本發(fā)明涉及熱脹刀柄加工生產(chǎn)，尤其是指一種輕質(zhì)、高耐熱且兼具良好疲勞壽命的鋼材及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、熱脹刀柄是一種在現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的刀具夾緊裝置，工作原理是利用刀柄和刀具的熱膨脹系數(shù)之差來強(qiáng)力且高精度夾緊刀具。精密機(jī)床配合先進(jìn)切削刀具可提供出色的金屬切削生產(chǎn)率。而刀柄作為切削刀具和機(jī)床主軸之間的關(guān)鍵性接口，對于實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率至關(guān)重要。刀具制造商提供多種刀柄類型，每種類型的刀柄在特定加工應(yīng)用中都具有最佳性能。因此，加工應(yīng)根據(jù)其特定工序以及生產(chǎn)的零件選擇刀柄。

2、熱脹刀柄常用的加工材料有特殊不銹鋼、工具鋼、合金鋼、鈦合金等，其中，特殊不銹鋼，如42crmo、35crmo等，具有良好的綜合力學(xué)性能，強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性佳，能夠承受較大的切削力和扭矩，適應(yīng)高速切削時(shí)對刀具夾緊的要求；工具鋼，常見的有高速鋼等，具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的特點(diǎn)，在高溫下仍能保持較好的切削性能和尺寸穩(wěn)定性；合金鋼：通過添加不同的合金元素，如鎳、鉻、鉬等，可以調(diào)整材料的力學(xué)性能和物理性能，使其具有更好的強(qiáng)度、韌性和熱穩(wěn)定性；鈦合金：鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在一些對重量要求較高的加工場合中具有優(yōu)勢，如航空航天領(lǐng)域的零部件加工。

3、沒有一個(gè)刀柄系統(tǒng)是萬能的。專為高速精加工工序而打造的刀柄通常會(huì)缺乏高效加工所需的剛性和強(qiáng)度。相反，用于粗加工的刀柄通常會(huì)缺乏動(dòng)平衡性，這種動(dòng)平衡性能夠使刀柄在精加工工序中高速平穩(wěn)運(yùn)行。粗加工刀柄的粗壯設(shè)計(jì)和大體積可能會(huì)限制其較精細(xì)或較深的零件特征。而難加工材料需要具有增強(qiáng)強(qiáng)度和剛性的刀柄。此外，刀柄的減振能力及冷卻液輸送能力也是重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，刀柄的減震能力受刀柄重量影響頗大。

4、通過對現(xiàn)有技術(shù)的研究，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的不銹鋼材料在生產(chǎn)的時(shí)候多加入al來實(shí)現(xiàn)其高強(qiáng)度和高硬度的需求(如中國專利cn116288071b)，但在實(shí)際加工生產(chǎn)的過程我們發(fā)現(xiàn)al含量過高，鋼中夾雜物aln會(huì)嚴(yán)重影響鋼的塑性和韌性，大幅降低鋼的使用壽命，而含有al的鋼材在進(jìn)行冷鍛和固溶處理后，冷鍛會(huì)導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度和硬度大幅下降。

5、如上所述，加工硬度高的模具及其他高強(qiáng)、高硬度工件，就需要一種具有高強(qiáng)硬、使用壽命長還能兼顧輕質(zhì)化的熱脹刀柄，來提高加工生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，而要得到滿足上述要求的熱脹刀柄就需要提供一種具有大的彈性模量及高硬度還能兼顧輕質(zhì)化的鋼材。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種輕質(zhì)、高耐熱且兼具良好疲勞壽命的鋼材及其制備方法和應(yīng)用，通過對合金成分的特定搭配結(jié)合制備方法，有效降低了生產(chǎn)成本，得到的鋼材，力學(xué)性能優(yōu)異，密度低，耐熱性和耐疲勞度更強(qiáng)，應(yīng)用于熱脹刀柄后，有助于提高機(jī)床的加工效率。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種輕質(zhì)、高耐熱且兼具良好疲勞壽命的鋼材，合成該鋼材的合金成分重量比為：c：0.45-0.65wt.％、mn：6.0-9.0wt.％、ni：6.5-10.0wt.％、cr：8.0-12.0wt.％、mo：1.5-3.0wt.％、v：0.8-2.0wt.％、cu：1.5-4.0wt.％、si：1.5-3.0wt.％，nb：0.015-0.045wt.％、ti：0.035-0.100wt.％、n：0.05-0.20wt.％、余量為fe。

4、根據(jù)上述所述的一種輕質(zhì)、高耐熱且兼具良好疲勞壽命的鋼材的制備方法，包括以下步驟：

5、s1，稱取合金成分，按照合金成分重量百分比稱取相應(yīng)的c、mn、ni、cr、mo、v、cu、si、nb、ti、n和fe；

6、s2，將步驟s1中稱取的合金成分進(jìn)行真空冶煉、鑄造、電渣和熱鍛，得到熱鍛坯；

7、s3，對步驟s2中所得到的熱鍛坯進(jìn)行固溶處理；

8、s4，將步驟s3中固溶處理后的棒材，進(jìn)行表面扒皮，后進(jìn)行冷鍛，得到冷鍛坯；

9、s5，對步驟s4中得到的冷鍛坯進(jìn)行時(shí)效處理得到鋼材。

10、優(yōu)選的，步驟s2中的鍛造溫度控制為1150～1200℃，鍛造比為1.5～2.0。

11、優(yōu)選的，步驟s2中鍛造得到的鍛坯直徑為80～220mm。

12、優(yōu)選的，步驟s3中固溶處理的具體操作為：將熱鍛坯在1150～1200℃保溫8～15小時(shí)，然后水淬至700℃，后放入700℃的爐子中，隨爐冷卻至室溫。

