CN1013885B - 含钴铝特种高速钢 - Google Patents

Abstract

本发明系超硬特种高速钢。主要适用于难于切削加工的金属材料。其主要特点是在含W、Mo、Cr和V合金元素的基础上，同时还加一定量的Co和Al，不仅能获得足够的硬度和耐热性，而且还有较好的韧性，能制做成各种形状复杂的刀具，可解决象高温合金、钛合金、超高强度钢和不锈钢等材料切削加工困难的问题。其成本比单纯含钴高速钢要低。

Description

本发明属于合金钢领域。主要适用于难切削加工的金属材料。

用于航空航天工业、兵器工业、汽车工业和化工机械等的高温合金、钛合金、超高强度钢和不锈钢等都是切削加工较困难的材料。切削这些材料时的共同特点是发热量大，刀具损坏很快。用普通高速钢刀具加工时，不但效率很低，刀具消耗量很大，而且有时甚至加工不动。硬质合金和陶瓷材料刀具的切削性能虽优于高速钢，但它们的脆性很强，只适用于做一些形状简单的刀具，而不能制成象拉刀、铣刀和齿轮刀具等之类形状复杂的刀具，此外，也不宜用于进行精加工。

现有的用于切削难加工材料的高速钢主要是特种高速钢，包括含钴高速钢、高钒高速钢和含铝高速钢等。

含钴高速钢的硬度高，耐热性好，但主要缺点是韧性差，较脆;另外，含钴量较高，钴是贵重的稀有元素，价格昂贵，故成本高（US3859081、US4036640、昭55-8442）。

高钒高速钢的硬度和耐热性均不如含钴高速钢。它的主要特点是耐磨性好，但刀具本身不易磨削，所以应用很有限。

含铝高速钢是从六十年代发展起来的，至今国内外应用的还只有一个钢号：M2Al（奥地利BOHLER公司厂标SPECIAL    STEELMANUAL）。其硬度可达HRC67左右，耐热性和韧性较好，且比含钴高速钢便宜得多;其主要缺点是钢中夹杂物增多。

对于一些难于切削加工的材料，使用上述现有的特种高速钢仍不能完全解决问题。

本发明的目的在于提供一种性能优于现有含钴或含铝的高硬度特种高速钢，它不仅硬度高，耐热性好，而且还具有一定的韧性，能制成各种形状复杂的刀具，可用于切削加工较难的材料。

为达到上述目的，本发明采用的主要技术方案是在Mo、W、Cr、V的基础上，同时加Co和Al，综合利用Co和Al在高速钢中的作用。

高速钢是高碳高合金莱氏体型钢。其合金元素大致可分为两大类：即碳化物形成元素和非碳化物形成元素。

碳化物形成元素主要有W、Mo、Cr、V等。所形成的碳化物有一次碳化物和二次碳化物之分。一次碳化物是在钢液凝固时的共晶反应阶段从液相中析出的，主要类型有M6C、M2C和MC等，它们在钢中的主要作用是增加钢的耐磨性和抑制钢在淬火加热时奥氏体晶粒的长大。二次碳化物是从奥氏体中析出的，主要类型有M6C、MC、M23C6等，它们在淬火加热时几乎能全部固溶于基体中。在淬火之后，钢的基本组织是碳和合金元素W、Mo、Cr、V等的过饱和马氏体。在随后的回火过程中，淬火马氏体分解，析出非常均匀和弥散的W、Mo、Cr、V等的碳化物，使钢的硬度大大增加，这就是二次硬化现象。所析出的弥散的碳化物数量愈多，二次硬化的作用也愈强，高速钢的硬度和耐热性就愈高。通常一次碳化物和二次碳化物的数量各半。

非碳化物形成元素有Co、Al和Si等。至今，Co和Al在高速钢中的作用机理仍不十分清楚。但Co的明显作用是能提高钢的临界点，促使增加回火时析出的弥散碳化物的数量，并能有效地阻止它们长大。因此，钴虽不是碳化物形成元素，但对钢的二次硬化和耐热性有非常明显的作用。钴的不利作用是增加了钢的脆性。这是因为钴能增加回火高速钢中孪晶马氏体的数量，而孪晶马氏体很脆，对钢的韧性不利。实践表明，铝对高速钢的耐热性有显著的作用。铝与钴一样，能提高钢的相变点，提高钢在回火时析出的弥散碳化物的数量。另外，铝能提高回火高速钢中位错马氏体的数量，而位错马氏体的韧性比孪晶马氏体好得多。因此，在含钴的高速钢中再加入铝，有利于改善钢的韧性。

