專利名稱：一種高速鋼及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料中的高速鋼及其生產工藝。
背景技術：
高速鋼是一種含多量碳(C)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等元素y的高合金鋼，熱處理后具有高熱硬性，當切削溫度高達600°C以上時，硬度仍無明顯下降，用其制造的 刀具切削速度可達每分鐘60米以上，其硬度為63-65HRC。高速鋼的制造方法有兩種，一為傳統的鋼錠澆鑄，另一種則為利用粉末冶金方法 制造。鋼錠澆鑄通常又分為二次精煉(EAF+LF+VD)或電渣重熔(ESR)兩類，上述方法中由于 金屬液緩慢冷卻，造成合金的不均勻偏析和合金碳化物的粗大，從而影響到高速鋼的性能。 雖然后續的熱作處理可改變及細化鋼錠的鑄造組織，減低不良影響，但卻無法消除原有的 鑄造組織，因而對物理及機械性質有負面的影響。為改善傳統高速鋼的質量，特別是希望大 直徑高速鋼碳化物顆粒尺寸能夠細小且分布均勻，阻止偏析產生，使得橫向及縱向的機械 性質勻一無差別。1965年，熔爐斯伯公司(Crucible)率先生產出一種組織均勻無方向性的 鋼種。發展至今，粉末冶金制程已成為當今制造高性能工具鋼的主要方法。其主要原理是將 已調配好合金成份的高溫熔融鋼液，在流出時加以高壓氮氣霧化，使其快速凝固成均勻的 粉末顆料，然后經過篩選并充填到已抽真空且密封的圓柱形鋼瓶中，進行熱均壓(HIP)Ji 鋼瓶內的顆粒成為完全密實的材料，再直接經由傳統鍛造、輥軋成不同形狀產品，如圓棒、 板材、片材和線材，以供工業界使用。由于生產粉末高速鋼具有較高的技術要求，目前全世界粉末高速鋼的生產廠家 并不多，主要集中在美國、歐洲及日本，具有代表性的有美國熔爐斯伯(Crucible)，歐洲 (ASSAB、Soderfors、Erasteel、BohlerΛ DSS、Carpenter)，日本(Hitachi、Daido、Nachi、 Kobe)。但是，粉末冶金的工序相當復雜，包括熔煉、霧化、篩分、混批、封裝、冷等靜壓、熱等 靜壓、熱鍛或熱軋、接觸封裝、熱處理等過程。這些工序進行過程中，需要熱等靜壓等設備昂 貴的投資以及霧化裝置的尺寸要求比較大，而且粉末冶金材料的收得率比較低，能源利用 率。
發明內容
本發明的目的在于提供一種硬度更好的高速鋼；本發明的又一目的是上述高速鋼的生產工藝；本發明解決技術問題的技術方案為一種高速鋼，化學成分質量百分含量為C 1. 0-1. 4%, Cr 3. 8-4. 2%, Mo 4. 8-5. 2%, W 6. 3-6. 5%, Co 8. 2-8. 4%, V 2. 2-3. 0%, Nb 0. 4-1. 5%, Si 0. 2-0. 4%, S ^ 0. 03%, P ^ 0. 03%, Mn ( 0. 4%，其余為 Fe 及不可避免的 雜質。優選Nb的質量百分含量為0. 6 1. 2%。優選的Mn/S ≥20。
本發明的生產工藝包括以下工序a、配料工序按照合金的成分進行配料；
b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱到高 于合金熔點100-250°C，保溫10-20分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均勻一 致，然后把高速鋼熔體按照3-lOg/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的溫度 高于高速鋼熔點100-250°C ；C、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2_3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過霧 化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50-90轉/分鐘速度旋轉的沉積器 上，形成柱狀沉積坯；d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為50-100mm，同時保持沉積坯 在沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速率 < IO0C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫，隨 爐冷卻，獲得高速鋼坯體；e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850-880°C，保溫10小時以上 后緩冷到彡600°C出爐空冷，冷卻速度彡30K/hr ；f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100-1180°C，加熱保溫時間t = dX (1.0-2.0)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比彡9 1 ；g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫6_10分鐘后淬火， 550-560°C保溫1小時后回火，回火次數1-4次。本發明各種合金元素的作用及配比如下碳(C)碳在高速鋼中試碳化物的形成元素，其含量根據合金元素及對工藝性能、 使用性能的要求而定，一般在0. 80 1. 5%之間。碳是高速鋼中非常重要的合金元素，對高 速鋼的工藝性能和使用性能有十分重要的影響。由于強碳化物元素Nb的加入，形成難以溶 解的MC型碳化物。通過提高碳的含量，以便更多V的碳化物在回火過程中析出，提高二次 硬化效果。但碳含量過高，對淬火過熱、過燒敏感性及殘余奧氏體有負面影響，并且降低韌 性，故本發明中碳含量為1.0 1.4%。鉻(Cr)高速鋼中碳化物的形成元素之一，退火態中主要進入M23C6,對鋼的二次 硬化也起重要作用，因此控制其含量在3. 8 4. 2 %。鉬(Mo)、鎢(W)高速鋼的主加合金元素，主要作用是形成一定數量的難以溶解的 一次碳化物，使鋼可進行接近熔點的高溫淬火，并提高鋼的耐磨性；通過高溫固溶獲得高 W(Mo)的馬氏體后，回火時M2C及MC脫溶形成足夠數量的二次碳化物，是二次硬化和紅硬性 的主要因素。本發明中，控制Mo在4. 8 5. 2%，W含量在6. 