CN108060361A - 一种含钴高速钢的取代钢种 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含钴高速钢的取代钢种，所述钢种成分及重量百分比为：C含量为1.0～2.5％，Si含量为0.72～2.0％，Mn含量为0.31～1.5％，Cr含量为4.0～8.0％，Mo含量为5.5～10.0％，V含量为2.0～9.0％，W含量为2.0～10.0％。所述钢种利用喷射成形的超高速凝固提高Mo、V、W、Si等合金元素的固溶能力以取代Co对高速钢基体和碳化物的固溶强化作用和高温稳定性，同时用Si来消除较高Mo、V、W含量带来的不利影响，用较经济的成分达到或超过含钴高速钢的使用性能和寿命。本发明应用于高性能高速钢制造。

Description

一种含钴高速钢的取代钢种
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及高速钢技术领域。
背景技术
高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。因其工艺性能好，强度和韧性配合好，主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。高度钢一般分为普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co、Al等合金元素，与普通高速钢相比进一步提高了耐热性能和耐磨性，其耐用度为普通高速钢的1.5～3倍。在高性能高速钢一般分为含钴高速钢和含铝高速钢，其中含钴高速钢中的钴元素可以提高高速钢的红硬性和切削速度，因此含钴高速钢具有良好的综合性能。但是，近年来由于从手机到电动汽车蓄电池对钴的大量需求，使得钴价在一年内涨了近3倍，目前金属钴价格为420元/公斤，其加入量成本占T15M炉料成本37％，占M42炉料成本55％，这使得含钴高速钢的价格也相应急剧上涨。
目前高速钢生产工艺有两种，即传统熔炼工艺和粉末冶金工艺。高速钢的品质基础是纯净度和组织，为改善纯净度，冶炼工序广泛采用了精炼技术，如炉外精炼LF、真空脱气VD、电渣重熔ESR和真空感应熔炼VIM；为改善铸态组织，研究了电渣重熔ESR、粉末冶金工艺PM和喷射成形工艺SF。其中喷射成形具有致密度高，成形后合金的氧含量低，具有快速凝固的显微组织特征，材料性能优异且易加工成形，工艺流程短，成本低等优点，逐渐成为制备高速钢的主要方法。
喷射成形的原理是将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化为细小固态、半固态或液态熔体射流，随后直接喷射到较冷的衬底表面上，熔滴在沉积器表面附着、堆积、铺展、融合、固结而形成沉积坯件。这一短暂时间内发生并完成的复杂的物理冶金过程，可分成金属释放、雾化、喷射、沉积、沉积体凝固等5个阶段。因此合金在熔融状态下的粘度是影响喷射成形工艺的重要因素之一。
专利号为CN201210433966公开了一种无钴高速钢，但是这篇专利中公开的成分为：C为1.5～1.7％，Cr为4.4～4.8％，Mo为4.8～5.2％，W为7.0～7.4％，V为3.2～3.6％，Nb为0.6～1.0％，Ti为0.2～0.4％，Si为0.5～0.7％，Mn为0.1～0.3％，N为0.06～0.1％；从这篇专利公开的合金成分可知，此种合金含N量较高，较高的N元素会增大钢液的粘度，从而使得此种钢种难以进行喷射成形；此种钢种含有较高的Ti，Ti对N、O、C均有较强的亲合力，可以形成TiN、TiC、TiO，在这其中Ti与C的结合力极强，并且TiC很稳定，不易分解，并且TiC熔点高，体积大，所以增加了钢液的粘度，使得喷射成形技术难以应用；过高含量的V、Mo、W元素还增大了奥氏体的稳定性，特别是喷射钢这些元素的固溶量较高，致使淬火后残余奥氏体急剧增加并极难回火消除，致使刀具硬度和使用寿命不高；Mo，W等元素可以提高高速钢的红硬性，V等元素可以提高高速钢的二次硬化和耐磨性，但是这些元素都是强碳化物形成元素，尽管其含量较高，但这些合金元素大多与C结合形成碳化物，很少一部分能取代Co的固溶强化作用和减慢合金K的析出与聚集长大。
发明内容
本发明提供一种含钴高速钢的取代钢种，利用喷射成形的超高速凝固提高Mo、V、W、Si等合金元素的固溶能力以取代Co对高速钢基体和碳化物的固溶强化作用和高温稳定性，同时用Si来消除较高Mo、V、W含量带来的不利影响，用较经济的成分达到或超过含钴高速钢的使用性能和寿命。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。
