CN107460411A

CN107460411A - 高硅锰高速钢材料及其制备方法

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Publication number: CN107460411A
Application number: CN201710807181.2A
Authority: CN
Inventors: 朱昌宏; 蒋荣坤
Original assignee: JIANGSU FINE SPECIAL MATERIAL Co Ltd
Current assignee: JIANGSU FINE SPECIAL MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2017-12-12

Abstract

本发明提供了一种高硅锰高速钢材料，该高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C 0.80%～0.90%、Si 1.30%～2.20%、Mn 0.70%～1.20%、Cr 3.80%～4.4%、Mo 4.50%～5.50%、W 5.50%～6.25%、V 1.75%～2.20%、Nb 0.08%～0.20%、S<0.03%、P<0.03%，其余为Fe。本发明还提供一种制备该高硅锰高速钢材料的方法，其步骤包括熔化、精炼、真空脱气和钢液浇注及后处理。该高硅锰高速钢材料硬度高、耐磨性能好且具有良好的热塑性。

Description

高硅锰高速钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体的说，涉及了一种高硅锰高速钢材料及其制备方法。

背景技术

高速钢是高碳高合金莱氏体钢，钢中含有大量的合金碳化物。高速钢在经过适当的热处理之后，具有很高的硬度，较好的耐磨性、韧性和红硬性。高速钢的主要用途是制造机床切削工具以及高档的模具、高温轴承和要求硬度高、耐磨性好的机械零件等，应用比较广泛。

高速钢的主要合金元素有钨、钼、铬和钒等，都是碳化物形成元素，他们在地球上的储量有限，其中特别是钨和钼储量更少，贵重而且稀缺，属国家战略物资，必须节约使用。然而在高速钢中的钨、钼含量很高。例如目前用量最多的高速钢钢种是W6Mo5Cr4V2(M2)，钨和钼的含量分别为6％和5％，每年消耗掉大量的钨钼资源。另外，M2钢还存在着其它缺点，例如淬火温度范围窄(1200℃～1220℃)，制成刀具的使用寿命较低等。

发明内容

由鉴于此，本发明确有必要提供一种高硅锰高速钢材料及其制备方法。

本发明所采用的技术方案是：一种高硅锰高速钢材料，在通用高速钢基础上提高了硅锰的含量。该高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C0.80％～0.90％、Si 1.30％～2.20％、Mn 0.70％～1.20％、Cr 3.80％～4.4％、Mo 4.50％～5.50％、W 5.50％～6.25％、V 1.75％～2.20％、Nb 0.08％～0.20％、S<0.03％、P<0.03％，其余为Fe。上述各组分的重量百分比之和等于100％。

基于上述，所述高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C0.83％～0.88％、Si 1.45％～2.10％、Mn 0.80％～1.10％、Cr 3.90％～4.35％、Mo4.65％～5.45％、W 5.60％～6.20％、V 1.80％～2.15％、Nb 0.10％～0.18％、S<0.010％、P<0.028％，其余为Fe。上述各组分的重量百分比之和等于100％。

基于上述，所述高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C0.90％、Si 1.92％、Mn 0.91％、Cr 4.30％、Mo 4.85％、W 6.01％、V 2.15％、Nb 0.18％、S<0.005％、P<0.0027％，其余为Fe。上述各组分的重量百分比之和等于100％。

本发明还提供一种制备上述高硅锰高速钢材料的方法，其步骤包括：

熔化：首先分别称取主物料和辅料，然后利用感应电炉熔化所述主物料，得到熔化钢液；其中，所述主物料包括锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁和废钢，所述辅料包括碳粉、铝丝、硅铁粉、硅钙丝、稀土丝和经烘烤后的石灰石；

精炼：首先在所述熔化钢液的温度大于等于1620℃时，将所述熔化钢液从所述感应电炉中转移至LF钢包炉中，然后向所述熔化钢液中吹入氩气，最后向所述熔化钢液中加入所述辅料进行脱氧处理和脱硫处理，得到精炼钢液；

