專利名稱：無鈷多元高速工具鋼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于軋鋼技術領域，涉及一種無鈷多元高速工具鋼，是為各種線棒材軋機生產(chǎn)軋輥和輥環(huán)的一種高速鋼新材料。本發(fā)明同時還涉及該無鈷多元高速工具鋼的制造方法。
背景技術：
當前，隨著國內(nèi)外軋鋼技術和設備的發(fā)展，對軋機上各種材質(zhì)的軋輥、輥環(huán)和導輥的要求越來越高。由于軋機軋制速度的提高，對輥環(huán)等作為高速線材軋機上的主要消耗工具，要求高硬度、高韌性、高熱疲勞抗力和抗粘鋼性，而傳統(tǒng)軋機使用的碳化鎢合金價格昂貴，導致較高的生產(chǎn)成本。國內(nèi)外設備制造企業(yè)及研發(fā)部門圍繞替代碳化鎢合金材料開展了大量的生產(chǎn)研究工作，并取得突破性進展，部分成果進入生產(chǎn)領域。其中國外2003年研制成功高碳高鉬高速鋼應用在軋機軋輥上顯示出優(yōu)良的性能，性價比超過硬質(zhì)合金，是當前國際耐磨耐熱新材料發(fā)展的主流。中國專利文獻CN1424423A和CN1264749A提出了一種含鈷鋁高速鋼輥環(huán)的制造方法，但鈷是稀有金屬，含量大，造成生產(chǎn)成本很高，同時，淬火溫度達到1160℃，高溫熱處理造成質(zhì)量控制難度大。中國專利文獻CN1174764提出了粉末冶金熱壓燒結(jié)成型的方法，但是生產(chǎn)工藝復雜，設備龐大。中國專利文獻CN1454723A提出的一種高速鋼復合輥環(huán)在制造方法中采用普通離心鑄造，鑄型中采用普通涂料，在鑄造完成后的清理過程中脫模比較困難。中國專利文獻CN1164379C提出的一種高速鋼軋輥輥套的制造方法主要采用電渣重熔的方式生產(chǎn)，與本發(fā)明相比其設備投入大，能耗高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高硬度、高韌性，具有良好的紅硬性要求的低成本無鈷多元高速工具鋼。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造無鈷多元高速工具鋼的方法。
本發(fā)明的目的通過以下措施實現(xiàn)
一種無鈷多元高速工具鋼，其特征在于其化學成分的重量百分比為C1.5-2.2 Si0.5-1Mn0.5-1 S＜0.05 P＜0.05Cr4-6 V4-6 Mo4-6 W＜2 Ni0.8-1.2Nb0.2 Ti0.05-0.1 Mg0.005-0.01RE0.05-0.1一種無鈷多元高速工具鋼的制造方法，依次包括以下工藝步驟①冶煉采用廢舊高速鋼、半鋼料、生鐵為原料，Mn、Cr、Ni、Mo、W合金在加料初期加入，鋼水熔清后檢驗元素成分并進行合金成分調(diào)整，出爐前加入釩鐵、鈦鐵和鈮鐵，用0.5-1％的Al對鋼水進行脫氧；②爐前處理采用RE-Mg-Ti復合變質(zhì)劑，在鋼水包內(nèi)加入釔基重稀土合金和2-4％的工業(yè)NaCO3，采用鋼水沖入的辦法進行鋼水復合變質(zhì)處理，鋼水出爐溫度1580-1620℃；③離心鑄造采用樹脂腹膜砂作為鑄型涂料，一次涂掛；涂掛時離心機轉(zhuǎn)速50-300轉(zhuǎn)/min，金屬型溫度120-220℃；澆注時金屬型溫度為120-200