3 6. 5%。釩(V)高速鋼的主加合金元素，V對形成部分連貫的起著二次硬化作用的MC析出 物的彌散分布起決定性的作用。一般高速鋼中V的含量在1. 0 3. 0%之間，形成MC型碳 化物，提高鋼的二次硬度、紅硬性及耐磨性。高于3.0%時的可磨削性能差。因此，V的含量 控制在2. 2 3. 0%。鈷(Co) =Co的存在取決于高速鋼的用途，它能提高鋼的紅硬性，但減小鋼的韌性。 故本發明中Co的含量控制在8. 2 8. 4 %。鈮(Nb):強碳化物形成元素，形成MC型碳化物，可用來部分代替V或W，將V的含量降至僅保持二次硬化的水平。利用Nb增加鋼中MC型碳化物，從而增強鋼的耐磨性。但 Nb的含量過高時，則顯示了對初生晶粒的粗化，碳化物的顆粒較粗大，則高速鋼難于磨削。 因此Nb的含量控制在0.4 1.5%。硅(Si):作為脫氧元素加入。在低合金高速鋼中，公認對二次硬化及高溫硬度有 禾IJ，但在含W較高的高速鋼中，Si不但對二次硬化無好處，而且由于促進粗大的一次碳化物 MC的形成，對鋼的韌性不利。Si的其他負面影響還有增加鋼的脫碳敏感性，略降低二次 硬化峰值的溫度，促進非共格M6C碳化物在較高的回火溫度形成，對600°C以上的紅硬性不 禾IJ。因此，本發明中嚴格限制其含量在0. 20 0. 40%。硫(S)會形FeS，給鋼帶來熱脆性，控制S的含量在0.030%以下，并且含量越低 越好。磷(P) :P在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度是偏聚在晶界，使鋼 的脆性顯著增大。控制P的含量在0. 030%以下，并且含量越低越好。錳(Mn)作為脫氧劑，含量控制在彡0. 40%。此外，鋼中Mn/S彡20，利于提高高 速鋼鍛、軋的熱塑性，明顯減少坯材裂紋。霧化沉積，也叫噴射成形，其概念和原理最早由英國Swansea大學的A. Singer教 授于1968年首先提出的，它是一種快速凝結技術，霧化后的顆粒細小從而使獲得的金屬組 織細小均勻。本發明將霧化沉積技術創造性的引入到制備含鈮粉末高速鋼，它既克服了傳統鑄 造坯件晶粒粗大、偏析嚴重的缺點，又摒棄了粉末冶金工藝的工序繁多、能耗較高的不足， 同時又兼有粉末冶金技術的優點，從而大大提高了金屬材料的各種性能，其優勢十分顯著 和突出。本發明的生產工藝省略了粉末冶金中粉末的篩分、混批、封裝、冷、熱等靜壓諸多 工序，不需要昂貴的設備投資，節省了粉末高速鋼工藝成本。而且制得的高速鋼性能達到甚 至超過粉末高速鋼，特別是添加了合金元素鈮，使得這種高速鋼特點是硬度高，具有更好的 耐磨性；廣泛應用于各種刀具，還可用于制作模具等，降低了粉末高速鋼的使用價格。
附圖為本發明實施例1的金相顯微照片。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做詳細的說明。本發明的制備方法包括以下工序實施例1 a、配料工序按照表1所述的合金的成分進行配料；b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱到高 于合金熔點100°C，保溫20分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均勻一致，然后 把高速鋼熔體按照3g/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼 熔點100°C ；C、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2_3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過霧化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50轉/分鐘速度旋轉的沉積器上， 形成柱狀沉積坯；d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為50mm，同時保持沉積坯在 沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速率
<IO0C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫，隨 爐冷卻，獲得高速鋼坯體；e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850°C，保溫10小時后緩冷到 ≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ；f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100°C，加熱保溫時間t = dX(1.0)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比≤9 1 ；g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫6分鐘后淬火， 550-560°C保溫1小時后回火，回火次數1次。實施例2 a、配料工序按照表1所示的合金的成分進行配料；b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱到高 于合金熔點130°C，保溫12分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均勻一致，然后 把高速鋼熔體按照4g/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼 熔點1300C ；C、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2_3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過霧 化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以60轉/分鐘速度旋轉的沉積器上， 形成柱狀沉積坯；d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為60mm，同時保持沉積坯在 沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速率
