高性能低成本高速钢专利目的

《高性能低成本高速钢》所要解决的技术问题是提供了一种高性能低成本高速钢，不仅要进一步降低稀缺元素的含量，从而使钢材成本大幅减少；而且其性能达到通用高速钢M2水平，尤其在高转速、大进刀量条件下使用时性能优于M2钢。

高性能低成本高速钢技术方案

《高性能低成本高速钢》所采用的技术方案是，该高速钢的各种元素含量为：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，杂质元素P和S含量分别小于0.03Wt％，其余为Fe。

上述合金元素中的C、W、Cr、Mo、V在高速钢中的作用已为公知。该发明中Si作为主要合金元素并高含量地加入，其主要作用机理在于：Si能促使高速钢凝固时形成的对性能有害的M2C在再次加热时分解为M6C及MC，从而可消除柱状M2C，使碳化物细化，韧性提高。此外，Si还能细化回火时析出的二次碳化物，使回火硬度提高；Si能细化奥氏体晶粒，提高600℃红硬性及低温淬火硬度；Si还可以改善高速钢的切削性能和磨削性能。虽然有专利如公开号CN1296084A、CN1047536A、CN1055773A、CN1049189A等合金中也加入了Si，但其成分设计中Si含量的上限也均在该发明的下限之下；在其它的一些文献报道中，Si在高合金高速钢中虽然也有应用，但只是作为辅助元素而非主要合金元素应用。该发明中加入高含量RE，其主要作用机理在于：RE能净化钢液，进而净化合金的晶界，并有细化晶粒、碳化物析出相，改变夹杂物形态和分布，从而提高热加工塑性和常温的韧性作用。该发明中加入微量的Mn，主要起到固溶强化作用，提高合金强度。

高性能低成本高速钢改善效果

该合金的优点在于：

（1）使用了高含量的资源丰富、廉价的Si，大幅度降低了2006年1月前已有通用高速钢中的贵重元素含量，从而使钢材成本显著降低；

（2）使用了高含量的中国资源丰富的RE，从而明显改善了冶金质量；

（3）《高性能低成本高速钢》的钢各项性能不低于通用高速钢，部分性能明显高于通用高速钢，尤其是在高转速、大进刀量条件下使用时更显其性能的优势。

高速钢是一种量大面广的金属切削刀具材料，若从泰勒和怀特1898年发明的W18Cr9V钢算起，截至2006年1月已有百年历史。高速钢较一般工具钢有好得多的红硬性，可将切削速度提高到50米/分钟以上，故称高速切削钢。通常情况下，为保证高速钢的红硬性，高速钢必须加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素。为进一步提高红硬性，还可加入价格昂贵的合金元素Co，世界闻名的M42即含有高含量Co的高速钢，其价格是通用M2高速钢的5倍。由于高速钢有许多独特的优点，如强度和韧性是2006年1月前已有刀具材料中最高的、同时各种性能波动小、可加工性能好、能制造各种复杂刀具和微型刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具等，因而一百多年来，尽管如立方氮化硼等一些新材料陆续进入切削领域，但始终动摇不了高速钢的主要地位。

高速钢按化学成分可分为钨系和钼系等类，后者在欧美用得较多；按制造工艺方法不同，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢；按用途可分为低碳高速钢、通用高速钢、高碳高速钢、超硬高速钢四大类。随着科学事业的不断发展和外向型经济的需要，世界上工业发达的国家都在不断地开发新钢种，特别注意研制和生产钨当量（W 2Mo）＜12的低合金高速钢，在刀具生产中逐步取代2006年1月前常用的M2（W6Mo5Cr4V2）之类的通用高速钢，其目的在于一方面减少一些稀缺元素的用量，另一方面是降低成本以提高效益