℃；鋼水澆注溫度為1450-1500℃；澆注時離心機轉(zhuǎn)速800-950轉(zhuǎn)/min，澆注后變換離心機轉(zhuǎn)速防止偏析；④退火退火工藝為850-870℃保溫2小時，爐冷到720-740℃保溫2小時，再爐冷到540-600℃保溫4小時，然后隨爐冷卻，升溫速度≤20℃/h；退火后硬度為HRC30-35；⑤粗加工預留加工余量2-3mm；⑥淬火控制溫度升高速度在15℃/小時以內(nèi)，采用980-1030℃高溫淬火和70±5℃的油介質(zhì)冷卻；⑦回火回火溫度為550-570℃。
所述熔煉工藝中的原料為廢舊高速鋼30％、半鋼料55％、生鐵15％、其他合金元素按照需求量加入。
所述爐前處理工藝是在澆包內(nèi)預先放置有含RE、Mg和Ti的復合變質(zhì)劑，變質(zhì)劑顆粒尺寸為6-10mm；在鋼水包底部加入鈦鐵、稀土合金并覆蓋2-4％的工業(yè)NaCO3做變質(zhì)處理，變質(zhì)劑放在鋼水沖擊的另一側(cè)；反應結(jié)束后表面覆蓋保溫劑，靜置5-8分鐘后進行澆注。
在所述淬火工藝完成后進行預精加工，預留加工余量0.05-0.1mm，硬度達到HRC65。
所述淬火工藝中在550℃和850℃進行兩次等溫保溫。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點
1、本發(fā)明生產(chǎn)的高速鋼中不含有稀貴金屬Co，其他合金元素含量進一步減少，降低了生產(chǎn)成本。高速鋼性能范圍控制合理，硬度為HRC58-63，沖擊韌性達到≥16J/cm2，經(jīng)過實際使用表明軋鋼量超過4000噸磨損量≤0.35mm，是普通高鉻鑄鐵的7倍。
2、本發(fā)明采用中頻爐冶煉，普通臥式離心機鑄造，普通高溫電阻爐熱處理，設備投入少，生產(chǎn)工藝簡單。
3、本發(fā)明采用樹脂腹膜砂作為鑄型涂料，具有掛涂方便，脫模容易，清理強度低，一次掛涂，不需要二次加熱烘干，高效、節(jié)能低耗和環(huán)保的特點。
4、本發(fā)明澆注過程采用變換離心機轉(zhuǎn)速的工藝措施，控制合金內(nèi)部組織分布，減少偏析。
5、本發(fā)明采用YG6X、YG6A、YD15等特殊刀具進行機械加工，切削速度快，精度高。
6、本發(fā)明采用特制立方氮化硼合金砂輪進行精磨，操作簡單。
7、本發(fā)明采用釔基重稀土合金進行爐前變質(zhì)處理，材料組織細密，實現(xiàn)了共晶化合物的彌散狀分布，降低了組織應力。
具體實施例方式
(一)高速鋼的化學成分設計1、碳碳在高速鋼輥環(huán)中，一方面要保證與碳化物形成元素鎢、釩、鉻、鈮等形成足夠數(shù)量的碳化物，又要有一定的碳量溶入高溫奧氏體中，使高速鋼淬火后獲得過飽和的馬氏體，以此保證輥環(huán)工作層具有高的硬度和耐磨性，以及良好的高溫硬度。因此，碳含量必須與鋼中的其他合金元素相匹配，含碳量過高或過低都將對其性能有不利影響。若含碳量過低，則不能保證形成足夠數(shù)量的合金碳化物；同時，在高溫奧氏體和爾后的馬氏體中的含量亦將減少，以致降低高速鋼的硬度，耐磨性的高溫硬度，與之相反，若碳量過高，則碳化物數(shù)量增加，同時基體組織中碳化物分布的不均勻性也增大，以致使高速鋼的塑性降低、脆性增加，在使用過程中表面極易發(fā)生脆性剝落。此外也將使工藝性能變壞。本發(fā)明的材質(zhì)中含碳量控制在1.5-2.2％中，以期獲得較好的綜合性能。
