CN103305658B - 热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其可以将S和N降低至低含量、且可以添加目的量的Ca。热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法包括：第一工序，准备具有高速工具钢的成分组成的钢液；第二工序，对前述准备的钢液进行熔渣精炼，从而使钢液中的S降低至0.004质量%以下；第三工序，向前述熔渣精炼后的钢液中添加Ca，将钢液中的Ca调整至0.005~0.015质量%；和第四工序，对前述添加有Ca的钢液进行铸造。第一工序中准备的钢液优选为真空精炼后的钢液。或者进而优选在第四工序中铸造之前的钢液是N降低至0.01质量%以下的钢液。

Description

热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法

技术领域

本发明涉及在各种切削工具、切断工具、模具等中使用的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法。

背景技术

目前，已知高速工具钢中添加的Ca具有增加组织中MC型碳化物的绝对量且使其微细的效果。而且，相对于添加有Ca的高速工具钢，降低S、进而降低N的高速工具钢中上述Ca带来的效果升高，其结果制成产品时的破片、碎裂的抑制效果优异，对寿命的延长有效(专利文献1)。而且，高速工具钢中添加的Ca也作为使凝固组织微细化的元素发挥作用，提高热加工性(专利文献2)。

通常，对于由高速工具钢形成的上述产品而言，对调整为规定成分组成的钢液进行铸造作为钢块、钢片等的原料，或者将铸造该钢液而得到的粉末烧结作为原料，对其进行热加工，然后经过各种加工和热处理而精加工成最终的形状和特性。上述添加有Ca的高速工具钢原料的情况下，其铸造前的钢液的成分组成用真空感应炉进行调整(专利文献1、2)。另外，为了降低S量，使用通过浇包进行的熔渣精炼(专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭64-008252号公报

专利文献2：日本特开平11-006042号公报

专利文献3：日本特开平04-111962号公报

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1~3的高速工具钢的成分组成可以通过真空熔化进行调整。然而，要将原料的S量降低至极微量的情况下，必然需要准备S量低的高级原料，导致制造成本增大。另外，Ca是沸点较低(蒸气压高)的元素。因而，如果在钢液量多的实际操作中使用真空熔化来进行成分调整，则需要在具有沸腾作用的真空下添加Ca，存在添加到钢液中的Ca量不稳定的问题。另外，以脱硫为目的的熔渣精炼中，如果想要在脱硫的同时添加Ca，则添加到钢液中的Ca与S结合而形成硫化物，结果即使铸造后的原料含有规定量的Ca，Ca单体表现出的上述效果也减弱。

本发明的课题在于，提供一种在例如具有专利文献1~3等的成分组成的高速工具钢原料的制造方法中，通过可以将该原料中的S、N降低至低含量、可以添加目的量的Ca从而可以稳定地维持优异的热加工性的高速工具钢原料的制造方法。

用于解决问题的方案

本发明人对具有专利文献1~3等的成分组成的高速工具钢原料的制造方法研究了熔化工序中的脱硫、脱氮以及Ca添加的时机的最优化。其结果发现，通过形成在例如真空精炼等后工序中适用可以有效地去除钢液中的S的熔渣精炼而充分降低S、N后，向钢液中添加Ca的顺序，在1次熔化量多的实际操作中也可以添加目的量的Ca，而且铸造后的原料可以制造Ca的硫化物形成受到抑制的高速工具钢原料，从而完成了本发明。

即，本发明提供一种热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，包括：

第一工序，准备具有高速工具钢的成分组成的钢液；

第二工序，对前述准备的钢液进行熔渣精炼，从而使钢液中的S降低至0.004质量%以下；

第三工序，向前述熔渣精炼后的钢液中添加Ca，将钢液中的Ca调整至0.005~0.015质量%；和

第四工序，对前述添加有Ca的钢液进行铸造。

第一工序中准备的钢液优选为以下的高速工具钢的成分组成，按质量%计含有：

C：0.5~2.2%、

Cr：3.0~7.0%、

W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：5.0~30.0%、

V：0.6~5.0%。

另外，第一工序中准备的钢液优选为真空精炼后的钢液。或者进而优选第三工序中向钢液中添加Ca的步骤如下进行：贯通覆盖熔渣精炼结束后的钢液的上表面的熔渣，向钢液的深部投入Ca源。此时，所投入的Ca源优选为CaSi合金。在第四工序中进行铸造之前的钢液优选是N降低至0.01质量%以下的钢液。

