发明内容
本发明的目的在于提供一种具有生产成本低、高成材率、质量易控制、易于大规模生产,同时满足良好的二次硬度和红硬性,冲击韧性及抗弯强度应用需求的高性能低合金含Nb高速钢。
根据上述目的,本发明在M2(W6Mo5Cr4V2)和W9(W9Mo3Cr4V)的基础上适当降低合金元素W、Mo、V的贵重金属含量,加入相对便宜的强碳化物形成元素Nb,使该高速钢的性能达到合金元素含量较高的W9、M2高速钢的性能,满足复杂刀具的使用性能,同时,可以用于冷作模具,具有良好的经济性和使用前景。
本发明采用的整体的技术方案是:(1)降低通用型高速钢中的碳化物形成元素W、Mo及V的含量;(2)加入强碳化物形成元素Nb,部分替代V或W,形成大量的一次碳化物,并细化晶粒,以提高高速钢的耐磨性;(3)加入适量的稀土元素(Re),使晶界净化,提高该钢的热塑性,从而提高钢的成材率,并且可以实现热加工时的以轧代锻,降低生产成本。
本发明具体技术方案为:该合金具体化学成分(重量%)为:C0.95~1.15%,Si0.20~0.40%,W3.5~5.5%,Mo2.0~4.0%,Cr3.0~4.5%,V0.80~1.5%,Nb0.5~1.5%,Re0.01~0.02%,N0.04~0.10%,S≤0.030%,P≤0.030%,Mn≤0.40%,其余为Fe及不可避免的杂质。
上述各元素的作用及配比依据如下:
C:碳在高速钢中是碳化物形成元素,其含量根据合金元素及对工艺性能及使用性能的要求而定,一般在0.80~1.5%之间。碳含量是高速钢中最终要的合金元素,对高速钢的工艺性能和使用性能有十分重要的影响。较高的强碳化物元素Nb、V含量的低合金高速钢中,由于Nb的加入,形成难以溶解的MC型碳化物。应适当考虑提高碳的含量,以利形成更多的V的碳化物在回火过程中析出,提高二次硬化效果。但碳含量过高,对淬火过热、过烧敏感性及残余奥氏体有负面影响,并且降低韧性。本发明中的碳含量根据定比碳规律确定为0.95~1.15%。
Mn:作为脱氧剂而加入,含量一般控制在≤0.40%。此外,控制钢中Mn/S≥20,利于提高高速钢的锻、轧的热塑性,明显减少坯材裂纹及提高成材率。
Si:作为脱氧元素而加入,含量一般控制在0.20~0.40%。在低合金高速钢中,公认对二次硬化及高温硬度明显有利,因此,在大多低合金高速钢中均加入0.5~1.3%的Si含量。但在含W较高的高速钢中,Si不但对二次硬化无好处,而且由于促进粗大的一次碳化物MC的形成,对钢的韧性不利,Si的其它负面影响还有,增加钢的脱碳敏感性,略降低二次硬化峰值的温度,促进非共格M6C碳化物在较高回火温度的形成,对600℃以上红硬性不利。因此,在本发明低合金高速钢中严格限制其含量在0.20~0.40%。
Re:稀土元素在钢中有脱氧、去硫,改变夹杂物形态,使晶界净化,细化铸态组织,提高钢的高温抗氧化不起皮等作用。在高速钢中加入一定量的稀土元素,可以提高热塑性约10~60%以上,从而提高钢的成材率,并且可以实现热加工时的以轧代锻,降低生产成本。同时,稀土合金元素的加入,可以对粗大的碳化物进行变质处理。由于稀土是非常活泼的元素,加入不当或过多,会增加钢中的非金属夹杂物,在该钢中控制在0.01~0.02%。
P:P在钢液凝固时形成微观偏析,随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界,使钢的脆性显著增大。控制P的含量在0.030%以下,并且含量越低越好。
S:会形成FeS,给钢带来热脆性。控制S含量在0.030%以下,并且含量越低越好。
Cr:高速钢中的碳化物形成元素之一,退火态中主要进入M23C6,在高速钢中一般含量在4.0%左右,对钢的二次硬化也起重要作用。因此控制其含量在3.0~4.5%。
W、Mo:高速钢中的主加元素,主要作用是形成一定数量的难以溶解的一次碳化物,使钢可进行接近熔点的高温淬火,并提高钢的耐磨性;通过高温固溶淬火获得高W(Mo)的马氏体后,回火时M2C及MC脱溶形成足够数量的二次碳化物,是二次硬化和红硬性的主要因素。在本发明钢中,控制W含量在3.5~5.5%,Mo含量在2.0~4.0%。
