CN109252104A - 一种高速钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速钢技术领域，尤其涉及一种高速钢及其生产方法。一种高速钢，由如下重量百分含量的化学元素组成：C：0.80％～0.90％，Si：0.15％～0.40％，Mn：0.20％～0.45％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.0～2.0％，B：0.55％～0.95％，W：4.1％～5.2％，Mo：3.8％～4.4％，Cr：3.7％～4.5％，V：1.65％～2.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。一种高速钢的生产方法包括电炉冶炼、真空粉末冶金、等静压成型和烧结、轧制、热处理。增加硼、铝的含量，从而降低昂贵的钨、钼合金的含量，生产出的高速钢能够减少贵重合金加入量，节省资源，降低生产成本，同时采用该高速钢生产的模具提高耐磨性，延长模具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及高速钢技术领域，尤其涉及一种高速钢及其生产方法。
背景技术
在高速钢中通常加入大量的W、Mo、Cr、Co、V等元素组成高碳、高合金钢。高速钢的主要性能特点是具有很高的红硬性，钢在淬火、回火后的硬度一般高于HRC63，高的可达HRC68～70，一般高速钢能在较高的温度下保持高速切削能力和耐磨性，同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧性。
高速钢中的碳与W、Mo、Cr、V等形成碳化物，并保证得到强硬的马氏体基体以提高钢的硬度和耐磨性，W、Mo、Cr、V主要形成VC、W2C、Mo2C、Cr23C6、以及Fe3W3C、Fe4W2C等碳化物，这些碳化物硬度很高，它们在回火时弥散析出，产生二次硬化效应，显著提高钢的红硬性、硬度和耐磨性。
高速钢在生产铸锭时，冷却速度较快，无法得到莱氏体、珠光体、碳化物的平衡组织，高速钢铸态组织和化学成分是极不均匀的，尤其是处于晶界处的鱼骨状的共晶莱氏体硬度很高，脆性大。铸态组织的这种不均匀性不能用热处理该去改变，只有经过热压力加工(锻造或轧制)才能打碎粗大的共晶碳化物。在锻、轧过程中，随变形度增加，破碎后的碳化物颗粒沿变形方向呈带状分布，或呈变形的网络，尤其堆积于初生奥氏体晶界处。因此一般锻、轧后碳化物的分布仍保留着不均匀性。这种碳化物的不均匀分布显著降低高速钢刃具或钢材的强度和韧性，出现机械性能的各向异性，并影响钢的耐磨性和红硬性。如用于制造刀具时，刃口处存在粗大碳化物，则使用时易于发生崩刃现象。制作模具时，由于碳化物分布不均造成表面硬度不均匀，在使用过程中磨损程度不同，造成局部破坏。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提供一种高速钢及其生产方法，生产出的高速钢能够减少贵重合金加入量，降低生产成本，同时采用该高速钢生产的模具提高耐磨性，延长模具的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高速钢，由如下重量百分含量的化学元素组成：
C：0.80％～0.90％，Si：0.15％～0.40％，Mn：0.20％～0.45％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.0％～2.0％，B：0.55％～0.95％，W：4.1％～5.2％，Mo：3.8％～4.4％，Cr：3.7％～4.5％，V：1.65％～2.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。
一种如权利要求1所述高速钢的生产方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：把废钢放入感应炉内熔炼，开始熔炼时加入钨铁、钼铁、铬铁合金，待废钢完全熔化后，采用铝脱氧合金化，再加入钒铁、硅铁、锰铁合金进行合金化，成分调整后，钢水温度达到1561℃～1580℃时，冶炼结束；
2)真空粉末冶金：钢水由炉内出钢时直接进行真空雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力：4MPa～6MPa，45μm以下的雾化粉末，质量百分比含量达到50％，100μm以下的雾化粉末，质量百分比含量达到90％；