由此可见，本发明在加入W、Mo、Cr、V合金元素的基础上，同时还加Co和Al，不仅能获得足够的硬度和耐热性，而且还具有一定的韧性。可满足特种高速钢的使用要求。

本发明的化学成分（重量%）如下：C0.6～1.6%，Si0.1～1.5%，Mn0.1～0.6%，Cr3.5～4.5%，W1～20%，Mo1～10%，V0.5～5%，Co1～15%，Al0.4～2.0%，RE≤0.1%，Nb≤2%，N≤0.1%，余为Fe。

除了W、Mo、Cr、V、Co和Al必要的合金元素外，本发明的选择性成分还可加入RE、Nb和N、RE的主要作用是净化晶界和细化晶粒，提高钢的热塑性，细化钢的碳化物，改变夹杂物形态，改善钢的韧性;加N的目的是利用N和C形成的极细小的碳氮化物，使在淬火时抑制晶粒的长大，使钢保持较细的组织，从而获得较好的二次硬化和提高韧性;Nb的主要作用是在钢中形成碳化物，增加耐磨性，有时Nb可作为替代部分V使用。

本发明钢可用电弧炉、感应炉或电渣重熔等方法冶炼，采用锻造或轧制成材。钢锭在锻轧前需退火，退火温度为900～960℃，锻、轧的加热温度为1050～1200℃，终锻、轧温度＞950℃。之后，进行淬火和回火。

根据上述化学成分所生产的本发明钢材，回火后的硬度HRC达69左右，且韧性好。

与现有技术相比，本发明的主要优点是：硬度高，耐热性好，比单纯含Co或单纯含Al的特种高速钢性能优越，能制成各种形状复杂的刀具，具有优异的切削性能，能满足高温合金等各种难于切削的金属材料的加工要求，另外，钢材抗表面氧化性能好，表面质量优异，由于加Al，可减少加Co量，成本下降。

实施例

根据本发明的化学成分范围，在感应炉上冶炼了3炉钢，3炉钢的实际化学成分如表1所示。钢锭经950℃退火后，进行锻造，锻造加热温度1150℃，锻造后，锻材进行退火，随后进行淬火回火热处理，并测其硬度等。热处理制度及主要性能如表2所示。（见表1、2）

采用实施例中1号炉的锻材和对比钢号M42钢（M42钢为含钴高速钢的王牌钢号）的锻材均制成12×12×180mm的车刀，进行车削对比试验。切削对象为1Cr18Ni9Ti不锈钢料，料坯尺寸为φ66×180mm。工件转速250转/分，进刀量0.16mm，切削深度0.8mm。本发明制成的车刀，走刀180mm时，刀具主后面磨损1.5×1.5mm;M42制成的车刀，走刀70mm时，刀具主后面磨损1.5×1.5mm。说明本发明钢的切削性能优于M42。切削寿命为M42钢的1.5倍左右。

表1、实施例化学成分（重量%）

C    Si    W    Mo    Cr    V    Co    Al    Mn    RE    Nb    N

1    1.11    0.65    5.05    6.90    4.08    2.05    5.15    0.88    0.37    0.03

2    1.12    0.67    1.47    9.63    4.31    1.13    3.24    1.05    0.42    0.2

3    1.27    0.72    12.53    3.26    4.18    3.11    7.89    1.12    0.45    0.02

表2、实施例热处理制度及主要性能

淬火温度    淬火晶粒    回火温度    回火硬度

炉号    ℃    度No    ℃    HRC

1    1200    11级    540    69.3

2    1180    11级    540    68.9

3    1220    11级    560    69.1

Claims (1)

1、一种特种高速钢，其特征在于钢的化学成分(重量%)为C0.6～1.6%，Si0.1～1.5%，Mn0.1～0.6%，Cr3.5～4.5%，W1～20%，Mo1～10%，V0.5～5%，Co1～15%，Al0.4～2.0%，RE≤0.1%，Nb≤2%，N≤0.1%，余为Fe。