一种高性能稀土工具钢及其制备方法与流程

本发明涉及工具钢生产技术领域，具体涉及一种高性能稀土工具钢及其制备方法。

背景技术：

工具钢是用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。工具钢需要具有较高的硬度且在高温下能保持高硬度和红硬性，以及高的耐磨性和适当的韧性。工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。

目前的工具钢在生产钻头等工具时，由于钻头对钢的冲击韧性和等向性要求较高，通过现有的工具钢生产的钻头，其冲击韧性和等向性均不能满足要求。因此急需一种高性能工具钢，满足钻头高冲击韧性和高等向性的要求。

专利号为201410477472.6，名称为切削钻头用低成本高速工具钢及其制备工艺，公开了通过降低贵重金属钨、钼的用量，并采用钛铌和镧铈混合稀土进行孕育处理，使高速钢的奥氏体晶粒和共晶组织明显得到细化，共晶碳化物大部分变成团球状且分布均匀，提高冲击韧性，但是钨钼的用量仍然很高，且钛、铌和镧铈混合稀土含量也较高，生产成本仍然很高。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种高性能稀土工具钢及其制备方法。本发明通过添加合适用量的镧铈合金，无需添加钨、钛、铌，在大幅度降低成本的同时，与本发明中的其他成分相互协同促进，使制备得到的工具钢具有高冲击韧性和高等向性。镧铈合金对工具钢强度的影响主要表现为细晶强化和固溶强化，细晶强化不仅是工具钢强化的重要途径，而且对钢的塑性和韧性影响最大，细晶强化是提高钢的塑性和韧性的重要途径。镧铈合金作为表面活性剂，易溶于内晶，其变形能远高于晶界溶解能，因此，镧铈合金是晶界的优先偏析，降低了界面张力和能量，降低了晶粒生长的驱动力，阻碍了晶界的运动，抑制了晶粒的生长。稀土具有钉扎位错和细化晶粒的作用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种高性能稀土工具钢，其化学成分及重量百分比为：碳0.20-0.25％，硅0.20-0.40％，锰0.25-0.55％，硫≤0.015％，磷≤0.015％，铬1.10-1.50％，镍2.50-3.50％，钼0.410-0.420％，钒0.010-0.020％，镧铈合金0.010-0.020％，余量为铁。

优选的，其化学成分及重量百分比为：碳0.23％，硅0.25％，锰0.31％，硫0.002％，磷0.015％，铬1.18％，镍2.99％，钼0.418％，钒0.015％，镧铈合金0.012％，余量为铁。

添加镧铈合金的目的是通过细化晶粒和固溶强化以达到增强冲击韧性和等向性的目的。

优选的，其横向冲击功为85.7j，其纵向冲击功为93.7j。

优选的，其等向性为0.91。所述等向性为钢横向韧性值与纵向韧性值之比，横向韧性值为横向冲击功与截面积的比值，纵向韧性值为纵向冲击功与截面积的比值。

本发明的第二方面，提供上述工具钢的制备方法，包括以下步骤：(1)熔炼；(2)精炼；(3)浇铸成铸锭；(4)锻造成型；(5)成型后回火处理制得成品。

优选的，步骤(1)中，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；所述熔炼温度为1590-1650℃，时间为1h。

优选的，步骤(2)中，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；然后再通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；所述精炼温度为1570-1630℃，时间为30min。

优选的，步骤(3)中，所述浇铸温度是1530℃，时间60min。

优选的，步骤(4)中，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃。

优选的，步骤(5)中，回火溫度为680℃。

通过上述制备方法先熔炼后再进行精炼，以及后续的浇铸、锻造及回火之间，通过合理的控制每个步骤的温度和时间，使各个步骤相互配合能够提高工具钢中合金成分的均匀性，同时降低杂质含量。

本发明的第三方面，提供上述工具钢在生产钻头中的用途。

本发明的第四方面，提供一种上述工具钢制备的钻头。

发明的有益效果：

(1)本发明通过添加合适用量的镧铈合金，无需添加钨钛、铌，并大幅本度降低锰及镧铈用量，在大幅度降低成本的同时，与本发明中的其他成分相互协同促进，使制备得到的工具钢具有高冲击韧性和高等向性。

第一，镧铈合金能使晶粒细化，晶界增大，位错运动阻力增大，由于细晶双相不锈钢的晶界增大，晶界能有效地钉入位错，提高了其强度；第二，镧铈合金能降低碳、氮的活性，增加碳、氮的溶解性，减少解吸量，使它们不能被分为内应力区或晶体缺陷，减少了大量针状位错的间隙原子，从而提高了钢的韧性；第三，钢中溶解的适量镧铈合金常通过扩散机制在晶界中富集，减少了晶界中夹杂物的分离，从而强化了晶界，在钢的热加工过程中，稀土化合物仍然保持较小的球形或纺锤形，在钢中分布均匀，钢的冲击韧性得到了显著提高。

