本发明涉及高速钢技术领域，特别涉及一种新型高速钢材料及其制备工艺。
背景技术：
m42是一种现有的高速钢材料，其主要用于精密耐磨五金冷冲模，也可用于精密切削工具，其具有高温硬度高，重切削，被加工工件精密度高的特点。现有的m42更强调的是切削性能，其韧性较差，满足不了强韧性、耐磨的工模具对韧性性能的要求。而且m42钢材中含钴8％，即1吨m42需要co元素80千克。co是一种贵金属，如此不但导致m42钢材价格较高，且不利于国家对于贵金属资源的保护。针对上述问题，在强韧性、耐磨的工模具应用领域有必要提出进一步的解决方案。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的上述缺陷，提出一种新型高速钢材料及其制备工艺，具有强韧性和耐磨的优点。
为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
根据本发明一个方面，提供一种新型高速钢材料，该新型高速钢材料的化学成分以重量百分数计由下列组分组成：c1.00～1.20％、w0.75～2.25％、mo8.05～10.05％、cr3.50～4.75％、v0.70～1.75％、co2.55～3.90％、p≤0.03％、s≤0.03％、si0.10～1.10％、mn0.10～0.95％、残留元素≤0.55％，余量为fe。
在一些实施方式中，该新型高速钢材料的化学成分以重量百分数计其中：c1.10％、w1.50％、mo9.05％、cr4.12％、v1.22％、co3.22％、p0.02％、s0.015％、si0.60％、mn0.52％。
在一些实施方式中，所述残留元素包括ni和cu，所述ni≤0.25％、cu≤0.30％。
在一些实施方式中，还包括nb元素，以重量百分数计nb0.03％～1.00％。
根据本发明另一个方面，提供一种上述新型高速钢材料的制备工艺，包括以下步骤：
s1：按照权利要求1所述的成分配比，将原材料融化成钢水，并浇注成铸锭；
s2：利用电渣重熔的方法对步骤s1得到的铸锭进行提纯；
s3：将步骤s2得到的电渣锭通过压力加工的方式制成成品钢；
s4：对步骤s3得到的成品钢进行球化退火；
s5：对球化退火后的成品钢进行进一步热处理；
s6：对步骤s5得到的成品钢进行深冷处理。
在一些实施方式中，步骤s4具体包括：将成品钢在840-860℃条件下等温退火6-10h，然后随炉冷却到740-760℃下等温退火4-8h，随炉冷却到200℃，出炉空冷。
在一些实施方式中，步骤s5具体包括：在650℃下预热2h，然后再850℃下预热2h，再在1020℃下预热2h，然后在1160℃-1220℃下淬火，回火4次，每次540-560℃。
在一些实施方式中，步骤s5具体包括：在-160℃下保温4h。
本发明的有益效果至少包括：本发明提供了具有强韧性和耐磨性的新型高速钢材料，在强韧性、耐磨的工模具应用领域能全面替代进口高牌号钢种，如m42/m35/粉沫钢等。本发明同时解决了传统m42钢材需要大量co元素，将co元素含量从8％降到3％，即降低成本的同时利于国家对于贵金属资源的保护。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做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。
根据本发明的一个方面，提供一种新型高速钢材料。表1给出了本发明的新型高速钢材料成分的五个实施例。其中ni与cu为属于残留元素。所谓残留元素是指在炼钢过程中通常炼钢原料(包括铁水、废钢及铁合金等)可能将杂质元素带入炼钢炉中，一部分杂质元素可以去除，但仍有一部分将最终残留在钢中。ni和cu是比较典型的残留元素，在钢中不会形成碳化物，对高速钢性能影响很小。对于其他与cu和ni类似的元素也可以归入到残留元素，这些残留元素通常在冶炼中难以避免，在钢中不会形成碳化物且对高速钢性能影响很小，残留元素的总量小于等于0.55％。co元素在高速钢中的主要作用是提高钢的高温红硬性，co不形成碳化物，大量的co元素游离在钢中是导致m42钢脆性大的原因之一，本发明降低了co的含量，不仅节约了co资源和降低了成本，而且还提高了钢的韧性。
