CN111647797A - 一种高速工具钢及其钢热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速工具钢及其钢热处理方法，高速工具钢包括C：0.66‑0.74％，Si：0.15‑0.36％，Mn：0.20‑0.31％，P：0.01‑0.03％，S：0.01‑0.03％，Se：0.21‑0.36％，Ti：3.05‑4.10％，Zr：0.29‑0.95％，V：1.70‑2.1％、Mo：2.77‑3.50％，Co：4.50‑5.00％、Ta：1.55‑2.05％、富勒烯：0.01‑0.03％，石墨烯：0.01‑0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，该种高速工具钢坯体的力学性能优良，其硬度最高达到89HRC以上，抗拉强度为4350Mpa，冲击韧度达到93αk，可满足高性能零件的加工需求。

Description

一种高速工具钢及其钢热处理方法
技术领域
本发明涉及一种模具钢材技术领域，特别是一种高速工具钢。
背景技术
高速钢是高速工具钢的简称，通常用于制作高速切削的工具，是一系列钢号的总称。由于其具有良好的耐磨性和淬透性，尤其是高温时的红硬性，使其成为制造轧辊的理想材料。这类钢的特点：具有较高的高温硬度，即使在高速切削条件下，刀刃边不会因发热而软化，其在淬火～回火后的硬度可达到HRC63以上，并且在600℃时仍能保持HRC55以上的高硬度。
但是，由于热工具钢的含碳量少，常温强度低，所以有疲劳、磨耗及破损等情况发生。而且，历来的高速工具钢系列的材料还有韧性不足，容易发生破裂及热裂纹等问题，已经无法满足高性能零件的加工需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高速工具钢及其钢热处理方法。
具体技术方案是：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：
C：0.66-0.74％，Si：0.15-0.36％，Mn：0.20-0.31％，P：0.01-0.03％，S：0.01-0.03％，Se：0.21-0.36％，Ti：3.05-4.10％，Zr：0.29-0.95％，V：1.70-2.1％、Mo：2.77-3.50％，Co：4.50-5.00％、Ta：1.55-2.05％、富勒烯：0.01-0.03％，石墨烯：0.01-0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
优选的，C：0.66％，Si：0.20％，Mn：0.28％，P：0.01％，S：0.02％，Se：0.28％，Ti：3.56％，Zr：0.44％，V：1.82％、Mo：2.80％，Co：4.50％、Ta：1.80％、富勒烯：0.01％，石墨烯：0.01％。
进一步的，本发明提供一种高速工具钢的钢热处理方法，具体步骤如下：
(1)按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；
(2)将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；
(2)将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为700-750℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温2-3h；
(3)再低温回火处理，回火温度为180-190℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
优选的，退火温度为700℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温3h。
优选的，回火温度为190℃。
本发明各元素的作用：
C：0.66-0.74％：钢中主要的强化元素，赋予淬火回火硬度、提高耐磨耗性的元素，本发明中的C含量应不低于0.45％，但过多碳化物的析出将影响钢的韧性和加工性，因此限制其添加上限为0.74％，优选的，C为0.66％，优选0.66％。
Si：0.15-0.36％：Si可作为脱氧元素，在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能，同样，可以去除金属中的氧气，本发明中控制Si含量为0.15-0.36％，优选的，Si为0.20％。
Mn：0.20-0.31％：Mn是奥氏体扩大元素，还能够提高钢的强度和耐蚀性，并且具有增大钢中N的固溶度的效果，同时能增加钢的淬透性，提高奥氏体钢的硬度和强度，本发明中控制Mn的含量为0.20-0.31％，优选为0.28％。
P：0.01-0.03％：P能使钢材的强度、硬度、耐蚀性提高，但显著降低钢材的塑性和籾性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，因此本发明添加量较少，控制在0.01-0.03％之间，优选的，P为0.01％。
S：0.01-0.03％：S是提高切削加工性的元素，因此添加0.10％以上，S的含量优选为0.02％。
Se：0.21-0.36％：Se能够提高切削加工性，比S效果更好，在本发明中加入0.21-0.36％的Se，优选为0.28％。
Ti：3.05-4.10％：金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳以及其他许多元素化合，表钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性，同时表现现出强的抗腐蚀性，在本发明中加入3.05-4.10％的Ti，优选为3.56％。
Zr：0.29-0.95％：Zr是强有力的脱氧、除氮的作用，在本发明中加入0.29-0.95％含量的Zr，能够明显提高钢材的硬度和强度，优选的，Zr为0.44％。
V：1.70-2.1％：V能够增加钢材的耐磨性和硬度，在本发明中加入1.70-2.1％的V优选1.82％。
Mo：2.77-3.50％：Mo作为钢的合金化元素，在高温下提高钢材的强度，可以提高钢的强度，特别是高温强度和韧性，因此，因此本发明添加量为2.77-3.50％，优选的，Mo为2.80％。
Co：4.50-5.00％：Co能够增强刀片的强度和硬度，在本发明中加入4.50-5.00％的Co，优选4.50％。
Ta：1.55-2.05％：Ta具有极高的抗腐蚀性，在本发明中加入1.55-2.05％的Ta，相比较Cu，抗腐蚀效果更佳，优选的，Ta为1.80％。
富勒烯：0.01-0.03％：富勒烯具有高抗拉强度、高导电性、高延展性、高导热性，发明人发现在钢材中加入少量的富勒烯，能够明显提高刚才的综合性能，本发明富勒烯含量控制在0.01-0.03％，富勒烯优选为0.01％。
石墨烯：0.01-0.03％：石墨烯独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，使高速工具钢具有较高的机械性能，尤其具有较高的抗弯强度、硬度和冲击韧性，本发明石墨烯含量控制在0.01-0.03％，优选为0.01％。
本发明获得的有益效果：
(1)本发明制备的高速工具钢坯体的力学性能优良，其中，实施例三的提供的高速工具钢效果最好，以质量百分比计，在C：0.66％，Si：0.20％，Mn：0.28％，P：0.01％，S：0.02％，Se：0.28％，Ti：3.56％，Zr：0.44％，V：1.82％、Mo：2.80％，Co：4.50％、Ta：1.80％、富勒烯：0.01％，石墨烯：0.01％，余量为Fe的配比下，其硬度最高达到89HRC以上，抗拉强度为4350Mpa，冲击韧度达到93αk，可满足高性能零件的加工需求。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例一：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.66％，Si：0.15％，Mn：0.20％，P：0.01％，S：0.01％，Se：0.21％，Ti：3.05％，Zr：0.29％，V：1.70％、Mo：2.77％，Co：4.50％、Ta：1.55％、富勒烯：0.01％，石墨烯：0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
本实施例中，高速工具钢制备方法，具体步骤如下：
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为700℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温2h；再低温回火处理，回火温度为180℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
实施例二：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.68％，Si：0.26％，Mn：0.27％，P：0.01％，S：0.02％，Se：0.27％，Ti：3.66％，Zr：0.50％，V：1.90％、Mo：2.94％，Co：4.85％、Ta：2.01％、富勒烯：0.02％，石墨烯：0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为725℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温2.5h；再低温回火处理，回火温度为185℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
实施例三：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.66％，Si：0.20％，Mn：0.28％，P：0.01％，S：0.02％，Se：0.28％，Ti：3.56％，Zr：0.44％，V：1.82％、Mo：2.80％，Co：4.50％、Ta：1.80％、富勒烯：0.01％，石墨烯：0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为700℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温3h；再低温回火处理，回火温度为190℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
实施例四：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.71％，Si：0.32％，Mn：0.27％，P：0.02％，S：0.01％，Se：0.34％，Ti：4.08％，Zr：0.77％，V：2.02％、Mo：3.46％，Co：4.73％、Ta：2.04％、富勒烯：0.03％，石墨烯：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为745℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温2.8h；再低温回火处理，回火温度为186℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
实施例五：
一种高速工具钢，以质量百分比计，具有如下组分：
C：0.74％，Si：0.36％，Mn：0.31％，P：0.03％，S：0.03％，Se：0.36％，Ti：4.10％，Zr：0.95％，V：2.1％、Mo：3.50％，Co：5.00％、Ta：2.05％、富勒烯：0.03％，石墨烯：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，各组分质量百分比之和为100％。
按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为750℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温3h；再低温回火处理，回火温度为190℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
实施例六：
将实施例一至五的高速工具钢铸成坯体，测定其力学性能，结果参见表1。
表1：实施例一至五的高速工具钢坯体的力学性能
序号 硬度HRC 抗拉强度Mpa 冲击韧度αk
实施例一 74 4070 88
实施例二 75 4039 89
实施例三 89 4350 93
实施例四 81 7148 92
实施例五 77 4045 91
市售高速工具钢 75 4050 90
由表1可知，与市售高速工具钢相比，本发明实施例一至实施例五制备的高速工具钢坯体的力学性能优良，其中，实施例三的提供的高速工具钢效果最好，其硬度最高达到89HRC以上，抗拉强度为4350Mpa，冲击韧度达到93αk。

Claims (5)

1.一种高速工具钢，其特征在于：以质量百分比计，具有如下组分，C：0.66-0.74％，Si：0.15-0.36％，Mn：0.20-0.31％，P：0.01-0.03％，S：0.01-0.03％，Se：0.21-0.36％，Ti：3.05-4.10％，Zr：0.29-0.95％，V：1.70-2.1％、Mo：2.77-3.50％，Co：4.50-5.00％、Ta：1.55-2.05％、富勒烯：0.01-0.03％，石墨烯：0.01-0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述C：0.66％，Si：0.20％，Mn：0.28％，P：0.01％，S：0.02％，Se：0.28％，Ti：3.56％，Zr：0.44％，V：1.82％、Mo：2.80％，Co：4.50％、Ta：1.80％、富勒烯：0.01％，石墨烯：0.01％。
3.一种如权利要求1所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述高速工具钢的钢热处理方法，具体步骤如下：
(1)按高速工具钢材料所含组分的质量百分比进行配料，材料制备过程中，依次采用电弧炉、LF精炼炉、VD真空除气炉、电渣重熔对原料进行冶炼和处理，得到一级钢液；
(2)将一级钢液钢液进行二次熔渣精炼，控制钢液中的S降低至0.003％以下，得到二级钢液；
(2)将二级钢液浇铸成钢锭或连铸坯，然后进行退火，退火温度为700-750℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温2-3h；
(3)再低温回火处理，回火温度为180-190℃，最终得到高硬度高韧性高速工具钢材料。
4.根据权利要求3所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述高速工具钢的钢热处理方法中，退火温度为700℃，冷炉下降至500℃以下出炉，退火保温3h。
5.根据权利要求3所述的一种高速工具钢，其特征在于：所述高速工具钢的钢热处理方法中，回火温度为190℃。
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