2、鎢、鉬鎢是提高高溫硬度和耐磨性的主要元素，它在高速鋼中既能形成碳化物，又能部分溶于固體中。溶于馬氏體中的鎢原子與碳結(jié)合力強，強烈阻礙它在回火時的析出，構成良好的回火穩(wěn)定性，約在500-600℃時，鎢才以碳化物的形態(tài)從馬氏體中沉淀出來，導致鋼的二次硬化。加熱時，未溶的碳化物則起阻礙奧氏體晶粒長大的作用。但是鎢高密度又嚴重影響了高速鋼在凝固過程中的均勻性，鎢的密度是19300kg/m3，極易在凝固時，尤其是采用離心鑄造的凝固過程中產(chǎn)生偏析。鉬的加入能急劇提高鋼的淬透性和斷面均勻性，防止回火脆性的發(fā)生，提高高速鋼的回火穩(wěn)定性，改善沖擊韌度，增加抗熱疲勞性能。而鉬和鎢是同族元素，結(jié)構與物理性能極其相近，可以互相代替，鉬的密度為10200kg/m3，并且1％的鉬可以替代1.6-2.0的鎢，因此在以鉬替代部分鎢的高速鋼中，一方面合金元素的加入量可以減少，同時通過多元合金減少偏析傾向，相應基體組織中碳化物分布的不均勻性也將減輕。高速鋼中加入Mo使鋼的包晶反應溫度下降，反應剩下的液相減少，在更低的溫度下形成的萊氏體較小，而且萊氏體的形態(tài)也發(fā)生了變化，這樣可改善W系高速鋼的致命的冶金缺陷——一次碳化物的不均勻性，降低了脆性。同時回火固溶的Mo可以阻止碳化物沿晶界析出，使高速鋼強度和韌性提高。我們選用鎢-鉬復合型的高速鋼，而且在化學成分匹配上基于保證碳化物均勻性以及獲得較高的機械性能的考慮，在實際生產(chǎn)中，選鎢含量為1.5-2.0％，鉬為4.0-6.0％。
3、釩釩是高速鋼輥環(huán)耐磨性的重要合金元素之一。這是由于V可以增加高速鋼中高硬度MC型碳化物的數(shù)量，有利于提高高速鋼耐磨性。但是，增加釩含量的同時，必須相應提高碳含量，才能保證釩碳化物(V4C3、VC)的形成。當高速鋼輥環(huán)中釩量留至4.0時，相應含碳量也提高到1.3％。如加入鋼中的釩含量過剩時，將引起形成δ相的傾向性增大，高速鋼不易淬透，所以，在提高高速鋼中的V含量的同時要注意不能過剩，通常按照4-6％的配比加入。
4、鉻在高速鋼輥環(huán)中鉻主要是增加淬硬層深度，目前在所有牌號的高速鋼中，鉻含量均為4.0％左右，這一含量多年來沒有大的變動。鉻在高速鋼中形成Cr23C6型的碳化物，并有部分地溶于其他碳化物。淬火加熱時，Cr23C6全部溶于奧氏體。鉻還能促進鎢和鉬的碳化物的溶解，回火時，鉻也阻礙碳化物析出、聚集和長大，提高高速鋼的回火穩(wěn)定性。根據(jù)輥環(huán)的工作特點，高速鋼中適當提高Cr含量，由通常的4％提高到4.5％-5.5％，提高Cr含量可以提高高速鋼抗氧化性，防止使用中發(fā)生氧化。
5、硅、錳和鎳實際生產(chǎn)中，應將硅和錳的含量控制在0.35％以下。當含錳量大于0.4％時，將促使高溫下的晶粒長大。更為重要的是，過高的含硅和錳量將導致輥環(huán)在熱處理過程中產(chǎn)生熱裂紋。所以一般將硅和錳的含量控制在0.5-1％。鎳無限固溶于奧氏體中，不形成任何形式的碳化物，使奧氏體連續(xù)冷卻曲線右移，擴大奧氏體相區(qū)，降低臨界冷卻速度，也降低了馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，是穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素。