一种含钴高速钢的取代钢种，所述钢种成分及重量百分比为：C含量为1.0～2.5％，Si含量为0.72～2.0％，Mn含量为0.31～1.5％，Cr含量为4.0～8.0％，Mo含量为5.5～10.0％，V含量为2.0～9.0％，W含量为2.0～10.0％。
进一步地，一种含钴高速钢的取代钢种的成分及重量百分比为：C含量为1.45～2.5％，Si含量为0.9～2.0％，Mn含量为0.5～1.5％，Cr含量为4.8～8.0％，Mo含量为8.5～10.0％，V含量为3.0～9.0％，W含量为6.5～10.0％。
进一步地，一种含钴高速钢的取代钢的成分及重量百分比为：C含量为1.6％，Si含量为1.1％，Mn含量为0.5％，Cr含量为4.8％，Mo含量为8.5％，V含量为3.0％，W含量为6.5％。
进一步地，所述含钴高速钢取代钢种采用喷射成形技术制备而成。
本发明的有益效果为：Si元素在所述合金中具有以下特点：1)Si为非碳化物形成元素，且Si在α-Fe中的最大溶解度为18.5％，在γ-Fe中的最大固溶度为2.15％，因此Si元素能部分取代Co的固溶强化作用；2)Si能够进入M6C中，形成(M6Si)C，增加M6C的稳定性，可以降低Si能提高C活度，能够降低合金元素Mo、V的固溶度，因此可以使Mo，V等合金元素发挥其强化作用；3)Si元素可减少淬火态的残余奥氏体数量，促进残余奥氏体在回火的转变；因此Si可以取代Co在高端(用于高速、干切刀具等的)高速钢中的合金化作用。并且本发明中所述合金不添加N、Ti，因此可以避免它们对钢液粘度的不利影响。本发明应用于高性能高速钢制造。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1
一种含钴高速钢的取代钢种的成分及重量百分比为：C含量为1.6％，Si含量为1.1％，Mn含量为0.5％，Cr含量为4.8％，Mo含量为8.5％，V含量为4.9％，W含量为6.5％。
所述含钴高速钢的取代钢种采用喷射成形的方法制备而成，通过高压惰性气体把金属液雾化成10～200m液滴、以接近音速飞行并撞击到沉积面上超高速凝固(液-固转变的冷却速度高达每秒钟一万度数量级)凝固，其结晶产物几乎没有宏观偏析，一次结晶相细小均匀，并且提高合金元素在基体中的固溶度，由此获得组织和性能大幅度改善的金属材料和零部件。
喷射高速钢比同成分电渣钢在同硬度条件下的冲击韧性和使用寿命都提高1～2倍，比同成分、同硬度的粉末钢的耐磨性提高30～50％。实施例1的无钴高速钢在热处理后HRC66条件下的10×10无缺口冲击功为23～25焦耳。用来取代T15M粉末钢做滚齿刀，寿命提高30％，原材料成本降低38％。
实施例2
一种含钴高速钢的取代钢种的成分及重量百分比为：C含量为1.45％，Si含量为0.9％，Mn含量为0.5％，Cr含量为4.8％，Mo含量为8.8％，V含量为3.0％，W含量为6.5％。
如同实施例1，实施例2的钢种采用喷射成形方法制备而成，实施例2的钢种在热处理后HRC66条件下的10×10无缺口冲击功为24～26焦耳，用来取代M42电渣钢做滚齿刀，寿命提高一倍，原材料成本降低44％。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种含钴高速钢的取代钢种，其特征在于，所述钢种成分及重量百分比为：C含量为1.0～2.5％，Si含量为0.72～2.0％，Mn含量为0.31～1.5％，Cr含量为4.0～8.0％，Mo含量为5.5～10.0％，V含量为2.0～9.0％，W含量为2.0～10.0％。
2.如权利要求1中所述的一种含钴高速钢的取代钢，所述钢种成分及重量百分比为：C含量为1.45～2.5％，Si含量为0.9～2.0％，Mn含量为0.5～1.5％，Cr含量为4.8～8.0％，Mo含量为8.5～10.0％，V含量为3.0～9.0％，W含量为6.5～10.0％。
3.如权利要求1中所述的一种含钴高速钢的取代钢，所述钢种成分及重量百分比为：C含量为1.6％，Si含量为1.1％，Mn含量为0.5％，Cr含量为4.8％，Mo含量为8.5％，V含量为3.0％，W含量为6.5％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的含钴高速钢的取代钢，其特征在于，所述含钴高速钢取代钢种采用喷射成形技术制备而成。
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