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高速工具钢介绍
发布者:顺华仪器 发布时间:2013/9/23 7:57:57 阅读:4293次 【字体:

【高速工具钢——介绍】

1740年英国亨茨曼(B.Huntsman)用坩埚法冶炼含碳0.751.5%的碳钢以切削熟铁、铸铁和铜合金(切削速度≤5m/min)。1868年英国马希特(R.F.Mushet)发明Mn-W系自硬钢(C2%,W7%,Mn2.5),切削低碳钢(切削速度≤8m/min)。美国泰勒(F.W.Taylor)1898年发明接近熔点的高温淬火工艺,用于Cr-W系自硬钢,这是早期的高速钢,高速钢的发展见表1。20世纪30年代出现了硬质合金刀具,但高速钢工艺性能优越,尤其是强度和韧性匹配良好,用来制造复杂刀具、薄刃和受冲击的刃具,是硬质合金难以比拟的。长期以来二者并列为最主要的刃具材料,粉末冶金高速钢出现较晚,但将成为今后发展的一个重要方面。

以钨、钼、铬、钒,有时还有钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢,通常用作高速切削工具,简称高速钢,俗称锋钢。

以类别、性能、用途 高速钢按所含合金元素可分为:

      钨系高速钢(W 918)

      钨钼系高速钢(W512%,Mo 26)

      高钼系高速钢(W 02%,Mo 510)。

又可按含钒量的多少分为一般含钒量(V 12)和高含钒量(V 2.55%)。任何高速钢如含钴 (Co 510)时,又归入钴高速钢。

高速钢按用途可分为综合性通用型高速钢和特种用途高速钢两类。通用高速钢广泛用于制作各种金属切削普通刀具(如钻头、丝锥、锯条)和精密刀具(如滚刀、插齿刀、拉刀)。被切削材料一般硬度 HB300。特种用途高速钢又可分为高钒高速钢,一般含钴高速钢和超硬型(洛氏HRC 6870)高速钢。

高速钢主要用途是制造高速切削工具,除具有高硬度(一般大于洛氏HRC 63,高的可达HRC 6870,高耐磨性和足够韧性外,还要有在高速切削下刀刃不因发热而软化的耐热性。耐热性通常用红硬性衡量,也就是在580650℃把钢先后加热4次,每次保温 1小时后空冷,然后在室温下测定其硬度值。高速钢的韧性通常用弯曲强度和冲击值来衡量。近年来,高速钢应用于制造冷作模具,在使用性能上主要要求有高的抗压屈服强度,高的耐磨性和高韧性,而对耐热性则要求不高,因此可采用较低的温度淬火。

高速钢的合金元素主要有碳、钨、钼、铬、钒、钴等,其作用分述如下:

碳:一般含碳量为0.701.65%,以保证足够的碳与各种碳化物形成元素相配合。通常采用平衡碳(Cs)近似计算公式求得最佳的二次硬化效果的含碳量:

Cs=0.033W+0.063Mo+0.060Cr+0.200V

式中Cs是假设WMoCrVC形成W2C(Fe4W2C)Mo2C(Fe4Mo2C)Cr26C6V4C3时碳与各元素的定比关系而定出的。随着钢中含碳量逐渐接近Cs,二次硬化效果(硬度和红硬性)也逐步上升到最高值,而韧性则随之下降。因此只在超硬高速钢中含碳量采用接近Cs的成分,为了保持通用型高速钢的高韧性,含碳量一般比Cs0.150.30%。至于用于载荷较低的低合金高速钢,实际含碳量可能还超过Cs

钨和钼:

高速钢回火时产生二次硬化最基本的合金元素。钨和钼作用相似,Mo的原子量约为W的一半,一般可用 1Mo取代2W。高速钢中最主要的碳化物M6CM代表金属)是以FeMoW为主的复合碳化物,它在淬火时部分固溶,回火时又以M2C碳化物弥散析出,使钢强化,提高硬度和耐磨性,剩下未溶的M6C 化物(主要来自共晶碳化物)可阻止淬火加热时的晶粒长大和增加耐磨性。含钼的高速钢铸态共晶碳化物网较细薄,易于加工破碎,分布较均匀,颗粒较小,热塑性和韧性也较高;但含钼的钢易脱碳,淬火过热敏感性也较大,而钨钢在此方面正与之相反。因此钨和钼适当配合,能获得综合性能更好的钢种。

