CN102747293B - 高韧高耐磨滚刀用高速钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高韧高耐磨滚刀用高速钢及其制备方法，较传统高性能高速钢的化学成分上降低了贵重金属钴的用量，相应增加了廉价的碳和钒的含量，使得高速钢的晶粒组织细化，淬透性增加，在保证相应的高韧高耐磨的功能的前提下降低了生产成本；利用本发明提供的高韧高耐磨高速钢的制备方法，控制了N的含量在150ppm以下，削弱了大颗粒碳化物的形成，改善可磨削性能。本发明用于制备汽车和机械工程行业的滚刀滚齿等转动元件。

Description

高韧高耐磨滚刀用高速钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型高速钢，具体地说是一种高韧高耐磨滚刀用高速钢及其制备方法。

背景技术

高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。由于高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。

目前通用的高速钢M2已经不能满足通常的使用要求，滚刀材料主要使用高性能高速钢如M42和M35等，但是由于其中含有大量的贵重合金Co，使得生产成本提高，其中高速钢M35包含的化学成分以重量百分比计为：C:0.88～0.95，Si:≤0.04，Cr:3.80～4.50，Mo:4.75～5.20，V:1.75～2.00，W:6.00～7.00，Co:4.60～5.00，Mn:≤0.04，P≤0.030，S≤0.030。

高速干式滚齿加工是近年来发展的一种全新高效率的绿色齿轮制造技术，它克服了传统齿轮加工生产效率低下、生产成本高、污染环境及危害工人身体健康等缺点，正成为各国研究的热点。

为实现滚刀高速切削或高速干切，对于刀具设计改进、涂层等性能提高，最终体现在对刀具材率强度、韧性、红硬性和耐磨性及可磨削性要求的整体提高。但由于涂层的发展，使得切削速度和切削寿命差距变小，而传统高速钢其碳化物碳粒比粉末钢大，同样情况下，耐磨性要高于粉末高速钢，只是在高精度多次刃磨方面要求很高时，粉末冶金高速钢不可替代，但其成本远高于传统方法制造的高速钢，因此在将来很长时间内传统的高性能高速钢仍是主要滚刀材料。 

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种高韧高耐磨滚刀用高速钢及其制备方法，较传统高性能高速钢的化学成分上降低了贵重金属钴（Co）的用量，相应增加了廉价的碳（C）和钒（V）的含量，使得高速钢的晶粒组织细化，淬透性增加，在保证相应的高韧高耐磨的功能的前提下降低了生产成本；利用本发明提供的高韧高耐磨高速钢的制备方法，控制了N的含量在150ppm以下，削弱了大颗粒碳化物的形成，改善可磨削性能及韧性；同时在加工制作工艺上改善了金属流线，适于滚刀切削受力方向，提高了滚刀滚齿使用寿命；涂层的应用更加发挥了本发明滚刀滚齿的优越性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种高韧高耐磨滚刀用高速钢，它由以下重量百分比的化学成分组成：

C:1.05～1.12，Si:0.25～0.45，Cr:3.80～4.50，

Mo:4.50～5.20，V:2.50～3.00，W:5.50～6.50，

Co:1.50～2.50，Mn:0.20～0.40，P≤0.025，S≤0.015，其余为铁及杂质。

本发明还提供了上述高韧高耐磨滚刀用高速钢的制备方法，它按照以下步骤顺序进行：

（1）将含有上述化学成分的高韧高耐滚刀用磨高速钢，采用中频冶炼+炉外精炼+真空脱气+电渣重熔的方式制备成电渣钢锭；其中，炉外精炼脱硫时，钢水在真空状态下通入惰性气体搅拌，至使含硫量S≤0.015，钢水在真空状态通如惰性气体搅拌，能够降低N和O含量，改善钢水纯净度（降低氮化物和氧化物夹杂），同时降低N含量，使得含氮量[N]≤150ppm，改善了电渣重熔过程碳化物颗粒尤其初生碳或初生氮化钒颗粒大小。

（2）在1130～1160℃下，将上述电渣钢锭保温3～6h，使用快锻和自由锻变形的方式，充分破碎，同时使用精锻机进行拔长，使其内部组织及变形流线符合滚刀滚齿用中间坯规定的要求及形状，形成中间坯；其中自由锻+精锻的变形方式为下一步十字锻造提供了良好的金属流线。

（3）将中间坯在1120～1150℃下，保温100～280min，通过快锻和自由锻的方式进十字方向镦拔，改变金属流线，适应滚刀滚齿工作受力方向，形成锻件；其中，十字锻造工序仅能进行1次，才能保证最终滚刀滚齿材料的良好的金属流线。

