一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料及其制备工艺的制作方法

本发明专利属于车刀用材料技术领域，特别涉及一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料及其制备工艺。

背景技术：

在日常生产中,车刀材料的合理选择,直接影响着劳动生产率和零件的加工质量。刀具在切削过程中,必然要承受很大的切削力和冲击力,并且在很高的温度下工作,连续承受强烈的摩擦、挤压,容易引起车刀的磨损、损坏。如果刀具材料选择得不合理,零件将不能满足使用要求,造成材料浪费,机床设备过早损坏,造成很大的经济损失。因此合理选用刀具材料,不但可以提高劳动效率,保证加工质量,而且还可以节约成本,降低工人的劳动强度。

刀具材料常用的主要有高速钢、硬质合金、超硬陶瓷刀具材料等。高速钢是含钨(w)、钼(mo)、铬(cr)、钒(v)等合金元素较多的工具钢。高速钢刀具制造简单,刃磨方便,容易通过刃磨得到锋利的刃口,而且韧性较好,常用于承受冲击力较大的场合和粗糙的工件。特别用于制造各种结构复杂的成形刀具和孔加工刀具。刀具常用的牌号为钨系的（w18cr4v）和钨钼系的（w6mo5cr4v2），但由于硬度不高其耐热性较差不能用于高速切削。

硬质合金是用钨和钛的碳化物粉末加钴作为黏结剂,高压压制成型后再高温烧结而成的粉末合金制品,是目前应用最广泛的一种车刀材料。按合金元素主要分为4类：(1)钨钴类硬质合金，代号：yg，常用牌号有yg3、yg6、yg8等，(2)钨钻钛类硬质合金，代号：yt，常用牌号是ytl5、y130等。(3)钨钽(铌)钴类硬质合金，代号：ya，(4)钨钛钽(铌)钴硬质合金，代号：yw。其特点是：硬度高，韧性差，刃口不易磨锋利。

超硬陶瓷材料的主要成分是zr、o，在高压高温下烧结而成。其特点是：耐磨性好，耐热性高；脆性大，强度较低，只有一般硬质合金的1／3左右，不能承受冲击负荷。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明了提供了一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料及其制备工艺。基于现有车刀用材料制备技术及经验基础之上，结合当前车刀用材料的发展现状和车刀的性能要求，通过添加co、ni，mn、al、ce、la、ti等稀土合金元素，采用非真空冶炼+电渣重熔+锻造+淬火+回火工艺，制备出一种具有高硬度、高耐磨性、高韧性等综合性能优异于其它车刀材料且生产成本低的车刀用稀土合金材料。

针对上述目的，本发明的技术方案是通过研究合金元素对合金各种性能的影响，结合生产经验和微合金化等技术，科学地设计了该合金的化学成分；相比于其它冶炼工艺，通过优化非真空冶炼—电渣重熔双联工艺参数，制备高品质的稀土合金锭，该稀土合金锭纯度高、含硫磷低、非金属夹杂物少、稀土合金锭表面光滑、组织和化学成分均匀细密，再结合锻造+轧钢+精加工+淬火+回火工艺得到超硬车刀用稀土合金材料。

达到上述目的，本发明的技术解决方案是：一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料，按质量百分比计，所述稀土合金的组分包括：c1.0～1.35%、si0.3～0.45%、mn0.2～0.4%、cr4.0～4.5%、mo4.6～5.2%，w5.8～6.2%，v2.0～2.5%，co0.4～0.6%，ni0.15～0.25%，al1.0～1.3%，ti0.01～0.016%，cu0.10～0.18%，nb0.015～0.03%，ce0.01～0.016%，la0.01～0.018%，fe76.97～80.39%，p≤0.010％，s≤0.009％以及其他为不可避免的杂质元素。

一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料的制备工艺，包括以下步骤：

（1）非真空感应炉冶炼：根据稀土合金的质量百分比进行配料，将原料投入非真空感应炉中进行熔炼得到铸锭。

（2）电渣重熔炉冶炼：将造渣材料caf2-al2o3加入电渣重熔炉中，随后将步骤（1）中制得的铸锭加入电渣重熔炉中进行冶炼得到合金锭。

（3）锻造：将步骤（2）中所述合金锭在加热炉内加热到1140～1180℃，保温1-2h，在950～1180℃温度下进行锻造出方棒。

（4）将步骤（3）中所述方棒加热到860℃±10℃保温5h，随炉冷却到380℃出炉。空冷后探伤，切除有缺陷的，修磨去除氧化层和脱碳层以及表面缺陷。

（5）轧钢：将步骤（4）出炉后的方棒放入加热炉中，加热到1150-1180℃，保温40-60min取出开轧，开轧温度控制在1160℃，终轧温度≥950℃，轧出各类刀具所需的规格。

（6）淬火：将步骤（5）中刀具所用规格切断后，进行初磨，淬火温度采用500-560℃的低中温，800-900℃的中温，1000-1100℃的中高温，1200-1220℃的高温。

（7）回火：将步骤（6）中淬火后的刀具材料进行回火，回火温度550-580℃，回火时间1-2h/次，回火次数3-4次。

步骤（2）所述caf2-al2o3渣系中的caf2质量百分比含量为60～72％，al2o3质量百分比含量为25～28％，cao质量百分比含量为4～8％，重熔渣质量为重熔合金锭质量的3%～5%；重熔温度为1350～1450℃。

本发明一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料有以下优点：

co元素的添加提高了合金在高温加热时的组织稳定性，因而允许使用更高的温度淬火；co增加碳在α相中的活度，促使回火二次硬化时合金碳化物析出生核率的增加，并阻碍其长大；钻降低钨、钼等元素在α相中的溶解度。co的作用提高了高速钢的二次硬度，红硬性(抗回火软化性)及高温硬度。

ce元素为合金添加剂，耐高热，增加硬度和抗压强度，提高切削速度以及增加韧性。

la元素为合金还原剂增加延展性，提高韧性。

ti：能形成很强固的tic，可稳定到1300℃，有此稳定到高温的高度分散的tic质点，可细化晶粒，降低钢的过热倾向性。

al：钢中含量小于3%时，是一种有益的元素，其作用是：在冶炼过程中有较高的抗氧化性。在淬火过程中al可增加材料的硬度和韧性。

采用新的电渣重熔渣系和新型钙铝合金加入熔炼对脱磷、硫、脱氧达到严格控制杂质元素含量的目的。

本发明一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料其硬度达到hrc67-70，力学性能和塑性加工性能等综合性能优异，其硬度和韧性均优于其它材料，特别是对车刀的使用寿命有较大提高，长时间切削车刀的高温红硬性得到了很大的提高，使此类车刀材料满足加工高精度零件的要求，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例中超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料的淬火指导图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明做进一步描述。

实施例1

一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料，其组成成分质量百分比为：c1.0%、si0.3%、mn0.2%、cr4.0%、mo4.6%，w5.8%，v2.0%，co0.4%，ni0.15%，al1.0%，ti0.01%，cu0.10%，nb0.015%，p0.010%，s0.008%，ce0.01%，la0.01%，fe80.39%，以及其他不可避免的杂质元素。

采用非真空冶炼—电渣重熔双联工艺冶炼合金锭，重熔渣选用caf2-al2o3渣系，成分组成为72%caf2-25%al2o3-4%cao，质量为重熔合金锭质量的3%，冶炼中选用1350℃作为重熔温度，制备的合金锭表面光滑。再对该合金锭进行锻造+轧钢+精加工+淬火+回火工艺，锻造前将合金锭加热到1150℃，保温2h，在1150℃温度下进行锻造，终锻温度为≥950℃。在1160℃温度下轧钢，终轧温度为≥950℃。淬火温度1180℃，回火温度550℃，回火时间1.5h/次，回火次数4次。

得到的稀土合金材料经力学性能测试，测得洛氏硬度hrc为68，延伸率为22%。

实施例2

一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料，其组成成分质量百分比为：c1.17%、si0.37%、mn0.3%、cr4.25%、mo4.9%，w6.0%，v2.25%，co0.5%，ni0.2%，al1.15%，ti0.013%，cu0.14%，nb0.022%，p0.010%，s0.008%，ce0.013%，la0.04%，fe78.66%，以及其他不可避免的杂质元素。采用非真空冶炼—电渣重熔双联工艺冶炼合金锭，重熔渣选用caf2-al2o3渣系，成分组成为70%caf2-25%al2o3-5%cao，质量为重熔合金锭质量的4.5%，冶炼中选用1400℃作为重熔温度，制备的合金锭表面光滑。再对该合金锭进行锻造+轧钢+精加工+淬火+回火工艺，锻造前将合金锭加热到1180℃，保温1.5h，在1165℃温度下进行锻造，终锻温度950℃。在1165℃下轧钢，终轧温度为≥950℃。淬火温度1200℃，回火温度560℃，回火时间1.6h/次，回火次数4次。得到的稀土合金材料经力学性能测试，测得洛氏硬度hrc为69，延伸率为21.5%。

实施例3

一种超硬车刀用低磷硫高韧性稀土合金材料，其组成成分质量百分比为：c1.35%、si0.45%、mn0.4%、cr4.5%、mo5.2%，w6.2%，v2.5%，co0.6%，ni0.25%，al1.3%，ti0.016%，cu0.18%，nb0.03%，p0.010%，s0.008%，ce0.016%，la0.018%，fe76.97%，以及其他不可避免的杂质元素。采用非真空冶炼—电渣重熔双联工艺冶炼合金锭，重熔渣选用caf2-al2o3渣系，成分组成为67%caf2-28%al2o3-5%cao，质量为重熔合金锭质量的5%，冶炼中选用1450℃作为重熔温度，制备的合金锭表面光滑。再对该合金锭进行锻造+轧钢+精加工+淬火+回火工艺，锻造前将合金锭加热到1190℃，保温1.2h，在1180℃温度下进行锻造，终锻温度≥950℃。在1175℃温度内轧钢，终轧温度为≥950℃。淬火温度1220℃，回火温度580℃，回火时间1.8h/次，回火次数4次。得到的稀土合金材料经力学性能测试，测得洛氏硬度hrc为70，延伸率为21%。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰品也视为本发明的保护范围内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。