铬:为保证钢的高淬透性,各种高速钢都含铬4%左右。钢中形成以铁铬为主的M26C6碳化物,铬也可溶于M6CMC中形成合金碳化物,促使这些难溶碳化物淬火时较多地固溶。使淬火马氏体具有足够的碳和合金元素,有利于回火时大量析出 M2CMC。所以铬对二次硬化也有间接作用。此外,含 4%铬对高速钢的抗氧化性起重要作用。

钒:所有高速钢都含钒 1%以上。碳化钒淬火加热时可部分固溶,回火时析出弥散的MC型碳化钒,有力地增强二次硬化作用;未溶的碳化钒有助于阻止淬火加热时晶粒长大,而且由于硬度极高,能显著提高钢的耐磨性;但降低了可磨削性。高钒钢中如能采取措施细化一次碳化物MC的颗粒,可改善磨削性。目前,最有效的办法是用雾化法快速冷却钢液得到合金粉末,制成粉末冶金高速钢,使一次碳化物得到细化。

钴:钴本身不形成碳化物,其作用主要是增加回火时析出 MCM2C的形核率,减缓其聚集长大速度。此外,钴可提高高速钢晶界熔化温度,因而提高钢的淬火温度,使奥氏体内的合金度增大。这些作用都有效地提高了高速钢的耐热性,但钴含量过高时也会降低钢的韧性。

工艺性能:

工艺性能也是高速钢的重要指标。首先,要有良好的热塑性,以便充分破碎共晶碳化物和加工成形;其次,要有低的退火硬度,以便在生产过程中进行冷成形和切削加工。其他工艺性能如过热不敏感性,脱碳不敏感性,低的淬火变形性,在电阻焊和摩擦焊中与柄部碳钢结合的良好焊接性能等也很重要,尤其是磨削性,对于制造 复杂刀具是极其重要的。

保证碳化物充分破碎、细化并均匀分布(见图),历来是高速钢生产工艺和提高质量的关键问题。为此,高速钢应采用低温浇铸工艺,选择良好锭型,并根据钢材规格选用足够大的压缩比。中国自1965年以来采用扁锭生产高速钢,其优点为显著加快钢锭凝固速度,从而改善了钢材的碳化物不均匀度和低倍组织。大尺寸钢材多采用电渣重熔钢锭。锻造开坯、轧制成材的工艺有利于提高质量。高速钢的热加工温度、变形量和退火制度,对钢材的热处理性能,尤其是对淬火后的晶粒度有明显的影响,须严加控制。热加工中如终锻()温度过高,变形量不足或已经过一次淬火,但未经充分退火又进行第二次淬火,会出现特殊闪光的萘状断口,从而显著降低钢的韧性,使刀具脆崩。近年来还采用快锻液压机开坯、精锻机成材的新工艺。

高速钢需通过特殊的热处理才能获得所需的性能。一般淬火温度均接近这种钢的熔化温度,例如高钨钢为12701290,钨钼钢为12101240,高钼钢为11801210℃,一般采用540560℃回火三次,以得到二次硬化的最佳效果。对韧性和红硬性有不同要求时,可适当调整淬火温度。

粉末冶金高速钢可保证碳化物细小和均匀分布,对改善高碳高钒高速钢的磨削性、改进热加工性,减少淬火变形以及提供碳化物质量优异的大尺寸钢材确有独特 优点;可以生产出合金含量更高和切削能力较大的高速钢。近年来高速钢刀具的真空热处理获得广泛应用;刀具的氧氮化、碳氮氧共渗等表面化学热处理,也正在普遍采用,尤其是化学气相沉积法和物理气相沉积法的发展,可进一步提高刀具的使用寿命。

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