高性能低成本高速鋼

1.《高性能低成本高速鋼》特征在于：該高速鋼的各種元素含量為：0.8-1.2Wt％C，1.7-3.0Wt％Si，0.3-1.0Wt％RE，3.5-5.0Wt％Cr，1.0-3.0Wt％Mo，2.5-4.5Wt％W，0.8-1.6Wt％V，0.1-0.5Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余為Fe。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于：所述高速鋼含量為0.95-1.05Wt％C，1.8-2.2Wt％Si，0.3-0.8Wt％RE，4.0-4.8Wt％Cr，1.8-2.5Wt％Mo，3.5-4.5Wt％W，1.2-1.5Wt％V，0.2-0.4Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余為Fe。

• 實施例1

用《高性能低成本高速鋼》成分范圍，重量百分比為：0.98％C，2.1％Si，0.3％RE，4.6％Cr，2.2％Mo，3.9％W，1.3％V，0.3％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量分別小于0.03％，其余為Fe的合金配方，經(jīng)中頻感應(yīng)爐冶煉--電渣重熔--鍛造--軋制--熱處理后的鋼材制備切削刀具，然后與M2（W6Mo5Cr4V2）做對比切削試驗：被加工材料為45鋼，硬度178HB，切削速度分別為70米/分鐘，100米/分鐘，120米/分鐘，冷卻液流量為5升/分鐘，吃刀深度為1毫米；各條件下分別經(jīng)30分鐘切削，發(fā)現(xiàn)該鋼材所制刀具主后面磨損與M2相當(dāng)；但該刀具在轉(zhuǎn)速100米/分鐘條件下，切削進(jìn)刀量達(dá)到6毫米時可平穩(wěn)工作；而通用高速鋼M2只適用于切削進(jìn)刀量在4毫米以下工作。

• 實施例2

用該發(fā)明成分范圍，重量百分比為：1.02％C，2.0％Si，0.35％RE，4.2％Cr，2.3％Mo，4.2％W，1.2％V，0.3％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量分別小于0.03％，其余為Fe的合金配方，經(jīng)中頻感應(yīng)爐冶煉--電渣重熔--鍛造--軋制后制備成板材，經(jīng)不同的淬火--回火后鋼材的硬度與通用高速鋼M2性能對比如表1，可見其硬度和紅硬性與M2相當(dāng)。

• 實施例3

用該發(fā)明成分范圍，重量百分比為：0.98％C，2.1％Si，0.3％RE，4.4％Cr，2.2％Mo，3.9％W，1.3％V，0.3％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量分別小于0.03％，其余為Fe的合金配方，經(jīng)中頻感應(yīng)爐冶煉--電渣重熔--鍛造--軋制--熱處理后制備的鋼材，其制備成本僅為3.5萬/噸；而同樣制備工藝條件下，通用高速鋼M2（W6Mo5Cr4V2）由于含較高含量的貴重元素，其制備成本達(dá)到6.0萬/噸左右。

高速鋼是一種量大面廣的金屬切削刀具材料，若從泰勒和懷特1898年發(fā)明的W18Cr9V鋼算起，截至2006年1月已有百年歷史。高速鋼較一般工具鋼有好得多的紅硬性，可將切削速度提高到50米/分鐘以上，故稱高速切削鋼。通常情況下，為保證高速鋼的紅硬性，高速鋼必須加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素。為進(jìn)一步提高紅硬性，還可加入價格昂貴的合金元素Co，世界聞名的M42即含有高含量Co的高速鋼，其價格是通用M2高速鋼的5倍。由于高速鋼有許多獨特的優(yōu)點，如強(qiáng)度和韌性是2006年1月前已有刀具材料中最高的、同時各種性能波動小、可加工性能好、能制造各種復(fù)雜刀具和微型刀具，如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具等，因而一百多年來，盡管如立方氮化硼等一些新材料陸續(xù)進(jìn)入切削領(lǐng)域，但始終動搖不了高速鋼的主要地位。

高速鋼按化學(xué)成分可分為鎢系和鉬系等類，后者在歐美用得較多；按制造工藝方法不同，可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼；按用途可分為低碳高速鋼、通用高速鋼、高碳高速鋼、超硬高速鋼四大類。隨著科學(xué)事業(yè)的不斷發(fā)展和外向型經(jīng)濟(jì)的需要，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都在不斷地開發(fā)新鋼種，特別注意研制和生產(chǎn)鎢當(dāng)量（W 2Mo）＜12的低合金高速鋼，在刀具生產(chǎn)中逐步取代2006年1月前常用的M2（W6Mo5Cr4V2）之類的通用高速鋼，其目的在于一方面減少一些稀缺元素的用量，另一方面是降低成本以提高效益

