專利名稱:高速工具鋼及其熱處理工藝的制作方法

　　本發(fā)明涉及一種高速工具鋼，特別是一種加入Al、N的具有較好綜合性能的鎢鉬高速工具鋼及其熱處理工藝。

　　在本發(fā)明做出之前，日本特許廳特許出愿公開(kāi)昭57-82465記載了含有Al、N的高速工具鋼，其化學(xué)成分如下C0.6～3.0%，Si0.1～2.0%，Mn1.0%以下，Cr2～10%，W0.1～20%，Mo0.1～12%，V2.4～6%，Co0.1～20%，Ni1.0%以下，Al0.1～0.5%，N0.02～0.15%，并滿足〔Al〕×〔N〕≥8×10-3，其余為Fe及不純物。然而上述的高速工具鋼，含有我國(guó)稀缺Co、Ni貴重金屬元素，V含量也高，因此，成本高;同時(shí)，韌性較差，不能用來(lái)做模具;再則，熱處理淬火區(qū)間較窄，熱處理工藝性較差。

　　本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種新型高速工具鋼，不但能省去我國(guó)稀缺貴重金屬Co、Ni，降低成本，而且淬火溫度范圍寬、熱處理工藝性好，具有較高的紅硬性、耐磨耗性和韌性，好的熱扭轉(zhuǎn)性能等;擴(kuò)大高速工具鋼的使用范圍。

　　本發(fā)明是以如下方式實(shí)現(xiàn)的。要求化學(xué)成分為C0.7～1.5%，Si0.2～1.0%，Mn0.1～0.4%，Cr2～6%，W1～20%，Mo1～12%，V0.8～4%，Al0.5～1.5%，N0.01～0.10%，其余為Fe和不純物質(zhì)。

　　也可在上述化學(xué)成分的基礎(chǔ)上添加入Ti0.01～0.5%，Re0.005～0.6%或加入其中之一。以提高其韌性等綜合性能。

　　化學(xué)成分的限定理由是

　　CC的加入量要與W、Mo、V的含量相匹配，一般遵循“平衡碳”公式匹配，C是高速工具鋼硬度、紅硬性、抗彎強(qiáng)度、韌性、熱塑性等性能的主要影響元素，其含量不足0.7%時(shí)高速工具鋼得不到必要的硬度，但超過(guò)1.5%時(shí)高速工具鋼顯著變脆，韌性降低，所以碳含量限定為0.7～1.5%。

　　Si∶Si主要作為脫氧劑加入，其含量對(duì)高速工具鋼的碳化物形態(tài)有影響，若超過(guò)0.5%時(shí)則促使其棒狀碳化物M2C分解生成M6C+MC的微細(xì)碳化物，有利于強(qiáng)化基體，提高屈服點(diǎn)、提高疲勞強(qiáng)度，在高溫下阻止表面氧化。但如果加入量過(guò)大，會(huì)使熱傳導(dǎo)性下降，韌性降低，縮短工具使用壽命，所以Si含量限定為0.2～1.0%。

　　Mn∶Mn與Si一樣，也是作為脫氧劑添加的，它有助于提高鋼的淬火性能和熱塑性。但加入量過(guò)大會(huì)由于錳化物的析出使韌性和回火軟化阻抗性能下降，并且使鋼切削性能惡化，所以Mn的含量限定為0.1～0.4%。

　　Cr∶Cr對(duì)高速鋼的性能影響是非常復(fù)雜的，它可提高鋼的淬透性，提高馬氏體的回火穩(wěn)定性，阻礙碳化物的析出及聚集長(zhǎng)大，提高鋼的淬火硬度，使晶粒細(xì)小，有利于二次硬化和提高紅硬性。但其含量超過(guò)10%，則耐熱性顯著變壞，韌性下降，所以Cr含量限定為2～6%。

