CN108048743A

CN108048743A - 3v级高性能滚刀用高速钢及其制备方法

Info

Publication number: CN108048743A
Application number: CN201711310014.3A
Authority: CN
Inventors: 张贝贝; 邵青立; 李小明; 吴立志
Original assignee: Heye Sci & Tech Co Ltd
Current assignee: Heye Sci & Tech Co Ltd
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2018-05-18

Abstract

本发明涉及一种3V级高性能滚刀用高速钢及其制备方法。本发明的3V级高性能滚刀用高速钢，由以下重量配比的原料成分制成：C:1.15‑1.25％；Si:0.30‑0.65％；W:4.5‑6.5％；Mo:5.0‑6.5％；Cr:3.8‑4.5％；V:2.6‑3.3％；Co:4.5‑6.0％；Al:0.20‑0.50％；Mn:0.20‑0.40％；P:≤0.025％；S：≤0.010％；其余为Fe及杂质。采用本发明的技术方案，制成的高速钢硬度达到66‑68HRC，抗弯强度σbb≥3500Mpa，无缺口冲击韧性αk≥15J/cm²。

Description

3V级高性能滚刀用高速钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及高速钢制备技术领域，特别涉及一种V含量高于2.5％、钴含量高于4.5％的3V级高性能滚刀用高速钢；同时，本发明还涉及一种3V级高性能滚刀用高速钢的制备方法。

背景技术

机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、高柔性和强化环境意识。在机械加工领域，切(磨)削加工是应用最广泛的加工方法。高速切削是切削加工发展方向，已成为切削加工的主流。推广应用高速切削技术将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成本。高速切削技术的发展和应用决定于机床和刀具技术的进步，其中刀具材料的进步起决定性的作用。

常用的刀具材料包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因耐热性很差，只宜作手工刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在较小的范围内使用。硬质合金由于其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。高速工具钢就成为了目前应用最广泛的刀具材料。在高速钢中，普通高速钢由于硬度、耐磨性等性能远比高性能高速钢差，不适用于高速切削和硬材料切削。高性能高速钢由于硬度高、耐热性好等优点，其应用比例在不断扩大。粉末冶金是近几十年来发展起来的较为先进的高速钢冶炼生产新工艺，其解决了碳化物偏析问题，大大提高了钢材的韧性。

随着数控机床、加工中心等先进机加工设备的广泛应用，以及追求难加工材料的高速切削，使金属切削刀具的发展必须变得更高、更快、更强。干切齿轮滚刀切削速度高达150米/min以上，代表了高性能滚刀的发展方向，带动了高性能高速工具钢和涂层技术的发展。传统工艺高速钢V≥2.5％或者Co≥4.5％称为高性能高速钢，受共晶碳化物偏析和颗粒度对韧性的影响，MC颗粒度对可磨削性的制约，V含量不超过4％，对于含Co高性能高速钢，V含量≤2％。

通过采用粉末冶金工艺，共晶碳化物偏析和颗粒度显著改善，粉末冶金含Co高速钢的V含量得以大幅度提高，如Bohler的S590、S390，其Co含量均为8％，V含量分别为3％和5％，同时获得高韧性、高耐磨和易磨削。

在高速切削刀具市场，一直以来是粉末钢占有较大优势和比例，但粉末钢制备流程长、成本高(是传统工艺的约3倍)、相同成分的3V级高性能复杂刀具的耐磨性较传统工艺差，世界各国都在积极研究具有高性价比的制造方法，市场前景十分广阔。而对于3V级高性能滚刀用高速钢，研究甚少，且现有的应用于高性能滚刀的高速钢，或成本较高，或性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种3V级高性能滚刀用高速钢，以降低成本，易于加工。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种3V级高性能滚刀用高速钢，其由以下重量配比的原料成分制成：

C:1.15-1.25％；Si:0.30-0.65％；W:4.5-6.5％；Mo:5.0-6.5％；Cr:3.8-4.5％；V:2.6-3.3％；Co:4.5-6.0％；Al:0.20-0.50％；Mn:0.20-0.40％；P:≤0.025％；S：≤0.010％；其余为Fe及杂质。

