一种切削钻头用低钴超硬高速钢及其制备方法 |
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申请号 | CN202410199189.5 | 申请日 | 2024-02-23 | 公开(公告)号 | CN117965994A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
申请人 | 苏州瑞英成科技发展有限公司; | 发明人 | 孙艺宾; 李志坤; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及切削 钻头 高速 钢 制备技术领域,且一种切削钻头用低钴超硬 高速钢 及其制备方法,包括以下成分C、C(n)、Co、W、Mo、Cr、V、Si、Mn、S、Fe及复合沉积层,复合沉积层包括以下化学成分:Fe、C、Si、N、0、H、Ti。本发明在S1‑S8的步骤中,在高速钢基体层浇筑形成过程中,加入金属钴和 石墨 烯颗粒,通过氮气进行保护,再进入 退火 、淬火、回火和冷却处理后得到硬质度高的高速钢 基层 ,在高速钢基层上面进行电火花沉积 溅射法 ,得到均匀的硬质层,且电火花使得沉积表面形成无数密集的沉积点和放电凹坑,沉积层与粗品钻头基体结合得十分紧密,减少沉积层发生剥落现象,促进提高本发明高速刚有超高硬度和耐 腐蚀 度性能。 | ||||||
权利要求 | 1.一种切削钻头用低钴超硬高速钢,其特征在于:包括以下成分C、C(n)、Co、W、Mo、Cr、V、Si、Mn、S、Fe及复合沉积层,重量百分比(%)如下: |
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说明书全文 | 一种切削钻头用低钴超硬高速钢及其制备方法技术领域背景技术[0002] 切削钻头基用在工业装备制造领域,在工业装备制造领域、建筑、木工许多行业起到重要作用,只是用的钻头材质不一样,切削金属的钻头大部分是钨钢材质,也是一种高速钢。 [0003] 切削钻头为细长杆状刀具,刃部长而薄,它在致密的金属中进行钻削,工作时承受很高的弯曲应力。为防止钻头折断或崩刃,所用材料应具有足够的弯曲强度和韧性;同时,钻头在连续钻削时,其刃部全部被金属屑包围,产生的热量不易散发,特别是钻深孔时,更为不利。因此,钻头材料又必须具有高的耐磨性和热稳定性。高速钢是高碳高合金莱氏体钢,钢中含有大量的合金碳化物。例如:W18Cr4V高速钢,切削钻头在制备的过程中,需要在表面进行涂层,而常规的涂层制备采用氮碳化钛涂层、金刚石涂层等等,虽然得到了一定的硬度和高磨损度,但是在这些涂层通过涂敷或喷射的方法,容易导致胚体和涂覆层之间紧密性不足,进而导致切削钻头在使用的过程中出现剥落而导致钻头硬度降低情况。 发明内容[0004] 本发明提供了一种切削钻头用低钴超硬高速钢及其制备方法及系统,具备通过电火花使得沉积表面形成无数密集的沉积点和放电凹坑,沉积层与粗品钻头基体结合得十分紧密,减少沉积涂层发生剥落现象,促进提高本发明高速刚有超高硬度和耐腐蚀度性能的有益效果,解决了上述背景技术中所提到在这些涂层通过涂敷或喷射的方法,容易导致胚体和涂覆层之间紧密性不足的问题。 [0005] 本发明提供如下技术方案:一种切削钻头用低钴超硬高速钢,包括以下成分C、C(n)、Co、W、Mo、Cr、V、Si、Mn、S、Fe及复合沉积层,重量百分比(%)如下: [0006] 碳0.85%~0.13%、石墨烯4.54.5%~12%、钴4.5%~12%、钨7.5%~9.0%、钼4.5%~5.5%、铬4.8%~5.4%、钒4.2%~5.5%、硅0.12%~0.14%、锰0.20%~0.40%、铁30%~45%、硫≤0.04%、磷≤0.04; [0007] 所述复合沉积层包括以下化学成分:Fe、C、Si、N、0、H、Ti,所述Fe、C、Si、N、0、H、Ti的质量配比为1:(0.35~0.8):(7.8~12.5):(0.4~0.8):(0.4~0.8):(12.3~15):(0.35~0.8)。 [0008] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:包括以下步骤: [0011] S3、加入氮气,从电炉底层进行冲入氮气,氮气压力设置为5PMa; [0012] S4、将炉内钢水进行高温浇筑成磨,获得切削粗品钻头; [0013] S5、将切削粗品钻头进行退火、淬火、回火和冷却处理; [0014] S6、对切削粗品钻头进行酸洗和打磨处理; [0015] S7、将Fe、C、Si、N、0、H、Ti以质量配比为1:(0.35~0.8):(7.8~12.5):(0.4~0.8):(0.4~0.8):(12.3~15):(0.35~0.8)通过进行加热至620℃‑1632℃搅拌融合,获得电镀溶液沉积层; [0017] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述石墨烯颗粒尺为15—22mm; [0019] 所述石墨烯氧化包括将引发剂和放置在微波装置中,再加入惰性气体形成保护层,再次加入碳源,形成处理后的粉体石墨烯; [0020] 所述惰性气体包括氩气、氪气或氙气其中的一种或多种。 [0021] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述退火工艺为在炉内910℃~950℃保温两小时后,每小时降温20℃,直至降温至800℃,再次保温两小时。 [0022] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述淬火工艺为控制炉内温度升高速度在15℃/h,采用1220°C~1280℃高温淬火两小时后。 [0023] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述回火工艺为控制炉内温度从1180℃,每小时降温20℃,降温过程中,采用80℃~90℃的冷却油进行冷却,直至炉内温度降至500°C~650℃; [0024] 所述回火工艺反复三次以上,以获得切削粗品钻头硬度在86~88.6HRC。 [0025] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述冷却工艺包括将三次以上回火后的切削粗品钻头在‑100℃―‑196℃温度下,加入液氮,进行深冷处理,以获得切削粗品钻头硬度在86~88.6HRC。 [0026] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述S6具体步骤,用于将粗品钻头上的倒刺和不平整地方进行均匀的打磨后,放入酸洗池,加入酸洗缓蚀剂对粗品钻头浸入,酸洗时间5min~min即可。 [0027] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法的一种可选方案,其中:所述电火花沉积法,是通过镀层在粗品钻头上形成沉积层,沉积层与粗品钻头结合是由于电火花沉积的淬灭效应形成的; [0028] 在使用电火花沉积时,脉冲放电会在很短的时间内,升高周围的温度,不过随后温度又急剧下降,这样,前后较大的温差,和一次淬火的效果基本相同; [0029] 由于沉积层层中有大量高硬度TiN相,同时电火花使得沉积表面形成无数密集的沉积点和放电凹坑,沉积层与粗品钻头基体结合得十分紧密,并有空隙细微漏洞小于137um,减少沉积层发生剥落现象; [0030] 利用扫描电镜测量沉积层厚度,最薄处为37um,最厚处62um,平均厚度为47um,沉积层厚度比较均匀; [0031] 其中沉积层显微硬度压痕最小,硬度最高,可达1325HV,是基体显微硬度为405HV。 [0032] 作为本发明所述一种切削钻头用低钴超硬高的质量比为0.4~0.8:1。 [0033] 本发明具备以下有益效果: [0034] 1、该一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法及系统,在S1‑S8的步骤中,在高速钢基体层浇筑形成过程中,加入金属钴和石墨烯颗粒,通过氮气进行保护,减少氧化度再进入退火、淬火、回火和冷却处理后得到硬质度高的高速钢基层,再次进行打磨酸洗处理后,在高速钢基层上面进行电火花沉积溅射法,得到均匀的硬质层,且通过电火花使得沉积表面形成无数密集的沉积点和放电凹坑,沉积层与粗品钻头基体结合得十分紧密,并有空隙细微漏洞小于137um,减少沉积层发生剥落现象,促进提高本发明高速刚有超高硬度和耐腐蚀度性能。 [0035] 2、该一种切削钻头用低钴超硬高速钢的制备方法及系统,通过石墨烯进行处理,还原氧化石墨烯表面有大量的官能团,如羧基、羟基、环氧基,这使得他容易与有机物结合反应;石墨烯的性质和原始石墨的性质相似,没有官能团,这使得石墨烯分子结构很稳定,和其他金属进行融合的时候,能提高更好的力学性能。 [0037] 图1为本发明方法步骤流程示意图。 [0038] 图2为本发明方法沉积层涂层截面整体形貌示意图。 [0039] 图3为本发明未添加沉积层涂层钻头磨损曲线示意图。 [0040] 图4为本发明添加沉积层涂敷后钻头磨损曲线示意图。 具体实施方式[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。 [0042] 实施例1 [0043] 切削钻头为细长杆状刀具,刃部长而薄,它在致密的金属中进行钻削,工作时承受很高的弯曲应力。为防止钻头折断或崩刃,所用材料应具有足够的弯曲强度和韧性;同时,钻头在连续钻削时,其刃部全部被金属屑包围,产生的热量不易散发,特别是钻深孔时,更为不利。因此,钻头材料又必须具有高的耐磨性和热稳定性。高速钢是高碳高合金莱氏体钢,钢中含有大量的合金碳化物。例如:W18Cr4V高速钢,切削钻头在制备的过程中,需要在表面进行涂层,而常规的涂层制备采用氮碳化钛涂层、金刚石涂层等等,虽然得到了一定的硬度和高磨损度,但是在这些涂层通过涂敷或喷射的方法,容易导致胚体和涂覆层之间紧密性不足,进而导致切削钻头在使用的过程中出现剥落而导致钻头硬度降低情况。 [0044] 本发明提供如下技术方案:一种切削钻头用低钴超硬高速钢,请参照图1‑图4,包括以下成分C、C(n)、Co、W、Mo、Cr、V、Si、Mn、S、Fe及复合沉积层,重量百分比(%)如下: [0045] 碳0.85%~0.13%、石墨烯4.54.5%~12%、钴4.5%~12%、钨7.5%~9.0%、钼4.5%~5.5%、铬4.8%~5.4%、钒4.2%~5.5%、硅0.12%~0.14%、锰0.20%~0.40%、铁30%~45%、硫≤0.04%、磷≤0.04; [0046] 所述复合沉积层包括以下化学成分:Fe、C、Si、N、0、H、Ti,所述Fe、C、Si、N、0、H、Ti的质量配比为1:(0.35~0.8):(7.8~12.5):(0.4~0.8):(0.4~0.8):(12.3~15):(0.35~0.8)。 [0047] 本实施例中,通过在C、C(n)、Co、W、Mo、Cr、V、Si、Mn、S、Fe成分上加入复合沉积层,进而促进提高高速刚的硬质,其中的金属含量加入石墨烯和钴,石墨烯如同“铠甲”般阻断了活性金属纳米粒子催化剂与苛刻反应环境(如强酸,强碱和强氧化性等)的直接接触,且加入钴金属促进提高此高速钢的抗压性、抗高温和抗研磨性能。 [0048] 实施例2 [0049] 本实施例是在实施例1中进行的解释说明,请参照图1-图4,其中:包括以下步骤: [0050] S1、先在中频感应电炉内,以碳、铁、钨、钼、铬、钒、硅为原料,按照权1中的质量配比,混合加热熔炼成高速钢钢水,钢水熔清后,依次加入硅铁、锰铁、金属硫和磷,升温至1620℃‑1632℃; [0051] S2、将石墨烯转换为氧化石墨烯颗粒,加入钴后进行融合后加入电炉内和钢水进行搅拌混合后,升温60分钟~120分钟; [0052] S3、加入氮气,从电炉底层进行冲入氮气,氮气压力设置为5PMa; [0053] S4、将炉内钢水进行高温浇筑成磨,获得切削粗品钻头; [0054] S5、将切削粗品钻头进行退火、淬火、回火和冷却处理; [0055] S6、对切削粗品钻头进行酸洗和打磨处理; [0056] S7、将Fe、C、Si、N、0、H、Ti以质量配比为1:(0.35~0.8):(7.8~12.5):(0.4~0.8):(0.4~0.8):(12.3~15):(0.35~0.8)通过进行加热至620℃‑1632℃搅拌融合,获得电镀溶液沉积层; [0057] 其中:所述沉积层内加入黏结剂和粉料,所述黏结剂和粉料的质量比为0.4~0.8:1。 [0058] S8、通过电火花沉积溅射法,喷射在粗品钻头,即获得超硬高速钢。 [0059] 所述电火花沉积法,是通过镀层在粗品钻头上形成沉积层,沉积层与粗品钻头结合是由于电火花沉积的淬灭效应形成的; [0060] 在使用电火花沉积时,脉冲放电会在很短的时间内,升高周围的温度,不过随后温度又急剧下降,这样,前后较大的温差,和一次淬火的效果基本相同; [0061] 由于沉积层层中有大量高硬度TiN相,同时电火花使得沉积表面形成无数密集的沉积点和放电凹坑,沉积层与粗品钻头基体结合得十分紧密,并有空隙细微漏洞小于137um,减少沉积层发生剥落现象; [0062] 利用扫描电镜测量沉积层厚度,最薄处为37um,最厚处62um,平均厚度为47um,沉积层厚度比较均匀; [0063] 其中沉积层显微硬度压痕最小,硬度最高,可达1325HV,是基体显微硬度(405HV)。 [0064] 经电火花沉积涂层的钻头和未涂层钻头在相同的试验条件下分别在进行切削试验,磨损到磨钝标准取VB=0.35mm时的钻孔数量如图2、图3。