CN1021974C - 低钴超硬高速钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于含钴高速钢类。
本发明低钴超硬高速钢采用碳氮饱和度法来选择钢中碳含量，按18≤(W+2Mo)≤22来控制钢中钨钼元素的含量配比，并且加入了适量的氮，因此保证了本发钢在钴含量比一般含钴高速钢降低的同时，其性能水平仍可达到一般含钴高速钢，并且热加工塑性和热处理工艺性能比一般含钴高速钢优越，从而降低了本发明钢的冶炼成本，提高钢的成材率。本发明钢适合制造如拉刀，齿轮滚刀等型面比较复杂的刀具。
Description
本发明属于含钴高速钢类。
对于高温合金、耐热钢、高碳轴承钢以及高强度结构钢等许多具有较高硬度的材料，由于其加工难度很大，因而要求刀具材料的硬度应达到HRC66～70，现在世界上普遍使用的是含钴高速钢来制造上述刀具。虽然这类含钴高速钢具有良好的使用性能，但由于这类含钴高速钢钴含量较高，钢的冶炼成本较高，百且该类钢的热加工塑性也较差。另外，该类含钴高速钢的生产工艺条件较苛刻，成材率较低。现在这类钴高速钢中应用最广泛的就是美国标准ASTMA-600的M42（W2Mo9Cr4VCo8）。
本发明的目的就是提供一种钴含量小于4%，而性能水平不低于一般含钴高速钢，并且热加工塑性、热处理工艺性能优于一般含钴高速钢，以及冶炼成本低、成材率高的新型低钴超硬高速钢。
根据本发明的目的，本发明按照多元合金化的原则，设计出了一种低钴超硬高速钢的具体化学成分（重量%）为C0.90～1.20%、W2～10%、Mo4～10%、Cr3.60～4.40%、V1.20～1.60%、Mn0.20～0.50%、Si0.20～0.65%、Co2～4%、N0.30～0.08%、P≤0.030%、S≤0.030%其余为Fe，W、Mo的含量同时必须满足18≤W+2Mo≤22，碳加入量应按0.95≤（Cs+N）/Cp≤1.05来控制，其中Cs为碳含量，Cp＝0.033W+0.063M0+0.06Cr+0.2V。
钴在高速钢中不进入到碳化物中，而是固溶于基体中，钴在钢中可以促进回火时碳化物的析出，并抑制其长大，使碳化物呈细小、弥散分布，从而提高钢的硬度和高温硬度，因此，一般含钴高速钢中钴含量都在5%以上，就是为了保证含钴高速钢的硬度能达到HRC66～70。但是当钢中钴含量大于4%时，就会增大钢的热加工变形抗力，降低钢的热塑性和冲击韧性;同时，由于钴资源稀少，钴价格昂贵，增加了钴含量就增加了钢的成本，从而本发明钢中加入2-4%钴。由于本发明钢中钴含量为2-4%，势必影响到钢的硬度和高温硬度，为了保证钢的性能水平与一般含钴高速钢相当，且热加工塑性，热处理工艺性能优于一般含钴高速钢，因此还需在本发明钢中加入适量的W、Mo、Cr、Mn、V等合金元素及C、Si、N等元素，通过合理的配比和按一定关系的控制，来保证本发明钢的性能水平。
在本发明低钴超硬高速钢中，W、Mo为必要合金元素，它们与碳形成碳化物，能细化钢的晶粒、在淬火时固溶于基体中，并且在回火时析出细小弥散分布的碳化物，从而起到提高钢的硬度、红硬性和高温硬度的作用。由于在钢中1%的钼与2%的钨的作用相当，因此可以在一定的范围内按此关系来改变钢中的钨、钼配比而基本不改变钢的性能，按照这种关系，在本发明钢中钨及钼的加入要满足（W+2Mo）≥18，这样就可以保证在本发明钢中能够形成足够的W、Mo碳化物，从而保证了本发明钢的硬度、红硬性和高温硬度。但是，当（W+2Mo）≥22时，W和Mo将在钢中形成过多的莱氏体共晶碳化物，这将会恶化钢的热加工塑性，使得钢难以用常规的冶金工艺生产，因此在本发明钢中加入2～10%W和4～10%Mo，同时要求满足18≤（W+2Mo）≤22。
由于钒与碳的结合力很强，因此钒也是钢中重要的碳化物形成元素之一。富钒的VC型碳化物可以控制钢在淬火时的晶粒度，并且可以提高钢的耐磨性。但钒含量超过2%时，将会降低钢的可磨削性。因此在本发明的钢中加入1.20～1.60%V。
因为高速钢是依靠大量的一次、二次碳化物来提高钢的硬度、红硬性、耐磨性和高温性能，碳含量过低，钢中的W、Mo、V等合金元素的作用就不能充分发挥，形成不了足够的碳化物来保证钢的各种性能。如果碳含量过高，在钢中极易析出M3C型碳化物，导致钢的淬火过热倾向增大，因此本发明采用先进的碳氮饱和度计算方法来确定钢
