高性能低合金含铌高速钢制造技术

本发明专利技术属于高速钢领域，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：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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高速钢领域，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。
技术介绍
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。但是该专利技术化学成分的设计中，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术在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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，在本专利技术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％。PP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。在本专利技术钢中，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％。NN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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能低合金含Ｎｂ高速钢，其特征在于该高速钢的具体化学成分组成（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％，Ｓ≤０．０３０％，Ｐ≤０．０３０％，Ｍｎ≤０．４０％，其余为Ｆｅ及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马党参，刘建华，陈再枝，张永，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]