（4）将锻件进行装罐保护退火，在860～880℃下保温5～8小时，缓慢冷却到500℃以下出炉，形成高速钢坯体；

（5）将高速钢坯体进行探伤和精整，取样检验，形成合格的高速钢锻材或锻件； 

（6）将高速钢锻材或锻件进行机械初加工，并进行600℃保温4-6小时的去应力退火，形成滚刀滚齿机加工毛坯料；

（7）将机加工毛坯料分级加热，后经300℃油淬空冷到室温淬火，550-560℃×1h×4次回火，每次回火后必须冷却到室温再进行下次回火；

（8）将热处理好的机加工毛坯料上磨床进行精加工后进行涂层，形成最终高韧高耐磨高速钢。

作为本发明的一种限定，步骤（2）中所述的惰性气体为氩气。

作为本发明的另一种限定，步骤（4）中所述的缓慢冷却速率为≤15℃/小时。

作为本发明的第三种限定，步骤（7）中所述的分级加热的温度分别为300℃、850℃、1050℃、1180-1215℃。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得技术进步在于：

（1）较传统高性能高速钢的化学成分上降低了贵重金属Co的用量，相应增加了廉价的C和V的含量；

基于Co含量对高速钢二次硬度的影响研究，Co的含量控制在0～3%范围内可使钢的二次硬度迅速提高，在增加到5%时二次硬化提高最多，但是相应的生产成本会显著增加10-15%，且Co含量低于1.5%或高于2.5%-5%二次硬化效果不明显因此仅加入最有效的Co含量1.5～2.5%，保证硬度的提高，而与M35相比降低2-3%以上的Co成本，作到最有效地经济的使用，最终确定Co含量为1.5～2.5%。

依据化学平衡碳理论，增加含碳量可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高看常温和高温硬度，但是碳含量过多会影响钢本身的特性，根据合金化原理平衡碳计算公式C=0.033W+0.063Mo+0.060Cr+0.2V，进行碳含量的控制，最终确定碳的含量为1.05～1.12%；碳的含量低于1.05%时与合金搭配不充分，会降低材料的硬度，碳的含量高于1.12%时将增加材料脆性，最终都将降低使用寿命。

增加了钒的含量，使得钢的晶粒组织的细化度增强，从而提高钢的高温硬度、高温强度、韧性和耐磨性，当其在高温熔入奥氏体时可以增加钢的淬透性，防止钢的过热敏感倾向，钒含量的增加使钢中形成VC（碳化钒）碳化物与M35钢相比大幅增加使得最大限度的发挥钒的作用，提高了钢的耐磨性，但是如果钒的含量过高后会使得钢回火后机械性能不佳，磨削性较差，经过反复试验最终确定本发明中使用的钒的含量为2.50～3.00%。

（2）利用本发明提供的高韧高耐磨滚刀用高速钢的制备方法，控制了N的含量在150ppm以下，削弱了大颗粒碳化物的形成，改善可磨削性能。由于在制备过程中钒会形成VC（碳化钒）类型碳化物，V的增加使得钢中高耐磨的MC（M为碳化物形成元素）碳化物比例显著增加，从而显著提高耐磨性，试验表明过量的N与V易在高温情况下先形成VN（氮化钒），析出成核后VC在其上长大，是最终形成较多大颗粒碳化物的一个重要因素；另一个因素是过量的N使得钢中形成大量AlN（氮化铝夹杂）脆性相，对钢的韧性极为不利。因此控制N的含量在150ppm以下时，可以削弱大颗粒碳化物的形成和夹杂的AlN脆性相减少，对钢的韧性影响较小，同时控制VC颗粒，也有效的改善可磨削性能。

本发明用于制备汽车和机械工程行业的滚刀滚齿等转动元件。

本发明下面将结合具体实施例作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例１

一种高韧高耐磨滚刀用高速钢，它由以下重量百分比的化学成分组成：

C:1.08，Si:0.25，Cr:3.95，Mo:4.85，V:2.60，W:5.80，Co:1.93，Mn:0.32，P≤0.03，S≤0.01，余量为铁和杂质。