进一步的，所述杂质包括≤0.02％的Ni和铜。

进一步的，所述杂质包括≤0.015％的有害元素。

进一步的，所述有害元素包括≤0.005％As，≤0.006％Sn，≤0.003％B，≤0.0025％Pb，≤0.001％Bi。

进一步的，由以下重量配比的原料成分制成：

C:1.16-1.2％；Si:0.40-0.55％；W:4.7-6％；Mo:5.0-6.4％；Cr:4.0-4.5％；V:2.8-3.2％；Co:4.9-5.5％；Al:0.30-0.45％；Mn:0.25-0.32％；P:≤0.02％；S：≤0.010％；其余为Fe及杂质。

进一步的，由以下重量配比的原料成分制成：

C:1.17％；Si:0.45％；W:6.0％；Mo:6.0％；Cr:4.0％；V:2.8％；Co:4.9；Al:0.40％；Mn:0.28％；P:0.018％；S:0.008％；其余为Fe及杂质。

本发明同时提供了一种3V级高性能滚刀用高速钢的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤a，通氮气的环境下，冶炼制备电极；

步骤b，电极经电渣重熔加工成钢锭；

步骤c，将钢锭制造成高速钢材质。

进一步的，步骤c制成的高速钢材质的直径为φ70～φ120，棒材中碳化物颗粒尺寸≤20μm。

进一步的，步骤b中，电极使用在惰性气体保护的导电结晶器，电渣重熔加工成钢锭。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明中C含量确定为1.15-1.25％，提高碳含量将直接提高碳饱和度，使钢材在淬火时易于得到较高的硬度。

将Si含量确定为0.30-0.65％，利用Si增强钢的二次硬化作用，提高钢材相应的二次硬化效果。

Al元素具有提高Ac和Ar温度增加红硬性，抑制碳化物在回火时聚集长大，增强回火稳定性的作用。本发明钢中，将Al含量确定为0.2-0.5％，有助于提高钢材的红硬性及回火稳定性。

Mo、W提高淬透性，W、Mo主要是回火析出二次碳化物，是强二次硬化元素，提高钢的热强性和抗回火软化，因W、Mo与C形成碳化物的当量关系是：1％Mo相当于1.8％W，W和Mo可以相互替代，但Mo比W更有效，Mo对改善韧性有利，在考虑到节约成本因素，本发明以Mo代W节约成本，确定W:4.5-6.5％；Mo:5.0-6.5％。

V不仅是强二次硬化形成元素，而且V在凝固过程中形成一次碳化物MC和共晶碳化物MC，MC碳化物是提高钢材耐磨性的关键因素，也是造成钢材难加工的要素。本发明将V含量由2V级提高至3级，创新生产工艺降低MC碳化物颗粒度，大大提高耐磨性的同时确保其可加工性基本不降低，综合以上因素确定V：2.6-3.3％。

Co对液相线略有提高，可以采用更高温度淬火。5％的Co可显著降低残余奥氏体的量，能够在回火时更好地提高二次硬度。Co也能够提高热导率，在高速切削时能够有效降低刀刃温度。Co可提高切削性能，但是过高的Co含量会降低钢的冷、热塑性和韧性，容易造成刀具崩刃，因此从硬度-韧性的综合配比来看，本发明确定Co含量为4.5-6.0％。

Mn通常作为脱氧剂添加，在钢中与残存的S形成MnS，改善S的危害；一般Mn/S≥20；本钢种中要求S≤0.010％，因此控制Mn：0.20-0.40％即可。

P是晶界偏聚元素，对钢的冲击韧性影响很大，P含量越低，对钢的韧性越有利，特别是0.015％以下钢的冲击值纵横异性显著减小，但由于高合金钢冶炼时对P去除很难，主要通过控制原料P含量达到要求，本发明控制P≤0.025％。

S是非金属夹杂物形成元素，为改善消除S与Fe等其它元素形成低熔点非金属夹杂的危害，控制适量Mn与S形成MnS，但MnS在压延方向延伸分布，使压延方向的韧性降低。希望S含量越低越好，本钢要求S≤0.010％。

综上所述，采用本发明技术方案的一种3V级高性能滚刀用高速钢，硬度达到66-68HRC，抗弯强度σbb≥3500Mpa，无缺口冲击韧性αk≥15J/cm²。

此外，进一步的，Sn、Pb、As、Bi、B等有害元素，凝固时在晶界偏聚，变形后形成带状偏析，热处理时在奥氏体晶界进行偏聚，降低钢的韧性，本发明要求Sn、Pb等有害元素总量希望控制在0.015％以下，具体为As 0.005％以下，Sn 0.006％以下，B 0.003％以下，Pb0.0025％以下，Bi 0.001％以下。

