高性能低成本高速鋼

《高性能低成本高速鋼》是江蘇華久特鋼工具有限公司於2006年1月24日申請的專利，該專利的申請號為2006100379460，公布號為CN1804094，授權公布日為2006年7月19日，發明人是王九平、陳鋒、余新泉。

《高性能低成本高速鋼》所述高速鋼材料的基本組成為：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，雜質元素P和S含量分別小於0.03wt％；其餘為Fe。該合金高速鋼的優點在於：（1）使用了高含量的資源豐富、廉價的Si，大幅度降低了貴重元素含量；（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量；（3）該發明的鋼各項性能不低於通用高速鋼，尤其是在高轉速、大進刀量條件下使用時更顯性能優勢。

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秀獎。

基本介紹

• 中文名：高性能低成本高速鋼
• 公布號：CN1804094
• 公布日：2006年7月19日
• 申請號：2006100379460
• 申請日：2006年1月24日
• 申請人：江蘇華久特鋼工具有限公司
• 地址：江蘇省東台市時埝鎮安時路98號
• 發明人：王九平、陳鋒、余新泉
• 分類號：C22C38/24（2006.01）
• 代理機構：南京天華專利代理有限責任公司
• 代理人：王錫伍
• 類別：發明專利

專利背景

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。由於高速鋼有許多獨特的優點，如強度和韌性是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、能製造各種複雜刀具和微型刀具，如麻花鑽、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具等，因而一百多年來，儘管如立方氮化硼等一些新材料陸續進入切削領域，但始終動搖不了高速鋼的主要地位。

高速鋼按化學成分可分為鎢系和鉬系等類，後者在歐美用得較多；按製造工藝方法不同，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。隨著科學事業的不斷發展和外向型經濟的需要，世界上工業發達的國家都在不斷地開發新鋼種，特別注意研製和生產鎢當量（W+2Mo）＜12的低合金高速鋼，在刀具生產中逐步取代2006年1月前常用的M2（W6Mo5Cr4V2）之類的通用高速鋼，其目的在於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。

由於高速鋼屬於高合金鋼，合金元素含量一般在17-25%，高者可達40%，據有關方面報導，2006年1月前高速鋼使用的各種主要合金資源情況，在世界範圍內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濟效益，所以在流通領域，價格是比較敏感的問題，因此，開發新型高性能低成本的低合金高速鋼，具有重大的經濟價值和重要的社會意義。

低合金高速鋼的研製和使用始於第二次世界大戰期間，那時的德國為克服合金元素不足而研製出ABCIII高速鋼，迄今已有60多年的歷史。該鋼由於高溫性能差，使用受到限制，曾一度被冷落。二十世紀七十年代後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。據報導其性能在多數方面不亞於M7和M2，用以製造麻花鑽等刀具，在切削壽命上和M2鋼相當。截至2006年1月，蘇聯從二十世紀三十年代開始研究低合金高速鋼，發展至今，其低合金高速鋼鋼種數量是通用高速鋼的30倍。日本研製低合金高速鋼牌號有HSK17，HS325等，多用於家用刃具。

中國開發和研究低合金高速鋼起步較晚，但進程快，試驗鋼的牌號有W6Cr4V，W4MoCr2V4，W8Mo2Cr4V2A1等。到了二世紀八十年代中期，科研和生產速度加快，多種牌號的低合金高速鋼從實驗室走向工業化生產，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。儘管2006年1月前中國已陸續開發出一些低合金高速鋼，但總體上其性能仍然偏低，只適用於製備一些中低層次使用的刀具，因此進一步開發高性能低成本的低合金高速鋼，以滿足製備高層次使用的刀具仍是中國科研和生產單位的努力目標。針對2006年1月前低合金高速鋼性能普遍偏低現狀，我們研製了一種高性能低合金高速鋼。

發明內容

專利目的

《高性能低成本高速鋼》所要解決的技術問題是提供了一種高性能低成本高速鋼，不僅要進一步降低稀缺元素的含量，從而使鋼材成本大幅減少；而且其性能達到通用高速鋼M2水平，尤其在高轉速、大進刀量條件下使用時性能優於M2鋼。

技術方案

《高性能低成本高速鋼》所採用的技術方案是，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，雜質元素P和S含量分別小於0.03Wt％，其餘為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。該發明中Si作為主要合金元素並高含量地加入，其主要作用機理在於：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，使碳化物細化，韌性提高。此外，Si還能細化回火時析出的二次碳化物，使回火硬度提高；Si能細化奧氏體晶粒，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，但其成分設計中Si含量的上限也均在該發明的下限之下；在其它的一些文獻報導中，Si在高合金高速鋼中雖然也有套用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素套用。該發明中加入高含量RE，其主要作用機理在於：RE能淨化鋼液，進而淨化合金的晶界，並有細化晶粒、碳化物析出相，改變夾雜物形態和分布，從而提高熱加工塑性和常溫的韌性作用。該發明中加入微量的Mn，主要起到固溶強化作用，提高合金強度。

該合金的優點在於：

（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量；

（3）《高性能低成本高速鋼》的鋼各項性能不低於通用高速鋼，部分性能明顯高於通用高速鋼，尤其是在高轉速、大進刀量條件下使用時更顯其性能的優勢。

1.《高性能低成本高速鋼》特徵在於：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，雜質元素P和S含量均小於0.03Wt％，其餘為Fe。

2.根據權利要求1所述的高速鋼，其特徵在於：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，雜質元素P和S含量均小於0.03Wt％，其餘為Fe。

• 實施例1

用《高性能低成本高速鋼》成分範圍，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，雜質元素P和S含量分別小於0.03％，其餘為Fe的合金配方，經中頻感應爐冶煉--電渣重熔--鍛造--軋制--熱處理後的鋼材製備切削刀具，然後與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30分鐘切削，發現該鋼材所制刀具主後面磨損與M2相當；但該刀具在轉速100米/分鐘條件下，切削進刀量達到6毫米時可平穩工作；而通用高速鋼M2隻適用於切削進刀量在4毫米以下工作。

• 實施例2

用該發明成分範圍，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，雜質元素P和S含量分別小於0.03％，其餘為Fe的合金配方，經中頻感應爐冶煉--電渣重熔--鍛造--軋制後製備成板材，經不同的淬火--回火後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。

表1：該鋼材與通用高速鋼M2的硬度和紅硬性

通用高速鋼M2規格 10×10×200	原始硬度 （HRC）	加熱至600℃ ×4小時HRC	加熱至625℃ ×4小時HRC	加熱至650℃ ×4小時HRC
	①66.5 ②66.5 ③66.2	①63.5 ②62 ③62.5	①59 ②58 ③58.5	①54.5 ②55.3 ③56.2
該發明高速鋼規格 10×10×200	①67.5 ②67 ③67.5	①64.5 ②63 ③64	①60.5 ②59 ③60.5	①55.5 ②54.8 ③55.8

• 實施例3

用該發明成分範圍，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，雜質元素P和S含量分別小於0.03％，其餘為Fe的合金配方，經中頻感應爐冶煉--電渣重熔--鍛造--軋制--熱處理後製備的鋼材，其製備成本僅為3.5萬/噸；而同樣製備工藝條件下，通用高速鋼M2（W6Mo5Cr4V2）由於含較高含量的貴重元素，其製備成本達到6.0萬/噸左右。

榮譽表彰

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秀獎。