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一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具镶钢机械刀片

阅读:121发布:2023-03-08

专利汇可以提供一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具镶钢机械刀片专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高 合金 工具 钢 镶钢机械刀片,属于机械刀片的制备领域。本发明的刃钢其成分和重量百分比为:C 0.54~0.64%,Si0.4~0.6%,Mn0.25~0.5%,Cr 6.0~6.8%,W 2.0~2.5%,Mo 1.4~1.8%,V0.3~0.4%,Co 0.18~0.3%,Nb 0.15~0.2%,S≤0.02%,P≤0.025%,Fe余量。采用感应电炉或感应电炉后电渣 重熔 铸锭 ,及其后的870℃~1100℃锻轧和840℃ 退火 的工艺步骤。采用1050℃~1060℃进行钎焊淬火加热,使该成分刃钢镶接在低 碳 钢的刀体上,经淬火处理后进行三次回火处理。本发明的机械刀片综合性能高于目前应用广泛的5Cr型刃钢镶钢机械刀片,比 热轧 镶钢生产的机械刀片的工艺简单,生产成本降低了25%。,下面是一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具镶钢机械刀片专利的具体信息内容。

1.一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具镶钢机械刀片,其成分和重量百分比为:C 
0.54~0.64%,Si0.4~0.6%,Mn0.25~0.5%,Cr 6.0~6.8%,W 2.0~2.5%,Mo 1.4~
1.8%,V0.3~0.4%,Co 0.18~0.3%,Nb 0.15~0.2%,S≤0.02%,P≤0.025%,Fe余量。
2.根据权利要求1所述的一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片,其特征在于:采用感应电炉或感应电炉后电渣重熔铸锭,以及其后的870℃~1100℃锻轧和840℃退火的工艺步骤。
3.根据权利要求2所述的一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片,其特征在于:采用1050℃~1060℃进行钎焊淬火加热,使该成分刃钢以基合金钎料钎焊镶接在低钢的刀体上,并同时进行冷淬火处理。
4.根据权利要求3所述的一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片,其特征在于:根据机械刀片应用类型进行三次回火处理,回火温度为530℃-550℃。
5.根据权利要求4所述的一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片,其特征在于:530℃-540℃回火制作刨切刀,540℃-550℃回火制作旋切刀。
6.根据权利要求1所述的一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片,其特征在于:该镶钢机械刀片刃钢焊接性能、及刃钢组织及性能控制指标:钎焊焊缝剪切强度≥
250MPa,刃钢显微组织为回火氏体、碳化物加残余奥氏体,剩余碳化物尺寸平均为0.25μm,最大尺寸≤0.9μm,残余奥氏体量≤5.5%。

说明书全文

一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具镶钢机械刀片

技术领域

[0001] 本发明涉及机械刀片的制备技术领域,更具体地说,涉及一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片。