在高速鋼中，鎳的極限含量為1-2％，大于2％時，由于奧氏體的穩(wěn)定性提高，使基體組織中的殘余奧氏體量增加。此外，隨著鋼中鎳含量的增加，高速鋼表面脫碳傾向嚴重，表面易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，所以含鎳量應控制在0.5-1.5％左右為最好。
6、鈮鈮的奪碳能力強于釩，在高釩的情況下，加入鈮可以使釩更多的溶于基體中，可以獲得良好的二次硬化效果。同時由于釩鎢系碳化物與鋼液的密度相差很大，離心鑄造又容易形成偏析，造成組織的不均勻性，使輥環(huán)的性能變差。加入鈮后減少了VC的含量，并且形成了鎢、釩、鉬、鈮系復合碳化物，提高了MC型碳化物的密度，使鋼水的密度均勻，可以減少偏析，克服或減弱離心鑄造工藝帶來的不利影響，改善高速鋼質(zhì)量，因此，高速鋼中加入0.1-0.2％的鈮是有利的。
7、稀土和鈦從鑄態(tài)高速鋼凝固特點看，由于C、W、Mo、V等元素的偏析，在奧氏體枝晶間和晶界上的鋼液熔池中達到共晶成分時，發(fā)生共晶反應，形成共晶碳化物呈網(wǎng)狀分布在晶界上，嚴重削弱材料的強韌性，且難以用熱處理方法消除，因此采用RE-Mg-Ti復合變質(zhì)劑對高速鋼進行變質(zhì)處理。RE-Mg-Ti的存在可以有效的細化晶粒，使晶粒組織間隙變小。同時稀土元素還促進了石墨組織由層片狀向球團狀轉(zhuǎn)變，有效的阻止了晶粒的樹枝狀生長，提高強度和韌性。
(二)無鈷多元高速工具鋼的制造以的φ270/φ170mm×95mm輥環(huán)為例，配料L04生鐵34％；廢鋼34％；中碳鉻鐵8％；純鎳1％；鉬鐵8.8％；鎢鐵1.6％；釩鐵10％；鈦鐵0.4％；鈮鐵1.6％；錳鐵0.6％；釔基重稀土合金0.3％，工業(yè)純堿0.01％；工藝流程中頻感應電爐熔煉→爐前處理→臥式離心機鑄造→退火→粗加工→淬火→回火→精加工工藝過程控制1、冶煉采用中頻感應爐熔煉，先將入爐料L04生鐵68kg；廢鋼68kg；中碳鉻鐵16kg；純鎳2kg；鉬鐵17.6kg；鎢鐵3.2kg；錳鐵1.2kg；加入爐中，送電熔化，鋼水熔清后取樣檢驗主要成分；爐中取樣檢驗合格后加入釩鐵20kg；鈦鐵0.8kg；鈮鐵3.2kg；熔化后取樣合格在1620℃出爐。用0.5-1％的Al對鋼水進行脫氧，鋼水包內(nèi)加入0.3-0.5％稀土鎂合金出爐。稀土鎂合金必須烘烤到200-260℃，表面覆蓋孕育劑和2-4％的工業(yè)NaCO2(總量為稀土鎂合金的1.5倍)，并放置在鋼水沖擊的另一側(cè)。出爐后扒渣靜置1-2分鐘澆注，鋼水澆注溫度1450-1480℃。
2、離心鑄造輥環(huán)采用普通臥式離心機澆注。金屬型涂掛覆膜砂，與普通離心鑄造涂掛一樣，涂掛厚度2mm，涂掛重量1.2kg。涂掛時離心機轉(zhuǎn)速50-300轉(zhuǎn)/min，金屬型溫度120-220℃；澆注時金屬型溫度120-200℃，鋼水澆注溫度1450-1500℃，鋼水澆注量180±10kg，鋼水澆注速度15-20s；澆注時離心機轉(zhuǎn)速800-950轉(zhuǎn)/min，澆注后變換離心機轉(zhuǎn)速防止偏析；澆注后加入“O”型玻璃渣保護；輥環(huán)冷卻到800-950℃時停機，將輥環(huán)內(nèi)腔用稻草塞滿吊到電阻爐內(nèi)保溫冷卻。爐內(nèi)保溫溫度400-500℃，保溫2小時后隨爐冷卻后進行退火熱處。