3)等静压成型和烧结：将上述高速钢粉制成压坯，冷等静压压力为200MPa～300MPa，保压时间为11min～15min；采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，获得高速钢坯料；
4)轧制：对上述高速钢坯料进行轧制，高速钢坯料加热温度为1080℃～1140℃，保温时间为30min～40min，开轧温度1050℃～1110℃，终轧温度大于950℃；
5)热处理：淬火：将高速钢坯料放入盐浴炉中加热至淬火温度1180℃～1220℃，油冷至室温；
回火：淬火的坯料放置在加热炉内进行回火处理，最终得到高速钢模具成品。
所述步骤(3)中：烧结时加热温度为1150℃～1200℃，保温时间为40min～70min，烧结压力为20MPa～30MPa。
所述步骤(5)中：回火处理温度为565℃～580℃，回火处理次数2～4次，每次回火处理时间为0.8h～1.2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种高速钢及其生产方法，增加硼、铝的含量，从而降低昂贵的钨、钼合金的含量，生产出的高速钢能够减少贵重合金加入量，节省资源，降低生产成本，同时采用该高速钢生产的模具提高耐磨性，延长模具的使用寿命。
具体实施方式
本发明公开了一种高速钢及其生产方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种高速钢，由如下重量百分含量的化学元素组成：
C：0.80％～0.90％，Si：0.15％～0.40％，Mn：0.20％～0.45％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.0％～2.0％，B：0.55％～0.95％，W：4.1％～5.2％，Mo：3.8％～4.4％，Cr：3.7％～4.5％，V：1.65％～2.1％，，余量为Fe和不可避免的杂质。
该发明钢成分的范围设定理由如下：
碳：碳固溶于基体，是保证淬透性的元素，可以提高基体淬硬性，但碳含量过高，降低模具热疲劳性能，因此，将碳含量控制在0.80％～0.90％。
硅和锰：钢中加入一定量的硅、锰，有利于钢中生成低熔点的硅锰复合夹杂物，在钢液中上浮去除，提高钢液的洁净度。硅元素降低模具的热疲劳抗力，将其含量控制在0.15％～0.40％。锰元素易促进组织粗大，损害模具的强韧性，将其含量控制在0.20％～0.45％。
硫和磷：硫和磷是材料中的有害元素，对其含量应严格控制，本发明材料硫含量控制在0.015％以下，磷含量控制在0.015％以下。
铝：铝是强脱氧元素，同时控制钢中氧含量，同时氧化铝在钢液中易于上浮去除，铝是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶于基体，提高基体高温硬度和高温耐磨性，铝还有良好的抗高温氧化能力，特别是铝的加入，促进铸态基体组织转变成珠光体和铁素体，降低铸态硬度，有利于改善铸态的加工性能，因此将铝含量控制在1.0％～2.0％。
硼：硼可以与铁形成高硬度的铁硼化合物，有利于改善模具的耐磨性，但加入量过多会增加产品的脆性，因此将硼含量控制在0.55％～0.95％。
钨和钼：钨和钼加入模具中，主要是为了改善模具的高温耐磨性，但钨和钼是价格昂贵元素，其含量不能太高，将钼含量控制在3.8％～4.4％，将钨含量控制在4.1％～5.2％。
铬：铬可能明显改善模具的淬透性和抗回火软化能力，形成耐磨损的碳化物，其合适的加入量为3.7％～4.5％。
钒：加入适量钒主要是为了获得高硬度的MC型碳化物，从而提高模具耐磨性，钒还有细化晶粒的作用，但钒价格昂贵，因此将钒含量控制在1.65％～2.1％。
一种高速钢及其生产方法包括电炉冶炼、真空粉末冶金、等静压成型和烧结、轧制、热处理。具体包括如下步骤：
1)电炉冶炼：把成分合适的废钢放入感应炉内熔炼，开始熔炼时加入钨铁、钼铁、铬铁合金，待废钢完全熔化后，采用铝脱氧合金化，再加入钒铁、硅铁、锰铁合金进行合金化，钢水温度达到1561℃～1580℃时，冶炼结束。
2)真空粉末冶金：钢水由炉内出钢时直接进行真空雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力：4MPa～6MPa，45μm以下的雾化粉末，质量百分比含量达到50％，100μm以下的雾化粉末，质量百分比含量达到90％。