表1新型高速钢材料成分(重量百分比)
表1中的五个实施例均采用如下工艺制备，具体步骤包括：
s1：按表1所述的新型高速钢材料的成分配比，将铁合金、废钢等原材料按比例加入到电弧熔炼炉中，同时将造渣材料、增碳剂、氧化剂以及还原剂加入到电弧熔炼炉中，熔化形成钢水，再将钢水浇铸形成铸锭，将得到的铸锭进行等温退火，去除应力。具体地，钢水通过钢模圆桶浇铸形成铸锭，将所述铸锭进行5-7天的等温退火。
s2：将步骤s1得到的铸锭进行电渣重熔，得到电渣锭，将所述电渣锭进行等温退火，去除应力。电渣重熔能提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。
s3：将步骤s2得到的电渣锭通过压力加工的方式制成成品钢。具体地，先将电渣锭进行十字等向锻造，形成中间坯，将中间坯进行等温退火去除应力，再将中间坯经过轧制形成成品钢，将所述成品钢进行5-7天的等温退火，得到的成品钢为直径小于50mm的圆钢或厚度为20mm、宽度为610mm以内的扁钢；或将中间坯经过锻造形成成品钢，将所述成品钢进行5-7天的等温退火，得到的成品钢为直径大于51mm的圆钢或厚度大于21mm、宽度大于611mm的扁钢。压力加工能破碎高速钢中的碳化物和细化晶粒，提高韧性和耐磨性。
s4：将步骤s3得到的成品钢在840-860℃条件下，等温退火6-10h，随炉冷却到740-760℃，再等温退火4-8h，随炉冷却至200℃，出炉空冷。
s5：对步骤s4得到的成品钢进行进一步热处理。先进行三段预热，再进行淬火并保温，回火。具体条件为依次在650℃下预热2h、850℃下预热2h和1020℃下预热2h，然后在1160℃-1220℃下淬火，并根据成品钢材的有效厚度设定保温时间，最后回火4次，每次回火温度为540-560℃。
s6：对步骤s5得到的成品钢进行深冷处理。具体条件为在-160℃下保温4h。深冷处理能够提高材料的硬度、耐磨性和冲击韧性。
表1中的五个实施例的新型高速钢材料均在上述工艺下制备出成品钢，经过检测，硬度均达到了hrc65-68，都能达到使用要求。
作为本发明的改进，在本发明的成分基础上，还可以通过添加nb元素来细化晶粒，提高钢的韧性，并获得高硬度。比如，在表1的五个实施例中分别添加0.03％-1％的nb元素，可以使钢获得hrc65-68的高硬度。在本发明的另外一些实施方式中，还可以添加稀土元素细化晶粒，提高材料的韧性和硬度。
本发明的新型高速钢材料不仅耐磨性能好，而且具有强韧性，尤其适用于对韧性要求高的工模具领域，比如应用于金属冷成型模具。将本发明的新型高速钢材料应用于10.9级紧固件及12.9级紧固件加工模具，测试了其使用寿命，并与现有的m42和asp60粉末钢进行对比，同时比较了三者的成本，其结果见表2。从表2中可以看出，应用于10.9级紧固件模具时，本发明的新型高速钢材料的使用寿命是现有的m42的5.7倍，是asp60粉末钢的2.8倍。本发明的新型高速钢材料在12.9级紧固件模具上的寿命也高于现有的m42和asp60粉末钢。相比于现有的m42高速钢和粉末钢，由于本发明在耐磨性没有下降的情况下，提高了韧性，因此本发明的高速钢材料所制成的紧固件加工模具的主要失效模式为疲劳磨损，更倾向于自然失效，而普通的m42和粉末钢所制成的紧固件加工模具由于韧性较差，更多的是发生崩断或脆断，因此利用本发明制备的工模具具有更长的使用寿命。对比三者的成本，本发明的成本是进口m42的73％，是进口asp60粉末钢的15％。因此，本发明的新型高速钢材料在强韧性、耐磨的工模具应用领域能全面替代进口和国产高牌号钢种，如m42/m35/粉沫钢等，并能够取得极大的经济效益。
表2本发明与现有m42、asp60粉末钢的使用寿命及成本的比较