真空脱气：在所述精炼钢液的温度为1620℃～1650℃时，将所述精炼钢液从所述LF钢包炉中转移至VD炉中，然后向所述精炼钢液中吹入氩气，并在控制所述VD炉型腔内的真空度为40Pa时对所述精炼钢液进行真空脱气处理，得到脱气钢液；

钢液浇注及后处理：首先在所述脱气钢液的温度为1500℃～1510℃的条件下，对所述脱气钢液进行浇注处理得到钢锭，然后分别对所述钢锭进行锻造、热轧和热处理，得到高硅锰高速钢材料。

基于上述，所述精炼的步骤包括：首先在所述熔化钢液的温度大于等于1620℃时，将所述熔化钢液从所述感应电炉中转移至所述LF钢包炉中，然后以0.2Mpa～0.4Mpa的气体压力和以30L/min～40L/min的气体流速，通过向所述熔化钢液中吹入氩气以控制所述熔化钢液表面的渣量厚度为150mm～200mm，最后向所述熔化钢液中加入所述辅料进行脱氧处理和脱硫处理，得到所述精炼钢液。

基于上述，所述真空脱气的步骤包括：在所述精炼钢液的温度为1620℃～1650℃时，将所述精炼钢液从所述LF钢包炉中转移至所述VD炉中，然后以0.2Mpa～0.4Mpa的气体压力向所述精炼钢液中吹入氩气；其中，在向所述精炼钢液中吹入氩气的同时，对所述VD炉进行抽真空处理，使所述精炼钢液在真空度为40Pa的条件下真空脱气处理10min～15min，得到真空脱气处理后的所述精炼钢液；最后在常压下向真空脱气处理后的所述精炼钢液中软吹氩气10min～15min，得到所述脱气钢液；其中，控制所述脱气钢液的温度为1530℃～1540℃。

基于上述，在所述钢液浇注及后处理的步骤中，分别对所述钢锭进行锻造、热轧和热处理的分步骤包括：

首先所述钢锭加热至1130℃～1150℃并进行保温3小时，然后在开锻温度为1060℃、终锻温度为880℃的条件下，对所述钢锭进行锻造处理，得到锻造钢坯；

在热轧加热温度为1120℃～1150℃、开轧温度为1050℃～1100℃、终轧温度为880℃的条件下，采用棒线材连轧生产线对所述锻造钢坯进行热轧处理得到热轧钢材；

最后对所述热轧钢材进行退火处理，得到所述高硅锰高速钢材料，其中退火温度为880℃、保温时间为9h、退火出炉温度为500℃。

基于上述，制备高硅锰高速钢材料的方法还包括：在对所述热轧钢材进行退火处理之后再对其进行冷拉处理，得到所述高硅锰高速钢材料。

本发明所提供的高硅锰高速钢材料成分中各主要元素的作用如下：

硅(Si)、锰(Mn)：本发明所述的高硅锰高速钢材料，在通用高速钢基础上较大幅度提高了硅锰的含量。该钢中含有重量百分数为1.30％～2.20％的硅，硅能促进铸态高速钢中的M2C碳化物分解成M6C和MC两种碳化物，因此细化了钢中的碳化物颗粒，对提高钢的淬、回火硬度有利；同时，硅能够固溶于钢的基体之中，起到了固溶强化作用。本发明所述的高硅锰高速钢材料中还含有重量百分数为0.70％～1.20％的锰，锰能固溶于钢的基体之中，起到了固溶强化作用，能够提高钢的强度，还能提高钢的耐磨性；同时，硅锰还提高钢的淬透性。因为硅是扩大钢的铁素体区的元素，而锰是扩大钢的奥氏体区的元素，本发明选用了上述特定质量百分比的硅和锰复合加入，使硅锰相互配合，从而对钢的相变点不产生影响，所以不会影响钢的热加工和热处理的温度，起到了强化高速钢基体的作用。本发明提供的高硅锰高速钢材料经过适当的淬、回火热处理之后抗弯强度比现在应用最多的通用高速钢种W6Mo5Cr4V2提高了500Mpa～700Mpa，提高了高速钢的耐磨性和使用性能。