背景技术

[0002] 目前,木材加工应用广泛的5Cr8型高合金工具钢作刃钢的镶钢刀片,多应用于刨切刀或也用于旋切刀。但是,用于刨切刀加工很硬的木材耐磨性尚嫌不足;用于旋切刀是近些年来为了适于加工较硬木材、以替代原低中合金工具钢旋切刀,但却容易在使用中产生小的毛刺状刃口。因此,急需研制一种高合金工具钢作刃钢的镶钢机械刀片,其性能优于5Cr8型镶钢机械刀片,既可作刨切刀使耐磨性进一步提高,又可作旋切刀避免产生毛刺状刃口,还要适应1050℃~1060℃的基合金钎料钎焊同时淬火的工艺要求。其目的是进一步提高木材加工刨切刀和旋切刀的使用性能以应对越来越高的加工要求以及国内外市场的激烈竞争。
[0003] 我国机械刀片领域的科研和产品质量已经处于国际先进行列,机械刀片产品行销国际市场的比率已经超过国外老牌企业。本专利申请人镶钢机械刀片的纯铜钎焊或铜基合金钎料钎焊同时淬火的工艺先进、技术精湛,与多数企业采用的热轧镶钢工艺相比,其工艺不仅省略了退火、单独淬火、及多道次校平校直等工艺过程,而且克服了热轧镶钢焊缝强度波动较大和高温加热常常烧损的弊端,具有独特的工艺技术优势。因此本发明首先要提供的高合金工具钢刃钢材料的合理淬火温度必须与铜基合金钎料钎焊温度吻合,即1050℃~1060℃加热钎焊镶钢后即刻冷淬火。
[0004] 5Cr8型高合金工具钢的成分为(wt%)C 0.45-0.55,Si 0.8-1.2,Mn 0.25-0.5,Cr 8.0-9.0,W 1.0-1.5,Mo 1.5-2.0,V 0.2-0.4,S、P≤0.03,余量Fe;按钢号命名可以写作
5Cr8WMo2VSi,按用途有时也不含有W,统称为5Cr8型合金工具钢。依此成分按照合金系相平衡热学方法计算,加热至1050℃~1060℃时钢中化物已完全溶解(参见附图1-1),即使钎焊淬火加热时间没有达到完全溶解的平衡态,所剩也了了无几。在此种情况下,一方面淬火晶粒会显著长大降低韧性;另一方面缺少一定数量的细小淬火剩余碳化物使刀尖必然产生的微裂纹沿解理面扩展,易出现细小崩口形成刀尖毛刺;另外,因剩余碳化物量过少还降低了耐磨性。即使在5Cr8型钢基础上加入少量Nb也没有大的改变(参考附图1-2)。本发明申请人曾有一项专利提供了一种适于纯铜钎焊淬火的半高速钢镶钢机械刀片(专利号CN201210289224X)。它用于木材加工刨切刀也有着优良的使用性能,但用于旋切刀则断裂韧性不足。因为旋切加工时木材旋转有震动,刀尖同时受纵向力和横向力,对断裂韧性要求很高,而刨切加工时木材平面快速移动,主要受纵向力而横向震动很小。
[0005] 由上述可见,需要研制一种适于铜基合金钎料钎焊同时淬火工艺的高合金工具钢作刃钢的新型镶钢机械刀片,既可作木材加工刨切刀又可作旋切刀。镶钢焊缝强度应高于纯铜钎焊以防止交变横向力作用产生蠕变扩展裂纹,刃钢性能应优于目前应用广泛的5Cr8型工具钢镶钢机械刀片。使之用于刨切刀的耐磨性明显提高,用于旋切刀能避免出现毛刺状刃口。

发明内容

[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术中机械刀片耐磨性差、易产生毛刺状刃口不足,提供了一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片,本发明含微量铌的高合金工具钢镶钢机械刀片刃钢显微组织更均匀细化,其锋利度、耐磨性及抗冲击性均高于原5Cr8型刃钢镶钢机械刀片,既适用于木材加工的刨切刀也适用于旋切刀等。
[0008] 2.技术方案
[0009] 为达到上述目的,本发明提供的技术方案为:
[0010] 本发明研制了一种适于铜基合金钎料钎焊淬火工艺的含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢作刃钢的镶钢机械刀片,该机械刀片既可做木材加工刨切刀又可作旋切刀,其性能优于目前应用广泛的5Cr8型工具钢作刃钢的镶钢机械刀片。含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢刃钢成分为(wt%):C 0.54~0.64%,Si0.4~0.6%,Mn0.25~0.5%,Cr 6.0~6.8%,W 2.0~2.5%,Mo 1.4~1.8%,V0.3~0.4%,Co0.18~0.3%,Nb 0.15~0.2%,S≤
0.02%,P≤0.025%,Fe余量。
[0011] 含微量铌的高合金工具钢镶钢机械刀片的制造过程包括:(1)采用感应电炉或感应电炉后电渣重熔铸锭,然后进行包括在870℃~1100℃锻轧和840℃退火的工艺步骤。(2)采用1050℃~1060℃进行钎焊淬火加热,使该成分刃钢焊接在低碳钢的刀体上,并同时进行风冷淬火处理。(3)根据机械刀片应用类型进行回火处理,回火温度为530℃-550℃。进一步地,可在530℃-540℃回火制作刨切刀,540℃-550℃回火制作旋切刀。(4)进行刨稍、粗磨、割头、精磨及孔型等机械加工的工艺步骤,制造成为镶钢机械刀片。
[0012] 本发明的含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢镶钢机械刀片刃钢焊接性能、及刃钢组织及性能控制指标:钎焊焊缝剪切强度≥250MPa,刃钢显微组织为回火氏体、碳化物加残余奥氏体,剩余碳化物尺寸平均为0.25μm,最大尺寸≤0.9μm,残余奥氏体量≤5.5%。本发明含微量铌的高合金工具钢镶钢机械刀片刃钢显微组织更均匀细化,其锋利度、耐磨性及抗冲击性均高于原5Cr8型刃钢镶钢机械刀片,既适用于木材加工的刨切刀也适用于旋切刀。
[0013] 3.有益效果
[0014] 采用本发明提供的技术方案,与现有技术相比,具有如下有益效果:
[0015] (1)本发明的研制了一种新的刃钢材料并以新的铜基合金钎料钎焊淬火工艺生产的镶钢机械刀片。其综合性能高于目前应用广泛的5Cr型刃钢镶钢机械刀片,比热轧镶钢生产的机械刀片的工艺简单,生产成本降低了25%。(2)本发明用于木材加工刨切刀使用寿命提高33%,并可正常刨切榉木、柞木等硬木料;用于木材加工旋切刀的刃口锋利度高,抗冲击韧性高,避免了刃口出现毛刺和崩口现象。(3)本发明的机械刀片的性能优越、通用性强,具有广泛的应用前景,有利于提高国内外市场的竞争力。

