重稀土合金进行炉前变质处理，材料组织细密，实现了共晶化合物的弥散状分布，降低了组织应力。

Description

无钴多元高速工具钢及其制造方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，涉及一种无钴多元高速工具钢，是为各种线棒材轧机生产轧辊和辊环的一种高速钢新材料。本发明同时还涉及该无钴多元高速工具钢的制造方法。

背景技术

当前，随着国内外轧钢技术和设备的发展，对轧机上各种材质的轧辊、辊环和导辊的要求越来越高。由于轧机轧制速度的提高，对辊环等作为高速线材轧机上的主要消耗工具，要求高硬度、高韧性、高热疲劳抗力和抗粘钢性，而传统轧机使用的碳化钨合金价格昂贵，导致较高的生产成本。国内外设备制造企业及研发部门围绕替代碳化钨合金材料开展了大量的生产研究工作，并取得突破性进展，部分成果进入生产领域。其中国外2003年研制成功高碳高钼高速钢应用在轧机轧辊上显示出优良的性能，性价比超过硬质合金，是当前国际耐磨耐热新材料发展的主流。中国专利文献CN1424423A和CN1264749A提出了一种含钴铝高速钢辊环的制造方法，但钴是稀有金属，含量大，造成生产成本很高，同时，淬火温度达到1160℃，高温热处理造成质量控制难度大。中国专利文献CN1174764提出了粉末冶金热压烧结成型的方法，但是生产工艺复杂，设备庞大。中国专利文献CN1454723A提出的一种高速钢复合辊环在制造方法中采用普通离心铸造，铸型中采用普通涂料，在铸造完成后的清理过程中脱模比较困难。中国专利文献CN1164379C提出的一种高速钢轧辊辊套的制造方法主要采用电渣重熔的方式生产，与本发明相比其设备投入大，能耗高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硬度、高韧性，具有良好的红硬性要求的低成本无钴多元高速工具钢。

本发明的另一目的是提供一种制造无钴多元高速工具钢的方法。

本发明的目的通过以下措施实现：

一种无钴多元高速工具钢，其特征在于：其化学成分的重量百分比为：

C：1.5-2.2      Si：0.5-1    Mn：0.5-1    S：＜0.05    P：＜0.05

Cr：4-6         V：4-6       Mo：4-6      W：＜2       Ni：0.8-1.2

Nb：0.2         Ti：0.05-0.1 Mg：0.005-0.01  RE：0.05-0.1

一种无钴多元高速工具钢的制造方法，依次包括以下工艺步骤：

①冶炼：采用废旧高速钢、半钢料、生铁为原料，Mn、Cr、Ni、Mo、W合金在加料初期加入，钢水熔清后检验元素成分并进行合金成分调整，出炉前加入钒铁、钛铁和铌铁，用0.5-1％的Al对钢水进行脱氧；

②炉前处理：采用RE-Mg-Ti复合变质剂，在钢水包内加入钇基重稀土合金和2-4％的工业Na₂CO₃，采用钢水冲入的办法进行钢水复合变质处理，钢水出炉温度1580-1620℃；

③离心铸造：采用树脂覆膜砂作为铸型涂料，一次涂挂；涂挂时离心机转速50-300转/min，金属型温度120-220℃；浇注时金属型温度为120-200℃；钢水浇注温度为1450-1500℃；浇注时离心机转速800-950转/min，浇注后变换离心机转速防止偏析；

④退火：退火工艺为850-870℃保温2小时，炉冷到720-740℃保温2小时，再炉冷到540-600℃保温4小时，然后随炉冷却，升温速度≤20℃/h；退火后硬度为HRC30-35；

⑤粗加工：预留加工余量2-3mm；

⑥淬火：控制温度升高速度在15℃/小时以内，采用980-1030℃高温淬火和70±5℃的油介质冷却；

⑦回火：回火温度为550-570℃。

所述冶炼工艺中的原料为废旧高速钢30％、半钢料55％和生铁15％，其他合金元素按照需求量加入。

所述炉前处理工艺是在浇包内预先放置有RE-Mg-Ti复合变质剂，变质剂颗粒尺寸为6-10mm；在钢水包底部加入钛铁、稀土合金并覆盖2-4％的工业Na₂CO₃做变质处理，变质剂放在钢水冲击的另一侧；反应结束后表面覆盖保温剂，静置5-8分钟后进行浇注。

在所述淬火工艺完成后进行预精加工，预留加工余量0.05-0.1mm，硬度达到HRC65。

所述淬火工艺中在550℃和850℃进行两次等温保温。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明生产的高速钢中不含有稀贵金属Co，其他合金元素含量进一步减少，降低了生产成本。高速钢性能范围控制合理，硬度为HRC58-63，冲击韧性达到≥16J/cm²，经过实际使用表明轧钢量超过4000吨磨损量≤0.35mm，是普通高铬铸铁的7倍。

