CN111647796A - 一种高速工具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速工具钢及其制备方法，高速工具钢包括C：0.45‑0.70％，Si：0.02‑0.16％，Mn：0.15‑0.40％，P：0.01‑0.03％：Se：0.02‑0.05％，Ti：3.35‑3.85％，Zr：1.11‑1.28％，Mo：2.56‑4.35％，富勒烯：0.03‑0.42％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，该种高速工具钢坯体的力学性能优良，其硬度最高达到77HRC以上，抗拉强度为4120Mpa，冲击韧度达到92αk。

Description

一种高速工具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种模具钢材技术领域，特别是一种高速工具钢。
背景技术
高速工具钢主要用来制备高速切削刀具，如钻头、铣刀和带锯的切削等，高速工具钢是Mo系高速钢中较为常用的工具钢，历经多年的发展，在初代M1钢的基础上，适当增加了碳和钒的含量，切削性能显著提升，因此成为红硬性、韧性、耐磨性较佳的通用型钢种。高速工具钢经热处理后的使用硬度可达HRC63以上，在600℃左右的工作温度下仍能保持高的硬度，而且其韧性、耐磨性和耐热性均较好。退火状态的高速工具钢的主要合金元素有钨、钼、铬、钒，还有一些高速工具钢中加入了钴、铝等元素。
现代制造业的快速发展要求高速工具钢具有更好的性能和稳定性，从而提高其加工效率和加工精度。近年来，国内外高速工具钢材的质量和生产技术等方面都取得了较快发展，高速工具钢的发展也推动了工业产品向高级化、个体化、高附加值化的方向发展。但是现有的高速工具钢的性能仅能够满足一般材料的切削，而对于高性能零件来说，现有的高速工具钢抗弯强度和硬度仍不够高，同时冲击韧性较低，无法满足高性能零件的加工需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高速工具钢及其制备方法，通过对现有高速工具钢化学成分的调整，添加了Ti、富勒烯等元素，并限定各个组分的配比，使得高速工具钢具有较高的的抗拉强度和硬度，提高硬度和抗拉强度的同时，使具有一定的冲击韧度，满足高性能零件的加工需求。
具体技术方案是：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：
C：0.45-0.70％，Si：0.02-0.16％，Mn：0.15-0.40％，P：0.01-0.03％：Se：0.02-0.05％，Ti：3.35-3.85％，Zr：1.11-1.28％，Mo：2.56-4.35％，富勒烯：0.03-0.42％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
优选的C：0.45％，Si：0.03％，Mn：0.36％，P：0.03％：Se：0.04％，Ti：3.66％，Zr：1.23％，Mo：4.05％，富勒烯：0.37％。
进一步的，本发明提供一种高速工具钢的制备方法，具体步骤如下：
(1)按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700-1800℃，熔炼时间为2-2.5h，吹氩气搅拌精炼1-2h，得初级钢水；
(2)将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；
(3)将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；
(4)将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为950℃-1300℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
优选的，高速工具钢的制备方法中，熔炼温度为1700℃，熔炼时间为2.5h，吹氩气搅拌精炼2h。
优选的，热等静压的温度为1200℃。
本发明各元素的作用：
C：0.45-0.70％：钢中主要的强化元素，赋予淬火回火硬度、提高耐磨耗性的元素，本发明中的C含量应不低于0.45％，但过多碳化物的析出将影响钢的韧性和加工性，因此限制其添加上限为0.70％，优选的，C为0.45％。
富勒烯：0.03-0.42％
富勒烯具有高抗拉强度、高导电性、高延展性、高导热性，发明人发现在钢材中加入少量的富勒烯，能够明显提高刚才的综合性能，由于富勒烯成本昂贵，因此，本发明富勒烯含量控制在0.03-0.42％，优选的，富勒烯优选为0.37％。
Si：0.02-0.16％：Si可作为脱氧元素，在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能，同样，可以去除金属中的氧气，本发明中控制Si含量为0.02-0.16％，优选的，Si为0.03％。
Mn：0.15-0.40％：Mn是奥氏体扩大元素，还能够提高钢的强度和耐蚀性，并且具有增大钢中N的固溶度的效果，同时能增加钢的淬透性，提高奥氏体钢的硬度和强度，本发明中控制Mn的含量为0.15-0.40％，优选为0.36％。
P：0.01-0.03％：P能使钢材的强度、硬度、耐蚀性提高，但显著降低钢材的塑性和籾性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，因此本发明添加量较少，控制在0.01-0.03％之间，优选的，P为0.03％。
Se：0.02-0.05％：Se能够提高切削加工性，在本发明中加入0.02-0.05％的Se，优选为0.04％
Ti：3.35-3.85％：金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳以及其他许多元素化合，表钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性，同时表现现出强的抗腐蚀性，在本发明中加入3.35-3.85％的Ti，优选为3.66％
Zr：1.11-1.28％：Zr是强有力的脱氧、除氮的作用，在本发明中加入1.11-1.28％含量的Zr，能够明显提高钢材的硬度和强度，优选的，Zr为1.23％。
Mo：2.56-4.35％：Mo作为钢的合金化元素，在高温下提高钢材的强度，可以提高钢的强度，特别是高温强度和韧性，因此，因此本发明添加量为2.56-4.35％，优选的，Mo为4.05％。
本发明获得的有益效果：
(1)本发明制备的高速工具钢坯体的力学性能优良，其中，实施例三的提供的高速工具钢效果最好，以质量百分比计，在C：0.45％，Si：0.03％，Mn：0.36％，P：0.03％：Se：0.04％，Ti：3.66％，Zr：1.23％，Mo：4.05％，富勒烯：0.37％，余量为Fe的配比下，其硬度最高达到77HRC以上，抗拉强度为4120Mpa，冲击韧度达到92αk。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例一：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.45％，Si：0.02％，Mn：0.15％，P：0.01％：Se：0.02％，Ti：3.35％，Zr：1.11％，Mo：2.56％，富勒烯：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
本实施例中，高速工具钢制备方法，具体步骤如下：
按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃，熔炼时间为2h，吹氩气搅拌精炼1h，得初级钢水；将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为950℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
实施例二：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.50％，Si：0.09％，Mn：0.24％，P：0.02％：Se：0.03％，Ti：3.49％，Zr：1.17％，Mo：3.04％，富勒烯：0.09％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
本实施例中，高速工具钢制备方法，具体步骤如下：按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1780℃，熔炼时间为2.2h，吹氩气搅拌精炼1.5h，得初级钢水；将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为1000℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
实施例三：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.45％，Si：0.03％，Mn：0.36％，P：0.03％：Se：0.04％，Ti：3.66％，Zr：1.23％，Mo：4.05％，富勒烯：0.37％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
本实施例中，高速工具钢制备方法，具体步骤如下：按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃，熔炼时间为2.5h，吹氩气搅拌精炼2h，得初级钢水；将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为1200℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
实施例四：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.65％，Si：0.14％，Mn：0.34％，P：0.025％：Se：0.04％，Ti：3.74％，Zr：1.21％，Mo：4.05％，富勒烯：0.32％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
本实施例中，高速工具钢制备方法，具体步骤如下：按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1745℃，熔炼时间为2.0h，吹氩气搅拌精炼1.5h，得初级钢水；将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为1260℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
实施例五：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：
C：0.70％，Si：0.16％，Mn：0.40％，P：0.03％：Se：0.05％，Ti：3.85％，Zr：1.28％，Mo：4.35％，富勒烯：0.42％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
本实施例中，高速工具钢制备方法，具体步骤如下：按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1800℃，熔炼时间为2.5h，吹氩气搅拌精炼2h，得初级钢水；将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为1300℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
实施例六：
将实施例一至五的高速工具钢铸成坯体，测定其力学性能，结果参见表1。
表1：实施例一至五的高速工具钢坯体的力学性能
序号 硬度HRC 抗拉强度Mpa 冲击韧度αk
实施例一 71 4150 88
实施例二 61 3980 89
实施例三 77 4120 92
实施例四 75 4070 91
实施例五 76 4000 90
市售高速工具钢 75 4050 90
由表1可知，与市售高速工具钢相比，本发明实施例一至实施例五制备的高速工具钢坯体的力学性能优良，其中，实施例三的提供的高速工具钢效果最好，其硬度最高达到77HRC以上，抗拉强度为4120Mpa，冲击韧度达到92αk。
本发明提供了一种高速工具钢及其制备方法，通过对现有高速工具钢化学成分的调整，添加了Ti、富勒烯等元素，并限定各个组分的配比，使得高速工具钢具有较高的的抗拉强度和硬度，提高硬度和抗拉强度的同时，使具有一定的冲击韧度，满足高性能零件的加工需求。