附图说明

[0016] 图1为:计算的5Cr8型钢和新材料刃钢相图(图1-1 5Cr8型钢,图1-2 5Cr8型加Nb钢,图1-3新材料钢,图1-4新材料钢不加Nb)
[0017] 图2~4为:新材料刃钢的显微组织扫描电镜照片(图2:840℃退火,图3:1050℃淬火,图4:540℃回火)
[0018] 图5为:新材料刃钢镶钢机械刀片结构示意图。
[0019] 示意图中的标号说明:1、刀体;2、刃钢。

具体实施方式

[0020] 为进一步了解本发明的内容,结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0021] (一)用合金系相平衡热力学方法进行大量的计算研究,获得了一种含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢刃钢,其成分及质量百分含量为(wt%):C 0.54~0.64%,Si 0.4~0.6%,Mn 0.25~0.5%,Cr6.0~6.8%,W 2.0~2.5%,Mo 1.4~1.8%,V 0.3~0.4%,Co 0.18~0.3%,Nb 0.15~0.2%,S≤0.02%,P≤0.025%,Fe余量。本方案称为5Cr6W2Mo2VNb0.2钢,按照成分计算的该钢相图参见附图1-3。从相图可见该钢具有如下特征:
[0022] (1)在1050℃~1060℃加热时碳化物摩尔分数为0.022,有足够的淬火剩余碳化物,防止晶粒长大;在830℃~840℃退火的时发生M23C6→M6C转变,溶解和析出过程有利于退火细化组织。
[0023] (2)1050℃淬火后剩余碳化物主要是M6C,其次是MC,其显微硬度分别高达约HV1800和HV2300,可提高耐磨性。加入0.2%Nb使MC型碳化物溶解温度升高至1350℃,反之凝固时自1350℃后开始析出细小的MC型碳化物,起到防止过热、细化组织、提高耐磨性等作用,与未加0.2%Nb钢的相图有明显的差别(参见附图1-4)。
[0024] (3)根据相平衡热力学方法计算的1050℃时的奥氏体基体成分,可进一步计算淬火硬度和回火硬度,分别为HRC62.6和HRC63.6,工艺和性能设计合理。
[0025] (二)镶钢机械刀片制作的工艺及技术成果如下:
[0026] (1)按照上述成分制备刃钢材料,包括采用感应电炉或感应电炉+电渣重熔、铸锭,然后在1100℃~870℃锻轧成条状板材,再于830℃~840℃球化退火,球状碳化物尺寸主要分布在0.6μm~1.5μm之间(参见附图2),退火硬度HB227~255。
[0027] (2)刃钢与低碳钢合体后,采用保护气氛加热至1150℃~1160℃进行铜基合金钎料钎焊镶钢,使含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢刃钢焊接在Q235低碳钢刀体上,并即刻进行风冷淬火处理。焊缝剪切强度≥250MPa,淬火晶粒尺寸10μm~15μm(参见附图3),剩余碳化物尺寸平均为0.25μm,最大尺寸≤0.9μm(参见附图4)。
[0028] (3)根据机械刀片应用类型进行三次回火处理,回火温度在530℃~550℃。在530℃~540℃回火制作刨切刀,硬度HRC62~64,残余奥氏体≤5.5%;540℃~550℃回火制作旋切刀,硬度HRC60~62,残余奥氏体≤3.8%。再经粗磨、精磨、孔型等机械加工为机械刀片成品,此外,该材料及工艺也可用于制作切纸刀等。
[0029] 对本发明的进一步说明:
[0030] 1.合金设计的硬度计算、淬火回火温度的确定及实验验证
[0031] 我们产学研项目(国家中小企业创新基金13C26213402744)曾研究表明,依设计成分中间值用相平衡热力学方法计算,可以计算出不同淬火温度时的奥氏体基体成分和各类型剩余碳化物数量和成分。根据奥氏体基体成分可以计算淬火硬度和回火硬度,淬火后回火硬度和剩余碳化物量均合理时,这个温度就是合理的淬火温度。回火温度是根据不同温度时平衡相计算析出的各种类型碳化物数量决定的。M23C6析出温度为480℃~520℃,M6C析出温度为520℃~540℃,MC析出温度为540℃~560℃。按照各类碳化物析出量综合分析,可以确定合理的回火温度范围。
