專利名稱：含鈷鋁特種高速鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域。主要適用于難切削加工的金屬材料。
用于航空航天工業(yè)、兵器工業(yè)、汽車工業(yè)和化工機械等的高溫合金、鐵合金、超高強度鋼和不銹鋼等都是切削加工較困難的材料。切削這些材料時的共同特點是發(fā)熱量大，刀具損壞很快。用普通高速鋼刀具加工時，不但效率很低，刀具消耗量很大，而且有時甚至加工不動。硬質(zhì)合金和陶瓷材料刀具的切削性能雖優(yōu)于高速鋼，但它們的脆性很強，只適用于做一些形狀簡單的刀具，而不能制成象拉刀、銑刀和齒輪刀具等之類形狀復(fù)雜的刀具，此外，也不宜用于進行精加工。
現(xiàn)有的用于切削難加工材料的高速鋼主要是特種高速鋼，包括含鈷高速鋼、高釩高速鋼和含鋁高速鋼等。
含鈷高速鋼的硬度高，耐熱性好，但主要缺點是韌性差，較脆;另外，含鈷量較高，鈷是貴重的稀有元素，價格昂貴，故成本高(US3859081、US4036640、昭55-8442)。
高釩高速鋼的硬度和耐熱性均不如含鈷高速鋼。它的主要特點是耐磨性好，但刀具本身不易磨削，所以應(yīng)用很有限。
含鋁高速鋼是從六十年代發(fā)展起來的，至今國內(nèi)外應(yīng)用的還只有一個鋼號M2Al(奧地利BOHLER公司廠標SPECIALSTEELMANUAL)。其硬度可達HRC67左右，耐熱性和韌性較好，且比含鈷高速鋼便宜得多;其主要缺點是鋼中夾雜物增多。
對于一些難于切削加工的材料，使用上述現(xiàn)有的特種高速鋼仍不能完全解決問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種性能優(yōu)于現(xiàn)有含鈷或含鋁的高硬度特種高速鋼。它不僅硬度高，耐熱性好，而且還具有一定的韌性，能制成各種形狀復(fù)雜的刀具，可用于切削加工較難的材料。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案是在Mo、W、Cr、V的基礎(chǔ)上，同時加Co加Al，綜合利用Co和Al在高速鋼中的作用。
高速鋼是高碳高合金萊氏體型鋼。其合金元素大致可分為兩大類即碳化物形成元素和非碳化物形成元素。
碳化物形成元素主要有W、Mo、Cr、V等。所形成的碳化物有一次碳化物和二次碳化物之分。一次碳化物是在鋼液凝固時的共晶反應(yīng)階段從液相中析出的，主要類型有M6C、M2C和MC等，它們在鋼中的主要作用是增加鋼的耐磨性和抑制鋼在淬火加熱時奧氏體晶粒的長大。二次碳化物是從奧氏體中析出的，主要類型有M6C、MC、M23C6等，它們在淬火加熱時幾乎能全部固溶于基體中。在淬火之后，鋼的基體組織是碳和合金元素W、Mo、Cr、V等的過飽和馬氏體。在隨后的回火過程中，淬火馬氏體分解，析出非常均勻和彌散的W、Mo、Cr、V等的碳化物，使鋼的硬度大大增加，這就是二次硬化現(xiàn)象。所析出的彌散的碳化物數(shù)量愈多，二次硬化的作用也愈強，高速鋼的硬度和耐熱性就愈高。通常一次碳化物和二次碳化物的數(shù)量各半。
非碳化物形成元素有Co、Al和Si等。至今，Co和Al在高速鋼中的作用機理仍不十分清楚。但Co的明顯作用是能提高鋼的臨界點，促使增加回火時析出的彌散碳化物的數(shù)量，并能有效地阻止它們長大。因此，鈷雖不是碳化物形成元素，但對鋼的二次硬化和耐熱性有非常明顯的作用。鈷的不利作用是增加了鋼的脆性。這是因為鈷能增加回火高速鋼中孿晶馬氏體的數(shù)量，而孿晶馬氏體很脆，對鋼的韌性不利。實踐表明，鋁對高速鋼的耐熱性有顯著的作用。鋁與鈷一樣，能提高鋼的相變點，提高鋼在回火時析出的彌散碳化物的數(shù)量。另外，鋁能提高回火高速鋼中位錯馬氏體的數(shù)量，而孿晶馬氏體的韌性比孿晶馬氏體好得多。因此，在含鈷的高速鋼中再加入鋁，有利于改善鋼的韌性。
