一种高速工具钢及其热处理工艺的制作工艺流程

　　专利名称:高速工具钢及其热处理工艺的制作方法

　　本发明涉及一种高速工具钢，特别是一种加入Al、N的具有较好综合性能的钨钼高速工具钢及其热处理工艺。

　　在本发明做出之前，日本特许厅特许出愿公开昭57-82465记载了含有Al、N的高速工具钢，其化学成分如下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%，并满足〔Al〕×〔N〕≥8×10-3，其余为Fe及不纯物。然而上述的高速工具钢，含有我国稀缺Co、Ni贵重金属元素，V含量也高，因此，成本高;同时，韧性较差，不能用来做模具;再则，热处理淬火区间较窄，热处理工艺性较差。

　　本发明的任务是要提供一种新型高速工具钢，不但能省去我国稀缺贵重金属Co、Ni，降低成本，而且淬火温度范围宽、热处理工艺性好，具有较高的红硬性、耐磨耗性和韧性，好的热扭转性能等;扩大高速工具钢的使用范围。

　　本发明是以如下方式实现的。要求化学成分为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%，其余为Fe和不纯物质。

　　也可在上述化学成分的基础上添加入Ti0.01～0.5%，Re0.005～0.6%或加入其中之一。以提高其韧性等综合性能。

　　化学成分的限定理由是

　　CC的加入量要与W、Mo、V的含量相匹配，一般遵循“平衡碳”公式匹配，C是高速工具钢硬度、红硬性、抗弯强度、韧性、热塑性等性能的主要影响元素，其含量不足0.7%时高速工具钢得不到必要的硬度，但超过1.5%时高速工具钢显著变脆，韧性降低，所以碳含量限定为0.7～1.5%。

　　Si∶Si主要作为脱氧剂加入，其含量对高速工具钢的碳化物形态有影响，若超过0.5%时则促使其棒状碳化物M2C分解生成M6C+MC的微细碳化物，有利于强化基体，提高屈服点、提高疲劳强度，在高温下阻止表面氧化。但如果加入量过大，会使热传导性下降，韧性降低，缩短工具使用寿命，所以Si含量限定为0.2～1.0%。

　　Mn∶Mn与Si一样，也是作为脱氧剂添加的，它有助于提高钢的淬火性能和热塑性。但加入量过大会由于锰化物的析出使韧性和回火软化阻抗性能下降，并且使钢切削性能恶化，所以Mn的含量限定为0.1～0.4%。

　　Cr∶Cr对高速钢的性能影响是非常复杂的，它可提高钢的淬透性，提高马氏体的回火稳定性，阻碍碳化物的析出及聚集长大，提高钢的淬火硬度，使晶粒细小，有利于二次硬化和提高红硬性。但其含量超过10%，则耐热性显著变坏，韧性下降，所以Cr含量限定为2～6%。

　　W、Mo∶W和Mo都是强化碳化物元素。W和Mo在高速工具钢中的作用是可以互相代替的，在高速工具钢中每1%的Mo相当于2%W的作用，W、Mo元素与C元素匹配加入，随着其含量的增多，碳化物相应增多，并且一部分固溶于基体中强化了基体，有助于提高钢的耐磨耗性及硬度、提高抗回火软化性等，为了确保作为各种工具使用时的必要硬度和切削耐久性，选择W当量2Mo+W在1.5～30%较为合适，W当量低于1.5%时淬火性能和高温硬度等不足，超过30%时，则碳化物增加太大，且粒度大大增加，锻造性能、韧性急剧变坏，所以W含量限定为1～20%，Mo含量限定为1～12%。添加稀土元素，可使高W、Mo含量的高速工具钢热塑性显著提高，这是稀土元素使铸态组织得到改善的结果。

　　VV除与W、Mo有相同的作用外，其最大的特点是能显著增加高速工具钢的耐磨耗性和产生二次硬化效果，碳化钒是高速工具钢中最稳定的一种碳化物，且是金属碳化物中最硬、最耐磨的;V量增多，能使高硬度的碳化钒增多，使晶粒微细化，使韧性提高。为了充分发挥上述作用，必须添加0.5%以上的V;但是，V的加入必须与适当的C相配合，若V量增多C量匹配不当，也会出现淬火硬度降低的现象;此外，V量增多，磨削性和韧性降低，所以，V含量限定为0.8～4%。