　　W、Mo∶W和Mo都是強(qiáng)化碳化物元素。W和Mo在高速工具鋼中的作用是可以互相代替的，在高速工具鋼中每1%的Mo相當(dāng)于2%W的作用，W、Mo元素與C元素匹配加入，隨著其含量的增多，碳化物相應(yīng)增多，并且一部分固溶于基體中強(qiáng)化了基體，有助于提高鋼的耐磨耗性及硬度、提高抗回火軟化性等，為了確保作為各種工具使用時(shí)的必要硬度和切削耐久性，選擇W當(dāng)量2Mo+W在1.5～30%較為合適，W當(dāng)量低于1.5%時(shí)淬火性能和高溫硬度等不足，超過(guò)30%時(shí)，則碳化物增加太大，且粒度大大增加，鍛造性能、韌性急劇變壞，所以W含量限定為1～20%，Mo含量限定為1～12%。添加稀土元素，可使高W、Mo含量的高速工具鋼熱塑性顯著提高，這是稀土元素使鑄態(tài)組織得到改善的結(jié)果。

　　VV除與W、Mo有相同的作用外，其最大的特點(diǎn)是能顯著增加高速工具鋼的耐磨耗性和產(chǎn)生二次硬化效果，碳化釩是高速工具鋼中最穩(wěn)定的一種碳化物，且是金屬碳化物中最硬、最耐磨的;V量增多，能使高硬度的碳化釩增多，使晶粒微細(xì)化，使韌性提高。為了充分發(fā)揮上述作用，必須添加0.5%以上的V;但是，V的加入必須與適當(dāng)?shù)腃相配合，若V量增多C量匹配不當(dāng)，也會(huì)出現(xiàn)淬火硬度降低的現(xiàn)象;此外，V量增多，磨削性和韌性降低，所以，V含量限定為0.8～4%。

　　Al∶Al元素含量只要與C等合金元素配合得當(dāng)，就可提高高速工具鋼的耐熱性和切削性能等。Al在高速工具鋼中不生成碳化物，而是均勻地分布在基體和碳化物中，對(duì)鋼回火時(shí)碳化物的聚集長(zhǎng)大有抑制作用，延緩馬氏體分解和軟化，提高抗回火能力，提高鋼的高溫強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。Al含量超過(guò)1.5%時(shí)，鋼的切削性能急劇惡化，所以其含量限定為0.5～1.5%。

　　NN與C和金屬元素的作用有相類似的效果。N可提高鋼的二次硬化性、紅硬性，提高淬火溫度，細(xì)化晶粒，提高韌性;但高速工具鋼所能溶解的N量有限，所以N含量限定為0.01～0.10%。

　　Ti在高速工具鋼中Ti的加入，可使N元素固定，使MC型碳化物微細(xì)析出，有助于鋼韌性的提高;但如果Ti加入量太多會(huì)產(chǎn)生Ti在晶界析出相，而使鋼硬度降低，所以Ti量限定為0.01～0.5%。

　　ReRe(La、Ce、Pr、Nd、Sm等)可形成非常穩(wěn)定的稀土碳化物，其非常微細(xì)地分散在鋼中，這種碳化物成核結(jié)果，可使碳化物微細(xì)化而且均一地分布，防止鋼韌性下降和硬度降低。為充分發(fā)揮上述作用，可選用一種或兩種以上的稀土元素，其添加總量至少為0.005%，但Re添加量過(guò)多，會(huì)使熱塑性顯著變壞。所以Re的含量限定為0.005～0.6%。

　　本發(fā)明鋼的冶煉工藝與一般高速工具鋼基本相同。生產(chǎn)工藝可采用感應(yīng)爐冶煉+電渣重熔冶煉，或電弧爐冶煉+電渣重熔冶煉，也可只用電弧爐或感應(yīng)電爐冶煉。N的加入采用在冶煉時(shí)加入氮化鉻或氮化鉻鐵。Al的加入，是在出鋼前將Al插入鋼水中或在鋼包中加入，攪拌均勻。其后的工藝過(guò)程為鋼錠退火→鋼錠鍛造開(kāi)坯→退火→鍛(軋)成材或進(jìn)一步冷拔成材。

　　本發(fā)明鋼成品采用等溫淬火加回火的熱處理工藝方法，淬火加熱溫度選擇在ACl相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上奧氏體化溫度范圍內(nèi)較低的溫度，其等溫淬火加熱溫度為950～1240℃，加熱時(shí)間系數(shù)為5～12秒/毫米。這種等溫淬火(以下均簡(jiǎn)稱淬火)的熱處理工藝方法，能使高速鋼具有晶粒細(xì)小，碳化物微細(xì)化的組織結(jié)構(gòu)，因而能使其具有良好的綜合性能，使加熱溫度和時(shí)間互相匹配，可使工件達(dá)到所要求的不同的使用性能。

