CN108015255A - 一种高速工具钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢的热加工领域，涉及一种高速工具钢的制备方法。一种高速工具钢的制备方法，所述方法包括下述工艺步骤：1)将待处理的莱氏体高速工具钢钢坯材料加热到液相线T_L以上，使其完全熔化；2)将材料冷却至T_L～T_S之间的固液两相区，保温，获得固相率70％以上的半固态组织；3)将材料在固液两相区实施锻造比1.5以上的变形；4)将材料冷却到固相线T_S以下温度，继续实施锻造比1.5以上的变形，既得。本发明通过在固液两相区实施变形，可以有效破碎高速工具钢凝固过程初生的树枝晶，减轻枝晶偏析，抑制液析碳化物的析出，达到获得均质化的组织、提高综合力学性能、延长使用寿命的目的。

Description

一种高速工具钢的制备方法

技术领域

本发明涉及钢的热加工领域，涉及一种高速工具钢的制备方法，具体为一种消除或减少高速工具钢粗大液析碳化物、细化晶粒的半固态热加工工艺，用于解决由于高速工具钢中大块液析碳化物、粗晶或混晶导致材料力学性能劣化的问题。

背景技术

钢铁材料以其良好的成形性和出色的力学性能影响着人类生产和生活的方方面面，是人类历史上最成功最普及的金属材料。人类对钢铁材料的冶炼及加工技术方面的探索也从未停止过。近年来，随着我国交通运输业和武器装备向现代化、高速化方向发展，高性能钢铁材料是国防重大装备的骨干材料，更是制造先进刀具、模具的关键。目前更多钢铁产品的制造依赖于传统铸造和锻造。在全球倡导节能减排和绿色制造的今天，传统工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重考量标准下，都显示出一定的局限性，为了充分利用钢铁优秀的力学性能带来的优势，使用半固态成形有望在确保较高的材料质量及性能利用率的同时以较小的载荷实现特殊钢产品的高品质制备。

高速工具钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，广泛应用于刀具、轴承、挤压模具等。高速工具钢成分上属于高碳高合金钢，主要的合金元素有钨、钼、铬、钒等，属于莱氏体类型的钢种，凝固组织中含有大量的合金碳化物。这些碳化物作为组织的强化相存在，使工具钢具有相对高的红硬性、耐磨性以及强度硬度等，是工具钢中必不可少的重要组成部分。

然而，由于高速钢种复杂的化学元素以及较高的元素含量，凝固过程中极易出现偏析，在铸态组织中产生粗大的网状莱氏体液析共晶碳化物(一次碳化物)，这种碳化物分布不均，尺寸粗大，直径在几个微米到十几个微米不等，主要由M2C、M6C和MC等类型碳化物组成，这些碳化物与金属基体之间的韧塑性存在极大的差别，对于进一步的热加工将造成严重不利影响，导致产品出现裂纹；同时，这些粗大的碳化物还会降低工具钢的塑性、韧性，导致产品掉齿、断刃，降低工件服役寿命。因此，如何消除粗大的液析碳化物成为了高速钢研究中的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除或减少高速工具钢粗大液析碳化物、细化晶粒的半固态热加工工艺，解决由于高速工具钢中大块液析碳化物、粗晶或混晶导致材料的加工裂纹和力学性能劣化的问题。

本发明的技术方案为：

一种高速工具钢的制备方法，所述方法包括下述工艺步骤：

1)将待处理的莱氏体高速工具钢钢坯材料加热到液相线T_L以上，使其完全熔化；

2)将材料冷却至T_L～T_S之间的固液两相区，保温，获得固相率70％以上的半固态组织；

3)将材料在固液两相区实施锻造比1.5以上的变形；

4)将材料冷却到固相线T_S以下温度，继续实施锻造比1.5以上的变形，既得。

本发明所述高速工具钢的制备方法为一种减少高速工具钢液析碳化物的半固态加工方法。首先，将材料加热到液相线以上，使其完全熔化，使固态的碳化物和偏析完全溶解。然后，将材料冷却到T_L和T_S之间的固液两相区，保温10min以上，以获得固相率70％以上的半固态组织；然后，将材料在固液两相区实施锻造比1.5以上的变形，通过大变形破碎初生的树枝晶，形成细小的等轴晶，并消除枝晶偏析；最后，将材料冷却到T_S固相线以下温度，继续实施锻造比1.5以上的变形，通过再结晶进一步细化晶粒，均匀碳化物。

