CN1063233C - 一种超硬含铝高速钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高碳高速钢，尤其是一种同时含有铝、稀土元素、钛、硼的超硬含铝高速钢。它克服或改善了现有含铝高速钢普遍存在的混晶，碳化物颗粒粗大，夹杂物偏多，存在相当数量的游离铁素体等金相组织缺陷，使得该钢的红硬性、耐磨性、高温塑性、常温韧性均比现有含铝高速钢更为优良。尤其是用该钢制作的切削刃具的使用寿命值，使用寿命值分散度等更能满足大规模机械加工的要求。特别适用于制作切削不锈钢、高温合金、调质合金钢等难切削金属材料的切削刃具。

Description

一种超硬含铝高速钢

本发明涉及一种高碳高速钢，尤其是一种同时含有铝、稀土元素、钛、硼的超硬含铝高速钢。该钢主要用途是制作机用切削刃具，用于切削不锈钢，高温合金及调质合金钢等难切削金属材料。

在通常情况下，制作用于切削不锈钢、高温合金及调质合金钢等难切削金属材料的机用刃具大多采用以M42为代表的钴系高速钢，由于钴系高速钢必须加入高达5-12％(重量％)的钴，而钴的价格非常昂贵，使钴系高速钢的成本无法降低。世界各国都力图寻求一种在性能上能够替代钴系高速钢而成本却更低的新型高速钢，含铝高速钢就是其中之一。

现行国家标准GB9943-88提供了一种含铝高速钢，其代表牌号为W₆Mo₅Cr₄V₂Al，简称M₂Al。该钢用廉价的铝取代昂贵的钴，使这种含铝高速钢的成本比钴系高速钢大幅度降低，用这种含铝高速钢制作的机用刃具切削不锈钢、高温合金、调质合金钢等难切削金属材料，其单件刃具的切削性能与钴系高速钢相当。但这种含铝高速钢存在着致命的不足，主要表现在：易于出现混晶、碳化物颗粒粗大、夹杂物偏多及存在相当数量的游离铁素体等金相组织缺陷，导致用该钢制作的切削刃具的使用寿命不稳定，使用寿命值的分散度大，不能很好地满足大工业生产对切削刃具使用寿命值，使用寿命值分散度的要求，因此限制了这种含铝高速钢的应用范围及使用价值，尤其是使得用这种含铝高速钢制作的刃具在使用中受到限制。

本发明的目的是要避免上述现有技术的不足之处，提供一种超硬含铝高速钢。这种超硬含铝高速钢的成本与现有含铝高速钢相当，大大低于钴系高速钢，同时这种超硬含铝高速钢克服或改善了现有含铝高速钢存在的混晶、碳化物颗粒粗大、夹杂物偏多以及存在相当数量的游离铁素体等金相组织缺陷。用这种超硬含铝高速钢制作的切削刃具的使用寿命值、使用寿命值分散度等关键指标均大大优于现有含铝高速钢，能很好地满足制作用于切削不锈钢。高温合金及调质合金钢等难切削金属材料刃具的要求。

本发明的设计思想是：在以碳、钨、钼、铬、钒等基本元素组成的高碳高速钢中同时加入铝、稀土元素、钛和硼，通过这些合金元素的微合金化作用使之达到消除或改善现有含铝高速钢存在的混晶、碳化物颗粒粗大、夹杂物偏多、游离铁素体数量较多等金相组织缺陷，进而使钢的红硬性、耐磨性、高温塑性及常温韧性得到提高，表现在用该钢制作的切削刃具的使用上，就是使这种刃具的使用寿命值，使用寿命值分散度有明显的改进。

本发明超硬含铝高速钢的化学成份为：(重量％)碳：0.90-1.35％  钨：5.50-6.50％  钼：4.50-5.50％    铬：3.50-4.50％钒：1.65-2.20％  铝：0.80-2.00％  稀土：0.005-0.20％钛：0.05-0.30％  硼：0.001-0.05％ 余为铁及杂质。

各化学元素的作用及运用原则如下：

碳：碳是高速钢基本元素之一，它和钢中碳化物形成元素相结合形成各种合金碳化物并通过热加工和热处理使其合理分布，对高速钢的各项性能产生最基本的影响。含碳量过低将使钢的耐磨性和切削性能降低，含碳量过高又会降低钢的韧性和锻造性能，并在淬火加热时产生各种不良组织，造成各项性能下降。本发明超硬含铝高速钢规定碳的含量为0.90-1.35％。(重量％)

钨：钨在高速钢中是形成碳化物的主要合金元素之一，在原始退火状态下形成M₆C，淬火时部份溶解，回火时以M₂C状态析出，产生二次硬化作用。部份钨留在回火后的α相中提高钢的回火稳定性。余下的M₆C碳化物达到细化晶粒的作用。本发明超硬含铝高速钢规定钨的含量为5.50-6.50％。(重量％)