<IO0C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫，隨 爐冷卻，獲得高速鋼坯體；e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850-880°C，保溫10小時以上 后緩冷到彡600°C出爐空冷，冷卻速度彡30K/hr ；f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100-1180°C，加熱保溫時間t = dX(1.2)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比彡9 1 ；g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫7分鐘后淬火， 550-560°C保溫1小時后回火，回火次數2次。實施例3:a、配料工序按照表1所示合金的成分進行配料；b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱到高 于合金熔點160°C，保溫14分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均勻一致，然后 把高速鋼熔體按照6g/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼 熔點1700C ；C、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2_3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過霧 化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50-90轉/分鐘速度旋轉的沉積器上，形成柱狀沉積坯；d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為70mm，同時保持沉積坯在 沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速率
<IO0C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫，隨 爐冷卻，獲得高速鋼坯體；e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850-880°C，保溫10小時以上 后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ；f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100-1180°C，加熱保溫時間t = dX(1.5)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比≤9 1 ；g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫6_10分鐘后淬火， 550-560°C保溫1小時后回火，回火次數3次。實施例4 a、配料工序按照表1所示合金的成分進行配料；b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱到高 于合金熔點200°C，保溫18分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均勻一致，然后 把高速鋼熔體按照8g/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼 熔點210°C ；C、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2_3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過霧 化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以80轉/分鐘速度旋轉的沉積器上， 形成柱狀沉積坯；d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為80mm，同時保持沉積坯在 沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速率
<IO0C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫，隨 爐冷卻，獲得高速鋼坯體；e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850-880°C，保溫10小時以上 后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度彡30K/hr ；f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100-1180°C，加熱保溫時間t = dX(1.8)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比≤9 1 ；g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫8分鐘后淬火， 550-560°C保溫1小時后回火，回火次數4次。實施例5 a、配料工序按照表1所示合金的成分進行配料；b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱到高 于合金熔點250°C，保溫10分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均勻一致，然后 把高速鋼熔體按照lOg/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼 熔點2500C ；C、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2_3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過霧 化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50-90轉/分鐘速度旋轉的沉積器 上，形成柱狀沉積坯；