上述高韧高耐磨滚刀用高速钢的制备方法，它按照以下步骤顺序进行：

（1）将含有上述化学成分的高韧高耐滚刀用磨高速钢，采用中频冶炼+炉外精炼+真空脱气+电渣重熔的方式制备成电渣钢锭；其中，炉外精炼脱硫时，钢水在真空状态下通入惰性气体搅拌；炉外精炼脱硫至含硫量S≤0.015，钢水在真空状态通如惰性气体搅拌，降低N和O含量，改善钢水纯净度（降低氮化物和氧化物夹杂），同时降低N含量，使得含氮量[N]≤150ppm，改善了电渣重熔过程碳化物颗粒尤其是初生碳或初生氮化钒颗粒大小。

（2）在1130℃下，将上述电渣钢锭保温3h，使用快锻和自由锻变形的方式，充分破碎，同时使用精锻机进行拔长，使其内部组织及变形流线符合滚刀滚齿用中间坯规定的要求及形状，形成中间坯；其中自由锻+精锻的变形方式为下一步十字锻造中提供了良好的金属流线。

（3）将中间坯在1120℃下，保温150min，通过快锻和自由锻的方式进十字方向镦拔，改变金属流线，适应滚刀滚齿工作受力方向，形成锻件；其中，十字锻造工序仅能进行1次，才能保证最终滚刀滚齿材料的良好流线。

（4）将锻件进行装罐保护退火，在860℃下保温6h，缓慢冷却到500℃以下出炉，形成高速钢坯体。

（5）将高速钢坯体进行探伤和精整，取样检验，形成合格的高速钢锻材或锻件。 

（6）将高速钢锻材或锻件进行机械初加工，并进行600℃保温5h的去应力退火，形成滚刀滚齿机加工毛坯料。

（7）将机加工毛坯料分级加热，后经300℃油淬空冷到室温淬火，550℃×1h×4次回火，每次回火后必须冷却到室温再进行下次回火。

（8）将热处理好的机加工毛坯料上磨床进行精加工后进行涂层，形成最终高韧高耐磨高速钢。

实施例2-8

实施例2-8中所涉及的高韧高耐磨滚刀用高速钢，它化学成分的重量百分比如表1所示，应用同实施例相应的制备方法制备而得，其中所涉及的步骤参数如表2所示，各实施例相应的性能检验情况如表3所示：

 

按国标GB/T230、GB/T14452、GB/T229等标准检验，如下表所示：

因此由表3可知，所制得高韧高耐磨滚刀用高速钢的硬度、抗弯强度和冲击韧性均符合国家标准。

Claims (3)

1.一种高韧高耐磨滚刀用高速钢，其特征在于它由以下重量百分比的化学成分组成：

C:1.05～1.12，Si:0.25～0.45，Cr:3.80～4.50，

Mo:4.50～5.20，V:2.50～3.00，W:5.50～6.50，

Co:1.50～2.50，Mn:0.20～0.40，P≤0.025，S≤0.015，其余为铁及杂质；该高韧高耐磨滚刀用高速钢的制备方法，它按照以下步骤顺序进行：

（1）将上述化学成分的高韧高耐磨滚刀用高速钢，采用中频冶炼+炉外精炼+真空脱气+电渣重熔的方式制备成电渣钢锭；其中，炉外精炼脱硫时，钢水在真空状态下通入惰性气体搅拌，控制氮含量[N]≤150ppm；

（2）在1130～1160℃下，将上述电渣钢锭保温3～6h，使用快锻和自由锻变形的方式，充分破碎，同时使用精锻机进行拔长，使其内部组织及变形流线符合滚刀滚齿用中间坯规定的要求及形状，形成中间坯；

（3）将中间坯在1120～1150℃下，保温100～280min，通过快锻和自由锻进行十字方向镦拔，形成锻件；

（4）将锻件进行装罐保护退火，在860～880℃下保温5～8小时，缓慢冷却到500℃以下出炉，形成高速钢坯体；

（5）将高速钢坯体进行探伤和精整，取样检验，形成合格的高速钢锻材或锻件； 

（6）将高速钢锻材或锻件进行机械初加工，并进行600℃保温4-6小时的去应力退火，形成滚刀滚齿机加工毛坯料；

（7）将机加工毛坯料分级加热，后经300℃油淬空冷到室温淬火，550-560℃×1h×4次回火，所述的分级加热的温度分别为300℃、850℃、1050℃、1180-1215℃；

（8）将热处理好的机加工毛坯料上磨床进行精加工后进行涂层，形成最终高韧高耐磨高速钢。

2.根据权利要求1所述的高韧高耐磨滚刀用高速钢，其特征在于：步骤（1）中所述的惰性气体为氩气。

3.根据权利要求2所述的高韧高耐磨滚刀用高速钢，其特征在于：步骤（4）中所述的缓慢冷却速率为≤15℃/小时。