本发明涉及金属铸造领域，具体涉及一种数控铣床铣刀用高速工具钢及其制造方法。
背景技术：
铣床是一种使用铣刀在工件上进行加工的机床，通常铣刀旋转运动为主运动。在切削加工时，铣刀切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和强烈的摩擦，铣刀切屑区产生很高的温度，受到很大的应力。在加工余量不均匀的工件或断续加工时，铣刀还受到强烈的冲击和振动，因此铣刀材料应具备以下基本要求：高的硬度和耐磨性；有足够的强度和韧性；耐热性；经济性。目前铣刀的主要材料选用的是高速工具钢。
高速工具钢属于高碳高合金莱氏体钢，其主要的组织特征之一是含有大量的碳化物。铸态高速工具钢中的碳化物是共晶碳化物，经热压力加工后破碎成颗粒状分布在钢中，称为一次碳化物；从奥氏体和马氏体基体中析出的碳化物称为二次碳化物。这些碳化物对高速工具钢的性能影响很大，特别是二次碳化物，其对钢的奥氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影响。碳化物的数量、类型与钢的化学成分有关，而碳化物的颗粒度和分布则与钢的变形量有关。钨、钼是高速工具钢的主要合金元素，对钢的二次硬化和其他性能起重要作用。铬对钢的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用，对二次硬化也有一定的作用。钒也对钢的二次硬化和耐磨性起重要作用。
由于资源和经济的双重压力，国际上又开始了低合金高速工具钢的研究，如果在降低如钨、钴、钒、钼等贵重金属的使用的同时，又能保证高速工具钢的强度、硬度、韧性等机械性能，那无论对环境保护和经济利益方面都有很大的益处。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种数控铣床铣刀用高速工具钢及其制造方法，具有节约资源，生产成本低，强度和硬度高，耐磨耐腐蚀性能优秀的优点。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c0.80-1.25％、w1.10-1.95％、mo1.45-2.10％、cr3.50-4.12％、co0.23-0.38％、v1.00-1.75％、si0.52-0.75％、al0.35-0.60％、ti0.15-0.35％、ni0.30-0.75％、nb0.10-0.25％、n0.03-0.06％、s0.01-0.03％、其余为铁。
优选地，所述数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c0.97-1.10％、w1.21-1.50％、mo1.55-1.84％、cr3.65-4.00％、co0.45-0.22％、v1.23-1.50％、si0.60-0.69％、al0.43-0.55％、ti0.18-0.25％、ni0.40-0.53、nb0.15-0.18％、n0.04-0.05％、s0.015-0.028％、其余为铁。
其中，上述数控铣床铣刀用高速工具钢的制造方法包括以下步骤：
(1)将原料加热熔融后，进行合金成分调整，经元素含量检测合格后，进行脱氧、变质处理，调整金属液的温度至1490-1550℃出炉；
(2)模具预热至200-300℃后，将金属液浇入模具中，加压至80-100mpa，保压40-60s后，冷却降温得到胚料；
(3)将坯料加热至1000-1200℃，保温2-4h，再炉冷至550-600℃，保温2-4h后，炉冷至250℃出炉空冷至室温，得到高速工具钢半成品；
(4)将所述高速工具钢半成品置于氮化炉中，通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽，加热至450-500℃，离子共渗处理10-20min后，即可得到所述高速工具钢。
优选地，所述步骤(1)中脱氧处理用脱氧剂为al。
优选地，所述步骤(1)中变质处理用变质剂为re-mg-ti复合变质剂。
优选地，所述步骤(4)中所通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽的体积比为15:3:1。
本发明中高速工具钢的化学成分设计：
碳在高速钢中，一方面与碳化物形成元素钨、钒、铬、铌等形成足够数量的碳化物，又有一定的碳量溶入高温奥氏体中，使高速钢淬火后获得过饱和的马氏体，提高高速钢的强度和硬度。钨是提高高温硬度和耐磨性的主要元素，它在高速钢中既能形成碳化物，又能部分溶于固体中。钼的加入能急剧提高钢的淬透性和断面均匀性，防止回火脆性的发生，提高高速钢的回火稳定性，改善冲击韧度，增加抗热疲劳性能。而钼和钨是同族元素，结构与物理性能极其相近，可以互相代替，1％的钼可以替代1.6-2.0％的钨，因此在以钼替代部分钨的高速钢中，一方面合金元素的加入量可以减少，同时通过多元合金减少偏析倾向，相应基体组织中碳化物分布的不均匀性也将减轻。钒是高速钢耐磨性的重要合金元素之一。这是由于钒可以增加高速钢中高硬度mc型碳化物的数量，有利于提高高速钢耐磨性。在高速钢中铬主要是增加淬硬层深度，提高高速钢抗氧化性的作用，铌的夺碳能力强于钒，在高钒的情况下，加入铌可以使钒更多的溶于基体中，可以获得良好的二次硬化效果。研究发现在原料中加入钴，可显著提高钢的硬度、耐磨性和韧性。高速工具钢的表面渗氮和硫后，不仅增加其硬度和耐磨性，也显著改善抗腐蚀性。钛是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力，降低时效敏感性和冷脆性，避免晶间腐蚀。
(三)有益效果
本发明提供了一种数控铣床铣刀用高速工具钢及其制造方法，具有以下优点：
(1)本发明中，减少了碳与钒的量，使碳化物的总量减少，使碳化物的不均匀性得到改善，冲击韧性和抗弯强度得到提高，其他如钨、钼、钴的含量相比传统工艺均有所降低，同时产品本身的质量并没有明显的降低，某些性质还有一定幅度的提高，这对于资源和经济方面有非常重大的意义。