由于高速鋼屬于髙合金鋼，合金元素含量一般在17-25%，高者可達(dá)40%，據(jù)有關(guān)方面報道，2006年1月前高速鋼使用的各種主要合金資源情況，在世界范圍內(nèi)勘定的較為可靠的儲藏量只能夠用40-60年，加上潛在的儲量，最多只能夠用100年。預(yù)測世界各種合金元素資源的枯竭危險程度從大到小的順序為W、Co、Mo、Ta、Nb、V、Cr、Ti等。若以Fe儲量為100計，則Ti為9，W僅為0.003。所以研究最佳合金化配方、降低稀缺元素的消耗已迫在眉睫。同時，隨著高速鋼中常用合金元素的日益緊缺，鋼材成本和價格大幅增加是必然趨勢，而無論是鋼廠還是工具廠歷來都十分注重經(jīng)濟(jì)效益，所以在流通領(lǐng)域，價格是比較敏感的問題，因此，開發(fā)新型高性能低成本的低合金高速鋼，具有重大的經(jīng)濟(jì)價值和重要的社會意義。

低合金高速鋼的研制和使用始于第二次世界大戰(zhàn)期間，那時的德國為克服合金元素不足而研制出ABCIII高速鋼，迄今已有60多年的歷史。該鋼由于高溫性能差，使用受到限制，曾一度被冷落。二十世紀(jì)七十年代后國際上又開始重視低合金高速鋼，其中以瑞典的D950、波蘭的SW3S2、西德的S3-3-2和美國的3-0.5-4-2等牌號較成功。據(jù)報道其性能在多數(shù)方面不亞于M7和M2，用以制造麻花鉆等刀具，在切削壽命上和M2鋼相當(dāng)。截至2006年1月，蘇聯(lián)從二十世紀(jì)三十年代開始研究低合金高速鋼，發(fā)展至今，其低合金高速鋼鋼種數(shù)量是通用高速鋼的30倍。日本研制低合金高速鋼牌號有HSK17，HS325等，多用于家用刃具。

中國開發(fā)和研究低合金高速鋼起步較晚，但進(jìn)程快，試驗鋼的牌號有W6Cr4V，W4MoCr2V4，W8Mo2Cr4V2A1等。到了二世紀(jì)八十年代中期，科研和生產(chǎn)速度加快，多種牌號的低合金高速鋼從實驗室走向工業(yè)化生產(chǎn)，其中大連鋼廠的D101（W2Mo5Cr4V）、重慶特鋼的301（W3Mo2Cr4VSi）、撫順鋼廠的F205（W4Mo3Cr4VSiN）最引人注目。盡管2006年1月前中國已陸續(xù)開發(fā)出一些低合金高速鋼，但總體上其性能仍然偏低，只適用于制備一些中低層次使用的刀具，因此進(jìn)一步開發(fā)高性能低成本的低合金高速鋼，以滿足制備高層次使用的刀具仍是中國科研和生產(chǎn)單位的努力目標(biāo)。針對2006年1月前低合金高速鋼性能普遍偏低現(xiàn)狀，我們研制了一種高性能低合金高速鋼。

高性能低成本高速鋼專利目的

《高性能低成本高速鋼》所要解決的技術(shù)問題是提供了一種高性能低成本高速鋼，不僅要進(jìn)一步降低稀缺元素的含量，從而使鋼材成本大幅減少；而且其性能達(dá)到通用高速鋼M2水平，尤其在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)刀量條件下使用時性能優(yōu)于M2鋼。

高性能低成本高速鋼技術(shù)方案

《高性能低成本高速鋼》所采用的技術(shù)方案是，該高速鋼的各種元素含量為：0.8-1.2Wt％C，1.7-3.0Wt％Si，0.3-1.0Wt％RE，3.5-5.0Wt％Cr，1.0-3.0Wt％Mo，2.5-4.5Wt％W，0.8-1.6Wt％V，0.1-0.5Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量分別小于0.03Wt％，其余為Fe。

上述合金元素中的C、W、Cr、Mo、V在高速鋼中的作用已為公知。該發(fā)明中Si作為主要合金元素并高含量地加入，其主要作用機(jī)理在于：Si能促使高速鋼凝固時形成的對性能有害的M2C在再次加熱時分解為M6C及MC，從而可消除柱狀M2C，使碳化物細(xì)化，韌性提高。此外，Si還能細(xì)化回火時析出的二次碳化物，使回火硬度提高；Si能細(xì)化奧氏體晶粒，提高600℃紅硬性及低溫淬火硬度；Si還可以改善高速鋼的切削性能和磨削性能。雖然有專利如公開號CN1296084A、CN1047536A、CN1055773A、CN1049189A等合金中也加入了Si，但其成分設(shè)計中Si含量的上限也均在該發(fā)明的下限之下；在其它的一些文獻(xiàn)報道中，Si在高合金高速鋼中雖然也有應(yīng)用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素應(yīng)用。該發(fā)明中加入高含量RE，其主要作用機(jī)理在于：RE能凈化鋼液，進(jìn)而凈化合金的晶界，并有細(xì)化晶粒、碳化物析出相，改變夾雜物形態(tài)和分布，從而提高熱加工塑性和常溫的韌性作用。該發(fā)明中加入微量的Mn，主要起到固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度。