本发明所述制备方法中，所述莱氏体高速工具钢钢坯材料可根据现有技术公开的制备莱氏体高速工具钢钢坯铸锭的方法制得，也可商业购得。

本发明中所涉及技术术语具备如下具体含义：T_L代表材料液相线温度；T_S代表材料固相线温度，锻造比指钢坯变形前和变形后的截面积之比。

本发明所述高速工具钢的制备方法优选包括步骤5)：将步骤4)锻造后所得材料以50℃/h的速度冷却至室温。

优选地，本发明所述高速工具钢的制备方法中，所述步骤3)和步骤4)中，所述锻造比为1.5～3.0。

本发明所述高速工具钢的制备方法中，优选所述步骤1)：将待处理的莱氏体高速工具钢铸锭材料加热到T_L+20℃～50℃，使其完全熔化，其中，加热速度不高于100℃/h，达到目标温度后，保温时间不低于0.002t小时，t为钢坯的最大截面厚度，以mm计。

更进一步地，优选所述步骤1)：将待处理的莱氏体高速工具钢铸锭材料加热到T_L+20℃～50℃，使其完全熔化，其中，加热速度50℃/h～80℃/h，达到目标温度后，保温时间为0.002t～0.004t小时，t为钢坯的最大截面厚度，以mm计。

更进一步地，优选将待处理的莱氏体高速工具钢铸锭材料加热到T_L+20℃。

本发明所述高速工具钢的制备方法中，优选所述步骤2)：将材料冷却至T_S+20℃～30℃，达到目标温度后，保温时间不低于10min，获得固相率70％以上的半固态组织，其中，冷却速度不高于100℃/h。

更进一步地，优选所述步骤2)：将材料冷却至T_S+20℃～30℃，达到目标温度后，保温时间为30～50min，获得固相率70％以上的半固态组织，其中，冷却速度50℃/h～80℃/h。

更进一步地，优选将材料冷却至T_S+20℃。

本发明所述高速工具钢的制备方法中，优选所述步骤4)中：将材料冷却到T_S-50℃～80℃，继续实施锻造比1.5以上的变形，既得，冷却速度不高于100℃/h，达到目标温度后，保温时间不低于10min。

更进一步地，优选所述步骤4)中：将材料冷却到T_S-50℃～80℃，继续实施锻造比1.5以上的变形，既得，冷却速度50℃/h～80℃/h，达到目标温度后，保温时间为30～50min。

更进一步地，优选将材料冷却到T_S-65℃。

本发明的物理冶金学分析：

从本质上讲，偏析、疏松、粗晶的共同根源在于金属主要以树枝晶形态凝固。凝固过程中，固、液相内的溶质再分配造成在枝晶干和枝晶间溶质含量不一致而形成偏析，凝固末期树枝晶搭接导致补缩不足而形成疏松，凝固速度缓慢而形成粗大树枝晶。由于溶质的再分配，在枝晶间会形成富集溶质的残余熔体，在高速工具钢中，这些残余熔体凝固后将析出大量的液析碳化物。