(2)通过本发明生产的工具钢，其横向冲击功为85.7j，其纵向冲击功为93.7j，其等向性为0.91。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的工具钢的纵向冲击功和横向冲击功的示意图；

图2为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大100倍的纵向断口形貌图；

图3为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大500倍的纵向断口形貌图；

图4为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大1000倍的纵向断口形貌图；

图5为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大2000倍的纵向断口形貌图；

图6为本发明实施例1制备的工具钢在扫描电子显微镜下的纵向断口形貌图，图中右下角的标尺为10um；

图7为图6中1处的成分分析图；

图8为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大100倍的横向断口形貌图；

图9为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大500倍的横向断口形貌图；

图10为本发明实施例1制备的工具钢扫描电子显微镜放大1000倍的横向断口形貌图；

图11为本发明实施例1制备的工具钢在扫描电子显微镜下的横向断口形貌图，图中右下角的标尺为10um；

图12为图11中1处的成分分析图；

图13为图11中2处的成分分析图；

图14为实施例1纵向试样1的金相组织图；

图15为实施例1纵向试样2的金相组织图；

图16为实施例1纵向试样3的金相组织图；

图17为实施例1横向试样1的金相组织图；

图18为实施例1横向试样2的金相组织图；

图19为实施例1横向试样3的金相组织图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：高性能稀土工具钢的制备

其化学成分及重量百分比为：碳0.23％，硅0.25％，锰0.31％，硫0.002％，磷0.015％，铬1.18％，镍2.99％，钼0.418％，钒0.015％，镧铈合金0.012％，余量为铁。

(1)熔炼，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，温度为1590-1650℃，时间为1h，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；(2)精炼，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；温度为1570-1630℃，时间为30min；(3)浇铸成铸锭，浇铸温度是1530℃，时间60min；(4)锻造成型，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃；(5)成型后回火处理制得成品，回火溫度为680℃。

实施例2：高性能稀土工具钢的制备

其化学成分及重量百分比为：碳0.20％，硅0.22％，锰0.30％，硫0.015％，磷0.013％，铬1.20％，镍3.10％，钼0.420％，钒0.020％，镧铈合金0.015％，余量为铁。

其制备方法包括以下步骤：(1)熔炼，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，温度为1590-1650℃，时间为1h，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；(2)精炼，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；温度为1570-1630℃，时间为30min；(3)浇铸成铸锭，浇铸温度是1530℃，时间60min；(4)锻造成型，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃；(5)成型后回火处理制得成品，回火溫度为680℃。

实施例3：高性能稀土工具钢的制备

其化学成分及重量百分比为：碳0.25％，硅0.28％，锰0.33％，硫0.009％，磷0.010％，铬1.10％，镍2.90％，钼0.410％，钒0.010％，镧铈合金0.010％，余量为铁。

其制备方法包括以下步骤：(1)熔炼，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，温度为1590-1650℃，时间为1h，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；(2)精炼，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；温度为1570-1630℃，时间为30min；(3)浇铸成铸锭，浇铸温度是1530℃，时间60min；(4)锻造成型，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃；(6)成型后回火处理制得成品，回火溫度为680℃。

测定实施例1-3制备的工具钢的纵向冲击功和横向冲击功，并计算其等向性。分别从实施例1-3制备的工具钢取样，从每个工具钢横截面宽度1/4处和厚度1/4处位置分别取样，制得纵向试样和横向试样，每个实施例的纵向试样和横向试样各制样3个，试样规格为55mm(长)×10mm(宽)×10mm(厚)，开u型缺口，通过缺口冲击试验机进行缺口冲击试验，测试室温(20℃)下工具钢的冲击性能。

实施例1工具钢试样的纵向冲击功和横向冲击功如表1和图1所示。

表1

实施例2工具钢试样的纵向冲击功和横向冲击功如表2所示。

表2

实施例3工具钢试样的纵向冲击功和横向冲击功如表3所示。

表3

由表1、2、3可知，通过本发明生产的工具钢，纵向冲击功和横向冲击功明显提升，即工具钢横向和纵向冲击韧性提高，且等向性也显著提高，其中实施例1的等向性最优。

通过扫描电子显微镜观察实施例1制备的工具钢的断口形貌，如图2、3、4、5、6、8、9、10、11所示，并将断口形貌夹杂物形貌及成分进行分析，如图7、12、13所示。