3、熱處理工藝退火工藝為850-870℃保溫2小時，爐冷到720-740℃保溫2小時，再爐冷到540-600℃保溫4小時，然后隨爐冷卻，升溫速度≤20℃/h，退火后硬度為HRC30-35(HSD40-45)，易于切削加工。
淬火采用1300℃高溫電阻爐進行淬火熱處理；淬火前將鑄造高速鋼整體套粗加工，單邊留量2-3mm；淬火時高速鋼輥環(huán)必須平放在熱處理爐內(nèi)，可以并排放置和重疊放置，中間用支架支起，不能使高速鋼輥環(huán)相互接觸，相互距離必須大于30mm，支撐必須采用大于三點的支架，保證支撐平穩(wěn)不變形；嚴格控制溫度升高速度在15℃/小時以內(nèi)，采用980-1030℃淬火，冷卻介質(zhì)選用油質(zhì)，介質(zhì)溫度嚴格控制在70±5℃進行。在550℃和850℃進行兩次等溫保溫以保證高速鋼內(nèi)部溫度均勻。
回火本發(fā)明實際生產(chǎn)中，采用三次回火，升溫速度是≤20℃/小時，第一次回火溫度為550℃保溫2小時隨爐冷卻到150℃出爐，出爐后冷卻到50℃時繼續(xù)入爐進行第二次回火，溫度為530℃，第三次回火溫度為500℃。
4、機械加工高速鋼由于硬度高，組織致密，機械加工有一定的難度，因此采用先高溫退火后進行粗加工留量，淬火和回火后精磨的工藝方法生產(chǎn)。
粗加工采用YC12硬質(zhì)合金機夾刀具進行表面加工處理，并用YG15焊接刀具進行切割成型。粗加工中對每一件產(chǎn)品預留加工余量2-3mm。
預精加工預精加工在淬火完成后采用YG6X、YG6A、YD15硬質(zhì)合金機夾刀具進行。預精加工硬度可以達到HRC65左右。預精加工預留加工余量0.05-0.1mm。
精磨輥環(huán)內(nèi)圓采用M2120磨床進行加工，平面采用磨7130型臥軸平面磨床進行精磨，外圓在預精加工后采用德國進口的輥環(huán)專用磨床加工。
從輥環(huán)上取樣分析化學成分如下(重量％)C1.70；Si0.70；Mn0.495；P0.05；S0.031；Cr4.57；Mo4.57；Ni0.85；Ti0.057；W1.67；V4.93；Mg0.003；殘余稀土0.064。
從輥環(huán)上取樣分析機械性能結(jié)果如下輥面硬度平均HRC61；硬度落差最大HRC0.8；抗拉強度912Mpa；沖擊韌性16.5J/cm2。
權利要求
1.一種無鈷多元高速工具鋼，其特征在于其化學成分的重量百分比為C1.5-2.2Si0.5-1 Mn0.5-1 S＜0.05P＜0.05Cr4-6 V4-6 Mo4-6 W＜2 Ni0.8-1.2Nb0.2 Ti0.05-0.1 Mg0.005-0.01 RE0.05-0.1