本发明提出在高速工具钢凝固过程两相区实施大变形，在这一加工过程中的组织为：首先，固液两相区的树枝晶在大变形作用下发生破碎和球化。然后，压力变形迫使枝晶间的残余熔体加速流动，使液相成分混合趋于均匀，并能使已形成的枝晶间孔洞实现充分补缩。在这一变形过程中也使凝固组织变为球状晶和晶间残余熔体，形成典型的半固态组织。在随后固相高温变形作用下，发生充分的扩散与再结晶，最终形成了成分均匀的细晶组织。对于高速工具钢，这种均质细晶组织几乎是无法采用传统的铸锭+锻造方式获得的。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1)节能降耗。传统的工具钢为破碎液析碳化物、获得细晶组织，需要进行多个火次的高温锻造，能源消耗大。本发明通过在固液两相区对高速工具钢实施大变形，破碎初生的树枝晶组织，获得细小的晶粒，相比传统工艺可节约能源消耗30％以上。

2)提质增效。传统的高速工具钢常因内部存在粗大的液析碳化物而导致加工过程出现裂纹报废，或者影响工具的最终使用寿命。本发明可消除或减轻液析碳化物，细化晶粒，获得细小弥散的二次碳化物组织，进而获得均匀的力学性能，提升工具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明M2工具钢铸态组织金相图，其中图1(a)为50倍照片，图1(b)为1000倍照片；

图2为本发明实施例和比较例的M2工具钢锻态组织金相图，其中图2(a)为比较例金相照片，图2(b)为实施例金相照片。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

如图1所示，本发明所述高速工具钢的制备方法，具体为一种减少高速工具钢液析碳化物的半固态加工方法，其热加工工艺为：首先，将材料加热到液相线以上，使其完全熔化，使固态的碳化物和偏析完全溶解。然后，将材料冷却到T_L和T_S之间的固液两相区，保温10min，以获得均匀的半固态组织；然后，将材料在固液两相区实施锻造比1.5以上的变形，通过大变形破碎初生的树枝晶，形成细小的等轴晶，并消除枝晶偏析；最后，将材料冷却到T_S固相线以下温度，继续实施锻造比1.5以上的变形，通过再结晶进一步细化晶粒，均匀碳化物，获得细小弥散的二次碳化物。

具体步骤如下：

1)完全熔化：将材料加热到液相线T_L以上，使其完全熔化，并保温10min以上，使其成分充分均匀；

2)两相区保温：将材料冷却到T_L和T_S之间的固液两相区，此时树枝晶产生，保温10min，以获得70％以上的固相率的半固态组织；

3)两相区大变形：将材料在固液两相区实施锻造比1.5以上的变形，通过大变形破碎初生的树枝晶，消除枝晶间的偏析，进而阻断了大量液析碳化物的形成条件；

4)固相区大变形：将材料冷却到T_S固相线以下温度，继续实施锻造比1.5以上的变形，通过大变形使材料发生再结晶，获得细小等轴的晶粒，以及细小弥散的二次碳化物分布。

步骤1)中，加热速度不高于100℃/h(优选为50℃/h～80℃/h)，到温后，保温时间不低于0.002t小时(优选为0.002t～0.004t)，t为钢坯的最大截面厚度，以mm计。

步骤2)中，冷却速度不高于100℃/h(优选为50℃/h～80℃/h)，保温的温度在T_L和T_S之间(优选为T_S+20～30℃)，到温后，保温时间不低于10min(优选为30～50min)。

步骤3)中，锻造比不低于1.5(优选为1.5～3.0)。

步骤4)中，冷却速度不高于100℃/h(优选为50℃/h～80℃/h)，保温的温度T_S以下(优选为T_S-50～80℃)，到温后，保温时间不低于10min(优选为30～50min)。锻造比不低于1.5(优选为1.5～3.0)。

实施例1

实验材料M2工具钢钢坯重量为1吨，规格为φ500×700mm。经化学分析，其具体成分如表1所示。

表1*实施例1中高速工具钢M2的化学成分(重量百分数，％)