碳(C)：碳在高速钢中是碳化物的形成元素，其对高速钢的工艺性能和使用性能有十分重要的影响。含碳量过高或过低都将对高速钢的性能产生不利影响。若含碳量过低，则不能保证形成足够数量的合金碳化物，同时由于含碳量过少，在高温奥氏体和马氏体中的含量亦将减少，以致降低高速钢的硬度、耐磨性和高温强度。与之相反，若碳含量过高，则碳化物数量增多，同时基体组织中的碳化物分布不均匀性将会增加，以致使高速钢的塑形降低、脆性增加，在使用过程中表面极易发生脆性剥落。

铬(Cr)：铬是高速钢中碳化物的形成元素之一，铬在高速钢中形成Cr23C6型的碳化物，并有部分地溶于其它碳化物。淬火加热时，Cr23C6全部溶于奥氏体。铬还能够促进钨和钼的碳化物的溶解。回火时，铬也阻碍碳化物析出、聚集和长大，能提高高速钢的回火稳定性。

钼(Mo)、钨(W)：钼和钨是高速钢的主加合金元素，主要作用是形成一定数量的难以溶解的一次碳化物，使高速钢可进行接近熔点的高温淬火，并提高高速钢的耐磨性。

钒(V)：钒是高速钢的主加合金元素，这是由于钒可以增加高速钢中高硬度MC型碳化物的数量，有利于提高高速钢的耐磨性。但是增加钒含量的同时，必须相应提高碳含量，才能保证钒碳化合物的形成。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明所提供的高硅锰高速钢材料，通过同时提高高速钢中的硅和锰的含量，利用硅扩大钢的铁素体区、锰扩大钢的奥氏体区且还能固溶于钢的基体之中，从而实现了两者相互配合在不影响钢的相变点、热加工和热处理温度的条件下，强化了高速钢基体强度；并提高了高速钢的热塑性，使得钢锭在锻造开坯时成材率高，可用于制造直柄钻头、锥柄钻头、磨制钻头、丝锥以及复杂刀具、切削刀具和模具。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的高硅锰高速钢材料放大500倍的退火组织图。

图2为本发明实施例1提供的高硅锰高速钢材料放大500倍的淬火组织晶粒度图。

图3为本发明实施例1提供的高硅锰高速钢材料放大500倍的回火组织图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种高硅锰高速钢材料，该高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：Si 1.92％、Mn 0.91％、C 0.87％、Cr 4.00％、Mo 4.75％、W5.88％、V 1.90％、Nb 0.15％、S<0.005％、P<0.0027％，其余为Fe；上述各组分的重量百分比之和等于100％。

本实施例还提供一种制备上述高硅锰高速钢材料的方法，具体包括以下步骤：

熔化：首先分别称取主物料和辅料，然后利用感应电炉对所述主物料进行熔化处理得到熔化钢液；其中，所述主物料包括锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁和废钢；所述辅料包括硅铁粉、碳粉、铝丝、硅钙丝、稀土丝和经烘烤后的石灰石。

需要说明的是，在熔化步骤中，需要先用小功率烘烤所述主物料20分钟，以除去所述主物料中含有的水份和油污，然后再用大功率送电熔化所述主物料。同时，在熔化所述主物料过程中，要勤捞渣、勤加料、勤捣料，以防炉料产生“架桥”现象，防止因局部温度过高造成的炉衬损坏或局部窜钢现象。当所述主物料熔化到70％时，捞除熔化过程中的酸性渣后开始造渣，渣量为钢液容量的2％；渣料由质量比为3：1的CaCO₃和CaF₂组成。最后全方面搅拌钢液，判断所述主物料是否完全熔化，若完全熔化，则扒渣，取炉前样进行化学分析，随即加返回料至炉子容量90％位置，并继续加所述渣料和按每吨钢液加20公斤的标准，向钢液中加入萤石和烘烤后的石灰石进行调渣。当成分及温度达到所述高硅锰高速钢材料成分规定时，得到熔化钢液。