　　本發(fā)明鋼在1120～1220℃寬的溫度范圍內(nèi)淬火，經(jīng)540℃×1小時(shí)×4次回火后，其硬度HRC為65～66.5;經(jīng)1240℃淬火，540℃回火后，HRC可達(dá)67～68，在這樣寬的淬火溫度范圍中其硬度變化不大。在1120℃淬火，在500倍金相顯微鏡下觀察，已不易辨別其奧氏體晶粒度，其淬火回火后硬度仍為HRC65;經(jīng)1050℃淬火、540℃回火后其硬度仍可達(dá)到HRC61.5，這就不但滿足刃具的性能要求，而且能滿足模具的性能要求。本發(fā)明鋼具有高的紅硬性，經(jīng)淬、回火后的試件再經(jīng)過(guò)600℃加熱保溫一小時(shí)的三次回火，又經(jīng)630℃加熱保溫一小時(shí)，又經(jīng)663℃加熱保溫一小時(shí)后(共五次加熱)，室溫硬度仍可達(dá)HRC64～65，用該方法測(cè)其紅硬性，其加熱溫度比其它高速工具鋼高，例如比W18Cr4V高40～60℃，其硬度仍高HRC3～4。本發(fā)明鋼具有高的沖擊韌性，即使其硬度為HRC65～67時(shí)，ak值仍可5～4kgm/mm2，本發(fā)明鋼具有好的熱扭轉(zhuǎn)性能，其在975～1150℃的溫度范圍內(nèi)，高溫扭轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)25圈以上，最高可達(dá)36圈，為熱扭軋鉆頭的生產(chǎn)提供了良好的工藝條件。本發(fā)明鋼具有良好的熱塑性如進(jìn)行鍛壓熱塑性實(shí)驗(yàn)，即使在950℃加熱時(shí)間為10～20秒，不經(jīng)保溫，變形時(shí)間控制在6%秒內(nèi)的條件下，變形量達(dá)到60%時(shí)，其表面也未觀察到裂紋。本發(fā)明鋼具有好的高溫拉伸強(qiáng)度和大的屈強(qiáng)比(б0.2/бb)，這說(shuō)明本發(fā)明鋼在高溫時(shí)性能穩(wěn)定、變形小，用做刃具、模具都是有利的。

　　本發(fā)明鋼如果與W6Mo5Cr4V2Al超硬高速工具鋼相比，不僅具有好的韌性、紅硬性、熱扭轉(zhuǎn)性能等，使用范圍廣，易于推廣應(yīng)用，而且其冶金工藝性能及熱處理工藝性能也較好。一是比W6Mo5Cr4V2Al高速工具鋼熱塑性好，易變形成材，成品率高;二是熱處理淬火溫度范圍寬性能穩(wěn)定、易操作、熱變形小。

　　本發(fā)明鋼與其它高速工具鋼性能對(duì)比。見(jiàn)表1

　　表1

　　與已有技術(shù)相比，本發(fā)明鋼在硬度不低于HRC65～67的情況下，不僅耐磨耗性高、紅硬性高，而且韌性高、高溫扭轉(zhuǎn)性能好等。本發(fā)明鋼由較簡(jiǎn)單的化學(xué)元素組成，省去了我國(guó)稀缺的Co、Ni貴重金屬元素，節(jié)約了V，降低了成本;本發(fā)明鋼具有寬的淬火溫度范圍，熱處理操作簡(jiǎn)單、熱變形小，易保證工件精度要求，提高成品率等。

　　本發(fā)明鋼適合于作刃具，冷、熱模具，還可用于某些高溫條件下工作的工件，本發(fā)明鋼可取代目前生產(chǎn)的某些高速工具鋼和模具鋼種，從而給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　下面結(jié)合附圖用實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明鋼的特征。

