專利名稱：高韌高耐磨滾刀用高速鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種新型高速鋼，具體地說是一種高韌高耐磨滾刀用高速鋼及其制備方法。
背景技術：
高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，又稱高速工具鋼或鋒鋼。由于高速鋼的工藝性能好，強度和韌性配合好，因此主要用來制造復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。目前通用的高速鋼M2已經不能滿足通常的使用要求，滾刀材料主要使用高性能聞速鋼如M42和M35等，但是由于其中含有大量的貴重合金Co,使得生廣成本提聞，其中聞速鋼M35包含的化學成分以重量百分比計為C:0. 88 0. 95,Si:彡0. 04, Cr: 3. 80 4. 50，Mo:4. 75 5. 20,V: I. 75 2. 00,ff:6. 00 7. 00,Co:4. 60 5. 00,Mn: ( 0. 04,P ^ 0. 030，
S彡 0. 030。高速干式滾齒加工是近年來發展的一種全新高效率的綠色齒輪制造技術，它克服了傳統齒輪加工生產效率低下、生產成本高、污染環境及危害工人身體健康等缺點，正成為各國研究的熱點。為實現滾刀高速切削或高速干切，對于刀具設計改進、涂層等性能提高，最終體現在對刀具材率強度、韌性、紅硬性和耐磨性及可磨削性要求的整體提高。但由于涂層的發展，使得切削速度和切削壽命差距變小，而傳統高速鋼其碳化物碳粒比粉末鋼大，同樣情況下，耐磨性要高于粉末高速鋼，只是在高精度多次刃磨方面要求很高時，粉末冶金高速鋼不可替代，但其成本遠高于傳統方法制造的高速鋼，因此在將來很長時間內傳統的高性能高速鋼仍是主要滾刀材料。

發明內容
本發明要解決的技術問題，是提供一種高韌高耐磨滾刀用高速鋼及其制備方法，較傳統高性能高速鋼的化學成分上降低了貴重金屬鈷(Co)的用量，相應增加了廉價的碳(C)和釩(V)的含量，使得高速鋼的晶粒組織細化，淬透性增加，在保證相應的高韌高耐磨的功能的前提下降低了生產成本；利用本發明提供的高韌高耐磨高速鋼的制備方法，控制了N的含量在150ppm以下，削弱了大顆粒碳化物的形成，改善可磨削性能及韌性；同時在加工制作工藝上改善了金屬流線，適于滾刀切削受力方向，提高了滾刀滾齒使用壽命；涂層的應用更加發揮了本發明滾刀滾齒的優越性。為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是
一種高韌高耐磨滾刀用高速鋼，它由以下重量百分比的化學成分組成
C:l. 05 I. 12，Si:0. 25 0. 45，Cr:3. 80 4. 50，
Mo:4. 50 5. 20, V:2. 50 3. 00, ff:5. 50 6. 50，
Co: I. 50 2. 50，Mn:0. 20 0. 40，P ≤ 0. 025，S ≤0. 015，其余為鐵及雜質。
本發明還提供了上述高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，它按照以下步驟順序進行
(I)將含有上述化學成分的高韌高耐滾刀用磨高速鋼，采用中頻冶煉+爐外精煉+真空脫氣+電渣重熔的方式制備成電渣鋼錠；其中，爐外精煉脫硫時，鋼水在真空狀態下通入惰性氣體攪拌，至使含硫量S < 0. 015,鋼水在真空狀態通如惰性氣體攪拌，能夠降低N和0含量，改善鋼水純凈度(降低氮化物和氧化物夾雜)，同時降低N含量，使得含氮量[N] ( 150ppm,改善了電洛重熔過程碳化物顆粒尤其初生碳或初生氮化鑰;顆粒大小。(2)在1130 1160°C下，將上述電渣鋼錠保溫3 6h，使用快鍛和自由鍛變形的方式，充分破碎，同時使用精鍛機進行拔長，使其內部組織及變形流線符合滾刀滾齒用中間坯規定的要求及形狀，形成中間坯；其中自由鍛+精鍛的變形方式為下一步十字鍛造提供了良好的金屬流線。

(3)將中間坯在1120 1150°C下，保溫100 280min，通過快鍛和自由鍛的方式進十字方向鐓拔，改變金屬流線，適應滾刀滾齒工作受力方向，形成鍛件；其中，十字鍛造工序僅能進行I次，才能保證最終滾刀滾齒材料的良好的金屬流線。(4)將鍛件進行裝罐保護退火，在860 880°C下保溫5 8小時，緩慢冷卻到500°C以下出爐，形成高速鋼坯體；
(5)將高速鋼坯體進行探傷和精整，取樣檢驗，形成合格的高速鋼鍛材或鍛件；
(6)將高速鋼鍛材或鍛件進行機械初加工，并進行600°C保溫4-6小時的去應力退火，形成滾刀滾齒機加工毛坯料；
(7)將機加工毛坯料分級加熱，后經300°C油淬空冷到室溫淬火，550-560°CX lhX4次回火，每次回火后必須冷卻到室溫再進行下次回火；
(8)將熱處理好的機加工毛坯料上磨床進行精加工后進行涂層，形成最終高韌高耐磨高速鋼。作為本發明的一種限定，步驟(2)中所述的惰性氣體為氬氣。作為本發明的另一種限定，步驟(4)中所述的緩慢冷卻速率為彡15°C /小時。作為本發明的第三種限定，步驟(7)中所述的分級加熱的溫度分別為300°C、850°C、1050°C U180-1215°C。由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，所取得技術進步在于
(I)較傳統高性能高速鋼的化學成分上降低了貴重金屬Co的用量，相應增加了廉價的C和V的含量；
基于Co含量對高速鋼二次硬度的影響研究，Co的含量控制在0 3%范圍內可使鋼的二次硬度迅速提高，在增加到5%時二次硬化提高最多，但是相應的生產成本會顯著增加10-15%，且Co含量低于I. 5%或高于2. 5%-5% 二次硬化效果不明顯因此僅加入最有效的Co含量I. 5 2. 5%，保證硬度的提高，而與M35相比降低2-3%以上的Co成本，作到最有效地經濟的使用，最終確定Co含量為I. 5 2. 5%。依據化學平衡碳理論，增加含碳量可在淬火加熱時增加高速鋼奧氏體中的含碳量，加強回火時的彌散硬化作用，從而提高看常溫和高溫硬度，但是碳含量過多會影響鋼本身的特性，根據合金化原理平衡碳計算公式c=0. 033W+0. 063MO+0. 060Cr+0. 2V，進行碳含量的控制，最終確定碳的含量為I. 05 I. 12% ;碳的含量低于I. 05%時與合金搭配不充分，會降低材料的硬度，碳的含量高于I. 12%時將增加材料脆性，最終都將降低使用壽命。增加了釩的含量，使得鋼的晶粒組織的細化度增強，從而提高鋼的高溫硬度、高溫強度、韌性和耐磨性，當其在高溫熔入奧氏體時可以增加鋼的淬透性，防止鋼的過熱敏感傾向，釩含量的增加使鋼中形成VC(碳化釩)碳化物與M35鋼相比大幅增加使得最大限度的發揮釩的作用，提高了鋼的耐磨性，但是如果釩的含量過高后會使得鋼回火后機械性能不佳，磨削性較差，經過反復試驗最終確定本發明中使用的釩的含量為2. 50 3. 00%。(2)利用本發明提供的高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，控制了 N的含量在150ppm以下，削弱了大顆粒碳化物的形成，改善可磨削性能。由于在制備過程中釩會形成VC (碳化釩)類型碳化物，V的增加使得鋼中高耐磨的MC (M為碳化物形成元素)碳化物比例顯著增加，從而顯著提高耐磨性，試驗表明過量的N與V易在高溫情況下先形成VN(氮化釩)，析出成核后VC在其上長大，是最終形成較多大顆粒碳化物的一個重要因素；另一個因素是過量的N使得鋼中形成大量AlN (氮化鋁夾雜)脆性相，對鋼的韌性極為不利。因此控制N的含量在150ppm以下時，可以削弱大顆粒碳化物的形成和夾雜的AlN脆性相減少，對鋼的韌性影響較小，同時控制VC顆粒，也有效的改善可磨削性能。本發明用于制備汽車和機械工程行業的滾刀滾齒等轉動元件。本發明下面將結合具體實施例作進一步詳細說明。
具體實施例方式實施例I
一種高韌高耐磨滾刀用高速鋼，它由以下重量百分比的化學成分組成
C:l. 08，Si:0. 25，Cr :3. 95，Mo :4. 85，V:2. 60，ff:5. 80，Co: I. 93，Mn :0. 32，P 彡 0. 03，S < 0.01，余量為鐵和雜質。上述高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，它按照以下步驟順序進行
(I)將含有上述化學成分的高韌高耐滾刀用磨高速鋼，采用中頻冶煉+爐外精煉+真空脫氣+電渣重熔的方式制備成電渣鋼錠；其中，爐外精煉脫硫時，鋼水在真空狀態下通入惰性氣體攪拌；爐外精煉脫硫至含硫量S ( 0. 015，鋼水在真空狀態通如惰性氣體攪拌，降低N和0含量，改善鋼水純凈度(降低氮化物和氧化物夾雜)，同時降低N含量，使得含氮量[N] ( 150ppm,改善了電洛重熔過程碳化物顆粒尤其是初生碳或初生氮化鑰;顆粒大小。(2)在1130°C下，將上述電渣鋼錠保溫3h，使用快鍛和自由鍛變形的方式，充分破碎，同時使用精鍛機進行拔長，使其內部組織及變形流線符合滾刀滾齒用中間坯規定的要求及形狀，形成中間坯；其中自由鍛+精鍛的變形方式為下一步十字鍛造中提供了良好的金屬流線。(3)將中間坯在1120°C下，保溫150min，通過快鍛和自由鍛的方式進十字方向鐓拔，改變金屬流線，適應滾刀滾齒工作受力方向，形成鍛件；其中，十字鍛造工序僅能進行I次，才能保證最終滾刀滾齒材料的良好流線。(4)將鍛件進行裝罐保護退火，在860°C下保溫6h，緩慢冷卻到500°C以下出爐，形成高速鋼坯體。(5)將高速鋼坯體進行探傷和精整，取樣檢驗，形成合格的高速鋼鍛材或鍛件。(6)將高速鋼鍛材或鍛件進行機械初加工，并進行600°C保溫5h的去應力退火，形、成滾刀滾齒機加工毛坯料。(7)將機加工毛坯料分級加熱，后經300°C油淬空冷到室溫淬火，550°C X lhX4次回火，每次回火后必須冷卻到室溫再進行下次回火。(8)將熱處理好的機加工毛坯料上磨床進行精加工后進行涂層，形成最終高韌高耐磨高速鋼。實施例2-8
實施例2-8中所涉及的高韌高耐磨滾刀用高速鋼，它化學成分的重量百分比如表I所示，應用同實施例相應的制備方法制備而得，其中所涉及的步驟參數如表2所示，各實施例相應的性能檢驗情況如表3所示
權利要求
1.一種高韌高耐磨滾刀用高速鋼，其特征在于它由以下重量百分比的化學成分組成C:l. 05 I. 12，Si:0. 25 0. 45，Cr:3. 80 4. 50，Mo:4. 50 5. 20, V:2. 50 3. 00, ff:5. 50 6. 50，Co: I. 50 2. 50，Mn:0. 20 0. 40，P 彡 0. 025，S 彡 0. 015，其余為鐵及雜質。
2.一種如權利要求I所述的高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，其特征在于它按照以下步驟順序進行 (1)將含有權利要求I所述化學成分的高韌高耐滾刀用磨高速鋼，采用中頻冶煉+爐外精煉+真空脫氣+電渣重熔的方式制備成電渣鋼錠；其中，爐外精煉脫硫時，鋼水在真空狀態下通入惰性氣體攪拌，控制氮含量[N] ( 150ppm ； (2)在1130 1160°C下，將上述電渣鋼錠保溫3 6h，使用快鍛和自由鍛變形的方式，充分破碎，同時使用精鍛機進行拔長，使其內部組織及變形流線符合滾刀滾齒用中間坯規定的要求及形狀，形成中間坯； (3)將中間坯在1120 1150°C下，保溫100 280min，通過快鍛和自由鍛進行十字方向鐓拔，形成鍛件； (4)將鍛件進行裝罐保護退火，在860 880°C下保溫5 8小時，緩慢冷卻到500°C以下出爐，形成高速鋼坯體； (5)將高速鋼坯體進行探傷和精整，取樣檢驗，形成合格的高速鋼鍛材或鍛件； (6)將高速鋼鍛材或鍛件進行機械初加工，并進行600°C保溫4-6小時的去應力退火，形成滾刀滾齒機加工毛坯料； (7)將機加工毛坯料分級加熱，后經300°C油淬空冷到室溫淬火，550-560°CX lhX4次回火； (8)將熱處理好的機加工毛坯料上磨床進行精加工后進行涂層，形成最終高韌高耐磨高速鋼。
3.根據權利要求2所述的高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的惰性氣體為氬氣。
4.根據權利要求2所述的高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，其特征在于步驟(7)中所述的緩慢冷卻速率為< 15°C /小時。
5.根據權利要求2所述的高韌高耐磨滾刀用高速鋼的制備方法，其特征在于步驟(7)中所述的分級加熱的溫度分別為300°C、850°C、1050°C、1180_1215°C。
全文摘要
本發明公開了一種高韌高耐磨滾刀用高速鋼及其制備方法，較傳統高性能高速鋼的化學成分上降低了貴重金屬鈷的用量，相應增加了廉價的碳和釩的含量，使得高速鋼的晶粒組織細化，淬透性增加，在保證相應的高韌高耐磨的功能的前提下降低了生產成本；利用本發明提供的高韌高耐磨高速鋼的制備方法，控制了N的含量在150ppm以下，削弱了大顆粒碳化物的形成，改善可磨削性能。本發明用于制備汽車和機械工程行業的滾刀滾齒等轉動元件。
文檔編號C22C38/30GK102747293SQ20121025909
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者吳立志, 孫宗林, 張占普, 鄭偉 申請人:河冶科技股份有限公司