專利名稱：高性能低合金含鈮高速鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速鋼領(lǐng)域，主要適用于高速切削鉆頭、絲錐、立銑刀等用鋼，也可應(yīng)用于高載荷的模具、高溫條件下服役的耐磨零部件等用鋼，特別涉及一種高性能低合金含Nb高速鋼。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，對高速鋼的性能和經(jīng)濟(jì)成本提出了更高的要求。目前，世界各國使用的主要的通用型高速鋼為M2(W6Mo5Cr4V2)，我國主要使用M2和W9(W9Mo3Cr4V)高速鋼。高速鋼中含有大量的W、Mo、Cr、V等貴重合金元素，并且成材率低。為了節(jié)約貴重戰(zhàn)略合金元素W、Mo、V等，各國開展了低合金高性能高速鋼的研究，最著名的有瑞典的D950、美國的M52、德國的S3-3-2和我國的W4Mo3Cr4VSi。這些鋼種雖然節(jié)省了合金元素，但其使用性能受到限制，只能作為低檔刀具(主要為機(jī)用鋸條、軋制鉆頭、木工刀具等)使用，由于合金元素的含量較低，在較高溫度淬火時(shí)，晶粒長大的趨勢明顯，紅硬性低，不能在稍高要求的情況下替代M2和W9(W9Mo3Cr4V)高速鋼。
另外，公布號為W09302818A的PCT公布了一種用粉末冶金方法生產(chǎn)的高速鋼，其化學(xué)成分(重量％)為C0.6-0.9％，Si0-1.0％，Mn0-1.0％，Cr0-5％，Mo0-10％，Mo+W/2至少應(yīng)是4，V0.7-2％，Co≤14％，Nb0.7-1.5％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該鋼用于要求較高韌性和適當(dāng)硬度和強(qiáng)度的工具，性能良好，尤其是韌性。但是該發(fā)明化學(xué)成分的設(shè)計(jì)中，碳含量較低，在Nb、V合金元素共同存在的情況下，尤其是Nb含量較高的情況下，容易產(chǎn)生回火二次硬化不足，從而在高速鋼范圍內(nèi)使用，易產(chǎn)生紅硬性較差的情況，降低刀具的使用壽命。另外，采用粉末冶金方法生產(chǎn)的高速鋼生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本非常高，不易于大規(guī)模生產(chǎn)；并且粉末冶金方法依然存在必然的缺點(diǎn)氧含量高，同時(shí)材料內(nèi)部存有孔隙，質(zhì)量不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有生產(chǎn)成本低、高成材率、質(zhì)量易控制、易于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)滿足良好的二次硬度和紅硬性，沖擊韌性及抗彎強(qiáng)度應(yīng)用需求的高性能低合金含Nb高速鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明在M2(W6Mo5Cr4V2)和W9(W9Mo3Cr4V)的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低合金元素W、Mo、V的貴重金屬含量，加入相對便宜的強(qiáng)碳化物形成元素Nb，使該高速鋼的性能達(dá)到合金元素含量較高的W9、M2高速鋼的性能，滿足復(fù)雜刀具的使用性能，同時(shí)，可以用于冷作模具，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和使用前景。
本發(fā)明采用的整體的技術(shù)方案是(1)降低通用型高速鋼中的碳化物形成元素W、Mo及V的含量；(2)加入強(qiáng)碳化物形成元素Nb，部分替代V或W，形成大量的一次碳化物，并細(xì)化晶粒，以提高高速鋼的耐磨性；(3)加入適量的稀土元素(Re)，使晶界凈化，提高該鋼的熱塑性，從而提高鋼的成材率，并且可以實(shí)現(xiàn)熱加工時(shí)的以軋代鍛，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明具體技術(shù)方案為該合金具體化學(xué)成分(重量％)為C0.95～1.15％，Si0.20～0.40％，W3.5～5.5％，Mo2.0～4.0％，Cr3.0～4.5％，V0.80～1.5％，Nb0.5～1.5％，Re0.01～0.02％，N0.04～0.10％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn≤0.40％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
上述各元素的作用及配比依據(jù)如下C碳在高速鋼中是碳化物形成元素，其含量根據(jù)合金元素及對工藝性能及使用性能的要求而定，一般在0.80～1.5％之間。碳含量是高速鋼中最終要的合金元素，對高速鋼的工藝性能和使用性能有十分重要的影響。較高的強(qiáng)碳化物元素Nb、V含量的低合金高速鋼中，由于Nb的加入，形成難以溶解的MC型碳化物。應(yīng)適當(dāng)考慮提高碳的含量，以利形成更多的V的碳化物在回火過程中析出，提高二次硬化效果。但碳含量過高，對淬火過熱、過燒敏感性及殘余奧氏體有負(fù)面影響，并且降低韌性。本發(fā)明中的碳含量根據(jù)定比碳規(guī)律確定為0.95～1.15％。
Mn作為脫氧劑而加入，含量一般控制在≤0.40％。此外，控制鋼中Mn/S≥20，利于提高高速鋼的鍛、軋的熱塑性，明顯減少坯材裂紋及提高成材率。
Si作為脫氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。在低合金高速鋼中，公認(rèn)對二次硬化及高溫硬度明顯有利，因此，在大多低合金高速鋼中均加入0.5～1.3％的Si含量。但在含W較高的高速鋼中，Si不但對二次硬化無好處，而且由于促進(jìn)粗大的一次碳化物MC的形成，對鋼的韌性不利，Si的其它負(fù)面影響還有，增加鋼的脫碳敏感性，略降低二次硬化峰值的溫度，促進(jìn)非共格M6C碳化物在較高回火溫度的形成，對600℃以上紅硬性不利。因此，在本發(fā)明低合金高速鋼中嚴(yán)格限制其含量在0.20～0.40％。