[0032] 根据淬火温度下奥氏体基体成分,淬火硬度Hc可以计算为:
[0033] Hc=α(1+β)/(0.00915α+0.00527)  (1)
[0034] 式(1)中,α是奥氏体基体中含C量的平方根;β是合金元素对马氏体基体固溶强化的修正系数,表示为:
[0035] β=0.0079Si+0.0067Mn+0.0058Ni+0.0038Mo+0.0035V+0.0032W+0.0031Cr  (2)[0036] 式(2)中元素符号是奥氏体基体中各合金元素的含量,其中Nb加入V中,以下式(3)和(5)相同。
[0037] 奥氏体基体碳饱和度公式为:
[0038] Cp=0.011W+0.02Mo+0.057Cr+0.19V  (3)
[0039] 回火二次硬化硬度公式为:
[0040] HRC=a(1+b)/(0.0127a+0.00297)  (4)
[0041] 公式(4)中a=(CS/Cp)的平方根,其中CS是奥氏体基体中含C量;b是与碳化物沉淀有关的修正系数,b值为:
[0042] b=0.00374(Cr-6.69)+0.00907(W-2.76)+0.00465(Mo-1.70)+0.0419(V-0.59)(5)
[0043] 公式(5)中各元素相关的常数和系数的综合作用,决定该元素对沉淀硬化回火硬度的贡献。
[0044] 根据设计成分熔炼的试生产实验钢成分为(wt%):C 0.59%,Si 0.55%,Mn 0.46%,Cr6.8%,W 2.35%,Mo 1.56%,V 0.32%,Co 0.23%,Nb 0.18%,S/P≤0.02%,Fe余量。按照上述计算得到实验钢计算结果为:合理的淬火温度1050℃,淬火硬度HRC62.6,回火最高硬度HRC63.6,最高硬度对应的回火温度540℃。根据计算结果进行热处理实验验证如下表1所列:
[0045] 表1.试生产实验钢热处理淬火和回火硬度实验结果
[0046]
[0047] 热处理温度和硬度实验结果与合金设计计算值基本相符。对试样扫描电镜分析示于附图2,退火剩余碳化物尺寸主要分布在0.6μm~1.2μm之间(参见附图2);淬火晶粒尺寸10μm~15μm(参见附图3),剩余碳化物分布均匀细化,碳化物主要尺寸约为0.25μm,个别最大尺寸≤0.9μm(参见附图4)。通过实验得出的上述技术数据进一步验证了本发明的合金设计计算结果,也提供了生产工艺和质量控制指标。
[0048] 2.结合相图说明新材料刃钢合金含量及作用
[0049] 附图1中的图1-1是5Cr型含W的5Cr8WMo2VSi钢相图。从图1-1可见,①该钢在1050℃~1060℃加热时,碳化物几乎溶解殆尽,所以,钎焊淬火工艺制作机械刀片的刃钢剩余碳化物量过少,降低了阻碍奥氏体晶粒长大的能力;②碳化物以M23C6(或M7C3)为主,M6C、M7C3为次,几乎不出现MC;③这种情况下,会有多量Mo加入M23C6中,虽然会提高M23C6的硬度和回火析出温度,但降低了对高硬度M6C的贡献。图1-2是5Cr8WMo2VSi钢添加0.2%Nb的相图,虽然MC溶解或析出温度升高至1350℃,但没有改变其它碳化物类型和数量。
[0050] 附图1中的图1-3是新材料含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢的相图。从图1-3可见,与5Cr型钢比较,由于Cr含量降低至6.0%~6.8%,W含量升高至2.0%~2.5%,V含量也稍微增加并加入微量Nb,相图出现如下变化:①在1050℃~1060℃加热时,有合适的数量的剩余碳化物未溶解,而且以M6C为主,MC为次,数量适宜;②在830℃~840℃退火的加热和冷却过程中,会发生M23C6碳化物与M6C碳化物相互转变,溶解和析出过程会促进碳化物分布均匀细化;③微量的V和Nb生成细小MC碳化物在随后的热处理过程保持着细化程度,由于加入微量Nb,使MC碳化物溶解或析出温度升高至1360℃,能够有效地阻碍高温区奥氏体晶粒长大;④回火过程中,因W形成M6C为主,Mo又加入其中,因此,回火析出M6C为主,其次是M23C6和MC,析出温度靠近中间温度540℃,有利于提高回火硬度,有效地发挥合金元素的作用。