元素

C

Si

Mn

S

P

Ni

Cr

Mo

Cu

V

W

Fe

实测成分

0.85

0.035

0.25

≤0.03

≤0.04

≤0.03

4.10

5.0

0.1

1.90

6.40

余

*此成分的液相线T_L为1445℃，固相线T_S为1245℃。

对M2钢坯进行半固态加工处理，具体步骤如下：

1)将φ500×700mm的钢坯放置在坩埚中，以60℃/h的加热速度升温到1465℃，保温1.5小时，然后出炉浇注到铁模中。

2)以冷却速度50℃/h的速度，使钢坯温度冷却到1265℃，当钢坯温度冷却到1265℃时从铁模中取出，放入1265℃的保温炉中，保温30min。

3)将步骤2)所得钢坯由φ500×700mm锻造至φ400×1000mm，锻造比为1.56。

4)以冷却速度50℃/h的速度，使钢坯温度冷却到1180℃，当钢坯冷却至1180℃时，在加热炉中于1180℃保温30min，然后将钢坯由400×1000mm锻造至φ300×1800mm，锻造比为1.78。

5)将钢坯以50℃/h的速度冷却至室温。

比较例1

比较例1中选用钢坯的成分、规格和重量均与实施例1中一致。比较例1采用常规的加热温度和锻造工艺，热加工的具体步骤如下：

1)将钢坯以60℃/h的加热速度升温到1150℃，保温8小时。

2)将钢坯由φ500×700mm锻造至φ400×1000mm，锻造比为1.56。

3)将钢坯放入1150℃的加热炉中保温5小时。

4)将钢坯由400×1000mm锻造至φ300×1800mm，锻造比为1.78。

5)将钢坯以50℃/h的速度冷却至室温。

实验例1

对于实施例1中和比较例1中，采用金相显微镜对铸态钢坯中心区域(表面以下250mm位置)的试样组织状态进行分析，具体金相组织见图1(a)，可见由于凝固偏析，铸态组织中存在大量的树枝晶和液析碳化物，具体的碳化物形貌件图1(b)，主要的碳化物类型为MC、M6C和M2C。

对锻后钢坯中心区域(表面以下150mm位置)的试样组织状态进行分析，具体金相组织见图2，可见采用常规锻造工艺后，高速工具钢中仍残留大量的液析碳化物，并呈网状分布(图2(a))，而采用本发明所述固液两相区大变形工艺，碳化物数量明显减少，尺寸明显减小，同时晶粒尺寸也较小(图2(b))。这说明在固液两相区进行变形，可有效破碎树枝晶，获得细小的等轴晶，同时抑制枝晶偏析，减少液析碳化物数量，降低液析碳化物的尺寸。

Claims (9)

1.一种高速工具钢的制备方法，其特征在于：所述方法包括下述工艺步骤：

1)将待处理的莱氏体高速工具钢钢坯材料加热到液相线T_L以上，使其完全熔化；

2)将材料冷却至T_L～T_S之间的固液两相区，保温，获得固相率70％以上的半固态组织；

3)将材料在固液两相区实施锻造比1.5以上的变形；

4)将材料冷却到固相线T_S以下温度，继续实施锻造比1.5以上的变形，既得。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)和步骤4)中，所述锻造比为1.5～3。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)：将待处理的莱氏体高速工具钢铸锭材料加热到T_L+20℃～50℃，使其完全熔化，其中，加热速度不高于100℃/h，达到目标温度后，保温时间不低于0.002t小时，t为钢坯的最大截面厚度，以mm计。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)：将材料冷却至T_S+20℃～30℃，达到目标温度后，保温时间不低于10min，获得固相率70％以上的半固态组织，其中，冷却速度不高于100℃/h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，将材料冷却到T_S-50℃～80℃，继续实施锻造比1.5以上的变形，既得，冷却速度不高于100℃/h，达到目标温度后，保温时间不低于10min。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述保温时间为30～50min。

7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其特征在于：所述加热或冷却速度为50℃/h～80℃/h。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述保温时间为0.002t～0.004t小时。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括步骤5)：将步骤4)锻造后所得材料以50℃/h的速度冷却至室温。