专利名称：低成本的高速钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低成本的高速钢，属于冶金技术的技术领域。
背景技术：
在传统的高速钢和高合金工具钢中，由于其含有大量的贵重元素W、Mo、V等，因此这类材料的价格昂贵。为此人们发明了多种低合金高速钢或低合金工具钢来代替部分通用高速钢或高合金工具钢，以降低使用成本，如专利号为98111868.2的“一种新型含铝低合金高速钢”，但这些低合金高速钢一方面所含的贵重元素W、Mo、V等合金元素量仍然较高，材料成本仍较高；另一方面，其通过加入较多的非碳化物形成元素Al、Si等来代替W、Mo、V等贵重元素以降低上述合金含量，但由于加入非碳化物形成元素Al、Si等会增加脱碳敏感性，降低钢材韧性和热加工性能，在高温加热时会产生晶粒不均匀长大等现象，而且降低贵重元素W、Mo、V还会使奥氏体晶粒粗化。这些因素阻碍了低合金高速钢的应用和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的高速钢，其成本低廉且性能优异，以解决现有技术中使用的合金工具钢存在的不足。
本发明是这样构成的它以C、Cr、Si、Mn、W为主加合金元素，再添加少量Mo、V、Al，按照重量百分数，其化学成分范围为C 0.9～1.5、Cr 4.0～8.0、Si 1.0～2.0、Mn 0.9～2.2、W 1.0～3.0、Al0.5～1.2、Mo 0.5～1.5、V 0.4～1.5，其余为Fe；钢中还可含有微量的一种或一种以上的元素如下，其重量百分数为Nb 0.03～0.2、Re0.006～0.04、Ti 0.03～0.2；钢中的S、P为杂质，其重量百分数为S≤0.02、P≤0.03。
为显著降低材料成本，同时保证高速钢的基本性能，本发明添加了较多的Cr、Mn、Si、Al等廉价元素，其量占到合金总量的70％。在低合金高速钢的基础上进一步降低W、Mo、V的含量，使材料成本大幅度降低。对Mn、Si、Al这些廉价合金元素，大都作为有害元素，在传统高速钢中是不添加或很少添加，特别是合金元素Mn增加残余奥氏体的量、降低热稳定性、粗化奥氏体晶粒、使切削性变差等。但这些元素在适合的加入量以及与Si、Al的配合并通过热处理工艺能有效的避免上述弱点。通过研究得出合金元素Mn、Si、Al、Cr它们对钢回火稳定性、二次硬化具有显著影响，其作用各有不同。其中Mn元素能溶入碳化物中，降低它们的原子键力，促进碳化物溶解进入奥氏体，从而使更多的碳和合金元素溶入奥氏体，在回火过程产生显著的二次硬化效应。同时Mn与Si、Al配合可显著提高碳化物的分布均匀性，从而获得具有高强韧性、高硬度，并具有高的红硬性，热加工性能优异、成材率高、不易淬火开裂等特点，可代替普通高速钢，用于制造切削工具、模具以及在高温下工作的耐磨件。
与现有技术相比，本发明具有以下特点(1)、材料成本特别低廉，成本仅为现行通用高速钢的1/3；(2)、具有优异的热加工性能，成材率高；(3)碳化物分布均匀、细小，晶粒细小；(4)、具有高的韧性，可重复淬火不易淬火开裂，对形状复杂的工具、零件可采用空冷方式减少变形。(5)淬火加热温度低、热处理工艺简单、节能效果显著。
本发明是利用廉价合金元素Mn与Si、Al配合促进碳化物溶解、充分溶解少量的贵重合金元素，在回火时，增加析出物的数量，细化碳化物，使回火稳定性增加。并使回火过程中大量残留奥氏体转变为马氏体，在这些因素的共同作用下产生显著的二次硬化效应。同时弱碳化物元素Mn与大量的非碳化物元素Si、Al共同加入，显著增加碳化物分布的均匀性，提高热加工性能，增加成材率，从而获得了性能优异的廉价高速钢。
本发明的钢中各元素的作用如下Cr由于Cr属于强碳化物元素，当Cr含量增加时形成硬度很高的一次碳化物M7C，提高钢的耐磨性，现有研究理论认为Cr元素还具有促进二次硬化的作用。
Mn是提高淬透性的元素，并降低Ms点，同时增加残留奥氏体量。由于Mn与S有较强的结合力，还能有效的降低S对热加工性能的危害，提高锻轧性能。此外试验表明，Mn还具有促进碳化物溶解的作用。因此加入适量的合金元素锰对降低碳化物溶解温度，从而降低加热淬火温度。弱碳化物元素Mn与较大量的非碳化物元素Si、Al共同加入，一方面使碳化物形成过程需要排开这些非碳化物元素，阻碍大块碳化物的形成，另外Mn减少一次碳化物的数量，故显著增加碳化物分布的均匀性，提高热加工性能，增加成材率具有很好的作用。
Si在钢中Si起到抑制碳化物从奥氏体中析出，在回火时，增加析出物的数量，并细化碳化物，因此显著提高二次硬化水平。通过增加Cr量减少或避免其脱碳敏感性，增加Mn量来提高韧性。由于本发明钢同时含有较多量的Mn、Si、Al，导致淬火后有较多的残留奥氏体，通过适当的回火工艺可以使大量残留奥氏体转变为马氏体获得很好的二次硬化效果。
Al是强铁素体形成元素，具有促进二次硬化的作用，并具有替代部分W的作用。
Re加入微量的混合稀土合金Re可显著改善韧性和可锻性，并有细化碳化物的作用。
Nb、Ti强碳化物形成元素，形成的碳化物具有细化晶粒的作用。
W、Mo、V这些元素是主要产生二次硬化的元素，与上述元素配合可进一步细化晶粒，增加淬火硬度和二次硬化硬度；从而提高耐磨性和红硬性。