Ni、Cu作为杂质，对钢的性能影响不大，作为残余元素，通常分别控制≤0.20％。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例涉及一种3V级高性能滚刀用高速钢，所谓的3V级是指V含量＞2.5％，此外，本发明的3V级高性能滚刀用高速钢，属于高钴高速钢，所谓的高钴是指Co含量＞4.5％。本发明的高速钢，由以下重量配比的原料成分制成：

其中，所述杂质包括≤0.02％的Ni和铜，以及包括≤0.015％的有害元素。其中，本实施例中，有害元素包括≤0.005％As，≤0.006％Sn，≤0.003％B，≤0.0025％Pb，≤0.001％Bi。

如上原料成分的3V级高性能滚刀用高速钢，制备方法包括如下步骤：

步骤a，通氮气的环境下，冶炼制备电极。具体来讲，采用中频感应炉冶炼钢水，钢水倒入钢包中经LF炉外精炼，VD真空除气，经浇注车在氩气保护的条件下浇注电极；

步骤b，电极经电渣重熔加工成钢锭。为了进一步确保制备成的高速钢的性能，本实施例中，电极使用在惰性气体保护的导电结晶器，电渣重熔加工成钢锭。

步骤c，将钢锭制造成高速钢材质。具体来讲，本实施例中的高速钢材质为高速钢轧材，即钢锭经过加热开坯加热轧制生产为高速钢轧材。

制造成的高速钢轧材在精度为h9机床车皮去掉氧化层，达到表面零脱碳的高速钢银亮材。

如上制成的高速钢材质中，当制成直径为φ70～φ120的棒材时，棒材中碳化物颗粒尺寸≤20μm。

将棒材于1145℃-1160℃淬火550-560℃回火3次，按国标GB/T230、GB/T14452、GB/T229等标准检验，其性能指标为：硬度为66-68HRC，抗弯强度为σbb≥3500Mpa，无缺口冲击韧性αk≥15J/cm²。

实施例二

本实施例同样涉及一种3V级高性能滚刀用高速钢，其与实施例一基本相同，不同之处在于各原料成分的重量配比。本实施例中的原料成分为：

C:1.22％；Si:0.45％；W:5.0％；Mo:5.3％；Cr:4.5％；V:2.9％；Co:5.0％；Al:0.30％；Mn:0.35％；P:0.020％；S：0.006％；其余为Fe。

在将其制备成高速钢材质时，本实施例中的高速钢材质为高速钢锻材，具体的制备方法与实施例一基本相同，不同之处在于步骤c中，钢锭经过加热开坯加热锻造生产为高速钢锻材。

实施例三

C:1.25％；Si:0.52％；W:4.5％；Mo:5.9％；Cr:3.8％；V:3.3％；Co:5.9％；Al:0.42％；Mn:0.38％；P:0.020％；S：0.006％；其余为Fe。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种3V级高性能滚刀用高速钢，其特征在于由以下重量配比的原料成分制成：

2.根据权利要求1所述的3V级高性能滚刀用高速钢，其特征在于：所述杂质包括≤0.02％的Ni和铜。

3.根据权利要求1所述的3V级高性能滚刀用高速钢，其特征在于：所述杂质包括≤0.015％的有害元素。

4.根据权利要求3所述的3V级高性能滚刀用高速钢，其特征在于：所述有害元素包括≤0.005％As，≤0.006％Sn，≤0.003％B，≤0.0025％Pb，≤0.001％Bi。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的3V级高性能滚刀用高速钢，其特征在于由以下重量配比的原料成分制成：

6.根据权利要求5所述的3V级高性能滚刀用高速钢，其特征在于由以下重量配比的原料成分制成：

7.一种3V级高性能滚刀用高速钢的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤a，通氮气的环境下，冶炼制备电极；

步骤b，电极经电渣重熔加工成钢锭；

步骤c，将钢锭制造成高速钢材质。

8.根据权利要求7所述的3V级高性能滚刀用高速钢的制备方法，其特征在于：步骤c制成的高速钢材质的直径为φ70～φ120，棒材中碳化物颗粒尺寸≤20μm。

9.根据权利要求7所述的3V级高性能滚刀用高速钢的制备方法，其特征在于：步骤b中，电极使用在惰性气体保护的导电结晶器，电渣重熔加工成钢锭。