精炼：首先在所述熔化钢液的温度为1620℃时，将所述熔化钢液从所述感应电炉中转移至LF钢包炉中；其中，所述LF钢包炉中每炉应加入250公斤的钢液净化剂，便于精炼时快速成渣；然后以0.2Mpa的气体压力和以30L/min的气体流速，通过向所述熔化钢液中吹入氩气以控制所述熔化钢液表面的渣量厚度为150mm，并分批向所述熔化钢液中加入所述硅铁粉、所述碳粉和所述烘烤后的石灰石进行预脱氧处理和脱硫处理；最后在经过预脱氧处理和脱硫处理后的熔化钢液的温度为1630℃时，向其中再加入所述铝丝、所述硅钙丝和所述稀土丝进行最终脱氧处理，得到精炼钢液。

真空脱气：首先在所述精炼钢液的温度为1650℃时，将所述精炼钢液从所述LF钢包炉转移至VD炉中，然后以0.4Mpa的气体压力向所述精炼钢液中吹入氩气；其中，在向转移到所述VD炉中的所述精炼钢液中吹入氩气的同时，对所述VD炉进行抽真空处理，使所述精炼钢液在真空度为40Pa条件下真空脱气处理15min，得到真空脱气处理后的所述精炼钢液；最后在常压下向真空脱气处理后的所述精炼钢液中软吹氩气15min，得到所述脱气钢液。其中，控制真空脱气处理后得到的所述脱气钢液温度为1540℃。在将所述精炼钢液转从所述LF钢包炉转移至所述VD炉中时，先要控制所述LF钢包炉内的渣层厚小于40mm，且所述LF钢包炉的自由空间为500mm。

钢液浇注及后处理：首先在所述脱气钢液的温度为1510℃条件下，将所述脱气钢液进行浇注处理，得到钢锭；然后将钢锭加热至1150℃并保温3小时，保温结束后在开锻温度为1060℃、终锻温度为880℃的条件下，采用500T精锻机将所述钢锭锻成直径为的圆坯，得到锻造钢坯；

然后在热轧加热温度为1100℃、开轧温度为1050℃、终轧温度为880℃的条件下，采用棒线材连轧生产线对所述锻造钢坯进行热轧处理得到热轧钢坯；最后对所述热轧钢坯进行退火处理得到高硅锰高速钢材料，其中退火温度为880℃、保温时间为9h，退火出炉温度为500℃。

性能测试：

首先对本实施例1制得的高硅锰高速钢材料进行退火硬度性能测试，结果显示其退火硬度为210HB。同时，按照表1中的热处理条件对本实施例1制得的高硅锰高速钢材料进行热处理，具体检测结果如表1所示。

表1为对实施例1提供的高硅锰高速钢材料进行热处理的条件及性能

从表1可以看出，由本实施例1所制得的高速钢具有较高的回火硬度、较高的红硬性和较好的抗弯强度。同时，对本实施例制取的高硅锰高速钢材料的退火组织、淬火组织和回火组织进行晶相组织分析，其中，退火组织如图1所示，从图1中可以看出其退火组织为碳化物加球状珠光体；淬火组织如图2所示、回火组织如图3所示，从图2和图3中可以看出其淬火和回火后组织的晶粒度较小。

同时，为了验证本实施例所制取的高硅锰高速钢材料的耐磨性能，将本实施例1制得的高硅锰高速钢材料制作成M8丝锥，并与现有的由M2高速钢材质的M8丝锥进行切削试验对比，试验结果如表2所示。