2.如權利要求1所述的無鈷多元高速工具鋼的制造方法，依次包括以下工藝步驟①冶煉采用廢舊高速鋼、半鋼料、生鐵為原料，Mn、Cr、Ni、Mo、W合金在加料初期加入，鋼水熔清后檢驗元素成分并進行合金成分調(diào)整，出爐前加入釩鐵、鈦鐵和鈮鐵，用0.5-1％的Al對鋼水進行脫氧；②爐前處理采用RE-Mg-Ti復合變質(zhì)劑，在鋼水包內(nèi)加入釔基重稀土合金和2-4％的工業(yè)NaCO3，采用鋼水沖入的辦法進行鋼水復合變質(zhì)處理，鋼水出爐溫度1580-1620℃；③離心鑄造采用樹脂腹膜砂作為鑄型涂料，一次涂掛；涂掛時離心機轉(zhuǎn)速50-300轉(zhuǎn)/min，金屬型溫度120-220℃；澆注時金屬型溫度為120-200℃；鋼水澆注溫度為1450-1500℃；澆注時離心機轉(zhuǎn)速800-950轉(zhuǎn)/min，澆注后變換離心機轉(zhuǎn)速防止偏析；④退火退火工藝為850-870℃保溫2小時，爐冷到720-740℃保溫2小時，再爐冷到540-600℃保溫4小時，然后隨爐冷卻，升溫速度≤20℃/h；退火后硬度為HRC30-35；⑤粗加工預留加工余量2-3mm；⑥淬火控制溫度升高速度在15℃/小時以內(nèi)，采用980-1030℃高溫淬火和70±5℃的油介質(zhì)冷卻；⑦回火回火溫度為550-570℃。
3.如權利要求2所述的無鈷多元高速工具鋼的制造方法，其特征在于所述熔煉工藝中的原料為廢舊高速鋼30％、半鋼料55％、生鐵15％、其他合金元素按照需求量加入。
4.如權利要求2所述的無鈷多元高速工具鋼的制造方法，其特征在于所述爐前處理工藝是在澆包內(nèi)預先放置有含RE、Mg和Ti的復合變質(zhì)劑，變質(zhì)劑顆粒尺寸為6-10mm；在鋼水包底部加入鈦鐵、稀土合金并覆蓋2-4％的工業(yè)NaCO3做變質(zhì)處理，變質(zhì)劑放在鋼水沖擊的另一側(cè)；反應結(jié)束后表面覆蓋保溫劑，靜置5-8分鐘后進行澆注。
5.如權利要求2所述的無鈷多元高速工具鋼的制造方法，其特征在于在所述淬火完成后進行預精加工，預留加工余量0.05-0.1mm，硬度達到HRC65。
6.如權利要求2所述的無鈷多元高速工具鋼的制造方法，其特征在于淬火工藝中在550℃和850℃進行兩次等溫保溫。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)軋輥及輥環(huán)和導輥的高速工具鋼，該鋼種的化學成分為C1.8－2.2；Si0.5－1；Mn0.5－1；S＜0.05；P＜0.05；Cr4－6；V4－6；Mo4－6；W＜2；Ni0.8－1.2；Nb0.2；Ti0.05－0.1；Mg0.005－0.01；RE0.05－0.1。本發(fā)明突出高碳、高鉬、高釩，稀貴金屬鎢的含量從以往的2.0％以上降低到2.0％以下，同時把稀貴金屬鈷從材料中去除，節(jié)約了材料成本；本發(fā)明采用中頻爐冶煉，普通臥式離心機鑄造，普通高溫電阻爐熱處理，設備投入少，在離心鑄造中采用樹脂砂替代耐火涂料，工藝簡單、脫模和清理方便、高效、節(jié)能、環(huán)保；同時采用釔基重稀土合金進行爐前變質(zhì)處理，材料組織細密，實現(xiàn)了共晶化合物的彌散狀分布，降低了組織應力。
文檔編號C22C38/50GK1693527SQ200510042678
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月10日 優(yōu)先權日2005年5月10日
發(fā)明者張宇翔, 馮文華, 于忠武, 鄒小偉 申請人:酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司