由此可見，本發(fā)明在加入W、Mo、Cr、V合金元素的基礎(chǔ)上，同時還加Co和Al，不僅能獲得足夠的硬度和耐熱性，而且還具有一定的韌性?？蓾M足特種高速鋼的使用要求。
本發(fā)明的化學成分(重量%)如下C0.6～1.6%，Si0.1～1.5%，Mn0.1～0.6%，Cr3.5～4.5%，W1～20%，Mo1～10%，V0.5～5%，Co1～15%，Al0.4～2.0%，RE≤0.1%，Nb≤2%，N≤0.1%，余為Fe。
除了W、Mo、Cr、V、Co和Al必要的合金元素外，本發(fā)明的選擇性成分還可加入RE、Nb和N。RE的主要作用是凈化晶界和細化晶粒，提高鋼的熱塑性，細化鋼的碳化物，改變夾雜物形態(tài)，改善鋼的韌性;加N的目的是利用N和C形成的極細小的碳氮化物，使在淬火時抑制晶粒的長大，使鋼保持較細的組織，從而獲得較好的二次硬化和提高韌性;Nb的主要作用是在鋼中形成碳化物，增加耐磨性，有時Nb可作為替代部分V使用。
本發(fā)明鋼可用電弧爐、感應(yīng)爐或電渣重熔等方法冶煉，采用鍛造或軋制成材。鋼錠在鍛軋前需退火，退火溫度為900～960℃，鍛、軋的加熱溫度為1050～1200℃，終鍛、軋溫度＞950℃。之后，進行淬火和回火。
根據(jù)上述化學成分所生產(chǎn)的本發(fā)明鋼材，回火后的硬度HRC達69左右，且韌性好。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點是硬度高，耐熱性好，比單純含Co或單純含Al的特種高速鋼性能優(yōu)越，能制成各種形狀復(fù)雜的刀具，具有優(yōu)異的切削性能。能滿足高溫合金等各種難于切削的金屬材料的加工要求，另外，鋼材抗表面氧化性能好，表面質(zhì)量優(yōu)異，由于加Al，可減少加Co量，成本下降。
實施例根據(jù)本發(fā)明的化學成分范圍，在感應(yīng)爐上冶煉了3爐鋼，3爐鋼的的實際化學成分如表1所示。鋼錠經(jīng)950℃退火后，進行鍛造，鍛造加熱溫度1150℃。鍛造后，鍛材進行退火，隨后進行淬火回火熱處理，并測其硬度等。熱處理制度及主要性能如表2所示。
表1、實施例化學成分(重量%)
采用實施例中1號爐的鍛材和對比鋼號M42鋼(M42鋼為含鈷高速鋼的王牌鋼號)的鍛材均制成12×12×180mm的車刀，進行車削對比試驗。切削對象為1Cr18Ni9Ti不銹鋼料，料坯尺寸為φ66×180mm。工件轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分，進刀量0.16mm，切削深度0.8mm。本發(fā)明制成的車刀，走刀180mm時，刀具主后面磨損1.5×1.5mm;M42制成的車刀，走刀70mm時，刀具主后面磨損1.5×1.5mm。說明本發(fā)明鋼的切削性能優(yōu)于M42。切削壽命為M42鋼的1.5倍左右。
權(quán)利要求
一種特種高速鋼，其特征在于鋼的化學成分(重量%)為C0.6～1.6%，Si0.1～1.5%，Mn0.1～0.6%，Cr3.5～4.5%，W1～20%，Mo1～10%，V0.5～5%，Co1～15%，Al0.4～2.0%，RE≤0.1%，Nb≤2%，N≤0.1%，余為Fe。
全文摘要
本發(fā)明系超硬特種高速鋼。主要適用于難于切削加工的金屬材料。其主要特點是在含W、Mo、Cr和V合金元素的基礎(chǔ)上，同時還加一定量的Co和Al。不僅能獲得足夠的硬度和耐熱性，而且還有較好的韌性，能制做成各種形狀復(fù)雜的刀具，可解決象高溫合金、鈦合金、超高強度鋼和不銹鋼等材料切削加工困難的問題。其成本比單純含鈷高速鋼要低。
文檔編號C22C38/30GK1047536SQ90103208
公開日1990年12月5日 申請日期1990年7月3日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月3日
發(fā)明者羅迪, 邢國華 申請人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院