可以明显看出,经电火花沉积WC涂层的钻头切削性能远高于未沉积的钻头。相同钻削条件下,钻削铸铁涂层钻头比未涂层钻头寿命提高将近10倍;钻削钢涂层钻头比未涂层钻头寿命提高将近13倍。 [0065] 本实施例中,在S1‑S8的步骤中,在高速钢基体层浇筑形成过程中,加入金属钴和石墨烯颗粒,通过氮气进行保护,减少氧化度再进入退火、淬火、回火和冷却处理后得到硬质度高的高速钢基层,再次进行打磨酸洗处理后,在高速钢基层上面进行电火花沉积溅射法,得到均匀的硬质层,且通过电火花使得沉积表面形成无数密集的沉积点和放电凹坑,沉积层与粗品钻头基体结合得十分紧密,并有空隙细微漏洞小于137um,减少沉积层发生剥落现象,促进提高本发明高速刚有超高硬度和耐腐蚀度性能。 [0066] 实施例3 [0067] 本实施例是在实施例2中进行的解释说明,请参照图1-图4,其中:所述石墨烯颗粒尺为15—22mm; [0068] 氧化石墨烯还原制备石墨烯,选取石墨烯块状原料进行清洗、干燥、破碎,过筛后得到石墨烯粉; [0069] 所述石墨烯氧化包括将引发剂和放置在微波装置中,再加入惰性气体形成保护层,再次加入碳源,形成处理后的粉体石墨烯; [0070] 所述惰性气体包括氩气、氪气或氙气其中的一种或多种。 [0071] 本实施例中,通过石墨烯进行处理,还原氧化石墨烯表面有大量的官能团,如羧基、羟基、环氧基,这使得他容易与有机物结合反应;石墨烯的性质和原始石墨的性质相似,没有官能团,这使得石墨烯分子结构很稳定,和其他金属进行融合的时候,能提高更好的力学性能。 [0072] 实施例4 [0073] 本实施例是在实施例2中进行的解释说明,请参照图1-图4,其中:所述退火工艺为在炉内910℃~950℃保温两小时后,每小时降温20℃,直至降温至800℃,再次保温两小时。 [0074] 其中:所述淬火工艺为控制炉内温度升高速度在15℃/h,采用1220℃~1280℃高温淬火两小时后。 [0075] 其中:所述回火工艺为控制炉内温度从1180℃,每小时降温20℃,降温过程中,采用80℃~90℃的冷却油进行冷却,直至炉内温度降至500°C~650℃; [0076] 所述回火工艺反复三次以上,以获得切削粗品钻头硬度在86~88.6HRC。 [0077] 其中:所述冷却工艺包括将三次以上回火后的切削粗品钻头在‑100℃―‑196℃温度下,加入液氮,进行深冷处理,以获得切削粗品钻头硬度在86~88.6HRC。 [0078] 高速钢种的马氏体最终转变点Mf非常低,例如W18Cr4V钢的Mf点约‑100℃,因此淬火冷却到室温会残留大量的奥氏体,一般认为钢中残留较多的奥氏体是有害的,会降低钢的硬度、耐磨性及使用寿命,还使许多物理性能特别是热性能和磁性下降。试验证明:采用深冷处理可使钢中残留奥氏体降至最低极限,由下表可以看出W18Cr4V高速钢经淬火、回火后,深冷处理可以使回火后的残留奥氏体量降低24%。 [0079] 高速钢本身的导热性较差,在淬火加热达到1180℃~1280℃,以保证淬火后的组织为淬火马氏体、剩余碳化物和大量残余奥氏体,同时回火三次以上,进而在此温度范围内回火时,W、Mo及V的碳化物从马氏体中析出,弥散分布,使钢的硬度明显上升;同时残余奥氏体转变为马氏体,也使硬度提高,由此造成二次硬化现象,保证了钢的硬度和热硬性。进行多次回火,是为了逐步减少残余奥氏体量。W18Cr4V钢淬火后约有30%残余奥氏体,经一次回火后约剩15%~18%,二次回火降到3%~5%,第三次回火后仅剩1%~2%,且再次通过深冷处理,将金属置于超低温环境下,其中的奥氏体会转化成马氏体,马氏体的基体析出大量超微细碳化物,这些超微细结晶体会使物料的强度提高,同时增加耐磨性与刚性。超低温度可转移金属原子的运能,使原子之间不能扩散分开从而使原子结合更紧密, [0080] 本实施例中,通过退火、淬火、三次以上回火以及深冷处理的加工步骤,使得高速钢基体内的金属原子结合更紧密,促进提高高速钢的超高硬度。 [0081] 实施例5 [0082] 本实施例是在实施例1中进行的解释说明,请参照图1-图4,其中:所述S6具体步骤,用于将粗品钻头上的倒刺和不平整地方进行均匀的打磨后,放入酸洗池,加入酸洗缓蚀剂对粗品钻头浸入,酸洗时间5min~min即可。 [0083] 再对粗品钻头也就是深冷处理后的高速钢基体进行打磨和酸洗处理,减少因裂痕而导致后续沉积层电火花电镀而导致贴合不紧密的情况。 [0084] 本发明高速钢在通过监测,得到力学性能数据。 [0085] 如下: [0086] |