中碳的加入量。即AcN（碳氮饱和含量）、Cs（钢中碳含量）、N（钢中氮含量、Cp（平衡碳含量）四者的关系可用式AcN＝（Cs+N）Cp来表示，其中钢的平衡碳含量Cp＝0.033W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V。为了保证本发明钢形成足够的一次、二次碳化物，从而保证钢的硬度、红硬性、高温硬度等性能，碳氮饱和度应满足：0.95≤AcN≤1.05，从而确定本发明钢加入0.90～1.20%C。
铬在高速钢中可以提高钢的淬透性，并使其具有一定的抗氧化性。在淬火回火状态下，除少部分铬固溶于难溶碳化物中外，大部分铬固溶于基体中，起到固溶强化作用。但是，铬过高时对钢的热塑性有不良影响，因此在本发明钢中加入3.60～4.40%cr。
锰在钢中易于和硫结合形成MnS。在钢中加入少量的锰，可以降低钢中硫的有害作用，提高钢的热塑性，因此在本发明中加入0.20～0.50%Mn。
硅在钢中一般都是作为有害元素尽量除去的。而在本发明钢中，硅是作为一种合金元素加入的，其目的就是通过在钢中加入少量的硅，来促进铸态形成的M2C型共晶碳化物分解成细小的Mc+M6C型碳化物，提高钢的硬度和韧性。因此在本发明钢中加入0.20～0.65%Si。
在本发明钢中加入0.03～0.08%N，是因为氮可以促进M2C型共晶碳化物的分解、转变，形成细小的碳化物，因而对提高钢的硬度、红硬性和强韧性都有较好的作用。
本发明低钴超硬高速钢的生产方法可以采用电弧炉或中频感应炉冶炼，然后将钢锭锻造或轧制成型，锻轧温度大于1100℃，终锻轧温度大于900℃，热处理淬火温度为1180℃～1240℃，回火温度为540～560℃。
采用本发明钢生产的各种产品与现有技术相比，具有以下特点：
1.由于本发明钢采用先进的碳氮饱和度法来选择钢中碳含量，并且合理控制W及Mo含量以及其它元素的合理加入，因此，即使本发明钢的钴含量比一般含钴高速钢有所降低，但其性能水平仍可达到现有技术水平。
2.由于本发明钢中的钴含量降低，从而降低了钢的冶炼成本，并且加上其它合金元素的作用，进一步改善了钢的热加工塑性，提高了成材率，总的生产成本也随之降低。
3.本发明钢的热处理淬火温度为1180℃～1240℃，比现有技术的热处理温度范围宽，因此本发明钢与现有技术相比热处理工艺性能稳定。
实施例
本发明钢是采用中频感应炉冶炼，为了对比方便，我们同时冶炼了两炉不同成分的低钴高速钢A、B为本发明钢，C为对比钢（一般含钴高速钢M42），其具体化学成分见表1，钢锭经锻轧后再进行热处理，热处理工艺制度以及处理后各钢的性能参数见表2。
（见表）
根据表2的性能对比情况，本发明钢低钴超硬高速钢的硬度和红硬性已完全达到了一般含钴高速钢的水平。而且在生产实践中还表明，本发明钢的热加工塑性优于一般含钴高速钢、热处理工艺性能较稳定，因此热加工成材率与一般含钴高速钢相比普遍提高。另外，用本发明钢制造的各种不同类型的产品，其加工性能和使用性能完全可以达到或超过一般含钴高速钢的水平。
表1 本发明钢与对比钢的化学成分（重量%）
成分
C Co W Mo Cr V N Si Mn P S Fe
序号
A 1.06 3.20 8.06 5.14 3.88 1.41 0.08 0.56 0.46 0.024 0.008 余
B 1.14 3.15 3.15 9.31 3.62 1.40 0.08 0.48 0.44 0.025 0.009 余
C 1.13 7.88 1.32 9.35 3.86 1.12 0.42 0.29 0.025 0.009 余
表2 本发明钢与对比钢的热处理制度及性能对比：
序号 热处理制度 硬度（HRC） 红硬性（600℃×4h空冷）
1230℃淬火
A 69.6 66.2
540℃×1h4次回火
1230℃淬火
B 70.0 66.7
540℃×1h4次回火
1190℃淬火
C 70.0 66.2
520℃×1h4次回火
Claims (1)
1、一种低钴超硬高速钢，其特征在于该钢种所含的元素及化学成分(重量%)为：C0.9～1.20%、W2～10%、Mo4～10%、Cr3.6～4.40%、V1.2～1.60%、Mn0.20～0.50%、Si0.20～0.65%、Co2～4%、N0.30～0.08%、P≤0.030%、S≤0.030%，其余为铁，钨、钼元素的含量必须满足18≤W+2Mo≤22，碳加入量应按0.95≤(Cs+N)/Cp≤1.05来控制，其中Cs为碳含量，Cp=0.033W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V。
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