表2为不同材质制取的M8丝锥性能试验对比表

丝锥规格(mm)	钢种	转速(r/min)	切削深度(mm)	切削长度(m)
					M8	实施例1	279	16	3.29
M8	M2高速钢	279	16	2.67

从表2中可以看出，试验的两种材质的丝锥都能达到一等品的要求，采用本实施例1提供的高硅锰高速钢材料材质的丝锥平均切削长度为3.29米，而M2高速钢材质的M8丝锥仅为2.69米。由此可见，本实施例所提供的高硅锰高速钢材料具有较高的耐磨性。

实施例2

本实施例提供一种高硅锰高速钢材料，该高速钢的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：Si 1.68％、Mn 1.05％、C 0.88％、Cr 4.12％、Mo 4.88％、W 5.95％、V2.00％、Nb 0.12％、S<0.006％、P<0.028％，其余为Fe；上述各组分的重量百分比之和等于100％。

本实施例还提供一种制备上述高硅锰高速钢材料的方法，具体步骤与实施例1所述的步骤大致相同，不同之处在于：

本实施例中钢液浇注及后处理步骤具体包括：首先在所述脱气钢液温度为1510℃时进行浇注得到钢锭；然后将所述钢锭加热至1150℃并保温3小时，保温结束后在1060℃温度采用500T精锻机将会所述钢锭锻成直径为的圆坯，终锻温度为880℃，得到锻造钢坯；

然后采用棒线材连轧生产线对所述锻造钢坯进行热轧处理，得到热轧圆钢，其中，热轧加热温度为1100℃、开轧温度为1050℃、终轧温度为880℃；最后对所述热轧圆钢依次进行一次退火、拉丝、二次退火、精拉、三次退火、校直和磨头处理，从而制得一种十字头模具。其中一次退火、二次退火和三次退火的温度均为860℃、保温时间为9h，退火出炉温度为500℃。

性能测试：

对本实施例制取的十字头模具进行三次退火硬度测试，其退火硬度为224HB。然后分别检测按照表3中的热处理条件热处理后的十字头模具的性能，具体检测结果如表3所示。

表3为实施例2提供的高硅锰高速钢材料的热处理条件及其性能

从表3可以看出，由本实施例2提供的高硅锰高速钢材料所制得的十字头模具具有较高的回火硬度、较高的红硬性和较好的抗弯强度。同时，本实施例制取的十字头模具与现有的由M2高速钢材质的十字头模具进行使用试验对比；结果表明，本实施例提供的高速钢材制成的十字头模具的使用寿命9020件，而由M2高速钢制成的十字头模具的使用寿命仅为8200件。由此表明，本实施例提供的高硅锰高速钢材料具有较好的耐磨性能和较长的使用寿命。

实施例3

本实施例提供一种高硅锰高速钢材料，该高速钢的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：Si 2.10％、Mn 0.95％、C 0.87％、Cr 4.12％、Mo 4.83％、W 6.05％、V2.08％、Nb 0.10％、S<0.006％、P<0.028％，其余为Fe；上述各组分的重量百分比之和等于100％。

本实施例还提供一种制备上述高硅锰高速钢材料的方法，具体步骤与实施例1所述的步骤相同。

性能测试：

首先对本实施例3制得的高硅锰高速钢材料进行退火硬度性能测试，结果显示其退火硬度为229HB。同时，按照表4中的热处理条件对本实施例3制得的高硅锰高速钢材料进行热处理，具体检测结果如表4所示。

表4为实施例3提供的高硅锰高速钢材料的热处理条件及其性能

从表4可以看出，由本实施例3所制得的高速钢具有较高的回火硬度、较高的红硬性和较好的抗弯强度。同时，为了验证本实施例所制取的高硅锰高速钢材料的耐磨性能，将本实施例3制得的高硅锰高速钢材料制成直径为18mm的钻头，并与现有的由M2高速钢制备的钻头进行使用试验对比，结果如表5所示。