V:高速钢中的主加元素,V对形成部分连贯的起着二次硬化作用的MC析出物的弥散分布起决定性的作用。一般铸、锻高速钢中的V含量在1.0~3.0%之间,形成MC型碳化物,提高钢的二次硬度、红硬性及耐磨性。少于1.0%时,钢的二次硬度、红硬性及耐磨性不足,高于3.0%时可磨削性能差。因此,V含量控制在0.80~1.5%。
Nb:强碳化物形成元素,形成MC型碳化物,可用来部分替代V或W0,将V含量降至仅保持二次硬化的水平。利用Nb增加钢中MC型碳化物,从而增强高速钢的耐磨性。但Nb含量过高时,则显示了对初生晶粒的粗化,碳化物颗粒较粗大,则高速钢难于磨削。因此,Nb含量控制在0.50~1.5%。
N:N在高速钢中作为合金元素加入,由于其原子半径小(0.07nm),在钢中是间隙固溶元素,作用与C十分相似,与Al、Ti、Zr、V等元素形成稳定的氮化物,同时能溶解于复杂的M23C6、M6C或MC中,在淬火加热时也有少量氮通过以上碳化物的固溶而进入钢的基体中。少量的N可细化高速钢的铸态组织中的共晶网,细化一次(M6C)碳化物,因而可细化淬火奥氏体晶粒度;允许稍微高的淬火温度,因而可增加二次硬化效果和热稳定性以及硬度与韧性的综合水平,可以显著改善切削性能。电弧炉或感应炉冶炼高速钢的一般正常含N量在0.02%.在本发明中通过添加氮化铬铁或V-N合金的方法保持钢中加入0.04~0.10%的氮含量。
本发明与现有技术相比具有成本低、高成材率、质量易控制、易于大规模生产,同时满足良好的二次硬度和红硬性,冲击韧性及抗弯强度应用需求的优点。上述优点具体如下:540~600℃回火(1160℃淬火)的二次硬度分别≥65.2HRC,65.5HRC,64.9HRC,63.5HRC;600~650℃的红硬性分别≥64HRC,62.3HRC,59HRC;580~600℃高温回火的冲击韧性分别≥53.3,59.0Ak/J·cm-2,560~600℃回火的抗弯强度分别≥σbb48180MPa,5400MPa,5287MPa。合理的合金化配比具有良好的综合性能,比W9钢节约合金20%以上,具有更好的经济效益。
本发明与采用与现有技术相似的制备方法:
本发明钢可采用电弧炉、高频感应炉、真空感应炉冶炼,钢水浇铸成钢锭,根据需要可进行电渣重熔,经锻造成材或开坯后轧制成棒、线材等。
具体实施方式
根据上述所设计的化学成分范围,在25kg真空感应炉上冶炼了4炉本发明钢和1炉对比钢(W9),其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭,并经锻造制成φ14mm、φ18mm棒材。实例钢与对比钢退火后,加工成试样,经淬、回火处理(1140~1220℃淬火,540~600℃回火),其室温力学性能见表2~7。
本发明钢具有比对比钢更高的硬度、红硬性、冲击韧性及抗弯强度。
1.经相同温度淬火,高温(540~600℃)回火后,发明钢具有比对比钢更高的硬度。(见表2、3、4)
2.经相同温度的淬、回火处理后,发明钢(3#、4#)具有比对比钢更好的红硬性,抗软化能力更强。(见表5)
3.发明钢(3#、4#)经1160℃淬火,在580℃左右回火时,冲击韧性和抗弯强度均超过对比钢(5#)正常温度热处理后的冲击韧性和抗弯强度。(见表6、7)。
表1 实施例与对比钢的化学成分,重量%
炉号 |
钢种 |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
W |
Mo |
V |
Nb |
N |
Re |
Fe |
1# |
发明钢 |
0.95 |
0.25 |
0.24 |
0.006 |
0.0062 |
3.05 |
3.61 |
2.15 |
0.82 |
<0.10 |
0.04 |
0.01 |
余 |
2# |
发明钢 |
1.00 |
0.40 |
0.30 |
0.006 |
0.0062 |
3.94 |
4.58 |
2.56 |
1.13 |
0.60 |
0.065 |
0.013 |
余 |
3# |
发明钢 |
0.99 |
0.35 |
0.35 |
0.006 |
0.0079 |
3.95 |
5.20 |
3.45 |
1.38 |
0.90 |
0.08 |
0.015 |
余 |