而且，所得到的高速工具钢原料优选按质量%计由以下成分构成：

C：0.5~2.2%、

Si：0.1~1.0%、

Mn：0.1~1.0%、

S：0.004%以下、

Cr：3.0~7.0%、

W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：5.0~30.0%、

V：0.6~5.0%、

Al：0.3%以下(包含0%)、

Ca：0.005~0.015%、

N：0.01%以下、

O：0.004%以下、

剩余部分为Fe和不可避免的杂质。该高速工具钢原料还可以含有Co：10.0%以下。

发明的效果

根据本发明，可以有效且重现性良好地制造热加工性优异的具有专利文献1~3等的成分组成的高速工具钢原料。由此，成为对由该原料制作的最终产品的长寿命化有用的技术。

附图说明

图1为表示对实施例中制造的高速工具钢原料No.1(本发明例)进行热加工时的钢片外观的图片代用照片。

图2为表示对实施例中制造的高速工具钢原料No.3(比较例)进行热加工时的钢片外观的图片代用照片。

具体实施方式

本发明的特征在于，通过重新研究专利文献1~3等中提出的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，明确了钢中的S、N可以去除至低水平、Ca可以添加目的量的工序，由此可以稳定地维持该原料具有的热稳定性。以下对本发明的各技术特征进行说明。

[关于高速工具钢原料的成分组成]

首先对为了达成优异的热加工性而优选的高速工具钢原料的成分组成(质量%)进行说明。后述本发明的制造方法在制造这种成分组成的高速工具钢原料时是最合适的。

·C：0.5~2.2%

C是与Cr、W、Mo、V结合形成碳化物，赋予淬火回火硬度、提高耐磨耗性的元素。然而，如果过多则韧性降低。因而，从与后述Cr、W、Mo、V量取得平衡方面考虑，优选为0.5~2.2%。更优选为1.0%以上和/或1.5%以下。进一步优选为1.3%以下。

·Si：0.1~1.0%

Si通常被用作熔化工序中的脱氧剂。然而，如果过多则韧性降低，因此优选为0.1~1.0%。更优选为0.6%以下。

·Mn：0.1~1.0%

Mn与Si同样地被用作脱氧剂。然而，如果过多则淬火回火后的组织中残留奥氏体增多、韧性降低，因此优选为0.1~1.0%。更优选为0.2%以上和/或0.5%以下。

·S：0.004%以下

S如果过多，则除了其自身阻碍热加工性之外，还与本发明添加的后述Ca结合而阻碍Ca单体发挥的热加工性等的提高效果。因而，S是应减少的元素，优选限制到0.004%以下。更优选为0.002%以下，进一步优选为0.001%以下。

·Cr：3.0~7.0%

Cr是对赋予淬火性、耐磨耗性、耐氧化性等有效的元素。然而，如果过多，则使韧性、高温强度、回火软化特性降低。因而，优选为3.0~7.0%。更优选为3.5%以上和/或5.0%以下。

·W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：5.0~30.0%

W和Mo与C结合而形成特殊的碳化物，从而赋予耐磨耗性、防烧结性（seizeresistance）。另外，回火时的二次硬化作用大，高温强度也提高。然而，如果过多，则阻碍热加工性。W为Mo的原子量的约2倍，因此，可以以(W+2Mo)来规定。并且，(W+2Mo)的关系式中，W和Mo的含量可以相互置换。因而，在(W+2Mo)的关系式中，优选将它们的1种或2种设定为5.0~30.0%。更优选为10.0%以上和/或25.0%以下。进一步优选为15.0%以上和/或22.0%以下。

·V：0.6~5.0%

V与C结合形成硬质的碳化物，有助于耐磨耗性的提高。然而，如果过多则韧性降低。因而，优选为0.6~5.0%。更优选为1.0%以上和/或4.0%以下。进一步优选为3.5%以下。