2、本发明采用中频炉冶炼，普通卧式离心机铸造，普通高温电阻炉热处理，设备投入少，生产工艺简单。

3、本发明采用树脂腹膜砂作为铸型涂料，具有挂涂方便，脱模容易，清理强度低，一次挂涂，不需要二次加热烘干，高效、节能低耗和环保的特点。

4、本发明浇注过程采用变换离心机转速的工艺措施，控制合金内部组织分布，减少偏析。

5、本发明采用YG6X、YG6A、YD15等特殊刀具进行机械加工，切削速度快，精度高。

6、本发明采用特制立方氮化硼合金砂轮进行精磨，操作简单。

7、本发明采用钇基重稀土合金进行炉前变质处理，材料组织细密，实现了共晶化合物的弥散状分布，降低了组织应力。

具体实施方式

(一)高速钢的化学成分设计

1、碳：碳在高速钢辊环中，一方面要保证与碳化物形成元素钨、钒、铬、铌等形成足够数量的碳化物，又要有一定的碳量溶入高温奥氏体中，使高速钢淬火后获得过饱和的马氏体，以此保证辊环工作层具有高的硬度和耐磨性，以及良好的高温硬度。因此，碳含量必须与钢中的其他合金元素相匹配，含碳量过高或过低都将对其性能有不利影响。若含碳量过低，则不能保证形成足够数量的合金碳化物；同时，在高温奥氏体和尔后的马氏体中的含量亦将减少，以致降低高速钢的硬度，耐磨性的高温硬度，与之相反，若碳量过高，则碳化物数量增加，同时基体组织中碳化物分布的不均匀性也增大，以致使高速钢的塑性降低、脆性增加，在使用过程中表面极易发生脆性剥落。此外也将使工艺性能变坏。本发明的材质中含碳量控制在1.5-2.2％中，以期获得较好的综合性能。

2、钨、钼：钨是提高高温硬度和耐磨性的主要元素，它在高速钢中既能形成碳化物，又能部分溶于固体中。溶于马氏体中的钨原子与碳结合力强，强烈阻碍它在回火时的析出，构成良好的回火稳定性，约在500-600℃时，钨才以碳化物的形态从马氏体中沉淀出来，导致钢的二次硬化。加热时，未溶的碳化物则起阻碍奥氏体晶粒长大的作用。但是钨高密度又严重影响了高速钢在凝固过程中的均匀性，钨的密度是19300kg/m³，极易在凝固时，尤其是采用离心铸造的凝固过程中产生偏析。钼的加入能急剧提高钢的淬透性和断面均匀性，防止回火脆性的发生，提高高速钢的回火稳定性，改善冲击韧度，增加抗热疲劳性能。而钼和钨是同族元素，结构与物理性能极其相近，可以互相代替，钼的密度为10200kg/m³，并且1％的钼可以替代1.6-2.0的钨，因此在以钼替代部分钨的高速钢中，一方面合金元素的加入量可以减少，同时通过多元合金减少偏析倾向，相应基体组织中碳化物分布的不均匀性也将减轻。高速钢中加入Mo使钢的包晶反应温度下降，反应剩下的液相减少，在更低的温度下形成的莱氏体较小，而且莱氏体的形态也发生了变化，这样可改善W系高速钢的致命的冶金缺陷——一次碳化物的不均匀性，降低了脆性。同时回火固溶的Mo可以阻止碳化物沿晶界析出，使高速钢强度和韧性提高。我们选用钨-钼复合型的高速钢，而且在化学成分匹配上基于保证碳化物均匀性以及获得较高的机械性能的考虑，在实际生产中，选钨含量为1.5-2.0％，钼为4.0-6.0％。

3、钒：钒是高速钢辊环耐磨性的重要合金元素之一。这是由于V可以增加高速钢中高硬度MC型碳化物的数量，有利于提高高速钢耐磨性。但是，增加钒含量的同时，必须相应提高碳含量，才能保证钒碳化物(V₄C₃、VC)的形成。当高速钢辊环中钒量留至4.0时，相应含碳量也提高到1.3％。如加入钢中的钒含量过剩时，将引起形成δ相的倾向性增大，高速钢不易淬透，所以，在提高高速钢中的V含量的同时要注意不能过剩，通常按照4-6％的配比加入。

4、铬：在高速钢辊环中铬主要是增加淬硬层深度，目前在所有牌号的高速钢中，铬含量均为4.0％左右，这一含量多年来没有大的变动。铬在高速钢中形成Cr₂₃C₆型的碳化物，并有部分地溶于其他碳化物。淬火加热时，Cr₂₃C₆全部溶于奥氏体。铬还能促进钨和钼的碳化物的溶解，回火时，铬也阻碍碳化物析出、聚集和长大，提高高速钢的回火稳定性。根据辊环的工作特点，高速钢中适当提高Cr含量，由通常的4％提高到4.5％-5.5％，提高Cr含量可以提高高速钢抗氧化性，防止使用中发生氧化。

