专利名称：高碳含硅超硬高韧高速钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种高碳含硅超硬高韧高速钢及其热处理工艺，具体地讲，本发明涉及的是一种M2Si系列高速钢及其热处理工艺。M2Si系列高速钢包括低碳M2Si、中碳M2Si、高碳M2Si及超高碳M2Si。高碳M2Si的商业名称为M2-R35；超高碳M2Si的商业名称为M2-R42。
背景技术：
现有技术中，用于制作切削工具的高速钢主要是钨钼高速钢M2，而过去常用的钨高速钢W18因为钢中的碳化物尺寸比钨钼高速钢M2的碳化物尺寸大，抗弯强度σbb、冲击韧度ak均低于钨钼高速钢M2，正在逐渐被淘汰。
钨钼高速钢M2的化学成分以重量百分比计，分别为C0.80-0.90，W5.50-6.75，Mo4.50-5.50，Cr3.80-4.40，V1.75-2.20，Mn0.15-0.40，Si≤0.40，S≤0.03，P≤0.03，余量为Fe，钨钼高速钢M2和钨高速钢W18淬回火后的硬度都为65±1HRC，能够满足硬度在270HB以下的正火态的钢料的加工要求，但是近年来为减轻机械零件重量，提高零件强度，延长零件寿命，钢料逐步由正火态改为调质态，相应的钢料的加工硬度也提高到大于等于300HB，由钨钼高速钢M2和钨高速钢W18制作的硬度为65±1HRC刀具已不能满足要求。
为解决这个问题，目前采用硬度为66±1HRC的高硬高速钢和硬度为67±1HRC的超硬高速钢来制作刀具，国际上通用的高硬高速钢和超硬高速钢分别为钨钼高速钢M35和钼高速钢M42，这两种高速钢都含有元素Co，价格昂贵，钨钼高速钢M35价格是钨钼高速钢M2的2.5倍，钼高速钢M42的价格是钨钼高速钢M2的5倍。
因此，开发一种不含Co，工艺性能好、价格便宜的高硬及超硬高速钢就非常必要。
现有技术的几种高速钢中，M2应用最为广泛。M2的化学成分在YB12-77中有规定。M2的抗弯强度σbb、冲击韧度ak优于W18、M35、M42及M2A1，但硬度与W18相同，仅65±1HRC，低于高硬高速钢M35以及超硬高速钢M42及M2A1。
M2硬度低的原因是碳含量低。提高碳含量可以提高硬度，但提高碳含量将使碳化物量增多，碳化物颗粒变大，碳化物偏析加重，因而将使抗弯强度σbb下降。若不提高碳含量，加入Co形成M35亦可使硬度提高。但钴十分昂贵，故含钴高速钢的价格远高于M2。
有鉴于此，特提出本发明。
发明目的本发明的主要目的在于提供一种高碳含硅超硬高韧高速钢。
本发明的另一个目的在于提供一种高碳含硅超硬高韧高速钢的热处理工艺。
本发明的目的可以通过以下方式得以实现，在现有技术的M2的基础上提高碳的含量，具体是提高M2的碳含量以提高硬度，与此同时，通过提高Si的含量来细化碳化物以保证抗弯强度σbb、冲击韧度ak不因碳含量的提高而下降。
详细描述本发明在钨钼高速钢M2化学成分的基础上，增加Si元素和调整C元素的含量，使Si元素的含量达到0.8-1.2％(重量)，使表面C元素的含量达到0.95-1.10％(重量)。
随着钢中C元素含量的增加，钢件经过淬、回火后的硬度也相应得到提高，当C元素含量达到0.95-1.10％(重量)时，钢件的硬度可以达到67±1HRC的硬度。
但是随着钢中C元素含量的增加，钢锭凝固时形成的共晶碳化物的量增多，导致碳化物偏析增加，最大碳化物颗粒尺寸加大，从而使钢件的韧性下降。
本发明通过提高高速钢中的Si元素的含量可以克服C元素含量达到0.95-1.10％(重量)时钢件韧性等力学性能下降的缺点。其原理为提高Mo系和W-Mo系高速钢中Si元素的含量可以促使钢锭凝固时形成的圆盘状碳化物M2C在以后的退火过程中转变为细小颗粒状碳化物M6C及MC，从而使碳化物细化，钢件的韧性因此得到改善。这样，通过增加钢中Si元素和C元素的含量，使Si元素的含量达到0.8-1.2％(重量)，使C元素的含量达到0.95-1.10％(重量)，就可以满足加工硬度大于等于300HB钢料所需工具钢的硬度的要求。
本发明所述的高碳含硅超硬高韧高速钢，其化学成分包括W为5.5-6.75％，Mo为4.5-5.5％，Cr为3.8-4.40％，V为1.75-2.20％，Mn为≤0.40％，S为≤0.03％，P为≤0.03％，其成分还包括Si为0.8-1.2％，可以反映碳含量的碳饱和度A为0.52-0.95，对应的碳含量为0.60-1.10％，除上述各元素外，余为Fe。
