CN111647797B - 一种高速工具钢及其钢热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速工具钢及其钢热处理方法,高速工具钢包括C:0.66‑0.74%,Si:0.15‑0.36%,Mn:0.20‑0.31%,P:0.01‑0.03%,S:0.01‑0.03%,Se:0.21‑0.36%,Ti:3.05‑4.10%,Zr:0.29‑0.95%,V:1.70‑2.1%、Mo:2.77‑3.50%,Co:4.50‑5.00%、Ta:1.55‑2.05%、富勒烯:0.01‑0.03%,石墨烯:0.01‑0.03%,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89HRC以上,抗拉强度为4350Mpa,冲击韧度达到93αk,可满足高性能零件的加工需求。
Description
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
高速钢是高速工具钢的简称,通常用于制作高速切削的工具,是一系列钢号的总称。由于其具有良好的耐磨性和淬透性,尤其是高温时的红硬性,使其成为制造轧辊的理想材料。这类钢的特点:具有较高的高温硬度,即使在高速切削条件下,刀刃边不会因发热而软化,其在淬火~回火后的硬度可达到HRC63以上,并且在600℃时仍能保持HRC55以上的高硬度。
但是,由于热工具钢的含碳量少,常温强度低,所以有疲劳、磨耗及破损等情况发生。而且,历来的高速工具钢系列的材料还有韧性不足,容易发生破裂及热裂纹等问题,已经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钢热处理方法。
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:0.66-0.74%,Si:0.15-0.36%,Mn:0.20-0.31%,P:0.01-0.03%,S:0.01-0.03%,Se:0.21-0.36%,Ti:3.05-4.10%,Zr:0.29-0.95%,V:1.70-2.1%、Mo:2.77-3.50%,Co:4.50-5.00%、Ta:1.55-2.05%、富勒烯:0.01-0.03%,石墨烯:0.01-0.03%,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%。
优选的,C:0.66%,Si:0.20%,Mn:0.28%,P:0.01%,S:0.02%,Se:0.28%,Ti:3.56%,Zr:0.44%,V:1.82%、Mo:2.80%,Co:4.50%、Ta:1.80%、富勒烯:0.01%,石墨烯:0.01%。
进一步的,本发明提供一种高速工具钢的钢热处理方法,具体步骤如下:
(1)按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;
(2)将一级钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;
(2)将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为700-750℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温2-3h;
(3)再低温回火处理,回火温度为180-190℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
优选的,退火温度为700℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温3h。
优选的,回火温度为190℃。
本发明各元素的作用:
C:0.66-0.74%: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0.74%,优选的,C为0.66%。
Si:0.15-0.36%: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0.15-0.36%,优选的,Si为0.20%。
Mn:0.20-0.31%: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0.20-0.31%,优选为0.28%。
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0.01%。
S:0.01-0.03%:S是提高切削加工性的元素,因此添加0.01%以上,S的含量优选为0.02%。
Se:0.21-0.36%:Se能够提高切削加工性,比S效果更好,在本发明中加入0.21-0.36%的Se,优选为0.28%。
Ti:3.05-4.10%: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3.05-4.10%的Ti,优选为3.56%。
Zr:0.29-0.95%:Zr是强有力的脱氧、除氮的作用,在本发明中加入0.29-0.95%含量的Zr,能够明显提高钢材的硬度和强度,优选的,Zr为0.44%。
V:1.70-2.1%:V能够增加钢材的耐磨性和硬度,在本发明中加入1.70-2.1%的V优选1.82%。
Mo:2.77-3.50%: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,本发明添加量为2.77-3.50%,优选的,Mo为2.80%。
Co:4.50-5.00%:Co能够增强刀片的强度和硬度,在本发明中加入4.50-5.00%的Co,优选4.50%。
Ta:1.55-2.05%:Ta具有极高的抗腐蚀性,在本发明中加入1.55-2.05%的Ta,相比较Cu,抗腐蚀效果更佳,优选的,Ta为1.80%。
富勒烯:0.01-0.03%: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,本发明富勒烯含量控制在0.01-0.03%,富勒烯优选为0.01%。
石墨烯:0.01-0.03%:石墨烯独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度,使高速工具钢具有较高的机械性能,尤其具有较高的抗弯强度、硬度和冲击韧性,本发明石墨烯含量控制在0.01-0.03%,优选为0.01%。
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:0.66%,Si:0.20%,Mn:0.28%,P:0.01%,S:0.02%,Se:0.28%,Ti:3.56%,Zr:0.44%,V:1.82%、Mo:2.80%,Co:4.50%、Ta:1.80%、富勒烯:0.01%,石墨烯:0.01%,余量为Fe的配比下,其硬度最高达到89HRC以上,抗拉强度为4350Mpa,冲击韧度达到93αk,可满足高性能零件的加工需求。
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:0.66%,Si:0.15%,Mn:0.20%,P:0.01%,S:0.01%,Se:0.21%,Ti:3.05%,Zr:0.29%,V:1.70%、Mo:2.77%,Co:4.50%、Ta:1.55%、富勒烯:0.01%,石墨烯:0.01%,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:
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为700℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温2h;再低温回火处理,回火温度为180℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
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:0.68%,Si:0.26%,Mn:0.27%,P:0.01%,S:0.02%,Se:0.27%,Ti:3.66%,Zr:0.50%,V:1.90%、Mo:2.94%,Co:4.85%、Ta:2.01%、富勒烯:0.02%,石墨烯:0.02%,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%。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为725℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温2.5h;再低温回火处理,回火温度为185℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
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:0.66%,Si:0.20%,Mn:0.28%,P:0.01%,S:0.02%,Se:0.28%,Ti:3.56%,Zr:0.44%,V:1.82%、Mo:2.80%,Co:4.50%、Ta:1.80%、富勒烯:0.01%,石墨烯:0.01%,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%。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为700℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温3h;再低温回火处理,回火温度为190℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
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:0.71%,Si:0.32%,Mn:0.27%,P:0.02%,S:0.01%,Se:0.34%,Ti:4.08%,Zr:0.77%,V:2.02%、Mo:3.46%,Co:4.73%、Ta:2.04%、富勒烯:0.03%,石墨烯: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%。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为745℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温2.8h;再低温回火处理,回火温度为186℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
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:0.74%,Si:0.36%,Mn:0.31%,P:0.03%,S:0.03%,Se:0.36%,Ti:4.10%,Zr:0.95%,V:2.1%、Mo:3.50%,Co:5.00%、Ta:2.05%、富勒烯:0.03%,石墨烯: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%。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为750℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温3h;再低温回火处理,回火温度为190℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
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 | 74 | 4070 | 88 |
实施例二 | 75 | 4039 | 89 |
实施例三 | 89 | 4350 | 93 |
实施例四 | 81 | 7148 | 92 |
实施例五 | 77 | 4045 | 91 |
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89HRC以上,抗拉强度为4350Mpa,冲击韧度达到93αk。
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:0.66-0.74%,Si:0.15-0.36%,Mn:0.20-0.31%,P:0.01-0.03%,S:0.01-0.03%,Se:0.21-0.36%,Ti:3.05-4.10%,Zr:0.29-0.95%,V:1.70-2.1%、Mo:2.77-3.50%,Co:4.50-5.00%、Ta:1.55-2.05%、富勒烯:0.01-0.03%,石墨烯:0.01-0.03%,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:0.66%,Si:0.20%,Mn:0.28%,P:0.01%,S:0.02%,Se:0.28%,Ti:3.56%,Zr:0.44%,V:1.82%、Mo:2.80%,Co:4.50%、Ta:1.80%、富勒烯:0.01%,石墨烯:0.01%。
3.一种如权利要求1所述的一种高速工具钢,其特征在于:所述高速工具钢的钢热处理方法,具体步骤如下:
(1)按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料,材料制备过程中,依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理,得到一级钢液;
(2)将一级钢液进行二次熔渣精炼,控制钢液中的S降低至0.003%以下,得到二级钢液;
(2)将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯,然后进行退火,退火温度为700-750℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温2-3h;
(3)再低温回火处理,回火温度为180-190℃,最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
4.根据权利要求3所述的一种高速工具钢,其特征在于:所述高速工具钢的钢热处理方法中,退火温度为700℃,冷炉下降至500℃以下出炉,退火保温3h。
5.根据权利要求3所述的一种高速工具钢,其特征在于:所述高速工具钢的钢热处理方法中,回火温度为190℃。
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