　　Al∶Al元素含量只要与C等合金元素配合得当，就可提高高速工具钢的耐热性和切削性能等。Al在高速工具钢中不生成碳化物，而是均匀地分布在基体和碳化物中，对钢回火时碳化物的聚集长大有抑制作用，延缓马氏体分解和软化，提高抗回火能力，提高钢的高温强度、抗弯强度和冲击韧性。Al含量超过1.5%时，钢的切削性能急剧恶化，所以其含量限定为0.5～1.5%。

　　NN与C和金属元素的作用有相类似的效果。N可提高钢的二次硬化性、红硬性，提高淬火温度，细化晶粒，提高韧性;但高速工具钢所能溶解的N量有限，所以N含量限定为0.01～0.10%。

　　Ti在高速工具钢中Ti的加入，可使N元素固定，使MC型碳化物微细析出，有助于钢韧性的提高;但如果Ti加入量太多会产生Ti在晶界析出相，而使钢硬度降低，所以Ti量限定为0.01～0.5%。

　　ReRe(La、Ce、Pr、Nd、Sm等)可形成非常稳定的稀土碳化物，其非常微细地分散在钢中，这种碳化物成核结果，可使碳化物微细化而且均一地分布，防止钢韧性下降和硬度降低。为充分发挥上述作用，可选用一种或两种以上的稀土元素，其添加总量至少为0.005%，但Re添加量过多，会使热塑性显著变坏。所以Re的含量限定为0.005～0.6%。

　　本发明钢的冶炼工艺与一般高速工具钢基本相同。生产工艺可采用感应炉冶炼+电渣重熔冶炼，或电弧炉冶炼+电渣重熔冶炼，也可只用电弧炉或感应电炉冶炼。N的加入采用在冶炼时加入氮化铬或氮化铬铁。Al的加入，是在出钢前将Al插入钢水中或在钢包中加入，搅拌均匀。其后的工艺过程为钢锭退火→钢锭锻造开坯→退火→锻(轧)成材或进一步冷拔成材。

　　本发明钢成品采用等温淬火加回火的热处理工艺方法，淬火加热温度选择在ACl相转变点以上奥氏体化温度范围内较低的温度，其等温淬火加热温度为950～1240℃，加热时间系数为5～12秒/毫米。这种等温淬火(以下均简称淬火)的热处理工艺方法，能使高速钢具有晶粒细小，碳化物微细化的组织结构，因而能使其具有良好的综合性能，使加热温度和时间互相匹配，可使工件达到所要求的不同的使用性能。

　　本发明钢在1120～1220℃宽的温度范围内淬火，经540℃×1小时×4次回火后，其硬度HRC为65～66.5;经1240℃淬火，540℃回火后，HRC可达67～68，在这样宽的淬火温度范围中其硬度变化不大。在1120℃淬火，在500倍金相显微镜下观察，已不易辨别其奥氏体晶粒度，其淬火回火后硬度仍为HRC65;经1050℃淬火、540℃回火后其硬度仍可达到HRC61.5，这就不但满足刃具的性能要求，而且能满足模具的性能要求。本发明钢具有高的红硬性，经淬、回火后的试件再经过600℃加热保温一小时的三次回火，又经630℃加热保温一小时，又经663℃加热保温一小时后(共五次加热)，室温硬度仍可达HRC64～65，用该方法测其红硬性，其加热温度比其它高速工具钢高，例如比W18Cr4V高40～60℃，其硬度仍高HRC3～4。本发明钢具有高的冲击韧性，即使其硬度为HRC65～67时，ak值仍可5～4kgm/mm2，本发明钢具有好的热扭转性能，其在975～1150℃的温度范围内，高温扭转圈数达25圈以上，最高可达36圈，为热扭轧钻头的生产提供了良好的工艺条件。本发明钢具有良好的热塑性如进行锻压热塑性实验，即使在950℃加热时间为10～20秒，不经保温，变形时间控制在6%秒内的条件下，变形量达到60%时，其表面也未观察到裂纹。本发明钢具有好的高温拉伸强度和大的屈强比(б0.2/бb)，这说明本发明钢在高温时性能稳定、变形小，用做刃具、模具都是有利的。