Claims (5)

1.一种高速工具钢，其特征在于：以质量百分比计，具有如下组分，C：0.45-0.70％，Si：0.02-0.16％，Mn：0.15-0.40％，P：0.01-0.03％：Se：0.02-0.05％，Ti：3.35-3.85％，Zr：1.11-1.28％，Mo：2.56-4.35％，富勒烯：0.03-0.42％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述C：0.45％，Si：0.03％，Mn：0.36％，P：0.03％：Se：0.04％，Ti：3.66％，Zr：1.23％，Mo：4.05％，富勒烯：0.37％。
3.一种如权利要求1所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述高速工具钢的制备方法，具体步骤如下：
(1)按高速工具钢所含组分的质量百分比进行配料，在电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700-1800℃，熔炼时间为2-2.5h，吹氩气搅拌精炼1-2h，得初级钢水；
(2)将初级钢水进行干燥处理得到混合粉体；
(3)将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；
(4)将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，热等静压的温度为950℃-1300℃，使得混合粉体形成高速工具钢材料坯体，将坯体与包套分离。
4.根据权利要求3所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述高速工具钢的制备方法中，熔炼温度为1700℃，熔炼时间为2.5h。
5.根据权利要求3所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述高速工具钢的制备方法中，热等静压的温度为1200℃。
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