Re稀土元素在鋼中有脫氧、去硫，改變夾雜物形態(tài)，使晶界凈化，細(xì)化鑄態(tài)組織，提高鋼的高溫抗氧化不起皮等作用。在高速鋼中加入一定量的稀土元素，可以提高熱塑性約10～60％以上，從而提高鋼的成材率，并且可以實(shí)現(xiàn)熱加工時(shí)的以軋代鍛，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，稀土合金元素的加入，可以對粗大的碳化物進(jìn)行變質(zhì)處理。由于稀土是非常活潑的元素，加入不當(dāng)或過多，會(huì)增加鋼中的非金屬夾雜物，在該鋼中控制在0.01～0.02％。
PP在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時(shí)偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大。控制P的含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
S會(huì)形成FeS，給鋼帶來熱脆性?？刂芐含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
Cr高速鋼中的碳化物形成元素之一，退火態(tài)中主要進(jìn)入M23C6，在高速鋼中一般含量在4.0％左右，對鋼的二次硬化也起重要作用。因此控制其含量在3.0～4.5％。
W、Mo高速鋼中的主加元素，主要作用是形成一定數(shù)量的難以溶解的一次碳化物，使鋼可進(jìn)行接近熔點(diǎn)的高溫淬火，并提高鋼的耐磨性；通過高溫固溶淬火獲得高W(Mo)的馬氏體后，回火時(shí)M2C及MC脫溶形成足夠數(shù)量的二次碳化物，是二次硬化和紅硬性的主要因素。在本發(fā)明鋼中，控制W含量在3.5～5.5％，Mo含量在2.0～4.0％。
V高速鋼中的主加元素，V對形成部分連貫的起著二次硬化作用的MC析出物的彌散分布起決定性的作用。一般鑄、鍛高速鋼中的V含量在1.0～3.0％之間，形成MC型碳化物，提高鋼的二次硬度、紅硬性及耐磨性。少于1.0％時(shí)，鋼的二次硬度、紅硬性及耐磨性不足，高于3.0％時(shí)可磨削性能差。因此，V含量控制在0.80～1.5％。
Nb強(qiáng)碳化物形成元素，形成MC型碳化物，可用來部分替代V或W0，將V含量降至僅保持二次硬化的水平。利用Nb增加鋼中MC型碳化物，從而增強(qiáng)高速鋼的耐磨性。但Nb含量過高時(shí)，則顯示了對初生晶粒的粗化，碳化物顆粒較粗大，則高速鋼難于磨削。因此，Nb含量控制在0.50～1.5％。
NN在高速鋼中作為合金元素加入，由于其原子半徑小(0.07nm)，在鋼中是間隙固溶元素，作用與C十分相似，與Al、Ti、Zr、V等元素形成穩(wěn)定的氮化物，同時(shí)能溶解于復(fù)雜的M23C6、M6C或MC中，在淬火加熱時(shí)也有少量氮通過以上碳化物的固溶而進(jìn)入鋼的基體中。少量的N可細(xì)化高速鋼的鑄態(tài)組織中的共晶網(wǎng)，細(xì)化一次(M6C)碳化物，因而可細(xì)化淬火奧氏體晶粒度；允許稍微高的淬火溫度，因而可增加二次硬化效果和熱穩(wěn)定性以及硬度與韌性的綜合水平，可以顯著改善切削性能。電弧爐或感應(yīng)爐冶煉高速鋼的一般正常含N量在0.02％.在本發(fā)明中通過添加氮化鉻鐵或V-N合金的方法保持鋼中加入0.04～0.10％的氮含量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有成本低、高成材率、質(zhì)量易控制、易于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)滿足良好的二次硬度和紅硬性，沖擊韌性及抗彎強(qiáng)度應(yīng)用需求的優(yōu)點(diǎn)。上述優(yōu)點(diǎn)具體如下540～600℃回火(1160℃淬火)的二次硬度分別≥65.2HRC，65.5HRC，64.9HRC，63.5HRC；600～650℃的紅硬性分別≥64HRC，62.3HRC，59HRC；580～600℃高溫回火的沖擊韌性分別≥53.3，59.0Ak/J·cm-2，560～600℃回火的抗彎強(qiáng)度分別≥σbb48180MPa，5400MPa，5287MPa。合理的合金化配比具有良好的綜合性能，比W9鋼節(jié)約合金20％以上，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明與采用與現(xiàn)有技術(shù)相似的制備方法本發(fā)明鋼可采用電弧爐、高頻感應(yīng)爐、真空感應(yīng)爐冶煉，鋼水澆鑄成鋼錠，根據(jù)需要可進(jìn)行電渣重熔，經(jīng)鍛造成材或開坯后軋制成棒、線材等。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，在25kg真空感應(yīng)爐上冶煉了4爐本發(fā)明鋼和1爐對比鋼(W9)，其具體化學(xué)成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)鍛造制成φ14mm、φ18mm棒材。實(shí)例鋼與對比鋼退火后，加工成試樣，經(jīng)淬、回火處理(1140～1220℃淬火，540～600℃回火)，其室溫力學(xué)性能見表2～7。
本發(fā)明鋼具有比對比鋼更高的硬度、紅硬性、沖擊韌性及抗彎強(qiáng)度。
1.經(jīng)相同溫度淬火，高溫(540～600℃)回火后，發(fā)明鋼具有比對比鋼更高的硬度。(見表2、3、4)2.經(jīng)相同溫度的淬、回火處理后，發(fā)明鋼(3#、4#)具有比對比鋼更好的紅硬性，抗軟化能力更強(qiáng)。(見表5)3.發(fā)明鋼(3#、4#)經(jīng)1160℃淬火，在580℃左右回火時(shí)，沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度均超過對比鋼(5#)正常溫度熱處理后的沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度。(見表6、7)。
表1 實(shí)施例與對比鋼的化學(xué)成分，重量％

