[发明专利]经济高速钢

说明书

本发明属于合金钢领域。主要适用于制造切削工具、高性能冷热模具和耐磨机械冷部件等。

高速钢的主要合金元素有W、Mo、V和Cr等，它们都是碳化物形成元素，在一定的条件下，在钢中都能生成莱氏体。在W系和W含量高的钢中，共晶碳化物主要是M6C；在Mo系和Mo含量高的钢中，共晶碳化物主要是M2C；在V含量高的钢中，会生成MC共晶碳化物；在Cr含量高的钢中，可能有M7C3共晶碳化物生成。经过热加工之后，共晶碳化物被破碎成颗粒状分布在钢材中，这些碳化物通常称为一次碳化物。大量碳化物的存在是高速钢组织的重要特征，使钢具有较高的硬度和耐磨性，并保证了钢的淬火奥氏体晶粒度较细，因此使钢的韧性较好。

在现有的各类高速钢中，尽管W、Mo和V等元素的成分都在较大的范围内变动，但只有Cr的成分变动很小，在各高速钢中Cr的含量都是4％左右，因此在现有的高速钢中未发现有以Cr为主的共晶碳化物M7C3的存在，仅在退火状态的钢中，才有以Cr为主的二次碳化物M23C6或M23C6及M7C3从奥氏体基体中析出。

W、Mo和V都是昂贵而稀缺的元素，在高速钢中W和Mo的含量都较高(在有些钢中V的含量也高)，因此高速钢的成本高，价格高。为了节约使用W和Mo，降低钢的成本，曾先后发明了一些低合金高速钢种，它们的共同特点是把钢中的W和Mo的含量降低，并加入了较高的C和Si，以保证钢仍然有较高的硬度。但是由于W、Mo含量降低，使碳化物形成元素的含量减少，从而使钢中的碳化物数量减少，因此钢的淬火奥氏体晶粒度变粗，使钢的韧性下降，对钢的使用性能产生了不利的影响。这是低合金高速钢普遍存在的问题。

Cr是碳化物形成元素，并且Cr的价格比W、Mo和V低很多。因此设想，当钢中的W和Mo的含量减少时，如果能适当地增加Cr含量，则仍能保持钢中有较多的碳化物形成元素，因而使钢中仍然有较多的合金碳化物。这样既降低了钢的成本，又能使钢的奥氏体晶粒度较细，韧性较好，并保证钢仍有较高的硬度和耐磨性。

在钢中加入较高Cr的可能性是存在的，分析其原因主要有以下两点：①Cr含量增加之后，在钢的一次碳化物中将会有M7C3生成，而M7C3碳化物的硬度高于M6C，前者为HV2300，后者为2060，因此当部分M7C3碳化物替代了部分M6C之后，仍能保持钢的性能。②新近的研究结果表明，在高速钢淬火之后的回火过程中，从淬火马氏体基体中弥散析出的、能使钢产生二次硬化的碳化物MC和M2C之中，都含有较多的Cr，因此说明，Cr对高速钢的二次硬化也有重要的贡献。根据以上两点原因，在高速钢中加入较多的Cr以替代部分的W和Mo是可行的。然而，必须注意以下两个问题：①Cr的含量及Cr与W、Mo和V等元素的配比应适当，做到既能降低钢的成本，又能使钢的组织和性能较好，满足要求。②选择恰当的生产工艺，特别是热处理工艺，才能使钢获得所需要的性能。

专利号为ZL93108767.8的中国专利提供了一种无W的低合金高速钢，V含量较高，经过热处理之后，该钢有较高的硬度和红硬性。但该钢是Mo系钢，氧化和脱碳倾向严重；该钢Si含量低，M2C碳化物不易分解转变，致使钢中存在有粗大的M2C角状颗粒，对钢的性能不利；由于RE元素含量过高，致使钢中的夹杂物较多；因为该钢的V含量较高，所以增加了钢的成本。

本发明的目的是提供经济高速钢，使钢的成本显著降低，综合性能良好，特别是奥氏体晶粒度较细，韧性较好。

根据本发明的目的，所采用的主要技术方案是适当增加钢中的Cr含量，降低W、Mo和V等元素的含量，采用恰当的生产工艺，使钢具有较高的硬度、红硬性和抗弯强度，淬火奥氏体晶粒度不低于10级，钢的韧性较好，成本明显降低。

本发明经济高速钢的化学成分范围如下(重量％)：

C0.70-1.20，W0.60-4.50，Mo0.60-4.00，Cr5.00-10.00，V0.60-1.50，Si0.30-1.50，Mn0.10-0.40，S≤0.03，P≤0.03，Al0.01-1.20，其余为Fe，还可以加入Ti≤0.3，Nb≤0.3，RE≤0.05，或这后三种元素中的两种或一种。

C是高速钢的基本元素，含量较高。C与钢中的W、Mo、Cr和V等元素结合生成合金碳化物，使钢具有较高的硬度、红硬性和耐磨性等良好的使用性能。C含量的高低对钢的性能影响很大，通常是参照平衡碳值来配比钢的碳含量。通用高速钢的碳含量比平衡碳值低，一些特种高速钢的碳含量与平衡碳值相当，而低合金高速的碳含量一般都比平衡碳值高。