通过分析断口处夹杂物成分可知，断口韧窝处的球形或纺锤形夹杂物为镧铈夹杂物。添加镧铈合金后，钢中形成的球形或纺锤形夹杂物有效改善钢材的横向和纵向冲击韧性，能有效提高等向性。

通过显微镜对观察实施例1纵向试样和横向试样的金相组织，如图14-19所示。由上图可知，各个纵向试样和横向试样的金相组织均为回火索氏体。

对比例1:工具钢的制备

其化学成分及重量百分比为：碳0.23％，硅0.25％，锰0.31％，硫0.002％，磷0.015％，铬1.18％，镍2.99％，钼0.418％，钒0.015％，铜0.08％，钛0.003％，铌0.004％，镧铈合金0.06％，余量为铁。

其制备方法包括以下步骤：(1)熔炼，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、铌铁、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，温度为1590-1650℃，时间为1h，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；(2)精炼，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；温度为1570-1630℃，时间为30min；(3)浇铸成铸锭，浇铸温度是1530℃，时间60min；(4)锻造成型，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃；(5)成型后回火处理制得成品，回火溫度为680℃。

对比例1与实施例1相比，改变镧铈合金的用量，并添加铜、铌、钛。

对比例2:工具钢的制备

其化学成分及重量百分比为：碳0.23％，硅0.25％，锰0.31％，硫0.002％，磷0.015％，铬1.18％，镍2.99％，钼0.418％，钒0.015％，铜0.08％，钛0.003％，铌0.004％，镨0.012％，余量为铁。

其制备方法包括以下步骤：(1)熔炼，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、铌铁、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，温度为1590-1650℃，时间为1h，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；(2)精炼，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；温度为1570-1630℃，时间为30min；(3)浇铸成铸锭，浇铸温度是1530℃，时间60min；(4)锻造成型，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃；(5)成型后回火处理制得成品，回火溫度为680℃。

对比例2与实施例1相比，改变稀土元素的种类，并添加铜、铌、钛。

对比例3:工具钢的制备

其化学成分及重量百分比为：碳0.23％，硅0.25％，锰0.31％，硫0.002％，磷0.015％，铬1.18％，钼4.018％，钒0.015％，铜0.08％，钛0.003％，铌0.004％，镧铈合金0.012％，余量为铁。

其制备方法包括以下步骤：(1)熔炼，将纯铁、金属铬、氮化铬铁、电解镍、铌铁、钒铁、硅铁、锰铁按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比进行配料放入中频感应电炉中熔炼成钢水，温度为1590-1650℃，时间为1h，通过炉前光谱成分分析，添加所缺的合金炉料直至满足钢水成分要求；(2)精炼，钢水转入精炼炉后按高性能稀土工具钢中的化学成分及重量百分比加入镧铈合金，其中镧铈合金是通过喂线机喂入稀土线的方式添加，喂线速度控制在块度1.8±0.2m/s；温度为1570-1630℃，时间为30min；(3)浇铸成铸锭，浇铸温度是1530℃，时间60min；(4)锻造成型，锻造温度为1200℃，开锻温度为1150-1200℃；(5)成型后回火处理制得成品，回火溫度为680℃。

对比例3与实施例1相比，不含镍，并改变钼的用量，同时添加铜、铌、钛。

测定对比例1-3制备的工具钢的纵向冲击功和横向冲击功，并计算其等向性。纵向冲击功和横向冲击功的测定方法与实施例1-3的测定方法一致。

对比例1工具钢试样的纵向冲击功和横向冲击功如表4所示。

表4

对比例2工具钢试样的纵向冲击功和横向冲击功如表5所示。

表5

对比例3工具钢试样的纵向冲击功和横向冲击功如表6所示。

表6

由表4-6所示，对比例1改变镧铈合金的用量，即使添加并添加铜、铌、钛等有益元素，纵向冲击功和横向冲击功也明显低于各个实施例，等向性也显著降低，因此添加本发明用量的镧铈合金后，工具钢横向和纵向冲击韧性提高，等向性提高；对比例2改变稀土元素的种类后，即使添加并添加铜、铌、钛等有益元素，纵向冲击功和横向冲击功明显低于各个实施例，等向性也显著降低，因此只有添加镧铈合金才能提高工具钢的横向冲击韧性、纵向冲击韧性和等向性；对比例3不含镍，并改变钼的用量，即使添加并添加铜、铌、钛等有益元素，纵向冲击功和横向冲击功明显低于各个实施例，等向性也显著降低，因此去掉本发明一种或几种成分，或者改变其用量，都会降低工具钢的性能，因此本发明中的化学成分相互协同，缺一不可。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。