高性能低合金含铌高速钢

摘要

本发明属于高速钢领域，主要适用于高速切削钻头、丝锥、立铣刀等用钢，也可应用于高载荷的模具、高温条件下服役的耐磨零部件等用钢，特别涉及一种高性能低合金含Nb高速钢。该合金的具体化学成分组成(重量％)为：C 0.95～1.15％，Si 0.20～0.40％，W 3.5～5.5％，Mo 2.0～4.0％，Cr 3.0～4.5％，V 0.80～1.5％，Nb 0.5～1.5％，Re 0.01～0.02％，N 0.04～0.10％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn≤0.40％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明与现有技术相比具有生产成本低、高成材率、质量易控制、易于大规模生产，同时满足良好的二次硬度和红硬性，冲击韧性及抗弯强度应用需求的优点。

说明书

技术领域

本发明属于高速钢领域，主要适用于高速切削钻头、丝锥、立铣刀等用钢，也可应用于高载荷的模具、高温条件下服役的耐磨零部件等用钢，特别涉及一种高性能低合金含Nb高速钢。

背景技术

在现有技术中，随着机械制造业的发展，对高速钢的性能和经济成本提出了更高的要求。目前，世界各国使用的主要的通用型高速钢为M2(W6Mo5Cr4V2)，我国主要使用M2和W9(W9Mo3Cr4V)高速钢。高速钢中含有大量的W、Mo、Cr、V等贵重合金元素，并且成材率低。为了节约贵重战略合金元素W、Mo、V等，各国开展了低合金高性能高速钢的研究，最著名的有瑞典的D950、美国的M52、德国的S3-3-2和我国的W4Mo3Cr4VSi。这些钢种虽然节省了合金元素，但其使用性能受到限制，只能作为低档刀具(主要为机用锯条、轧制钻头、木工刀具等)使用，由于合金元素的含量较低，在较高温度淬火时，晶粒长大的趋势明显，红硬性低，不能在稍高要求的情况下替代M2和W9(W9Mo3Cr4V)高速钢。

另外，公布号为W09302818A的PCT公布了一种用粉末冶金方法生产的高速钢，其化学成分(重量％)为C0.6-0.9％，Si0-1.0％，Mn0-1.0％，Cr0-5％，Mo0-10％，Mo+W/2至少应是4，V0.7-2％，Co≤14％，Nb0.7-1.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢用于要求较高韧性和适当硬度和强度的工具，性能良好，尤其是韧性。但是该发明化学成分的设计中，碳含量较低，在Nb、V合金元素共同存在的情况下，尤其是Nb含量较高的情况下，容易产生回火二次硬化不足，从而在高速钢范围内使用，易产生红硬性较差的情况，降低刀具的使用寿命。另外，采用粉末冶金方法生产的高速钢生产工艺复杂，成本非常高，不易于大规模生产；并且粉末冶金方法依然存在必然的缺点：氧含量高，同时材料内部存有孔隙，质量不易控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有生产成本低、高成材率、质量易控制、易于大规模生产，同时满足良好的二次硬度和红硬性，冲击韧性及抗弯强度应用需求的高性能低合金含Nb高速钢。

根据上述目的，本发明在M2(W6Mo5Cr4V2)和W9(W9Mo3Cr4V)的基础上适当降低合金元素W、Mo、V的贵重金属含量，加入相对便宜的强碳化物形成元素Nb，使该高速钢的性能达到合金元素含量较高的W9、M2高速钢的性能，满足复杂刀具的使用性能，同时，可以用于冷作模具，具有良好的经济性和使用前景。

本发明采用的整体的技术方案是：(1)降低通用型高速钢中的碳化物形成元素W、Mo及V的含量；(2)加入强碳化物形成元素Nb，部分替代V或W，形成大量的一次碳化物，并细化晶粒，以提高高速钢的耐磨性；(3)加入适量的稀土元素(Re)，使晶界净化，提高该钢的热塑性，从而提高钢的成材率，并且可以实现热加工时的以轧代锻，降低生产成本。

本发明具体技术方案为：该合金具体化学成分(重量％)为：C0.95～1.15％，Si0.20～0.40％，W3.5～5.5％，Mo2.0～4.0％，Cr3.0～4.5％，V0.80～1.5％，Nb0.5～1.5％，Re0.01～0.02％，N0.04～0.10％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn≤0.40％，其余为Fe及不可避免的杂质。

上述各元素的作用及配比依据如下：

C：碳在高速钢中是碳化物形成元素，其含量根据合金元素及对工艺性能及使用性能的要求而定，一般在0.80～1.5％之间。碳含量是高速钢中最终要的合金元素，对高速钢的工艺性能和使用性能有十分重要的影响。较高的强碳化物元素Nb、V含量的低合金高速钢中，由于Nb的加入，形成难以溶解的MC型碳化物。应适当考虑提高碳的含量，以利形成更多的V的碳化物在回火过程中析出，提高二次硬化效果。但碳含量过高，对淬火过热、过烧敏感性及残余奥氏体有负面影响，并且降低韧性。本发明中的碳含量根据定比碳规律确定为0.95～1.15％。