钼：钼在高速钢中的作用与钨类似，也是形成合金碳化物的主要合金元素之一。能形成M₆C和M₂₃C₆等碳化物。同时，钼也是铁素体形成元素，能提高钢的A_C1点、降低M_S点、强化基体、提高再结晶温度、降低回火脆的敏感性及增加回火稳定性，并能细化共晶莱氏体。本发明超硬含铝高速钢规定钼的含量为4.50-5.50％。(重量％)

铬：铬也是高速钢中形成碳化物的主要合金元素之一，它在钢中的作用是提高钢的淬透性、回火硬度、抗氧化性及抗腐蚀能力。但铬的加入会降低钢的冷、热塑性。本发明超硬含铝高速钢规定铬的含量为3.50-4.50％。(重量％)

钒：钒在高速钢中是最稳定的形成碳化物元素之一，大部份形成VC或V₄C₃，在高温淬火时少部份溶入奥氏体，在回火时产生硬化作用。保留下来的VC增加钢的耐磨性能。本发明超硬含铝高速钢规定钒的含量为1.65-2.20％。(重量％)

铝：铝是固溶于基体中的元素。其作用是：

1、促进弥散碳化物析出，延缓其长大，起到提高钢的红硬性的作用。

2、增大碳化物开裂的临界尺寸，降低因碳化物颗粒粗大而使刃具提前崩刃的倾向。

3、有效地降低钢材表面磨擦系数，减少因被切削工件与刃具的粘连作用而导致的刃具破坏。

由于铝的加入会导致混晶、碳化物颗粒粗大、夹杂物偏多以及游离铁素体数量增多等金相组织缺陷，因此应当严格控制铝的加入量。本发明超硬含铝高速钢规定铝的含量为：0.80-2.00％。(重量％)

稀土元素：稀土元素加入的作用在于：

1、阻止弥散碳化物的聚集长大，进一步提高钢的红硬性。

2、使由于铝的加入而出现的碳化物粗大颗粒得到细化，进一步降低刃具提前崩刃的倾向。

3、在钢的冶炼过程中起到脱硫及夹杂物改性作用，提高钢的高温塑性及常温韧性，降低由于夹杂物的存在而造成刃具提前崩刃的有害作用。

4、提高钢的抗氧化性。

本发明超硬含铝高速钢规定稀土的含量为0.005-0.20％。(重量％)

钛：钛与钢中的碳、氮形成稳定的碳、氮化合物，它作为一种非自发核心，起到细化因铝的加入而出现的粗晶组织的作用。达到消除混晶，细化晶粒的目的。同时钛的加入使这种超硬含铝高速钢在1200-1240℃较宽的淬火温度范围内均不会发生晶粒粗化，也不会因重新淬火或重新加热而出现粗晶，这样既减少了刃具制造过程中的热处理变形，也避免了因晶粒粗大而引起的刃具崩刃。因此，无论是冶金厂还是刃具制造厂，均无需再通过高温退火来细化晶粒，减少了生产工艺的难度，降低了生产工艺成本。

另一方面，过多的钛将会导致浇注时渣铁不分，形成皮下夹杂，降低钢的铸锭质量，进而影响锻造质量。因此，本发明超硬含铝高速钢规定钛的含量为0.05-0.30％。(重量％)

硼：硼加入钢中的主要作用是：

1、抑制铁素体核在奥氏体晶界及硫化物相界的长大，降低由于钢中加入铝而产生的游离铁素体数量，减少刃具使用时在游离铁素体区发生的崩刃现象。

2．减少游离铁素体区将扩大奥氏体区，改善碳分布的均匀性，减少由于残余奥氏体分解不充分而对钢的工艺性能及使用寿命的不利影响。

本发明超硬含铝高速钢规定硼的含量为0.001-0.05％。(重量％)

本发明超硬含铝高速钢同时加入上述合金元素的综合作用是：在保持现有含铝高速钢优良特性的基础上，通过同时加入适量铝、稀土、钛、硼等合金元素进行微合金化，克服或改善现有含铝高速钢存在的混晶、碳化物颗粒粗大、夹杂物偏多及存在相当数量的游离铁素体等金相组织缺陷，达到进一步提高钢的红硬性、耐磨性、高温塑性和常温韧性的目的。进而提高刃具使用寿命值，减小刃具使用寿命值分散度。

本发明超硬含铝高速钢的制造方法为：原材料为高速钢返回料、工业纯铁、铝块、稀土、钼铁、钛铁、钨铁、钒铁、铬铁及硼铁等。采用电弧炉或感应炉冶炼。钢锭经锻造、轧制获得成品钢材。