由于高速钢属于髙合金钢，合金元素含量一般在17-25%，高者可达40%，据有关方面报道，2006年1月前高速钢使用的各种主要合金资源情况，在世界范围内勘定的较为可靠的储藏量只能够用40-60年，加上潜在的储量，最多只能够用100年。预测世界各种合金元素资源的枯竭危险程度从大到小的顺序为W、Co、Mo、Ta、Nb、V、Cr、Ti等。若以Fe储量为100计，则Ti为9，W仅为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。同时，随着高速钢中常用合金元素的日益紧缺，钢材成本和价格大幅增加是必然趋势，而无论是钢厂还是工具厂历来都十分注重经济效益，所以在流通领域，价格是比较敏感的问题，因此，开发新型高性能低成本的低合金高速钢，具有重大的经济价值和重要的社会意义。

低合金高速钢的研制和使用始于第二次世界大战期间，那时的德国为克服合金元素不足而研制出ABCIII高速钢，迄今已有60多年的历史。该钢由于高温性能差，使用受到限制，曾一度被冷落。二十世纪七十年代后国际上又开始重视低合金高速钢，其中以瑞典的D950、波兰的SW3S2、西德的S3-3-2和美国的3-0.5-4-2等牌号较成功。据报道其性能在多数方面不亚于M7和M2，用以制造麻花钻等刀具，在切削寿命上和M2钢相当。截至2006年1月，苏联从二十世纪三十年代开始研究低合金高速钢，发展至今，其低合金高速钢钢种数量是通用高速钢的30倍。日本研制低合金高速钢牌号有HSK17，HS325等，多用于家用刃具。

中国开发和研究低合金高速钢起步较晚，但进程快，试验钢的牌号有W6Cr4V，W4MoCr2V4，W8Mo2Cr4V2A1等。到了二世纪八十年代中期，科研和生产速度加快，多种牌号的低合金高速钢从实验室走向工业化生产，其中大连钢厂的D101（W2Mo5Cr4V）、重庆特钢的301（W3Mo2Cr4VSi）、抚顺钢厂的F205（W4Mo3Cr4VSiN）最引人注目。尽管2006年1月前中国已陆续开发出一些低合金高速钢，但总体上其性能仍然偏低，只适用于制备一些中低层次使用的刀具，因此进一步开发高性能低成本的低合金高速钢，以满足制备高层次使用的刀具仍是中国科研和生产单位的努力目标。针对2006年1月前低合金高速钢性能普遍偏低现状，我们研制了一种高性能低合金高速钢。

1.《高性能低成本高速钢》特征在于：该高速钢的各种元素含量为：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，杂质元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于：所述高速钢含量为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，杂质元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余为Fe。

• 实施例1

用《高性能低成本高速钢》成分范围，重量百分比为：0.98％C，2.1％Si，0.3％RE，4.6％Cr，2.2％Mo，3.9％W，1.3％V，0.3％Mn，杂质元素P和S含量分别小于0.03％，其余为Fe的合金配方，经中频感应炉冶炼--电渣重熔--锻造--轧制--热处理后的钢材制备切削刀具，然后与M2（W6Mo5Cr4V2）做对比切削试验：被加工材料为45钢，硬度178HB，切削速度分别为70米/分钟，100米/分钟，120米/分钟，冷却液流量为5升/分钟，吃刀深度为1毫米；各条件下分别经30分钟切削，发现该钢材所制刀具主后面磨损与M2相当；但该刀具在转速100米/分钟条件下，切削进刀量达到6毫米时可平稳工作；而通用高速钢M2只适用于切削进刀量在4毫米以下工作。

• 实施例2

用该发明成分范围，重量百分比为：1.02％C，2.0％Si，0.35％RE，4.2％Cr，2.3％Mo，4.2％W，1.2％V，0.3％Mn，杂质元素P和S含量分别小于0.03％，其余为Fe的合金配方，经中频感应炉冶炼--电渣重熔--锻造--轧制后制备成板材，经不同的淬火--回火后钢材的硬度与通用高速钢M2性能对比如表1，可见其硬度和红硬性与M2相当。

• 实施例3

用该发明成分范围，重量百分比为：0.98％C，2.1％Si，0.3％RE，4.4％Cr，2.2％Mo，3.9％W，1.3％V，0.3％Mn，杂质元素P和S含量分别小于0.03％，其余为Fe的合金配方，经中频感应炉冶炼--电渣重熔--锻造--轧制--热处理后制备的钢材，其制备成本仅为3.5万/吨；而同样制备工艺条件下，通用高速钢M2（W6Mo5Cr4V2）由于含较高含量的贵重元素，其制备成本达到6.0万/吨左右。