d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為100mm，同時保持沉積坯在 沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速率 < IO0C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫，隨 爐冷卻，獲得高速鋼坯體；e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850-880°C，保溫10小時以上 后緩冷到彡600°C出爐空冷，冷卻速度彡30K/hr ；f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100-1180°C，加熱保溫時間t = dX(2.0)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比彡9 1 ；g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫6_10分鐘后淬火， 550-560°C保溫1小時后回火，回火次數4次。表1、實施例1-5的化學成分wt % 實施例1-5的技術指標如表2所示表2、1180 1200°C保溫6分鐘淬火后十三次550 560°C保溫1小時回火后性 能和紅硬性(600°C X4小時)
權利要求
一種高速鋼，其特征在于含有以下化學成分的質量百分含量C 1.0-1.4％，Cr 3.8-4.2％，Mo 4.8-5.2％，W 6.3-6.5％，Co 8.2-8.4％，V 2.2-3.0％，Nb 0.4-1.5％，Si 0.2-0.4％，S≤0.03％，P≤0.03％，Mn≤0.4％，其余為Fe及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的一種高速鋼，其特征在于所述的Nb的質量百分含量為 0. 6 1. 2%。
3.根據權利要求1所述的一種高速鋼，其特征在于所述的Mn/S^ 20。
4.權利要求1所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于包括以下工序a、配料工序；b、 熔化工序；C、霧化沉積工序；d、空冷工序；e、退火工序；f、熱鍛工序；g、淬火回火工序。
5.根據權利要求4所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于所述的c、霧化沉積工序在物化室內，以壓力2-3MPa，純度> 99. 9% Wt的N2氣體通過 霧化噴嘴，把高速鋼熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50-90轉/分鐘速度旋轉的沉積 器上，形成柱狀沉積坯。
6.根據權利要求4所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于所述的d、空冷工序升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為50-100mm，同時保持沉積 坯在沉積器上高速旋轉并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，控制沉積坯頂部表面降溫速 率< 10°C /min，若溫度降低過快，容易產生偏析，當坯體表面溫度低于800°C后，停止控溫， 隨爐冷卻，獲得高速鋼坯體。
7.根據權利要求4所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于所述的b、熔化工序將混合好的配料放入霧化沉積設備熔煉室的真空感應爐內加熱 到高于合金熔點100-250°C，保溫10-20分鐘，使感應爐內高速鋼熔體的成分和溫度達到均 勻一致，然后把高速鋼熔體按照3-lOg/min的速度倒入已經被加熱的中間包中，中間包的 溫度高于高速鋼熔點100-250°C。
8.根據權利要求4所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于所述的f、熱鍛工序將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1100-1180°C，加熱保溫時間t = dX(1.0-2.0)min/mm，d為鍛造產品的厚度，熱鍛的鍛造比彡9 1。
9.根據權利要求4所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于所述的e、退火工序將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到850-880°C，保溫10小時以 上后緩冷到彡600°C出爐空冷，冷卻速度彡30K/hr。
10.根據權利要求4所述的高速鋼的生產工藝，其特征在于所述的g、淬火回火工序將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫6-10分鐘后淬 火，550-560°C保溫1小時后回火，回火次數1-4次。
全文摘要
本發明公開了一種高速鋼及其生產工藝，所述的高速鋼含有以下化學成分的質量百分含量C 1.0-1.4％，Cr 3.8-4.2％，Mo 4.8-5.2％，W 6.3-6.5％，Co 8.2-8.4％，V 2.2-3.0％，Nb 0.4-1.5％，Si 0.2-0.4％，S≤0.03％，P≤0.03％，Mn≤0.4％，其余為Fe及不可避免的雜質。本發明將霧化沉積技術創造性的引入到制備高速鋼，它既克服了傳統鑄造坯件晶粒粗大、偏析嚴重的缺點，又摒棄了粉末冶金工藝的工序繁多、能耗較高的不足，同時又兼有粉末冶金技術的優點，從而大大提高了金屬材料的各種性能，其優勢十分顯著和突出。
文檔編號C22C33/02GK101838774SQ20101017196
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月10日 優先權日2010年5月10日
發明者金文平 申請人:金文平