本发明超硬含铝高速钢生产工艺与现有含铝高速钢基本相同。但由于本发明超硬含铝高速钢在1200-1240℃之间淬火不出现混晶，因此可取消为细化晶粒而进行的高温退火，只需进行常规相变球化退火即可。因而与现有含铝高速钢相比，降低了生产工艺成本，更适合于工业规模生产。

本发明附图的说明：

图1、图2分别为本发明超硬含铝高速钢和现有含铝高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂Al在1230℃淬火后的晶粒度图片。

图3、图4分别为本发明超硬含铝高速钢和现有含铝高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂Al的碳化物颗粒度图4。

图5为本发明超硬含铝高速钢与现有含铝高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂Al的淬火晶粒度随淬火温度变化规律的对比曲线。

下面结合实施例对本发明超硬含铝高速钢作进一步描述。

实施例钢的化学成份为表1所列，表1同时也给出了现有含铝高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂Al的化学成份。表中，RE表示稀土元素表1

钢种	C	S	P	W	Mo	Cr	V	Al	RE	Ti	B	Fe及杂质
													本发明实施例	1.07	0.005	0.028	6.10	5.20	3.96	1.97	1.14	0.05	0.12	0.004	余量
M2Al高速钢	1.11	0.005	0.030	6.35	5.20	4.15	2.10	0.98	-	-	-	余量

实施例钢的冶炼原材料为：高速钢返回料、工业纯铁、铝块、钨铁、钼铁、硼铁、铁铁、钒铁、铬铁、稀土。用150公斤感应炉冶炼，钢锭经700公斤锻锤锻造成直径为25毫米的圆钢即为成品材。

对实施例钢取样进行碳化物颗粒度检测和热处理性能实验，其检测和实验结果列于表2、表3。表2、表3还同时给出了现有含铝高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂Al的碳化物颗粒度和热处理性能试验结果。表2

钢种	0.005mm≤碳化物尺寸≤0.01mm	0.01mm≤碳化物尺寸≤0.015mm
本发明实施例	11	1
M2Al高速钢	8	7
试样条件为：直径D=25毫米；锻造比Y伸=23

表3

钢种	淬火温度(℃)	淬火硬度HRC	回火硬度540℃HRC	二次硬化效果HRC	600℃×4h红硬性HRC	晶粒度(级)
本发明实施例	1230	64.6	67.6	3	62.7	11-10
M2A1高速钢	1230	64.5	67.1	2.6	61.6	11-4

用实施例钢制作的切削刃具进行切削性能试验，其试验结果列于表4。表4还同时给出了用现有含铝高速钢W₆M_o5Cr₄V₂Al制作的切削刃具在同等试验条件下的切削性能试验结果。该结果说明用本发明超硬含铝高速钢制作的铣刀切削试样至11米时刃部的最大磨损值仅相当于用W₆Mo₅Cr₄V₂Al高速钢制作的铣刀切削试样至8米时的刃部最大磨损值，前者的使用寿命比后者高20％以上。表4

与现有技术相比，本发明超硬含铝高速钢有如下优点：

1、由于同时加入铝、稀土、钛、硼等合金元素的微合金化作用，本发明超硬含铝高速钢已使现有含铝高速钢中普遍存在的混晶问题得以园满解决。碳化物颗粒粗大问题得到改善，游离铁素体及夹杂物的有害作用得到降低，铝和稀土对钢的红硬性的双重作用得以充分发挥，钢的红硬性、耐磨性、高温塑性、常温韧性等重要性能得到明显提高。尤其是刃具的使用寿命值，使用寿命值分散度等重要指标得到明显改善。

2、由于本发明超硬含铝高速钢很好地解决了现有含铝高速钢存在的多种金相组织缺陷，使其在1200-1240℃之间淬火不会出现混晶，因而从生产工艺上取消了现有含铝高速钢为细化晶粒而必须进行的高温退火，只需进行常规相变球化退火即可。使冶金工厂和刃具制造厂的生产成本均比制造和使用现有含铝高速钢更低。

3、虽然本发明超硬含铝高速钢较现有含铝高速钢含有更多的合金元素，但所增加的合金元素总重量不足0.4％，原材料成本增加极少。由于取消了高温退火，使生产工艺成本降低，同时使用寿命值、使用寿命值分散度等与现有含铝高速钢相比又有突破性改进，使得本发明超硬含铝高速钢的价格质量比更加优异。

4、用本发明超硬含铝高速钢制作用于切削不锈钢、高温合金等难切削金属材料的切削刃具，使用寿命值比现有含铝高速钢提高20％。

Claims (1)

1、一种高碳高速钢，其特征在于该钢的化学成份为：(重量％)碳：0.90-1.35％  钨：5.50-6.50％    钼：4.50-5.50％    铬：3.50-4.50％钒：1.65-2.20％  铝：0.80-2.00％    稀土：0.005-0.20％钛：0.05-0.30％  硼：0.001-0.05％   余为铁及杂质。

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