2009年，《高性能低成本高速钢》获得第六届江苏省专利项目奖优秀奖。

高速钢材料发明于19世纪末，一般用熔炼方法制成。普通高速钢的典型牌号是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。在加工效率和加工质量要求日益提高的现代切削加工中，它们的性能已嫌不足。在20世纪后期，逐步出现了许多高性能高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使其常温和高温机械性能得到显著提高。

高性能熔炼高速钢1高碳高速钢

在W18Cr4V基础上。增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V。根据化学平衡碳理论，可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高了常温和高温硬度。与W18Cr4V相比，95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相当。这个钢种的切削性能虽不及高钴、高钒高速钢，但价格便宜，切削刃可以磨得很锋利，故有应用价值。同样，还有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速钢。

高性能熔炼高速钢2高钴高速钢

在高速钢中加钴，可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化物，提高弥散硬化效果，并提高热稳定性，故能提高常温、高温硬度及耐磨性。增加含钴量还可改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦系数。M42是美国这方面的代表性钢种，其综合性能甚为优越。瑞典的HSP-15也是这一类的钢种，但其含钒量为3%，刃磨加工性不如M42。钴含量高、价格昂贵，不适合中国国情。我国研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si，性能优越，价格低于M42和HSP-15，但Co5Si含钒量亦达3%，刃磨加工性亦较差，故不宜用其制造刃形复杂的刀具。

高性能熔炼高速钢3高钒高速钢

高钒高速钢(如B201、B211、B212)的钒含量为3%～5%，同时加大碳含量，形成VC与V4C3，使高速钢得到高的硬度和耐磨性。高钒高速钢的耐热性也好，但高钒高速钢的刃磨加工性差，导热性也不好，冲击韧性较低，故不宜用于复杂刀具。在高钒高速钢中也可加入适当的钴，成为高钒含钴高速钢。我国研制的高钒含氮高速钢V3N，价格便宜，切削性能也好，唯刃磨较难。后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但价格高于V3N。

高性能熔炼高速钢4含铝高速钢

我国研制出无钴、价廉的含铝高性能高速钢501。其中铝含量约为1%。铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起“钉扎”作用，故钢的常温、高温硬度和耐磨性均得以提高，强度和韧性也都比较高，切削性能与M42相当。501的钒含量为2%，刃磨性能稍逊于M42。5F6也是含铝1%的高性能高速钢，B201、B211、B212中也含铝。含铝高速钢是中国的一个独创。501在国内得到广泛应用，在国外也得到应用；其他含铝高速钢的应用不如501广泛。

在切削难加工材料时，应当合理选用不同牌号的高性能高速钢。切削常见的难加工材料，如高强度钢、奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金等，上述各种高性能高速钢都可以选用，选用时主要应考虑高速钢的机械性能和刃磨性能：在粗加工或断续切削条件下，应选用抗弯强度与冲击韧性较高的高性能高速钢；在精加工时，对高速钢的抗弯强度与冲击韧性的要水较低，这时主要考虑其耐磨性；工艺系统刚性差时，选用高速钢的牌号与粗加工时相同；工艺系统刚性好时，选用高速钢的牌号与精加工相同；刃型复杂的刀具，应选用刃磨性能较好的低钒高钴或低钒含铝高速钢；刃型简单的刀具，可选用刃磨性能差的高钒高速钢。2100433B

高性能高速钢具有更好的硬度和热硬性，这是通过改变高速钢的化学成分，提高性能而发展起来的新品种。它具有更高的硬度、热硬性，切削温度达摄氏650度时，硬度仍可保持在60HRC以上，耐用性为普通高速钢的1。5-3倍，适用于制造加工高温合金、不锈钢、钛合金、高强度钢等难加工材料的刀具。主要品种有4种，分别为高碳系高速钢、高钒系高速钢、含钴系高速钢和铝高速钢。