Mn：作为脱氧剂而加入，含量一般控制在≤0.40％。此外，控制钢中Mn/S≥20，利于提高高速钢的锻、轧的热塑性，明显减少坯材裂纹及提高成材率。

Si：作为脱氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。在低合金高速钢中，公认对二次硬化及高温硬度明显有利，因此，在大多低合金高速钢中均加入0.5～1.3％的Si含量。但在含W较高的高速钢中，Si不但对二次硬化无好处，而且由于促进粗大的一次碳化物MC的形成，对钢的韧性不利，Si的其它负面影响还有，增加钢的脱碳敏感性，略降低二次硬化峰值的温度，促进非共格M6C碳化物在较高回火温度的形成，对600℃以上红硬性不利。因此，在本发明低合金高速钢中严格限制其含量在0.20～0.40％。

Re：稀土元素在钢中有脱氧、去硫，改变夹杂物形态，使晶界净化，细化铸态组织，提高钢的高温抗氧化不起皮等作用。在高速钢中加入一定量的稀土元素，可以提高热塑性约10～60％以上，从而提高钢的成材率，并且可以实现热加工时的以轧代锻，降低生产成本。同时，稀土合金元素的加入，可以对粗大的碳化物进行变质处理。由于稀土是非常活泼的元素，加入不当或过多，会增加钢中的非金属夹杂物，在该钢中控制在0.01～0.02％。

P：P在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。控制P的含量在0.030％以下，并且含量越低越好。

S：会形成FeS，给钢带来热脆性。控制S含量在0.030％以下，并且含量越低越好。

Cr：高速钢中的碳化物形成元素之一，退火态中主要进入M23C6，在高速钢中一般含量在4.0％左右，对钢的二次硬化也起重要作用。因此控制其含量在3.0～4.5％。

W、Mo：高速钢中的主加元素，主要作用是形成一定数量的难以溶解的一次碳化物，使钢可进行接近熔点的高温淬火，并提高钢的耐磨性；通过高温固溶淬火获得高W(Mo)的马氏体后，回火时M₂C及MC脱溶形成足够数量的二次碳化物，是二次硬化和红硬性的主要因素。在本发明钢中，控制W含量在3.5～5.5％，Mo含量在2.0～4.0％。

V：高速钢中的主加元素，V对形成部分连贯的起着二次硬化作用的MC析出物的弥散分布起决定性的作用。一般铸、锻高速钢中的V含量在1.0～3.0％之间，形成MC型碳化物，提高钢的二次硬度、红硬性及耐磨性。少于1.0％时，钢的二次硬度、红硬性及耐磨性不足，高于3.0％时可磨削性能差。因此，V含量控制在0.80～1.5％。

Nb：强碳化物形成元素，形成MC型碳化物，可用来部分替代V或W0，将V含量降至仅保持二次硬化的水平。利用Nb增加钢中MC型碳化物，从而增强高速钢的耐磨性。但Nb含量过高时，则显示了对初生晶粒的粗化，碳化物颗粒较粗大，则高速钢难于磨削。因此，Nb含量控制在0.50～1.5％。

N：N在高速钢中作为合金元素加入，由于其原子半径小(0.07nm)，在钢中是间隙固溶元素，作用与C十分相似，与Al、Ti、Zr、V等元素形成稳定的氮化物，同时能溶解于复杂的M23C6、M6C或MC中，在淬火加热时也有少量氮通过以上碳化物的固溶而进入钢的基体中。少量的N可细化高速钢的铸态组织中的共晶网，细化一次(M6C)碳化物，因而可细化淬火奥氏体晶粒度；允许稍微高的淬火温度，因而可增加二次硬化效果和热稳定性以及硬度与韧性的综合水平，可以显著改善切削性能。电弧炉或感应炉冶炼高速钢的一般正常含N量在0.02％.在本发明中通过添加氮化铬铁或V-N合金的方法保持钢中加入0.04～0.10％的氮含量。

本发明与现有技术相比具有成本低、高成材率、质量易控制、易于大规模生产，同时满足良好的二次硬度和红硬性，冲击韧性及抗弯强度应用需求的优点。上述优点具体如下：540～600℃回火(1160℃淬火)的二次硬度分别≥65.2HRC，65.5HRC，64.9HRC，63.5HRC；600～650℃的红硬性分别≥64HRC，62.3HRC，59HRC；580～600℃高温回火的冲击韧性分别≥53.3，59.0Ak/J·cm^-2，560～600℃回火的抗弯强度分别≥σbb48180MPa，5400MPa，5287MPa。合理的合金化配比具有良好的综合性能，比W9钢节约合金20％以上，具有更好的经济效益。