图1-4是新材料钢不加微量Nb时的相图,此时对钢的细化有利,虽然也是一种优良的超细碳化物钢,但是,在加热1050℃~1060℃钎焊淬火时,容易使MC完全溶解于奥氏体中,造成晶粒异常长大。新材料含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢还加入少量的Co,主要是为了增强粘结碳化物颗粒的作用。因为刀尖上碳化物颗粒一旦裸露,容易受冲击力剥落,影响刃口锋利度和耐磨性。
[0051] 新材料合金设计是按照上述方法计算不同成分组合得出的结果,结合冶炼工艺实际,分析比较确定出合金成分范围的。
[0052] 3.新材料镶钢机械刀片实施例
[0053] 实施例1
[0054] 本实施例含微量铌的高合金工具钢镶钢机械刀片刃钢可为上述实验钢,全部制造工艺路线为:钢材冶炼→刃钢锻轧→退火→刀体下料→校平→刃钢加工磨面→铣边→铣稍→切头→刀体刨槽→刃钢、铜薄板、刀体装配→夹具安装→进可控气氛炉→预热、通可控气体→升温至高温→钎焊、淬火加热→移至冷却室→风冷淬火→三次回火→校平和校直→刀片加工刨边→铣刀背→切头→精磨面→制孔(钻孔、铣孔、攻丝)→精校平→磨稍→质检→成品。
[0055] 木材加工刨切刀和旋切刀片常规尺寸如表2所示:
[0056] 表2成品刀片常规尺寸(mm)
[0057]
[0058] 含微量Nb的Cr-W-Mo-V高合金工具钢新材料刃钢的镶钢机械刀片结构示意图如附图5所示,刃钢2镶在刀体1上。刃钢厚度5mm~8mm,刃钢宽度按用户要求约为80mm~110mm。试制的成品主要技术指标质量检验结果如表3所示。
[0059] 表3成品刀片主要技术指标质量检验结果
[0060]
[0061] 新材料机械刀片在木材加工厂试用,刨切刀每刃磨一次刨切曲柳木材可连续使用8-12小时,刨板厚度为0.8mm~1mm,刨板的数量为1.2万~1.5万张,使用寿命是5Cr8WMo2VSi刀片的1.5倍。旋切刀每刃磨一次旋切桦木可连续使用8-10小时,刃口不崩不卷,使用寿命提高1倍,消除了刃口毛刺和崩牙现象,旋板厚度为1.5mm~2mm,板面光滑平整无瑕疵。
[0062] 实施例2
[0063] 本实施例的刃钢的镶钢机械刀片,其刃钢成分及质量百分含量为(wt%):C 0.62%,Si0.58%,Mn 0.25%,Cr6.3%,W 2.15%,Mo1.62%,V 0.36%,Co 0.18%,Nb 
0.17%,S≤0.02%,P≤0.025%,Fe余量。加工时,先采用感应电炉或感应电炉冶炼后经电渣重熔铸锭生产工具钢,然后在890℃条件下锻轧,840℃退火。采用1050℃~1053℃进行钎焊淬火加热,使该成分刃钢以黄铜钎焊镶接在低碳钢或中碳钢的刀体上,并同时进行风冷淬火处理。在540℃-550℃进行三次回火处理制作旋切刀。
[0064] 实施例3
[0065] 本实施例的刃钢的镶钢机械刀片,其刃钢成分及质量百分含量为(wt%):C 0.59%,Si0.47%,Mn0.32%,Cr 6.4%,W 2.2%,Mo 1.5%,V0.32%,Co 0.20%,Nb 
0.15%,S≤0.02%,P≤0.025%,Fe余量。加工时,先采用感应电炉或感应电炉冶炼后经电渣重熔铸锭生产工具钢,然后在1050℃条件下锻轧,840℃退火。采用1054℃~1058℃进行钎焊淬火加热,使该成分刃钢以黄铜钎焊镶接在Q235低碳钢的刀体上,并同时进行风冷淬火处理。在532℃-536℃进行三次回火处理制作刨切刀。
[0066] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本发明的保护范围。
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