高性能低成本高速鋼改善效果

該合金的優(yōu)點在于：

（1）使用了高含量的資源豐富、廉價的Si，大幅度降低了2006年1月前已有通用高速鋼中的貴重元素含量，從而使鋼材成本顯著降低；

（2）使用了高含量的中國資源豐富的RE，從而明顯改善了冶金質(zhì)量；

（3）《高性能低成本高速鋼》的鋼各項性能不低于通用高速鋼，部分性能明顯高于通用高速鋼，尤其是在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)刀量條件下使用時更顯其性能的優(yōu)勢。

2009年，《高性能低成本高速鋼》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優(yōu)秀獎。

高速鋼材料發(fā)明于19世紀(jì)末，一般用熔煉方法制成。普通高速鋼的典型牌號是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。在加工效率和加工質(zhì)量要求日益提高的現(xiàn)代切削加工中，它們的性能已嫌不足。在20世紀(jì)后期，逐步出現(xiàn)了許多高性能高速鋼。高性能高速鋼是在普通高速鋼基礎(chǔ)上，通過調(diào)整基本化學(xué)成分并添加其他合金元素，使其常溫和高溫機(jī)械性能得到顯著提高。

高性能熔煉高速鋼1高碳高速鋼

在W18Cr4V基礎(chǔ)上。增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V。根據(jù)化學(xué)平衡碳理論，可在淬火加熱時增加高速鋼奧氏體中的含碳量，加強(qiáng)回火時的彌散硬化作用，從而提高了常溫和高溫硬度。與W18Cr4V相比，95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當(dāng)。這個鋼種的切削性能雖不及高鈷、高釩高速鋼，但價格便宜，切削刃可以磨得很鋒利，故有應(yīng)用價值。同樣，還有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速鋼。

高性能熔煉高速鋼2高鈷高速鋼

在高速鋼中加鈷，可以促進(jìn)回火時從馬氏體中析出鎢、鉬碳化物，提高彌散硬化效果，并提高熱穩(wěn)定性，故能提高常溫、高溫硬度及耐磨性。增加含鈷量還可改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)。M42是美國這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。瑞典的HSP-15也是這一類的鋼種，但其含釩量為3%，刃磨加工性不如M42。鈷含量高、價格昂貴，不適合中國國情。我國研制成功的低鈷含硅高速鋼Co5Si，性能優(yōu)越，價格低于M42和HSP-15，但Co5Si含釩量亦達(dá)3%，刃磨加工性亦較差，故不宜用其制造刃形復(fù)雜的刀具。

高性能熔煉高速鋼3高釩高速鋼

高釩高速鋼(如B201、B211、B212)的釩含量為3%～5%，同時加大碳含量，形成VC與V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。高釩高速鋼的耐熱性也好，但高釩高速鋼的刃磨加工性差，導(dǎo)熱性也不好，沖擊韌性較低，故不宜用于復(fù)雜刀具。在高釩高速鋼中也可加入適當(dāng)?shù)拟挘蔀楦哜C含鈷高速鋼。我國研制的高釩含氮高速鋼V3N，價格便宜，切削性能也好，唯刃磨較難。后來又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但價格高于V3N。

高性能熔煉高速鋼4含鋁高速鋼

我國研制出無鈷、價廉的含鋁高性能高速鋼501。其中鋁含量約為1%。鋁能提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，由于鋁化合物在鋼中能起“釘扎”作用，故鋼的常溫、高溫硬度和耐磨性均得以提高，強(qiáng)度和韌性也都比較高，切削性能與M42相當(dāng)。501的釩含量為2%，刃磨性能稍遜于M42。5F6也是含鋁1%的高性能高速鋼，B201、B211、B212中也含鋁。含鋁高速鋼是中國的一個獨創(chuàng)。501在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在國外也得到應(yīng)用；其他含鋁高速鋼的應(yīng)用不如501廣泛。

在切削難加工材料時，應(yīng)當(dāng)合理選用不同牌號的高性能高速鋼。切削常見的難加工材料，如高強(qiáng)度鋼、奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金等，上述各種高性能高速鋼都可以選用，選用時主要應(yīng)考慮高速鋼的機(jī)械性能和刃磨性能：在粗加工或斷續(xù)切削條件下，應(yīng)選用抗彎強(qiáng)度與沖擊韌性較高的高性能高速鋼；在精加工時，對高速鋼的抗彎強(qiáng)度與沖擊韌性的要水較低，這時主要考慮其耐磨性；工藝系統(tǒng)剛性差時，選用高速鋼的牌號與粗加工時相同；工藝系統(tǒng)剛性好時，選用高速鋼的牌號與精加工相同；刃型復(fù)雜的刀具，應(yīng)選用刃磨性能較好的低釩高鈷或低釩含鋁高速鋼；刃型簡單的刀具，可選用刃磨性能差的高釩高速鋼。2100433B

高性能高速鋼具有更好的硬度和熱硬性，這是通過改變高速鋼的化學(xué)成分，提高性能而發(fā)展起來的新品種。它具有更高的硬度、熱硬性，切削溫度達(dá)攝氏650度時，硬度仍可保持在60HRC以上，耐用性為普通高速鋼的1。5-3倍，適用于制造加工高溫合金、不銹鋼、鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的刀具。主要品種有4種，分別為高碳系高速鋼、高釩系高速鋼、含鈷系高速鋼和鋁高速鋼。