　　本发明钢如果与W6Mo5Cr4V2Al超硬高速工具钢相比，不仅具有好的韧性、红硬性、热扭转性能等，使用范围广，易于推广应用，而且其冶金工艺性能及热处理工艺性能也较好。一是比W6Mo5Cr4V2Al高速工具钢热塑性好，易变形成材，成品率高;二是热处理淬火温度范围宽性能稳定、易操作、热变形小。

　　本发明钢与其它高速工具钢性能对比。见表1

　　表1

　　与已有技术相比，本发明钢在硬度不低于HRC65～67的情况下，不仅耐磨耗性高、红硬性高，而且韧性高、高温扭转性能好等。本发明钢由较简单的化学元素组成，省去了我国稀缺的Co、Ni贵重金属元素，节约了V，降低了成本;本发明钢具有宽的淬火温度范围，热处理操作简单、热变形小，易保证工件精度要求，提高成品率等。

　　本发明钢适合于作刃具，冷、热模具，还可用于某些高温条件下工作的工件，本发明钢可取代目前生产的某些高速工具钢和模具钢种，从而给国民经济带来较好的经济效益。

　　下面结合附图用实施例详细说明本发明钢的特征。

　　在以下的化学成分范围内(表2)炼钢，选择其中两炉钢，在不同淬火温度下，经540℃回火后，获得的硬度值，见表3。

　　钢的化学成分(%) 表2

　　表3

　　淬火温度与淬、回火后硬度关系如图1所示(该图由炉号2钢作出)。

　　以炉号2为例，不同淬火温度下红硬性如表4。

　　表4

　　红硬性的变化曲线如图2所示。

　　以炉号2钢为例，不同淬火温度下，经540℃回火后的冲击韧性ak值如表5所示。

　　表5

　　淬火温度与冲击性ak值的关系如图3所示。

　　炉号1钢为例，做高温拉伸试验，所得高温拉伸性能曲线如图4所示。

　　以炉号1钢为例，不同温度下作高温扭转试验，所得的高温扭转性能如表6所示。

　　表6

　　高温扭转性能曲线如图5所示。

　　图6、7、8分别为炉号2钢经1120℃、1180℃、1220℃淬火后的金相组织，其晶粒直径分别为0.0042mm，0.007275mm，0.0133mm，均为4%硝酸酒精+苦味酸溶液腐蚀，400倍显微放大，做出的金相照片。

　　用本发明钢制成的车刀，车削试验结果如表7。

　　表7

　　从上述结果可看出虽然本发明钢车刀的规格比市售的W18Cr4V高速工具钢车刀尺寸小，但一次刃磨的切削长度比W18Cr4V高速工具钢车刀提高一倍，也就是说耐磨耗性提高一倍。而从刃磨车刀的情况看本发明钢车刀的磨削性能与W18Cr4V高速钢相当，比W6Mo5Cr4V2Al超硬高速工具钢易磨，不易磨烧刀。

　　用本发明钢制成手表主夹板冲头，用于手表主主夹板的落料冲孔，其使用结果如表8。

　　从上述结果可看出本发明钢所制冲头冲制手表主夹板件数为W18Cr4V高速工具钢所制冲头冲制手表主夹板件数的10倍以上。

　　权利要求

　　1.一种加入Al、N的钨钼高速工具钢，其特征是具有如下化学成分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%，其余为Fe和不纯物质。

　　2.如权力要求1所述的高速工具钢，其特征是再添加如下化学成分Ti0.01～0.5%，Re0.005～0.6%，或加入其中之一。

　　3.一种如权利要求

　　1、2所规定的高速工具钢的热处理工艺方法，其特征是其等温淬火的加热温度为950～1240℃，加热时间系数为5～12秒/毫米。

　　专利摘要

　　本发明公开了一种高速工具钢，特别是一种加入Al、N的钨钼高速工具钢及其热处理工艺。其特征是具有如下化学成分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％，其余为Fe和不纯物质；也可加入Ti0.01～0.5％，Re0.005～0.6％，或加入其中之一。热处理后具有良好的综合性能。适用于制造刃具、模具等。

　　文档编号C21D9/22GK85104791SQ85104791

　　公开日1986年12月17日 申请日期1985年6月19日

　　发明者刘跃亭 申请人:河北省冶金研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan