CN112281076A - 定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，其特征在于，其组分按质量百分比包括：C：1.17%‑1.30%，W：4.60%‑5.10%，Mo：5.60%‑6.00%，Cr：3.80%‑4.20%，V：2.60%‑3.10%，Co：0.40%‑0.60%，Si：0.20%‑0.60%，Mn：0.20%‑0.60%，稀土钇Y：0.04‑0.08%，余量为铁和杂质；所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢大块角状碳化物细小均匀，本发明定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，发挥了定向凝固电渣重熔工艺高性价比的优势，具有优异的综合性能。使用寿命与含Co:5%质量分数的M35高速钢相当，最大碳化物尺寸大幅度降低，合金元素比M35高速钢减少，成本比M35高速钢低廉。与进口同类高速钢比，最大碳化物颗粒尺寸差别不大，寿命接近进口水平，实现了同类高速钢的进口替代。

Description

定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢及其制备工艺

技术领域

本发明涉及丝锥专用高速钢领域，具体涉及定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢及其制备工艺。

背景技术

高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，高速钢材料主要由两种基本成分构成：一种是金属碳化物，它赋予材料较好的耐磨性及强度；二是分布在碳化物周围的钢基体，它使材料具有较好的韧性和吸收冲击、防止碎裂的能力。

我国高速钢自1911年开始研究生产以来，发展至今尚处于初级阶段，解决好如何使高速钢行业“控制低端，发展高端”是接下来一段时间科研人员和企业工程师的首要目标，截止目前为止，我国生产的高速钢钢种以M2为主，占40%以上。

高速钢质量和性能的提升在本质上受基体组织和碳化物析出的影响，因而从根本上研究上述行为，不断创新和改进高速钢生产流程中的制造工艺，有效改善产品质量和性能，对于提高国际市场竞争力和产品附加值，推动现代制造业的发展具有重要意义。

碳化物是高速钢中的重要组成相之一，具有高熔点、高硬度和脆性等特点。高速钢中碳化物分一次碳化物与二次碳化物两类：一次碳化物的尺寸较大，在热处理中不易溶解在钢基体中，会造成钢基体应力集中，易引发裂纹源并扩展，导致钢的塑性和韧性下降，大尺寸碳化物中合金元素含量较多，钢基体中的元素含量较少，减弱了回火二次硬化效应，会降低钢的强度等，同时大尺寸不规则且硬度大的碳化物容易发生断裂并从基体脱落，也会降低钢的耐磨性和断裂韧性。碳化物的不均匀性则容易引起碳化物堆积而脱落，淬火时发生局部过热、产生裂纹和混晶现象，影响钢的强度和塑韧性等。二次碳化物作为钢中的强化相，其尺寸、形状和数量等可在热加工和热处理中得到控制。弥散分布的二次碳化物对于强化基体和提高性能有重要作用。

目前高速钢熔炼工艺主要有传统电渣重熔、粉末冶金和喷射成形，传统电渣重熔工艺熔炼工艺过程由于钢液缓慢冷却，碳化物在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化物组织，即使经过后续锻轧处理，仍然会对高速钢性能带来不良影响。而喷射成形的碳化物颗粒较大，成本较传统电渣重熔高，粉末冶金则成本较高，不合适大规模推广。熔炼工艺作为主要的生产方式，其工序影响碳化物的形成和转变，通过定向凝固电渣重熔技术，促进高速钢中形成颗粒细小、分布均匀的球状碳化物，而且可以在不恶化碳化物的情况下优化传统用量最大的M2高速钢的成分配比，进而提高高速钢的冶金质量和使用寿命，同时以电渣重熔的成本生产接近粉末冶金的高速钢质量，为高端产品的生产和销售提供动力。

但业内高端高速钢都是以进口为主，进口高速钢成本高，使得企业生产成本居高不下，急需研发国产高速钢代替进口高速钢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，

提供定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢及其制备工艺。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，其特征在于，其组分按质量百分比包括：C：1.17%-1.30%，W：4.60%-5.10%，Mo：5.60%-6.00%，Cr：3.80%-4.20%，V：2.60%-3.10%，Co：0.40%-0.60%，Si：0.20%-0.60%，Mn：0.20%-0.60%，稀土钇Y：0.04-0.08%，余量为铁和杂质；所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢大块角状碳化物细小均匀。

上述的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢可进一步设置为：其组分按质量百分比包括：C：1.24%，W：4.85%，Mo：5.80%，Cr：4.00%，V：3.00%，Co：0.50%，Si：0.3%，Mn：0.3%，稀土钇Y：0.06%，余量为铁和杂质，所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢大块角状碳化物细小均匀。

上述的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢可进一步设置为：所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢的碳饱和度A的范围为0.87-0.91，A的计算方式为：

C_s=0.033*W%+0.063*Mo%+0.06*Cr%+0.2*V%

A=C_实/C_s

其中，W%、Mo%、Cr%、V%表示钢中W、Mo、Cr、V的实际含量百分数。

上述的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢可进一步设置为：大块角状碳化物至少80Vol%尺寸≤6μm，最大角状碳化物尺寸≤12μm。

一种上述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1.电弧炉冶炼钢水；

S2.经过LF炉外精炼，浇注铸锭；

S3.定向凝固电渣重熔；

S4.变向锻造，轧制制备高速钢棒材、盘圆和扁钢。

采用上述技术方案，使用电弧炉可以减少高钢的杂质含量，通过变向锻造可以提高高速钢碳化物的均匀度。定向凝固电渣重熔具体包括以下步骤（如公开的发明专利申请CN 111118302 A金属电渣重熔用结晶器和电渣重熔装置以及电渣重熔方法）：

1：对电极棒进行退火（保温温度830℃、时间5-7h）和表面砂磨消除氧化皮。

2：将电极棒与假电极焊接，并夹持。

3：选择合理的渣料配比并化渣。

4：准备结晶器与底水箱并接通电源开始重熔。

5：快速抽锭。

传统M2高速钢C元素含量为0.8%-0.9%，本发明提高C含量达到1.17%-1.30%，提高C含量，有助于提高高速钢的淬火硬度，提高耐磨性，并且可以保证谈饱和度A达到0.87-0.91的范围，同时由于定向凝固电渣重熔工艺的作用，碳化物不会因C含量的增加而粗大；

W元素固溶于高速钢基体中，可以提高强度，提高钢的高温强度，提高钢的抗氢性能并且提高钢的热硬性。但由于W元素的增加了高速钢工具在加工过程中的砂轮成本，本发明适当降低W含量至4.60%-5.10%，降低加工过程中砂轮损耗成本；

Mo元素在钢中的作用与W类似，但由于Mo原子更小，对应于和C形成碳化物的关系，1%的Mo可以替代1.8%的W，为降低成本，提高Mo含量至5.60%-6.00%；

V元素是强碳化物形成元素，特别是高速钢在二次硬化时可以形成大量二次碳化物，大大增加了高速钢的耐磨性能，同时由于定向凝固电渣重熔的作用，细化了V系MC碳化物颗粒度，并且不增加高速钢加工过程中的成本，本发明将V含量提高到V:2.60%-3.10%；

Si元素在钢起到固溶强化的作用，因此适当提高Si含量至0.20%-0.80%；

Mn元素可以提高钢的淬透性，但会使晶粒长大，本发明确定M含量为0.20%-0.80%；

Co元素为非碳化物形成元素，但是可以与铁形成连续固溶体，增加高速钢的强度，可以显著提高高速钢的热强性和高温硬度，但是考虑到Co元素相对稀少，价格昂贵，为降低成本，确定Co含量为0.40%-0.60%；

稀土钇Y元素在高速钢中与其他元素相互作用实现高速钢的微合金化，净化晶界，细化晶粒以及可以改善高速钢中碳化物形貌和尺寸，同时可以消除有害元素硫S在晶界的偏聚；但加入过量稀土会使钢中夹杂物增多，影响钢的性能，并且考虑降低成本稀土不易加入过多，确定稀土钇Y含量:0.04-0.08%；

碳饱和度A值为确定高速钢元素比例的一个重要指标，若A值过低，则无法保证高速钢的淬火硬度，增加淬火难度和成本；过高则增加高速钢的脆性，降低高速钢的韧性，并且稳定的A值可以提高淬火稳定性，确定A值为0.87-0.91；

为最大限度体现定向凝固电渣重熔工艺的高性价比优势，作为上述合金质量百分比的限定，确定该定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢的最佳百分比为：C:1.24%，W:4.85%，Mo:5.80%，Cr:4.00%，V:3.00%，Co:0.50%，Si:0.3%，Mn:0.3%，稀土钇Y:0.06%，余量为铁和杂质，根据以上最佳元素质量百分比，定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢的大块角状碳化物至少80Vol%尺寸≤6μm，最大角状碳化物尺寸≤12μm，具有碳化物细小、均匀、成球状和热处理后含有大量二次碳化物的特点，具有高的耐磨性能和综合强韧性能。

本发明通过合金成分的设计，发挥定向电渣重熔工艺碳化物细小，增加合金但不增加碳化物颗粒大小的优势，最佳的成本、质量和性价比优势，综合使用寿命达到进口高速钢水平。

本发明的有益效果为：采用本发明的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢具有碳化物尺寸细小，形态成球状，分布均匀，淬火后含大量二次析出的碳化物，高耐磨性能，替代进口同类高速钢的优异综合性能，同时成本低，可加工性能好等特点，适合在工具中运用，在一些使用场景可以替代含5%Co元素的M35高速钢。

具体实施方式

表1为三组实施例的化学成分及A值（wt%）：

表1

实施例一：

1号(第1炉)，其制备过程为：通过电弧炉冶炼钢水，经过LF炉外精炼，浇注铸锭，定向凝固电渣重熔，变向锻造成方坯，轧制制备高速钢Φ7.5盘圆，经拉丝、调直、磨光为Φ6.5棒材，后交由钻头生产厂家生产钻头；

与国内传统电渣重熔工艺M2高速钢和传统工艺M35高速钢生产的钻头通过钻不锈钢进行对比，主要元素成分和具体指标参见表2：

表2

实施例二：

2号(第2炉)，其制备过程为：通过电弧炉冶炼钢水，经过LF炉外精炼，浇注铸锭，定向凝固电渣重熔，变向锻造成扁坯，轧制制备高速钢3mm厚板材，后交由圆锯片生产厂家生产圆锯片。与国内传统电渣重熔工艺M35高速钢生产的圆锯片进行锯切实验对比；

主要元素成分和具体指标参见表3：

表3

实施例三：

3号(第3炉)，其制备过程为：通过电弧炉冶炼钢水，经过LF炉外精炼，浇注铸锭，定向凝固电渣重熔，变向锻造成方坯，轧制制备高速钢Φ14棒材，调直、车光扒皮为Φ13棒材，后交由丝锥生产厂家生产型号M12螺旋槽丝锥；

与进口GV3高速钢进行使用寿命对比。主要元素成分和具体指标参见表4：

表4

综上所述，本发明定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，发挥了定向凝固电渣重熔工艺高性价比的优势，具有优异的综合性能。使用寿命与含Co:5%质量分数的M35高速钢相当，最大碳化物尺寸大幅度降低，合金元素比M35高速钢减少，成本比M35高速钢低廉。与进口同类高速钢比，最大碳化物颗粒尺寸差别不大，寿命接近进口水平，实现了同类高速钢的进口替代。

Claims (5)

1.定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，其特征在于，其组分按质量百分比包括：C：1.17%-1.30%，W：4.60%-5.10%，Mo：5.60%-6.00%，Cr：3.80%-4.20%，V：2.60%-3.10%，Co：0.40%-0.60%，Si：0.20%-0.60%，Mn：0.20%-0.60%，稀土钇Y：0.04-0.08%，余量为铁和杂质；所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢大块角状碳化物细小均匀。

2.根据权利要求1所述的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，其特征在于，其组分按质量百分比包括：C：1.24%，W：4.85%，Mo：5.80%，Cr：4.00%，V：3.00%，Co：0.50%，Si：0.3%，Mn：0.3%，稀土钇Y：0.06%，余量为铁和杂质，所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢大块角状碳化物细小均匀。

3.根据权利要求1或2所述的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，其特征在于：所述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢的碳饱和度A的范围为0.87-0.91，A的计算方式为：

C_s=0.033*W%+0.063*Mo%+0.06*Cr%+0.2*V%

A=C_实/C_s

其中，W%、Mo%、Cr%、V%表示钢中W、Mo、Cr、V的实际含量百分数。

4.根据权利要求3所述的定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢，其特征在于：大块角状碳化物至少80Vol%尺寸≤6μm，最大角状碳化物尺寸≤12μm。

5.一种上述定向凝固电渣重熔耐磨损高速钢的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1.电弧炉冶炼钢水；

S2.经过LF炉外精炼，浇注铸锭；

S3.定向凝固电渣重熔；

S4.变向锻造，轧制制备高速钢棒材、盘圆和扁钢。