4# |
发明钢 |
1.13 |
0.30 |
0.38 |
0.006 |
0.0070 |
4.48 |
5.50 |
3.92 |
1.46 |
1.48 |
0.095 |
0.018 |
余 |
5# |
对比钢 |
0.79 |
0.37 |
0.37 |
0.004 |
0.0063 |
3.62 |
8.62 |
4.05 |
1.51 |
0 |
- |
- |
余 |
表2 实施例与对比钢1140℃淬火不同温度回火的硬度值
炉号 |
钢种 |
不同温度下回火后的硬度值(HRC) |
540℃ |
560℃ |
580℃ |
600℃ |
1# |
发明钢 |
65.3 |
66.2 |
65.8 |
65.1 |
2# |
发明钢 |
65.4 |
65.9 |
64.4 |
64.1 |
3# |
发明钢 |
65.2 |
65.0 |
64.0 |
63.4 |
4# |
发明钢 |
64.6 |
64.8 |
63.0 |
63 |
5# |
对比钢 |
63.3 |
62.8 |
62.0 |
61.6 |
说明:(1)淬火试验在空气炉中进行,保温10分钟,油淬。
(2)不同温度回火3次,每次保温1小时。
表3 实施例与对比钢1160℃淬火不同温度回火的硬度值
炉号 |
钢种 |
不同温度下回火后的硬度值(HRC) |
540℃ |
560℃ |
580℃ |
600℃ |
2# |
发明钢 |
65.7 |
66.4 |
65.7 |
64.6 |
3# |
发明钢 |
65.2 |
66.0 |
65.4 |
63.9 |
4# |
发明钢 |
65.6 |
65.5 |
64.9 |
63.5 |
5# |
对比钢 |
64.7 |
63.8 |
63.6 |
62.4 |
说明:(1)淬火试验在空气炉中进行,保温10分钟,油淬。
(2)不同温度回火3次,每次保温1小时。
表4 实施例与对比钢1200℃淬火不同温度回火的硬度值
炉号 |
钢种 |
不同温度下回火后的硬度值(HRC) |
540℃ |
560℃ |
580℃ |
600℃ |
3# |
发明钢 |
66.0 |
67.1 |
66.3 |
65.6 |
4# |
发明钢 |
66.2 |
66.8 |
66.3 |
64.8 |
5# |
对比钢 |
66.0 |
65.4 |
64.8 |
64.3 |
说明:(1)淬火试验在空气炉中进行,保温10分钟,油淬。
(2)不同温度回火3次,每次保温1小时。
表5 实施例与对比钢红硬性表
淬火(油)回火工艺 |
钢种 |
炉号 |
在不同温度下加热4h后的硬度(HRC) |
600℃ |
625℃ |
650℃ |
1200℃+560℃×1h×3次 |
发明钢 |
3# |
64.6 |
62.7 |
59.6 |
发明钢 |
4# |
64.6 |
62.3 |
59.0 |
对比钢 |
5# |
63.2 |
61.5 |
59.0 |
1200℃+580℃×1h×3次 |
发明钢 |
3# |
64.5 |
62.3 |
59.0 |
发明钢 |
4# |
64.8 |
62.3 |
58.5 |
对比钢 |
5# |
62.7 |
62.1 |
58.2 |
表6 实施例与对比钢冲击值表
淬火(油)回火工艺 |
钢种 |
炉号 |
在不同温度下回火后的冲击值(Ak/J.cm-2) |
580℃ |
600℃ |
1160℃淬火+回火1h×3次 |
发明钢 |
3# |
64.7 |
65.3 |
发明钢 |
4# |
53.3 |
59.0 |
1220℃淬火+回火1h×3次 |
对比钢 |
5# |
50.7 |
42.3 |
表7 实施例与对比钢抗弯强度值表
淬火(油)回火工艺 |
钢种 |
炉号 |
在不同温度下回火后的冲击值(σbb/MPa) |
560℃ |
580℃ |
600℃ |
1160℃淬火+回火1h×3次 |
发明钢 |
3# |
4818 |
5437 |
5347 |
发明钢 |
4# |
4943 |
5400 |
5287 |
1220℃淬火+回火1h×3次 |
对比钢 |
5# |
4393 |
4950 |
5173 |