5、硅、锰和镍：实际生产中，应将硅和锰的含量控制在0.35％以下。当含锰量大于0.4％时，将促使高温下的晶粒长大。更为重要的是，过高的含硅和锰量将导致辊环在热处理过程中产生热裂纹。所以一般将硅和锰的含量控制在0.5-1％。镍无限固溶于奥氏体中，不形成任何形式的碳化物，使奥氏体连续冷却曲线右移，扩大奥氏体相区，降低临界冷却速度，也降低了马氏体转变开始温度，是稳定奥氏体的主要合金元素。在高速钢中，镍的极限含量为1-2％，大于2％时，由于奥氏体的稳定性提高，使基体组织中的残余奥氏体量增加。此外，随着钢中镍含量的增加，高速钢表面脱碳倾向严重，表面易产生剥落现象，所以含镍量应控制在0.5-1.5％左右为最好。

6、铌：铌的夺碳能力强于钒，在高钒的情况下，加入铌可以使钒更多的溶于基体中，可以获得良好的二次硬化效果。同时由于钒钨系碳化物与钢液的密度相差很大，离心铸造又容易形成偏析，造成组织的不均匀性，使辊环的性能变差。加入铌后减少了VC的含量，并且形成了钨、钒、钼、铌系复合碳化物，提高了MC型碳化物的密度，使钢水的密度均匀，可以减少偏析，克服或减弱离心铸造工艺带来的不利影响，改善高速钢质量，因此，高速钢中加入0.1-0.2％的铌是有利的。

7、稀土和钛：从铸态高速钢凝固特点看，由于C、W、Mo、V等元素的偏析，在奥氏体枝晶间和晶界上的钢液熔池中达到共晶成分时，发生共晶反应，形成共晶碳化物呈网状分布在晶界上，严重削弱材料的强韧性，且难以用热处理方法消除，因此采用RE-Mg-Ti复合变质剂对高速钢进行变质处理。RE-Mg-Ti的存在可以有效的细化晶粒，使晶粒组织间隙变小。同时稀土元素还促进了石墨组织由层片状向球团状转变，有效的阻止了晶粒的树枝状生长，提高强度和韧性。

(二)无钴多元高速工具钢的制造

以φ270/φ170mm×95mm辊环为例，配料：L04生铁：34％；废钢：34％；中碳铬铁：8％；纯镍：1％；钼铁：8.8％；钨铁：1.6％；钒铁：10％；钛铁：0.4％；铌铁：1.6％；锰铁：0.6％；钇基重稀土合金：0.3％，工业纯碱：0.01％；

工艺流程：中频感应电炉熔炼→炉前处理→卧式离心机铸造→退火→粗加工→淬火→回火→精加工

工艺过程控制：

1、冶炼：采用中频感应炉熔炼，先将入炉料：L04生铁：68kg；废钢：68kg；中碳铬铁：16kg；纯镍：2kg；钼铁：17.6kg；钨铁：3.2kg；锰铁：1.2kg；加入炉中，送电熔化，钢水熔清后取样检验主要成分；炉中取样检验合格后加入钒铁：20kg；钛铁：0.8kg；铌铁：3.2kg；熔化后取样合格在1620℃出炉。用0.5-1％的Al对钢水进行脱氧，钢水包内加入0.3-0.5％稀土镁合金出炉。稀土镁合金必须烘烤到200-260℃，表面覆盖孕育剂和2-4％的工业Na₂O₃(总量为稀土镁合金的1.5倍)，并放置在钢水冲击的另一侧。出炉后扒渣静置1-2分钟浇注，钢水浇注温度：1450-1480℃。

2、离心铸造：辊环采用普通卧式离心机浇注。金属型涂挂覆膜砂，与普通离心铸造涂挂一样，涂挂厚度2mm，涂挂重量1.2kg。涂挂时离心机转速50-300转/min，金属型温度120-220℃；浇注时金属型温度：120-200℃，钢水浇注温度：1450-1500℃，钢水浇注量：180±10kg，钢水浇注速度：15-20s；浇注时离心机转速800-950转/min，浇注后变换离心机转速防止偏析；浇注后加入“O”型玻璃渣保护；辊环冷却到800-950℃时停机，将辊环内腔用稻草塞满吊到电阻炉内保温冷却。炉内保温温度400-500℃，保温2小时后随炉冷却后进行退火热处。