本发明的生产工艺相关参数如下冶炼温度1550℃～1620℃，浇注成锭；锻轧工艺始锻温度1050℃～1100℃、终锻温度大于850℃；退火工艺830℃～860℃，加热随炉冷；淬火回火工艺1050℃～1100℃油冷或空冷，520℃～550℃多次回火，HRC63～65、600℃红硬性HRC54～58；抗弯强度2800MPa～3800MPa、冲击韧性20～35J；碳化物级别小于2级，在上述工艺条件下的晶粒度9～11级
具体实施例方式本发明的实施例1C 0.9、Cr 4.0、Si 1.1、Mn 2.0、W 2.8、Al 1.1、Mo 1.3、V 1.4、Re 0.03、Nb 0.17，其余为Fe，钢中S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例2C 1.4、Cr 7.5、Si 1.78、Mn 1.2、W 2.1、Al 0.6、Mo 0.7、V 0.8、Nb 0.12，其余为Fe，钢中S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例3C 1.05、Cr 5.5、Si 1.60、Mn 1.0、W 2.0、Al 0.8、Mo 0.85、V 0.6、Re 0.01，其余为Fe，钢中S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例4C 0.9、Cr 6.5、Si 1.9、Mn 1.4、W 1.3、Al 0.9、Mo 0.75、V 1.5，Ti 0.1，其余为Fe，钢中S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例5C 1.2、Cr 6.0、Si 1.65、Mn 1.6、W 2.5、Al 0.7、Mo 0.8、V 0.65、Re 0.03，其余为Fe，钢中S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例6C 1.3、Cr 7.0、Si 1.6、Mn 1-3、W 2.1、Al 0.9、Mo 0.9、V 0.6、Re 0.01、Nb 0.10，其余为Fe，钢中S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例7C 0.9、Cr 6.0、Si 1.0、Mn 2.2、W 2.3、Al0.5、Mo 0.5、V 0.4、Nb 0.03、Re 0.006，其余为Fe。
本发明的实施例8C 1.5、Cr 8.0、Si 2.0、Mn 0.9、W 3.0、Al 1.2、Mo 1.5、V 0.4、Nb 0.2、Re 0.04，其余为Fe。
本发明的实施例9C 0.9、Cr 7.0、Si 1.0、Mn 0.9、W 1.0、Al 0.5、Mo 1.5、V 1.5，其余为Fe；钢中还可含有微量元素Nb 0.03、Re 0.006、Ti 0.03；钢中的S、P为杂质，其重量百分数为S≤0.02、P≤0.03。
本发明的实施例10C 1.5、Cr 8.0、Si 2.0、Mn 2.2、W 1.2、Al 1.2、Mo 1.5、V 0.5，其余为Fe；钢中含有微量元素Nb 0.2、Re0.04、Ti 0.2；钢中的S、P为杂质，其重量百分数为S≤0.02、P≤0.03。
上述实施例采用的生产工艺的相关技术参数如下冶炼温度1550℃～1620℃，浇注成锭；锻轧工艺始锻温度1050℃～1100℃、终锻温度大于850℃；退火工艺830℃～860℃，加热随炉冷；淬火回火工艺1050℃～1100℃油冷或空冷，520℃～550℃多次回火，HRC63～65、600℃红硬性HRC54～58；抗弯强度2800MPa～3800MPa、冲击韧性20～35J，碳化物级别小于2级，在上述工艺条件下的晶粒度9～11级。
权利要求
1.一种低成本的高速钢，其特征在于它以C、Cr、Si、Mn、W为主加合金元素，再添加少量Mo、V、Al，按照重量百分数，其化学成分范围为C 0.9～1.5、Cr 4.0～8.0、Si 1.0～2.0、Mn 0.9～2.2、W 1.0～3.0、Al 0.5～1.2、Mo 0.5～1.5、V 0.4～1.5，其余为Fe。
2.按照权利要求1所述的低成本的高速钢，其特征在于钢中还含有微量的一种或一种以上的元素，其重量百分数为Nb 0.03～0.2、Re 0.006～0.04、Ti 0.03～0.2。
3.按照权利要求1或2所述的低成本的高速钢，其特征在于钢中的S、P为杂质，其重量百分数为S≤0.02、P≤0.03。
全文摘要
本发明是一种低成本的高速钢，它以C、Cr、Si、Mn、W为主加合金元素，再添加少量Mo、V、Al组成；本产品具有高强韧性、高硬度，并具有高的红硬性，热加工性能优异、成材率高、不易淬火开裂等特点，可代替普通高速钢，用于制造切削工具、模具以及在高温下工作的耐磨件，由于较少添加贵重的Mo、V、W等合金元素，因此具有成本低廉的优点。
文档编号C22C38/26GK1884607SQ20051000311
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者梁益龙, 雷旻, 陈伦军, 张晓燕, 高宏 申请人:贵州大学