表5为不同材质制取的钻头的切削性能试验对比表

由表5可以看出，由本实施例提供的高速钢制成的钻头切削长度大于M2高速钢制备的钻头切削长度，由此表明，本实施例提供的高硅锰高速钢材料具有较好的耐磨性能和较长的使用寿命。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种高硅锰高速钢材料，其特征在于，该高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C 0.80%～0.90%、Si 1.30%～2.20%、Mn 0.70%～1.20%、Cr 3.80%～4.4%、Mo 4.50%～5.50%、W 5.50%～6.25%、V 1.75%～2.20%、Nb 0.08%～0.20%、S< 0.03%、P< 0.03%，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的高硅锰高速钢材料，其特征在于，所述高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C 0.83%～0.88%、Si 1.45%～2.10%、Mn 0.80%～1.10%、Cr 3.90%～4.35%、Mo 4.65%～5.45%、W 5.60%～6.20%、V 1.80%～2.15%、Nb 0.10%～0.18%、S< 0.010%、P< 0.028%，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的高硅锰高速钢材料，其特征在于，所述高硅锰高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：C 0.90%、Si 1.92%、Mn 0.91%、Cr 4.30%、Mo4.85%、W 6.01%、V 2.15%、Nb 0.18%、S< 0.005%、P< 0.0027%，其余为Fe。

4.一种制备权利要求1～3任一项所述的高硅锰高速钢材料的方法，其步骤包括：

真空脱气：在所述精炼钢液的温度为1620℃～1650℃时，将所述精炼钢液从所述LF钢包炉中转移至VD炉中，然后向所述精炼钢液中吹入氩气，并在控制所述VD炉型腔内的真空度为40 Pa时对所述精炼钢液进行真空脱气处理，得到脱气钢液；

5.根据权利要求4所述的制备高硅锰高速钢材料的方法，其特征在于，所述精炼的步骤包括：

首先在所述熔化钢液的温度大于等于1620℃时，将所述熔化钢液从所述感应电炉中转移至所述LF钢包炉中，然后以0.2 Mpa～0.4 Mpa的气体压力和以30 L/min～40 L/min的气体流速，通过向所述熔化钢液中吹入氩气以控制所述熔化钢液表面的渣量厚度为150 mm～200 mm，最后向所述熔化钢液中加入所述辅料进行脱氧处理和脱硫处理，得到所述精炼钢液。

6.根据权利要求5所述的制备高硅锰高速钢材料的方法，其特征在于，所述真空脱气的步骤包括：

首先在所述精炼钢液的温度为1620℃～1650℃时，将所述精炼钢液从所述LF钢包炉中转移至所述VD炉中，然后以0.2 Mpa～0.4 Mpa的气体压力向所述精炼钢液中吹入氩气；其中，在向所述精炼钢液中吹入氩气的同时，对所述VD炉进行抽真空处理，使所述精炼钢液在真空度为40 Pa的条件下真空脱气处理10 min～15 min，得到真空脱气处理后的所述精炼钢液；最后在常压下向真空脱气处理后的所述精炼钢液中软吹氩气10 min～15 min，得到所述脱气钢液；其中，控制所述脱气钢液的温度为1530℃～1540℃。

7.根据权利要求6所述的制备高硅锰高速钢材料的方法，其特征在于，在所述钢液浇注及后处理的步骤中，分别对所述钢锭进行锻造、热轧和热处理的分步骤包括：

首先将所述钢锭加热至1130℃～1150℃并进行保温3小时，然后在开锻温度为1060℃、终锻温度为880℃的条件下，对所述钢锭进行锻造处理，得到锻造钢坯；

8.根据权利要求7所述的制备高硅锰高速钢材料的方法，其特征在于，它还包括：在对所述热轧钢材进行退火处理之后再对其进行冷拉处理，得到所述高硅锰高速钢材料。