13、優(yōu)選的，步驟s4中得到冷鍛坯直徑為30～110mm。

14、優(yōu)選的，步驟s4中冷鍛的鍛造比為2～2.7。

15、優(yōu)選的，步驟s5中的時(shí)效處理的具體操作為：將步驟s4中得到的冷變形后的冷鍛坯在650～750℃保溫12～18h，空冷至室溫。

16、根據(jù)上述任意一項(xiàng)制備的一種輕質(zhì)、高耐熱且兼具良好疲勞壽命的鋼材在熱膨脹刀柄的輕量化加工生產(chǎn)中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明的有益效果：

18、1、本發(fā)明制備的鋼材在大熱膨脹系數(shù)(大于22ppm/℃)的基礎(chǔ)上，hrc大于45，屈服強(qiáng)度大于1000mpa，抗拉強(qiáng)度大于1150mpa，塑性大于17％，彈性模量大于220gpa，加入si后的輕質(zhì)化，體現(xiàn)在材料密度降低至少3.7％；且無大量、大塊aln、mns、cr的碳化物，無微觀、宏觀裂紋出現(xiàn)，無晶界cr的碳化物所帶來的敏化特征產(chǎn)生，鋼材均由純fcc奧氏體組成，無馬氏體及變形態(tài)或高位錯(cuò)密度的奧氏體出現(xiàn)，使用壽命更長。

19、2、本發(fā)明采用的合金體系中n以vn合金形式加入或者通入n2進(jìn)行加n的，析出溫度與cr的碳化物大量析出的溫度區(qū)間相分隔開，防止敏化行為的產(chǎn)生，最終得到生產(chǎn)強(qiáng)度更高的鋼材；其主要機(jī)制是形變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，利用冷鍛實(shí)現(xiàn)形變強(qiáng)化，結(jié)合后續(xù)的時(shí)效處理強(qiáng)化析出cu、v(c,n)，得到適用于本合金體系的制備方法，最終得到高硬度、高強(qiáng)度、并兼具良好塑韌性的鋼材。

20、3、本發(fā)明固溶處理后的隨爐冷卻工藝，將經(jīng)過冷鍛后的棒材直接進(jìn)行時(shí)效處理，得到細(xì)小、大量、彌散的析出物，同時(shí)結(jié)合合適的參數(shù)區(qū)間，使得cu、v(c,n)可以以細(xì)小、彌散的方式大量析出，且bcc相可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc相，可以確保在熱變形后的奧氏體晶粒尺寸小于20μm，固溶處理后晶粒尺寸小于30μm，最終得到鋼材的硬度和強(qiáng)度可以有大幅度提升。

21、4、本發(fā)明中使用這種鋼材生產(chǎn)的熱脹刀柄在換刀次數(shù)大于3000次仍能確保加工精度小于3μm，可以用來加工硬度高的模具及其他高強(qiáng)、高硬度材料，具有大的彈性模量及高的硬度；另外本鋼材生產(chǎn)的熱脹刀柄的輕量化在模具及其相關(guān)材料加工中具有顯著的優(yōu)勢，包括提高加工精度和效率、延長刀具和主軸壽命、提高操作安全性、優(yōu)化熱傳導(dǎo)性能、改善加工表面質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，尤其適用于高精度和高要求的加工任務(wù)中。

22、說明書附圖

23、圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1的屈服強(qiáng)度(左：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線)和疲勞強(qiáng)度(右：升降法數(shù)據(jù)圖)測試結(jié)果；

24、圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的屈服強(qiáng)度(左：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線)和疲勞強(qiáng)度(右：升降法數(shù)據(jù)圖)測試結(jié)果；

25、圖3為本發(fā)明的實(shí)施例3的屈服強(qiáng)度(左：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線)和疲勞強(qiáng)度(右：升降法數(shù)據(jù)圖)測試結(jié)果；

26、圖4為本發(fā)明的實(shí)施例4的屈服強(qiáng)度(左：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線)和疲勞強(qiáng)度(右：升降法數(shù)據(jù)圖)測試結(jié)果；

27、圖5為本發(fā)明的實(shí)施例5的屈服強(qiáng)度(左：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線)和疲勞強(qiáng)度(右：升降法數(shù)據(jù)圖)測試結(jié)果；

28、圖6為本發(fā)明的實(shí)施例6的屈服強(qiáng)度(左：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線)和疲勞強(qiáng)度(右：升降法數(shù)據(jù)圖)測試結(jié)果；

29、圖7為本發(fā)明實(shí)施例6固溶處理后的ebsd圖。