(2)采用挤压铸造工艺，与普通重力铸造相比，挤压铸造得到的高速工具钢组织致密，硬度和拉伸强度得到提高，冲击韧性更是能提高40％左右，所生产的铣刀使用寿命得到大幅度提高。
(3)采用离子硫氮共渗工艺，生产的高速工具钢的耐磨性能和韧性均得到提高，所生产的铣刀使用寿命约提高了25％。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c0.97％、w1.21％、mo1.55％、cr3.65％、co0.45％、v1.23％、si0.60％、al0.43％、ti0.18％、ni0.53、nb0.18％、n0.05％、s0.028％、其余为铁。
其中，上述数控铣床铣刀用高速工具钢的制造方法包括以下步骤：
(1)将原料加热熔融后，进行合金成分调整，经元素含量检测合格后，用脱氧剂al进行脱氧处理、用re-mg-ti复合变质剂进行变质处理后，调整金属液的温度至1500℃出炉；
(2)模具预热至270℃后，将金属液浇入模具中，加压至85mpa，保压45s后，冷却降温得到胚料；
(3)将坯料加热至1100℃，保温3h，再炉冷至570℃，保温3h后，炉冷至250℃出炉空冷至室温，得到高速工具钢半成品；
(4)将所述高速工具钢半成品置于氮化炉中，通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽，所通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽的体积比为15:3:1，加热至450-500℃，离子共渗处理10-20min后，即可得到所述高速工具钢。
实施例2：
一种数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c1.10％、w1.50％、mo1.84％、cr4.00％、co0.22％、v1.50％、si0.69％、al0.55％、ti0.25％、ni0.40、nb0.15％、n0.04％、s0.015％、其余为铁。
其中，上述数控铣床铣刀用高速工具钢的制造方法包括以下步骤：
(1)将原料加热熔融后，进行合金成分调整，经元素含量检测合格后，用脱氧剂al进行脱氧处理、用re-mg-ti复合变质剂进行变质处理后，调整金属液的温度至1490℃出炉；
(2)模具预热至200℃后，将金属液浇入模具中，加压至80mpa，保压40s后，冷却降温得到胚料；
(3)将坯料加热至1000℃，保温4h，再炉冷至550℃，保温4h后，炉冷至250℃出炉空冷至室温，得到高速工具钢半成品；
(4)将所述高速工具钢半成品置于氮化炉中，通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽，所通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽的体积比为15:3:1，加热至500℃，离子共渗处理20min后，即可得到所述高速工具钢。
实施例3：
一种数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c0.80％、w1.10％、mo1.45％、cr3.50％、co0.23％、v1.00％、si0.52％、al0.35％、ti0.15％、ni0.30、nb0.10％、n0.03％、s0.01％、其余为铁。
其中，上述数控铣床铣刀用高速工具钢的制造方法包括以下步骤：
(1)将原料加热熔融后，进行合金成分调整，经元素含量检测合格后，用脱氧剂al进行脱氧处理、用re-mg-ti复合变质剂进行变质处理后，调整金属液的温度至1550℃出炉；
(2)模具预热至300℃后，将金属液浇入模具中，加压至100mpa，保压60s后，冷却降温得到胚料；
(3)将坯料加热至1200℃，保温2h，再炉冷至600℃，保温2h后，炉冷至250℃出炉空冷至室温，得到高速工具钢半成品；
(4)将所述高速工具钢半成品置于氮化炉中，通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽，所通入氨气、二氧化硫和乙醇蒸汽的体积比为15:3:1，加热至450℃，离子共渗处理10min后，即可得到所述高速工具钢。
实施例4：
一种数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c1.25％、w1.95％、mo2.10％、cr4.12％、co0.38％、v1.75％、si0.75％、al0.60％、ti0.35％、ni0.75％、nb0.25％、n0.06％、s0.03％、其余为铁。
制造方法与实施例1基本相同，区别在于，步骤(1)中出炉温度为1540℃，步骤(2)中模具预热至270℃，加压至95mpa，保压55s，步骤(3)中胚料加热至1150℃，保温4h，再炉冷至580℃，保温2h，步骤(4)中加热至480℃，离子共渗处理15min。
实施例5：
一种数控铣床铣刀用高速工具钢，包括以下重量百分含量的组分：c0.85％、w1.63％、mo1.65％、cr3.79％、co0.25％、v1.54％、si0.72％、al0.48％、ti0.22％、ni0.65％、nb0.18％、n0.05％、s0.01％、其余为铁。
制造方法与实施例1基本相同，区别在于，步骤(1)中出炉温度为1550℃，步骤(2)中模具预热至230℃，加压至85mpa，保压40s，步骤(3)中胚料加热至1050℃，保温2h，再炉冷至550℃，保温2h，步骤(4)中加热至500℃，离子共渗处理13min。
性能检测：
表1为本发明实施例1-5制造的高速工具钢的性能检测结果：
表1：性能检测结果
综上，本发明实施例具有如下有益效果：硬度高达到65-67，耐高温，韧性高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。