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高速鋼刀具材料的發展史
來源:互聯網|發布時間:2020-09-07

1898年,美國機械與管理工程師泰勒(TaylorF.W.)和冶金學家懷特(WhiteM.)研制發明了高速鋼,并作了系統切削試驗。當時他們確定的高速鋼成分為C-0.67%,W-18.91%,Cr-5.47%,Mn-0.11%,V-0.29%,F-余量,與后來的W18Cr4V成分很接近。高速鋼刀具可用30m/min的速度切削鋼材,其效率比過去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍,為美國當時的機械工業生產贏得了巨大的經濟效益。W18Cr4V高速鋼的熱塑性不好,由于麻花鉆熱軋工藝的需要,后來研制成功了W6Mo5Cr4V2高速鋼,此外,還有W9Mo3Cr4V。這三種高速鋼的切削性能和力學性能近似,稱為通用型。

20世紀中期以后,科學技術迅速發展,各種難加工材料不斷涌現,通用高速鋼的性能已不復使用,于是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼相繼出現,使高速鋼刀具材料的性能得到了很大提高。因為高速鋼刀具的綜合性能好,可加工性優于其他刀具材料,各種刀具都可用高速鋼制作,加上它的性能不斷提高,故至今仍是用得最多的刀具材料之一。

近年,全世界高速鋼年產量約為16萬~22萬噸,中國高速鋼年產量已達5萬~6萬噸。河冶科技公司和江蘇天工工具公司是國內生產高速鋼的大戶,他們占有全國高速鋼產量中的極大份額。

高性能高速鋼

在通用型高速鋼的基礎上,通過調整基本化學成分并添加其他合金元素,使其常溫與高溫力學性能得到顯著提高。

1)高碳高速鋼

在W18Cr4V基礎上增加0.2%含碳量,形成95W18Cr4V,根據化學平衡碳理論,可在淬火加熱時增加高速鋼奧氏體中的含碳量,加強回火時的彌散硬化作用,從而提高了常溫和高溫硬度。與W18Cr4V相比95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高,刃磨性能相當。這個鋼種的切削性能雖不及高鈷、釩高速鋼,但價格便宜,切削刃可以刃磨得很鋒利,故有應用價值。同樣,還有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速鋼,但這種高性能高速鋼用得不多。

2)高鈷高速鋼

在高速鋼中加鈷,可以促進回火時從馬氏體中析出鎢、鉬碳化鎢,提高彌散硬化效果,并提高熱穩定性,故能提高常溫、高溫硬度及耐磨性。增加鈷含量還可改善鋼的導熱性,降低刀具、工件間的摩擦系數,M42是美國在這方面的代表性鋼種,其綜合性能甚為優越。瑞典的HSP-15也是這一類的鋼種,但其含釩量為3%,刃磨加工性不如M42。鈷含量高、價格昂貴,不適合中國國情。我國研制成功的低鈷含硅高速鋼Co5Si,性能優越,價格低于M42和HSP-15,但Co5Si含釩量亦達3%,刃磨加工性亦較差,故不宜用其制造刃形復雜的刀具。

3)高釩高速鋼

高釩高速鋼的釩含量為3%~5%,同時加大含碳量,形成VC與V4C3,使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。高釩高速鋼的耐熱性也好,但高釩高速鋼的刃磨加工性差,導熱性也不好,沖擊韌性較低,故不宜用于復雜刀具。在高釩高速鋼中也可加入適當的鈷,成為高釩含鈷高速鋼。

我國研制的高釩含氮高速鋼V3N,價格便宜,切削性能也好,惟刃磨較難。后來又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4Co3N),切削性能很好,刃磨性能亦佳,但價格高于V3N。

4)含鋁高速鋼

我國研制出無鈷、廉價的含鋁高性能高速鋼501(M2Al),其中鋁含量約為1%。鋁能夠提高鎢、鉬在鋼中的溶解度,從而產生固溶強化,由于鋁化合物在鋼中能起"扎釘"作用,故鋼的常溫、高溫硬度和耐磨性均得以提高,強度和韌性也都比較高,切削性能與M42相當。501的釩含量為2%,刃磨性能稍遜于M42。含鋁高速鋼是中國的一個獨創。501在國內得到廣泛應用,在國外也得到應用。

20世紀后期,中國在熔煉高性能高速鋼的研制和應用方面已有很大進展,不僅仿制了國外的優秀鋼種,如M42、M35等,還研制開發了具有中國特色的無鈷含鋁、少鈷含硅、無鈷高釩含氮等高性能高速鋼種,性能很好。由于當時的客觀狀況,產量和應用都受到限制。近年,河冶和天工兩家公司大批量的生產各類高性能高速鋼,兩家的鋼號基本相同,為推廣應用高性能高速鋼刀具創造了有利條件。

除高性能熔煉高速鋼外,中國還有自行研制的、性能優良的高性能高速鋼W13Mo3Cr4V3N(V3N)、W12Mo3Cr4V3Co5Si(Co5Si)和W12Mo3Cr4VCo3N(Co3N)等。根據訂貨,各大工具廠可以提供各種高性能高速鋼刀具產品。


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