本发明与采用与现有技术相似的制备方法：

本发明钢可采用电弧炉、高频感应炉、真空感应炉冶炼，钢水浇铸成钢锭，根据需要可进行电渣重熔，经锻造成材或开坯后轧制成棒、线材等。

具体实施方式

根据上述所设计的化学成分范围，在25kg真空感应炉上冶炼了4炉本发明钢和1炉对比钢(W9)，其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成φ14mm、φ18mm棒材。实例钢与对比钢退火后，加工成试样，经淬、回火处理(1140～1220℃淬火，540～600℃回火)，其室温力学性能见表2～7。

本发明钢具有比对比钢更高的硬度、红硬性、冲击韧性及抗弯强度。

1.经相同温度淬火，高温(540～600℃)回火后，发明钢具有比对比钢更高的硬度。(见表2、3、4)

2.经相同温度的淬、回火处理后，发明钢(3#、4#)具有比对比钢更好的红硬性，抗软化能力更强。(见表5)

3.发明钢(3#、4#)经1160℃淬火，在580℃左右回火时，冲击韧性和抗弯强度均超过对比钢(5#)正常温度热处理后的冲击韧性和抗弯强度。(见表6、7)。

表1  实施例与对比钢的化学成分，重量％

   炉号    钢种  C    Si    Mn    S    P    Cr    W    Mo    V    Nb  N  Re  Fe    1#    发明钢  0.95    0.25    0.24    0.006    0.0062    3.05    3.61    2.15    0.82  ＜  0.10  0.04  0.01  余    2#    发明钢  1.00    0.40    0.30    0.006    0.0062    3.94    4.58    2.56    1.13  0.60  0.065  0.013  余    3#    发明钢  0.99    0.35    0.35    0.006    0.0079    3.95    5.20    3.45    1.38  0.90  0.08  0.015  余    4#    发明钢  1.13    0.30    0.38    0.006    0.0070    4.48    5.50    3.92    1.46  1.48  0.095  0.018  余    5#    对比钢  0.79    0.37    0.37    0.004    0.0063    3.62    8.62    4.05    1.51  0  -  -  余

表2  实施例与对比钢1140℃淬火不同温度回火的硬度值

  炉号    钢种    不同温度下回火后的硬度值(HRC)    540℃    560℃    580℃    600℃    1#    发明钢    65.3    66.2    65.8    65.1    2#    发明钢    65.4    65.9    64.4    64.1    3#    发明钢    65.2    65.0    64.0    63.4    4#    发明钢    64.6    64.8    63.0    63    5#    对比钢    63.3    62.8    62.0    61.6

说明：(1)淬火试验在空气炉中进行，保温10分钟，油淬。

      (2)不同温度回火3次，每次保温1小时。

表3  实施例与对比钢1160℃淬火不同温度回火的硬度值

    炉号    钢种               不同温度下回火后的硬度值(HRC)    540℃    560℃    580℃    600℃    2#    发明钢    65.7    66.4    65.7    64.6    3#    发明钢    65.2    66.0    65.4    63.9    4#    发明钢    65.6    65.5    64.9    63.5    5#    对比钢    64.7    63.8    63.6    62.4

说明：(1)淬火试验在空气炉中进行，保温10分钟，油淬。

      (2)不同温度回火3次，每次保温1小时。

表4  实施例与对比钢1200℃淬火不同温度回火的硬度值

    炉号  钢种                  不同温度下回火后的硬度值(HRC)    540℃    560℃    580℃    600℃    3#  发明钢    66.0    67.1    66.3    65.6    4#  发明钢    66.2    66.8    66.3    64.8    5#  对比钢    66.0    65.4    64.8    64.3

说明：(1)淬火试验在空气炉中进行，保温10分钟，油淬。

      (2)不同温度回火3次，每次保温1小时。

表5  实施例与对比钢红硬性表

  淬火(油)回火工艺  钢种    炉号    在不同温度下加热4h后的硬度(HRC)    600℃    625℃    650℃  1200℃+560℃×1h×3次  发明钢    3#    64.6    62.7    59.6  发明钢    4#    64.6    62.3    59.0  对比钢    5#    63.2    61.5    59.0  1200℃+580℃×1h×3次  发明钢    3#    64.5    62.3    59.0  发明钢    4#    64.8    62.3    58.5  对比钢    5#    62.7    62.1    58.2

表6  实施例与对比钢冲击值表

    淬火(油)回火工艺    钢种    炉号    在不同温度下回火后的冲击值    (A_k/J.cm^-2)    580℃    600℃    1160℃淬火+回火1h×3次    发明钢    3#    64.7    65.3    发明钢    4#    53.3    59.0    1220℃淬火+回火1h×3次    对比钢    5#    50.7    42.3

表7  实施例与对比钢抗弯强度值表

    淬火(油)回火工艺  钢种  炉号  在不同温度下回火后的冲击值(σbb/MPa)    560℃    580℃    600℃    1160℃淬火+回火1h×3次  发明钢  3#    4818    5437    5347  发明钢  4#    4943    5400    5287    1220℃淬火+回火1h×3次  对比钢  5#    4393    4950    5173