·Ca：0.005~0.015%

Ca在铸造时的凝固过程中使树枝状晶体发达、使铸造组织均匀微细，因此具有提高原料的热加工性的效果。另外，由于MC型碳化物的绝对量增加且使其微细，因此制成产品时的破片、碎裂得到抑制。然而，如果过多，则Ca的氧化物形成夹杂物而残留在原料中，降低高速工具钢原料的纯度。因而，所添加的Ca优选为0.005~0.015%。更优选为0.006%以上和/或0.01%以下。

·N：0.01%以下

N不可避免地存在于原料中。而且，如果过多，则原料中的MC型碳化物变得粗大而严重阻碍上述Ca添加带来的效果。因而，原料中的N优选限制在0.01%以下。更优选限制到0.005%以下、进一步优选限制到0.002%以下是重要的。

钢中的N的固溶度随着Cr含量增高而增加。而且，为本发明的Cr量的高速工具钢的情况下，钢液量多的实际操作时，铸造后的原料中的N量即使没有添加的打算也容易超过数百ppm。因此，对于本发明的高速工具钢原料的制造方法而言，用于将其N量极度降低至上述限制值内的熔化方法是重要的。而且，该极度降低的N量可以通过后述本发明的制造方法稳定且有效地达成。

·O：0.004%以下

O不可避免地存在于钢中，是形成氧化物的元素。如果过多则形成在原料中的氧化物降低产品的质量。另外，添加有Ca的本发明高速工具钢中，由于与Ca结合，也阻碍Ca的上述效果。因而，原料中的O优选将上限限制为0.004%。更优选为0.002%以下。而且，该原料中极度降低的O量可以通过后述本发明的制造方法稳定且有效地达成。

此外，通过本发明的制造方法制造的高速工具钢还可以含有10.0%以下的Co、0.3%以下的Al。Co固溶在基底中，提高产品的强度、耐热性。Al与上述Ca同样地使铸造组织均匀微细，另外使MC型碳化物微细，因此原料的热加工性、产品的寿命得到提高。为了得到该效果而优选Al含量为0.02%以上。更优选为0.06%以上和/或0.25%以下。

[关于高速工具钢原料的制造方法]

上述含有0.005~0.015%的Ca、且S被限制到0.004%以下、优选N被限制到0.01%以下的高速工具钢原料的成分组成对达成优异的热加工性来说是优选的。而且，本发明的制造方法是用于制造这种成分组成的高速工具钢原料的方法。以下对构成本发明制造方法的第一工序~第四工序进行说明。

·<第一工序>准备具有高速工具钢的成分组成的钢液的工序。

本发明中，构成高速工具钢的至少主要元素的含量的调整在后述的用于脱硫的第二工序(熔渣精炼)以及添加Ca的第三工序之前实施。此时的主要元素例如为C、Cr、W、Mo、V等。而且，它们的含量优选按质量%计为以下含量。

C：0.5~2.2%、

Cr：3.0~7.0%、

W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：5.0~30.0%、

V：0.6~5.0%。

另外，第一工序中准备的钢液优选是真空精炼后的钢液。对于本发明而言，优选降低高速工具钢原料中的N、O的理由如上所述。尤其是由于N严重阻碍本发明的Ca添加带来的效果，因此优选在铸造前的钢液时降低至0.01%以下。而且，高速工具钢的成分组成通过在熔化前的铁源中调合原料或者向熔化后的钢液中投入原料来进行调整时，如果这些铁源、原料含有很多杂质，则其成为增加原料中的N、O的一个主要原因。因此，优选通过钢液中的C与O的反应、伴随该反应的沸腾对第二工序前的钢液实施促进脱氧及脱氮的脱气体效果优异的真空精炼。

·<第二工序>对第一工序中准备的钢液进行熔渣精炼，从而使钢液中的S降低至0.004质量%以下。

第一工序中准备的钢液即使是N、O降低了的钢液，如果S高，则向其中添加Ca时Ca大部分也与S结合而形成硫化物。其结果，铸造后的原料即使含有本发明目的量的0.005~0.015%的Ca，其形成上述硫化物而存在时，则不能充分发挥Ca单体表现出的本发明的效果。因此，为了使铸造后的原料中含有的Ca不形成上述硫化物，熔化工序中，在最终调整Ca量之前积极且充分降低S量是有效的。而且，本发明通过对第一工序中准备的钢液进而使用作为熔渣精炼的第二工序，将钢液中的S降低至0.004%以下后，最终调整Ca量。

利用熔渣精炼实现的脱硫是使钢液中的S与脱硫剂结合而形成硫化物、将其吸收到熔渣中来去除。而且，脱硫剂可以使用以往已知的Ca、Mg、稀土元素等。脱硫剂使用Ca时，在添加最终调整量的Ca的后述第三工序中，对上述脱硫反应中最终剩下的Ca量补充余量的Ca量即可。熔渣可以从以往已知的制钢用熔渣中选择来使用。熔渣的构成中可以以CaO、MgO的形态含有作为上述脱硫剂发挥功能的Ca、Mg。

·<第三工序>在通过第二工序进行熔渣精炼而将S降低至0.004质量%以下的钢液中添加Ca，将钢液中的Ca调整至0.005~0.015质量%。

如果通过第二工序将钢液中的S降低至0.004%以下，则即使向其中添加Ca，也可以抑制其大部分形成硫化物。而且，如果经过该工序顺序铸造添加有0.005~0.015%Ca的钢液，则铸造后的原料可以达成优异的热加工性。

第三工序中向钢液中添加Ca的步骤优选如下进行：贯通覆盖熔渣精炼结束后的钢液的上表面的熔渣，向钢液的深部投入Ca源。熔渣精炼通常在大气压下对浇包中的钢液实施。因而，如果在用于降低S量的熔渣精炼结束时接着贯通该熔渣向钢液的深部投入Ca源，则原样存在的熔渣覆盖钢液的上表面而可以抑制Ca的蒸发，因此Ca的添加收率提高。另外，此时的Ca源如果以CaSi合金等化合物形态投入到钢液中，则可以进一步抑制刚投入后的蒸发，进一步提高Ca的添加收率。而且，可以使用第二工序中使用的熔渣精炼装置且可以有效利用其中的搅拌装置，因此无需特别的投入设备即可提高Ca的添加收率。

·<第四工序>对第三工序中添加有Ca的钢液进行铸造。

对如上操作调整了成分组成的钢液进行铸造，从而得到高速工具钢原料。铸造的方法除了使用钢锭模的普通铸锭法之外，还可以为连续铸造法、对暂时铸造后的钢锭实施的再熔化法等方法。还可以利用烧结等将通过雾化法得到的粉末固化。而且，对铸造后的原料通常实施锻造、轧制等热加工时，如果为本发明中得到的原料则可以抑制此时的裂纹等。通过对结束热加工的原料根据需要进一步实施热加工、冷加工、机械加工以及热处理，从而精加工成各种产品。

[实施例1]

[本发明例1、2]

对调整为规定成分组成的25t(吨)钢液实施真空精炼，从而准备钢液A(第一工序)。本发明例1的钢液A为无添加的含有0.23%Co的成分组成。本发明例2的钢液A添加Co而调整为含有4.97%Co的成分组成。接着，对这些钢液A实施使用CaO-CaF₂系熔渣的熔渣精炼，从而得到钢液B(第二工序)。然后，向结束熔渣精炼的钢液B的深部贯通熔渣并插入给料机，由给料机向钢液中投入CaSi合金，从而得到添加有Ca的钢液C(第三工序)。CaSi合金的投入量是使Ca成分的收率为10%时钢液中的Ca含量计算上为100ppm的量(以下简称为“计算量”)。然后，对钢液C进行铸造，从而制造高速工具钢原料(第四工序)。对于本发明例1和本发明例2而言，钢液A、钢液B以及钢液C(铸造后的原料)的成分组成分别示于表1中。

[比较例3]

相对于本发明的制造方法，对实施真空精炼后的钢液A不实施熔渣精炼而直接铸造添加有Ca的钢液，从而制造高速工具钢原料。Ca的添加通过投入CaSi合金来进行，投入到规定的真空精炼结束后的处于真空环境下的钢液中。CaSi合金的投入量是钢液中的Ca含量为100ppm的计算量。铸造后的高速工具钢原料的成分组成示于表1中。

[比较例4]

相对于本发明的制造方法，向实施真空精炼后的钢液A中添加Ca后，实施熔渣精炼并进行铸造，从而制造高速工具钢原料。Ca的添加通过投入CaSi合金来进行，投入到规定的真空精炼结束后的处于真空环境下的钢液中。CaSi合金的投入量是钢液中的Ca含量为100ppm的计算量。熔渣精炼使用CaO-CaF₂系熔渣。铸造后的原料的成分组成示于表1中。

[表1]

由表1的结果可知，通过本发明的制造方法得到的No.1、No.2的高速工具钢原料，相对于100ppm的目的Ca量而言实际的Ca量为87~99ppm，收率良好地添加了Ca。而且，S量降低至2ppm的水平，N量降低至50ppm的水平。与此相对，省略了熔渣精炼的No.3的高速工具钢原料中，Ca量仅为2ppm、收率差，而且S量为45ppm的高水平。另外，在熔渣精炼之前添加了Ca的No.4的高速工具钢原料中，虽然S量为5ppm的低水平，但是Ca量也为14ppm的低含量。

[实施例2]

将实施例1中得到的高速工具钢原料加热至1160℃，实施进行塑性加工直至成为截面尺寸135×135mm见方的钢片的热加工。然后，目视观察热加工后的钢片的表面。其结果，对通过本发明的制造方法得到的No.1、No.2的高速工具钢原料进行热加工而成的钢片的表面平滑，未确认有显著裂纹(表示No.1的钢片的外观的图片代用照片如图1所示)。与此相对，No.3的钢片中确认有即使磨削也不能去除程度的显著裂纹(表示外观的图片代用照片如图2所示)。No.4的钢片虽然不像No.3的钢片那样，但是与No.1、No.2的钢片相比，确认有显著的裂纹。

Claims (8)

1.一种热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，包括：

第一工序，准备具有高速工具钢的成分组成的钢液；

第二工序，对所述准备的钢液进行熔渣精炼，从而使钢液中的S降低至0.004质量％以下；

第三工序，向所述熔渣精炼后的钢液中添加Ca，将钢液中的Ca调整至0.005～0.015质量％；和

第四工序，对所述添加有Ca的钢液进行铸造

得到的高速工具钢原料按质量％计含有S：0.002％以下，和W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：10.0～30.0％。

2.根据权利要求1所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，

第一工序中准备的钢液为以下的高速工具钢的成分组成，按质量％计含有：

C：0.5～2.2％、

Cr：3.0～7.0％、

W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：15.0～30.0％、

V：0.6～5.0％。

3.根据权利要求1所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，第一工序中准备的钢液为真空精炼后的钢液。

4.根据权利要求1所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，第三工序中向钢液中添加Ca的步骤如下进行：贯通覆盖熔渣精炼结束后的钢液的上表面的熔渣，向钢液的深部投入Ca源。

5.根据权利要求4所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，所投入的Ca源为CaSi合金。

6.根据权利要求1所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，在第四工序中铸造之前的钢液是N降低至0.01质量％以下的钢液。

7.根据权利要求1所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，

所得到的高速工具钢原料按质量％计由以下成分构成：

C：0.5～2.2％、

Si：0.1～1.0％、

Mn：0.1～1.0％、

S：0.002％以下、

Cr：3.0～7.0％、

W和Mo的1种或2种的(W+2Mo)：15.0～30.0％、

V：0.6～5.0％、

Al：0.3％以下，包含0％、

Ca：0.005～0.015％、

N：0.01％以下、

O：0.004％以下、

剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

8.根据权利要求7所述的热加工性优异的高速工具钢原料的制造方法，其特征在于，所得到的高速工具钢原料按质量％计还含有Co：10.0％以下。