表2 實(shí)施例與對比鋼1140℃淬火不同溫度回火的硬度值

說明(1)淬火試驗(yàn)在空氣爐中進(jìn)行，保溫10分鐘，油淬。
(2)不同溫度回火3次，每次保溫1小時(shí)。
表3 實(shí)施例與對比鋼1160℃淬火不同溫度回火的硬度值

說明(1)淬火試驗(yàn)在空氣爐中進(jìn)行，保溫10分鐘，油淬。
(2)不同溫度回火3次，每次保溫1小時(shí)。
表4 實(shí)施例與對比鋼1200℃淬火不同溫度回火的硬度值

說明(1)淬火試驗(yàn)在空氣爐中進(jìn)行，保溫10分鐘，油淬。
(2)不同溫度回火3次，每次保溫1小時(shí)。
表5 實(shí)施例與對比鋼紅硬性表

表6 實(shí)施例與對比鋼沖擊值表

表7 實(shí)施例與對比鋼抗彎強(qiáng)度值表

權(quán)利要求
1.一種高性能低合金含Nb高速鋼，其特征在于該高速鋼的具體化學(xué)成分組成(重量％)為C 0.95～1.15％，Si 0.20～0.40％，W 3.5～5.5％，Mo 2.0～4.0％，Cr 3.0～4.5％，V 0.80～1.5％，Nb 0.5～1.5％，Re 0.01～0.02％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn≤0.40％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明屬于高速鋼領(lǐng)域，主要適用于高速切削鉆頭、絲錐、立銑刀等用鋼，也可應(yīng)用于高載荷的模具、高溫條件下服役的耐磨零部件等用鋼，特別涉及一種高性能低合金含Nb高速鋼。該合金的具體化學(xué)成分組成(重量％)為C 0.95～1.15％，Si 0.20～0.40％，W 3.5～5.5％，Mo 2.0～4.0％，Cr 3.0～4.5％，V 0.80～1.5％，Nb 0.5～1.5％，Re 0.01～0.02％，N 0.04～0.10％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn≤0.40％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有生產(chǎn)成本低、高成材率、質(zhì)量易控制、易于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)滿足良好的二次硬度和紅硬性，沖擊韌性及抗彎強(qiáng)度應(yīng)用需求的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C22C38/26GK101024869SQ20061016494
公開日2007年8月29日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者馬黨參, 劉建華, 陳再枝, 張永 申請人:鋼鐵研究總院