3、热处理工艺：

退火：工艺为850-870℃保温2小时，炉冷到720-740℃保温2小时，再炉冷到540-600℃保温4小时，然后随炉冷却，升温速度≤20℃/h，退火后硬度为HRC30-35(HSD40-45)，易于切削加工。

淬火：采用1300℃高温电阻炉进行淬火热处理；淬火前将铸造高速钢整体套粗加工，单边留量2-3mm；淬火时高速钢辊环必须平放在热处理炉内，可以并排放置和重叠放置，中间用支架支起，不能使高速钢辊环相互接触，相互距离必须大于30mm，支撑必须采用大于三点的支架，保证支撑平稳不变形；严格控制温度升高速度在15℃/小时以内，采用980-1030℃淬火，冷却介质选用油质，介质温度严格控制在70±5℃进行。在550℃和850℃进行两次等温保温以保证高速钢内部温度均匀。

回火：本发明实际生产中，采用三次回火，升温速度是≤20℃/小时，第一次回火温度为550℃保温2小时随炉冷却到150℃出炉，出炉后冷却到50℃时继续入炉进行第二次回火，温度为530℃，第三次回火温度为500℃。

4、机械加工：高速钢由于硬度高，组织致密，机械加工有一定的难度，因此采用先高温退火后进行粗加工留量，淬火和回火后精磨的工艺方法生产。

粗加工：采用YC12硬质合金机夹刀具进行表面加工处理，并用YG15焊接刀具进行切割成型。粗加工中对每一件产品预留加工余量2-3mm。

预精加工：预精加工在淬火完成后采用YG6X、YG6A、YD15硬质合金机夹刀具进行。预精加工硬度可以达到HRC65左右。预精加工预留加工余量0.05-0.1mm。

精磨：辊环内圆采用M2120磨床进行加工，平面采用磨7130型卧轴平面磨床进行精磨，外圆在预精加工后采用德国进口的辊环专用磨床加工。

从辊环上取样分析化学成分如下(重量％)：

C：1.70；Si：0.70；Mn：0.495；P：0.05；S：0.031；Cr：4.57；Mo：4.57；Ni：0.85；Ti：0.057；W：1.67；V：4.93；Mg：0.003；残余稀土：0.064。

从辊环上取样分析机械性能结果如下：

辊面硬度：平均HRC61；硬度落差：最大HRC0.8；抗拉强度：912Mpa；冲击韧性：16.5J/cm²。

Claims (5)

1、一种无钴多元高速工具钢，其特征在于：其化学成分的重量百分比为：

C：1.5-2.2    Si：0.5-1       Mn：0.5-1      S：＜0.05    P：＜0.05

Cr：4-6       V：4-6          Mo：4-6        W：＜2       Ni：0.8-1.2

Nb：0.2       Ti：0.05-0.1    Mg：0.005-0.01          RE：0.05-0.1。

2、如权利要求1所述的无钴多元高速工具钢的制造方法，依次包括以下工艺步骤：

①冶炼：采用废旧高速钢、半钢料、生铁为原料，Mn、Cr、Ni、Mo、W合金在加料初期加入，钢水熔清后检验元素成分并进行合金成分调整，出炉前加入钒铁、钛铁和铌铁，用0.5-1％的Al对钢水进行脱氧；

②炉前处理：采用RE-Mg-Ti复合变质剂，在钢水包内加入钇基重稀土合金和2-4％的工业Na₂CO₃，采用钢水冲入的办法进行钢水复合变质处理，钢水出炉温度1580-1620℃；

③离心铸造：采用树脂覆膜砂作为铸型涂料，一次涂挂；涂挂时离心机转速50-300转/min，金属型温度120-220℃；浇注时金属型温度为120-200℃；钢水浇注温度为1450-1500℃；浇注时离心机转速800-950转/min，浇注后变换离心机转速防止偏析；

④退火：退火工艺为850-870℃保温2小时，炉冷到720-740℃保温2小时，再炉冷到540-600℃保温4小时，然后随炉冷却，升温速度≤20℃/h；退火后硬度为HRC30-35；

⑤粗加工：预留加工余量2-3mm；

⑥淬火：控制温度升高速度在15℃/小时以内，采用980-1030℃高温淬火和70±5℃的油介质冷却；

⑦回火：回火温度为550-570℃。

3、如权利要求2所述的无钴多元高速工具钢的制造方法，其特征在于：所述冶炼工艺中的原料为废旧高速钢30％、半钢料55％和生铁15％，其他合金元素按照需求量加入。

4、如权利要求2所述的无钴多元高速工具钢的制造方法，其特征在于：在所述淬火完成后进行预精加工，预留加工余量0.05-0.1mm，硬度达到HRC65。

5、如权利要求2所述的无钴多元高速工具钢的制造方法，其特征在于：淬火工艺中在550℃和850℃进行两次等温保温。