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从三个方面了解高速钢的发展

发布日期:2016-09-05 作者: 点击:

      髙速钢自1900年问世以来,就以其良好的耐磨性、红硬性、 高的塑性和韧性受到工具和模具行业的重视。尤其在成型刀具方 面,高速钢几乎占到90%以上。近年来,随着尖端技术的发 展,出现了许多难切削的新型金属材料,例如髙温合金、难熔合 金、钛合金、马氏体时效钢、沉淀硬化不锈钢以及用量相当大的 高强度结构钢等;从另一方面看,对刀具性能提出更高要求的高 速切削机床、高效率自动线、加工中心等设备也在不断增加,所 以对高速钢的硬度、红硬性及韧性提出了更高的要求。此外,表 面工程技术和粉末冶金技术的开发,又为高速钢系列多种化奠定 了基础。

目前高速钢的发展趋势主要有以下三个方面。

1:研究低合金高速钢

低合金高速钢含量是合金含量(主要是W、Mo含量)较低 的一种高速钢。迄今为止,公开发表的此类钢种成分中,钨当量 一般为[W]5%〜12%。曾有人定义〕,低合金高速钢是指钨 当量不超过10%的高速钢。开发低合金高速钢的目的是节约贵重合金元素,降低钢的成本,满足某些特定类别切削工具或其他 零件的要求。近20多年来,此类钢的研究开发与应用取得显著 进展,已成为高速钢领域的重要分支。

在国外,低合金高速钢研制始于20世纪30年代〔〕,70年 代出现开发热潮。人们公认的首先投入使用低合金髙速钢的是德 国在第二次大战期间。此后,瑞典、波兰、前苏联、美国等也开 展了这方面的研究。近年来,国外低合金高速钢因其经济性而得 到一定程度的应用,前苏联的低合金高速钢年产量占高速钢年产 量的16%,瑞典有50%的机用锯条用高速钢制造,奥地利最大 高速钢生产厂Bohler年产低合金高速钢占其总量的6.3%。在我 国,自20世纪80年代以来,开发低合金髙速钢的重要性和紧迫 性成为我国冶金工作者的共识。

低合金高速钢的研究思路主要有两种:一种是为低档刀具而 设计的经济型髙速钢;另一种是使高速钢成分最优化,既节约贵 重金属元素,又追求优良的性能,使钢的综合性能与通用型高速 钢相当。后者的理论根据主要来自对高速钢耐磨性及碳化物关系 的研究。因为有关研究发现,钻削时高速钢刀具的寿命与钢中未 溶碳化物的体积分数之间无对应关系,而屈服强度是影响钢的耐 磨性的最主要因素〕。文献的回归试验数据得出:一次碳化 物M2钢切削寿命的贡献仅占13%,基体固溶强化作用占10%, 而二次碳化物则占77%(以切削寿命总作用为100%计〉。产生上 述现象的主要原因,是刀具切削时特定的磨损形式。切削时,刀 具刃部承受高压、髙温,其最高表面温度甚至可达近1000℃〕。 在这种情况下,由高温软化导致的黏着磨损,常常是主要的磨损 形式。所以高速钢基体的高屈服强度和高的耐高温软化能力对耐 磨性的作用,大于作为硬质点镶嵌在基体中的一次碳化物。后者 主要起耐磨粒磨损的作用。

2:研制高生产效率的高速钢

高生产效率的高速钢又称超硬高速钢。它是在高速钢中加人 一些Co、V、Si、Al等合金元素,以提高高速钢的硬度、红硬 性和耐磨性。它比一般高速钢刀具具有更高的切削速度和耐用 度。其中有高钴高速钢、高碳高钒高速钢及铝、硅高速钢等, 在国外使用量巳达高速钢总量的30%以上。美国、日本、德国 使用的成型刀具已达80%。

3:大力发展涂层刀具

20世纪60年代后期,在金属切削刀具表面沉积TiN硬质涂 层成功,并在机械加工行业获得广泛的应用。它不仅成倍地提高 了刀具的切削寿命,而且允许切削速度大幅度增加,同时获得很 好的加工精度和效率,被称为是一场划时代的“刀具革命”。从 此以后,世界各国的材料科学家便致力于开发各种硬质涂层材 料,成为材料科学领域的热点。目前,涂层高速钢刀具正以惊人 的速度发展,特别是在汽车、机械制造及模具加工等行业。几年 时间,日本和德国的高速钢齿轮刀具几乎全部采用涂层刀具。美 国的汽车制造、航空齿轮加工用高速钢刀具约有80%采用涂层 刀具。格里森公司高速钢齿轮刀具全部采用涂层刀具。

此外,高速钢属于高合金钢,合金元素总含量一般大于 15%,所以合金元素使用量大,价格高。高速钢属莱氏体钢,含 有较多的共晶莱氏体碳化物组织,最多的可达15%以上。这 些粗大的碳化物硬而脆,又很稳定,即使在1300℃的高温下也 不能溶于奥氏体中。这种组织造成成分偏析,使性能出现各 向异性和严重的不均匀。由于采用热处理工艺方法就无法消除共 晶碳化物,只能靠锻造的方法将共晶莱氏体击碎,通过变形使其 分布均匀,造成工艺复杂,且改善效果有限。众所周知,以上共晶莱氏体的分布、形态、大小对高速钢的整个力学性能有着极其 重要的影响。

高速钢锻造时,应镦粗-伸长反复多次,而不是一次成形。 一般需镦粗6次,伸长5次,经2次锻成,锻造比为10左右。 变形要求截面缩小至1/12〜1/15〖相当于变形率90%),但是即 使在这种情况下,仍保留有粗大的碳化物带,只有横截面缩小至 1/40〜1/30〈变形率97%或98%时〉,碳化物分布才能均 匀〔。由于高速钢的塑性和导热性较低以及空冷时可以得到马 氏体粹火组织,因此加热和冷却都要求缓慢,否则在锻造过程巾 极易引起开裂。高速钢的锻造质量对热处理性能及使用寿命有着 极大影响。在相同加热条件下,如碳化物不均匀,在其集中处碳 和合金元素富集,使局部熔点降低,易于过烧。碳化物不均匀也 影响淬火钢中奥氏体晶粒的不均匀长大。合金元素富集处的奥氏 体比较稳定,施点较低,导致马氏体转变有先有后,增大了组 织应力和变形开裂的倾向。由此可见,冶炼高速钢由于凝固形成 不均匀分布的共晶碳化物,造成其后序工艺复杂。

同时,高速钢巾的碳化物不均匀分布也造成钢材的各向异 性,尤其是横向性能显著地降低。抗弯强度及反映塑性和韧性指 标的挠度也随碳化物不均匀程度的增高而降低。有粗大共晶碳化 物网的高速钢,其抗弯强度不超过120〜180kg/mm2,而碳化物 分布均匀时可达270 kg/mm2以上〔36〕。

高速钢导热性差、塑性低。碳化物严重不均勻的钢锭在热加 工过程中也会引起锻造裂纹和中心裂纹等缺陷的产生,使钢材表 面和内在质量低劣,成品利用率低。

碳化物不均匀对热处理工艺和质量也有危害。碳化物严重不 均匀的高速钢在制作形状复杂和薄刃刀具时,对刀具使用寿命的 影响也较大。粗大碳化物集中处常易发生崩刃或折断,这是由于 碳化物集中处脆性增大,割断了金属基体间的连续性。

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