采用粉末冶金工艺生产的高速钢的碳化物平均尺寸为2μm，最大尺寸为5μm，而传统的冶炼、铸锭、锻轧等生产工艺碳化物平均尺寸为6μm，最大尺寸为12μm，严重影响其使用寿命的进一步提高。
3)等静压成型和烧结：将上述高速钢粉制成压坯，冷等静压压力为200MPa～300MPa，保压时间为11min～15min；采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时加热温度为1150℃～1200℃，保温时间为40min～70min，烧结压力为20MPa～30MPa，获得高速钢坯料。
4)轧制：对上述高速钢坯料进行轧制，高速钢坯料加热温度为1080℃～1140℃，保温时间为30min～40min，开轧温度1050℃～1110℃，终轧温度大于950℃。
5)热处理：淬火：将高速钢坯料放入盐浴炉中加热至淬火温度1180℃～1220℃，油冷至室温；
回火：淬火的坯料放置在加热炉内进行回火处理，回火处理温度为565℃～580℃，回火处理次数2～4次，每次回火处理时间为0.8h～1.2h，最终得到高速钢模具产品。
产品用于冷挤压锥齿轮等的模具，凹模内腔所承受的单位压力达2500MPa，在相同的使用工况条件下，对其使用寿命进行对比。
对本发明作进一步说明。本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行电炉冶炼、真空粉末冶金、等静压成型和烧结、轧制、热处理，然后加工成模具产品。本发明实施例和对比例的冶炼成分见表1，实施例和对比例的主要工艺参数及使用寿命，见表2。
表1本发明的实施例和对比例的冶炼成分wt％(重量百分比含量)
表2实施例和对比例的主要工艺参数
从表1和表2可见，本发明实施例降低了贵重合金的加入量，节省了资源，同时，在保证强度、硬度(具体数据)的基础上，耐磨模具的使用寿命有所提高，降低了生产成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高速钢，其特征在于，由如下重量百分含量的化学元素组成：
C：0.80％～0.90％，Si：0.15％～0.40％，Mn：0.20％～0.45％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.0％～2.0％，B：0.55％～0.95％，W：4.1％～5.2％，Mo：3.8％～4.4％，Cr：3.7％～4.5％，V：1.65％～2.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述高速钢的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：把废钢放入感应炉内熔炼，开始熔炼时加入钨铁、钼铁、铬铁合金，待废钢完全熔化后，采用铝脱氧合金化，再加入钒铁、硅铁、锰铁合金进行合金化，成分调整后，钢水温度达到1561℃～1580℃时，冶炼结束；
2)真空粉末冶金：钢水由炉内出钢时直接进行真空雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力：4MPa～6MPa，45μm以下的雾化粉末，质量百分比含量达到50％，100μm以下的雾化粉末，质量百分比含量达到90％；
3)等静压成型和烧结：将上述高速钢粉制成压坯，冷等静压压力为200MPa～300MPa，保压时间为11min～15min；采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，获得高速钢坯料；
4)轧制：对上述高速钢坯料进行轧制，高速钢坯料加热温度为1080℃～1140℃，保温时间为30min～40min，开轧温度1050℃～1110℃，终轧温度大于950℃；
5)热处理：淬火：将高速钢坯料放入盐浴炉中加热至淬火温度1180℃～1220℃，油冷至室温；
回火：淬火的坯料放置在加热炉内进行回火处理，最终得到高速钢模具成品。
3.根据权利要求2所述的一种高速钢的生产方法，其特征在于，所述步骤(3)中：烧结时加热温度为1150℃～1200℃，保温时间为40min～70min，烧结压力为20MPa～30MPa。
4.根据权利要求2所述的一种高速钢的生产方法，其特征在于，所述步骤(5)中：回火处理温度为565℃～580℃，回火处理次数2～4次，每次回火处理时间为0.8h～1.2h。
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