提高高速钢碳含量可以提高其淬回火后的硬度。我国YB 12-77规定的M2的碳含量为0.80-0.90％，相应的碳饱和度A为0.69-0.78，淬回火后的硬度为65±1HRC。若将A提高到接近1，淬回火后的硬度可达到67HRC。据此，我们将碳饱和度A的上限提高到0.95。随着A从0.78提高到0.95，淬回火后的硬度不断升高，从中可以得到淬回火后硬度为66±1HRC的高硬高速钢及67±1HRC的超硬高速钢。
但是随着碳含量升高，钢锭凝固时形成的共晶碳化物将增多，导致碳化物偏析增加，最大碳化物颗粒尺寸加大，从而使抗弯强度σbb、冲击韧度ak下降。为克服此缺点，采取了二个措施，一是提高Si含量，将Si从常存元素变为合金元素。在YB12-77中规定M2的常存含Si量为≤0.40％。已知提高Mo系及W-Mo系高速钢中的Si含量可以促使凝固时形成的严重影响高速钢性能的圆盘状碳化物M2C在以后的回火过程中转变为细小颗粒状碳化物M6C及MC，从而使碳化物细化，使韧性不因碳含量的提高而有所损失。但Si含量高于1.50％时，性能将变坏，故我们将硅的上限定为1.20％。第二个措施就是采用低碳及中碳高速钢，在粗加工后淬火前通过渗碳提高工件表层碳含量以提高表层淬回火后的硬度。由于用低碳高速钢及中碳高速钢制作的刀具的心部碳含量低，故韧性好。为保证低碳高速钢的心部有足够的强度，其碳含量下限定为0.60％(A为0.52)。Si可以细化高速钢渗碳时形成的碳化物，故在低碳及中碳高速钢中同样可以通过提高Si含量来提高韧性。
含Si 0.8-1.2％，含碳0.60-1.10％，碳饱和度A为0.52-0.95的高碳含硅超硬高韧高速钢可按其碳含量C及碳饱和度A的不同分为以下四种高速钢。
1.低碳高速钢M2Si-1C为0.60-0.75％，A为0.52-0.65，通过渗碳使表层碳含量达到0.95-1.10％，碳饱和度A达到0.82-0.95；2.中碳高速钢M2Si-2C为0.75-0.85％，A为0.65-0.74，通过渗碳使表层碳含量达到0.95-1.10％，碳饱和度A达到0.82-0.95；3.高碳高速钢M2Si-3C为0.85-0.95％，A为074-0.82；4.超高碳高速钢M2Si-4C为0.95-1.1％，A为0.82-0.95。
需要指出的是现有技术公开过一种类似的高速钢，其Mo、Cr、V含量与M2相同，W含量低于M2，Si含量为1.00％，碳含量与M2相同(参见Helmut Brandis.“DEW Tech.Ber”1975(2))，这种高速钢在淬回火后的硬度也与M2相同，为65±1HRC，故与本发明所述的高碳含硅超硬高韧高速钢不同。
本发明所述的高速钢的最终热处理与M2相同，均为淬火+回火，淬火温度范围略低于M2，为1180-1240℃，回火温度为550-560℃，每次1-2小时，回火三次。
对于低碳高速钢及中碳高速钢，为提高其表层碳含量，应在淬火前先进行一次超饱和渗碳，渗碳温度为780℃，渗碳时间视所需渗层厚度而定。渗碳后的淬火温度范围为1180-1240℃，回火温度为550-560℃，每次1-2小时，回火三次。
本发明所述的淬回火所用的设备、介质都是现有技术中公知的。
本发明所述的高速钢的冶炼及锻、轧工艺与钨钼高速钢M2的冶炼及锻、轧工艺相同。
具体实施例方式
实施例一在本实施例中，本发明所述的高碳含硅超硬高韧高速钢的冶炼工艺和现有技术中的钨钼高速钢M2冶炼工艺相同，热处理工艺如前述，大连轴承厂用本发明的低碳高速钢M2Si-1(化学成分为W 6.10％，Mo4.89％，Cr 3.95％，V 2.04％，Si 0.84％，C 0.70％，A 0.61，余为Fe)，制成车刀用以加工滚柱，其寿命为W18车刀的2.5倍。
实施例二在本实施例中，本发明所述的高碳含硅超硬高韧高速钢的冶炼工艺和现有技术中的钨钼高速钢M2冶炼工艺相同，热处理工艺如前述，石家庄冶金技术股份有限公司用本发明的超高碳高速钢M2Si-4(化学成分为W 5.79％，Mo 4.77％，Cr 4.12％，V 1.84％，Si 1.04％，C1.05％，A 0.95，余为Fe)。制成机锯条，其锯条寿命优于M2锯条，与M2A1锯条相同。
实施例三在本实施例中，本发明所述的高碳含硅超硬高韧高速钢的冶炼工艺和现有技术中的钨钼高速钢M2冶炼工艺相同，热处理工艺如前述，大连远东工具厂用本发明的超高碳高速钢M2Si-4(化学成分为W5.79％，Mo 4.77％，Cr 4.12％，V 1.84％，Si 1.04％，C 1.05％，A 0.95，余为Fe)。加工成φ6钻头，钻不锈钢的寿命为M35钻头的4倍。
实施例四在本实施例中，本发明所述的高碳含硅超硬高韧高速钢的冶炼工艺和现有技术中的钨钼高速钢M2冶炼工艺相同，热处理工艺如前述，大连远东工具厂用本发明的高碳高速钢M2Si-3(化学成分为W 6.12％，Mo 4.91％，Cr 4.15％，V 2.16％，Si 1.13％，C 0.95％，A 0.82，余为Fe)。加工成φ3钻头，钻Cr12MoV的寿命与M35钻头相同。
本发明所述的高速钢的优点是1、价格便宜，本发明所述的高速钢的价格略高于钨钼高速钢M2，远低于含Co钨钼高速钢M35和钼高速钢M42。
2、锻、轧、拔、冷加工及热处理等工艺性能优于M2A1；3、淬回火后硬度与M35以及M42及M2A1相同，为66±1HRC及67±1HRC；抗弯强度σbb、冲击韧度ak优于M35、M42及M2A1。
4、冶炼工艺简单，容易操作。
权利要求
1.一种高碳含硅超硬高韧高速钢，其特征在于所述的高速钢的硬度达到67±1HRC。
2.一种高碳含硅超硬高韧高速钢，其特征在于所述的高速钢的C含量为0.60-1.10％，Si的含量为0.8-1.2％；碳饱和度A为0.52-0.95。
3.一种高碳含硅超硬高韧高速钢，其特征在于所述的高速钢的Si的含量为0.8-1.2％；碳饱和度A为0.52-0.95。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高速钢，所述的高速钢以重量百分比计含有W5.50-6.75，Mo4.50-5.50，Cr3.80-4.40，V1.75-2.20，Mn0.15-0.40，S≤0.03，P≤0.03，C含量为0.60-1.10％，Si的含量为0.8-1.2％；碳饱和度A为0.52-0.95，余量为Fe。
5.根据权利要求1至3任一项所述的高速钢，其特征在于所述的高速钢的饱和度为0.52-0.74时，需要通过渗碳使表层碳饱和A达到0.82-0.95。
6.根据权利要求1至3任一项所述的高速钢，其特征在于所述的高速钢的整体饱和度为0.74-0.95时淬火前不需要进行渗碳。
7.根据权利要求1至3任一项所述的高速钢，其特征在于所述的Si含量为0.8-1.2％，C含量为0.60-1.10％，A为0.52-0.95。
8.一种用于制备权利要求1至3任一项所述的高速钢的热处理工艺，其特征在于所述的热处理中，包括淬火、回火。淬火温度为1180-1240℃，回火温度为550-560℃，每次一小时，回火三次。
9.一种制备权利要求1至3任一项所述高速钢的热处理工艺，其特征在于所述的热处理工艺包括1160-1200℃低温淬火以提高韧性，对于低碳高速钢及中碳高速钢，为提高其表层碳含量，可在淬火前先进行一次超饱和渗碳，渗碳温度为780℃，渗碳时间视所需渗层厚度而定。
10.一种制备权利要求1至3任一项所述高速钢的热处理工艺，其特征在于所述的热处理工艺包括首先在1180-1240℃下进行淬火，然后540-560℃回火。
全文摘要
本发明公开了一种高碳含硅超硬高韧高速钢及热处理工艺，所述的高速钢的化学成分以重量百分比计算，分别为C0.6－1.1，W5.50－6.75，Mo4.50－5.50，Cr3.80－4.40，V1.75－2.20，Mn0.15－0.40，S≤0.03，P≤0.03，Si 0.8－1.2，余量为Fe；所述的热处理工艺为首先1180－1220℃淬火，然后550－560℃回火三次，每次1－2小时；含碳量为0.6－0.85时在淬火前需要进行超饱和渗碳使表面碳含量达到0.95－1.10；本发明产品价格低廉，强韧性好，热处理后硬度可以达到67±1HRC。
文档编号C23C8/08GK1873039SQ20051007238
公开日2006年12月6日 申请日期2005年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者戚正风 申请人:大连荣创科技发展有限公司