　　在以下的化學(xué)成分范圍內(nèi)(表2)煉鋼，選擇其中兩爐鋼，在不同淬火溫度下，經(jīng)540℃回火后，獲得的硬度值，見(jiàn)表3。

　　鋼的化學(xué)成分(%) 表2

　　表3

　　淬火溫度與淬、回火后硬度關(guān)系如圖1所示(該圖由爐號(hào)2鋼作出)。

　　以爐號(hào)2為例，不同淬火溫度下紅硬性如表4。

　　表4

　　紅硬性的變化曲線如圖2所示。

　　以爐號(hào)2鋼為例，不同淬火溫度下，經(jīng)540℃回火后的沖擊韌性ak值如表5所示。

　　表5

　　淬火溫度與沖擊性ak值的關(guān)系如圖3所示。

　　爐號(hào)1鋼為例，做高溫拉伸試驗(yàn)，所得高溫拉伸性能曲線如圖4所示。

　　以爐號(hào)1鋼為例，不同溫度下作高溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，所得的高溫扭轉(zhuǎn)性能如表6所示。

　　表6

　　高溫扭轉(zhuǎn)性能曲線如圖5所示。

　　圖6、7、8分別為爐號(hào)2鋼經(jīng)1120℃、1180℃、1220℃淬火后的金相組織，其晶粒直徑分別為0.0042mm，0.007275mm，0.0133mm，均為4%硝酸酒精+苦味酸溶液腐蝕，400倍顯微放大，做出的金相照片。

　　用本發(fā)明鋼制成的車刀，車削試驗(yàn)結(jié)果如表7。

　　表7

　　從上述結(jié)果可看出雖然本發(fā)明鋼車刀的規(guī)格比市售的W18Cr4V高速工具鋼車刀尺寸小，但一次刃磨的切削長(zhǎng)度比W18Cr4V高速工具鋼車刀提高一倍，也就是說(shuō)耐磨耗性提高一倍。而從刃磨車刀的情況看本發(fā)明鋼車刀的磨削性能與W18Cr4V高速鋼相當(dāng)，比W6Mo5Cr4V2Al超硬高速工具鋼易磨，不易磨燒刀。

　　用本發(fā)明鋼制成手表主夾板沖頭，用于手表主主夾板的落料沖孔，其使用結(jié)果如表8。

　　從上述結(jié)果可看出本發(fā)明鋼所制沖頭沖制手表主夾板件數(shù)為W18Cr4V高速工具鋼所制沖頭沖制手表主夾板件數(shù)的10倍以上。

　　權(quán)利要求

　　1.一種加入Al、N的鎢鉬高速工具鋼，其特征是具有如下化學(xué)成分C0.7～1.5%，Si0.2～1.0%，Mn0.1～0.4%，cr2～6%，w1～20%，Mo1～12%，v0.8～4%，Al0.5～1.5%，N0.01～0.10%，其余為Fe和不純物質(zhì)。

　　2.如權(quán)力要求1所述的高速工具鋼，其特征是再添加如下化學(xué)成分Ti0.01～0.5%，Re0.005～0.6%，或加入其中之一。

　　3.一種如權(quán)利要求

　　1、2所規(guī)定的高速工具鋼的熱處理工藝方法，其特征是其等溫淬火的加熱溫度為950～1240℃，加熱時(shí)間系數(shù)為5～12秒/毫米。

　　專利摘要

　　本發(fā)明公開(kāi)了一種高速工具鋼，特別是一種加入Al、N的鎢鉬高速工具鋼及其熱處理工藝。其特征是具有如下化學(xué)成分C0.7～1.5％，Si0.2～1.0％，Mn0.1～0.4％，Cr2～6％，W1～20％，Mo1～12％，V0.8～4％，Al0.5～1.5％，N0.01～0.10％，其余為Fe和不純物質(zhì)；也可加入Ti0.01～0.5％，Re0.005～0.6％，或加入其中之一。熱處理后具有良好的綜合性能。適用于制造刃具、模具等。

　　文檔編號(hào)C21D9/22GK85104791SQ85104791

　　公開(kāi)日1986年12月17日 申請(qǐng)日期1985年6月19日

　　發(fā)明者劉躍亭 申請(qǐng)人:河北省冶金研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan