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高速钢刀具材料的发展史

  1898年,美国机械与管理工程师泰勒(TaylorF.W.)和冶金学家怀特(WhiteM.)研制发明了高速钢,并作了系统切削试验。当时他们确定的高速钢成分为C-0.67%,W-18.91%,Cr-5.47%,Mn-0.11%,V-0.29%,F-余量,与后来的W18Cr4V成分很接近。高速钢刀具可用30m/min的速度切削钢材,其效率比过去用的碳素工具钢和合金工具钢提高了好几倍,为美国当时的机械工业生产赢得了巨大的经济效益。W18Cr4V高速钢的热塑性不好,由于麻花钻热轧工艺的需要,后来研制成功了W6Mo5Cr4V2高速钢,此外,还有W9Mo3Cr4V。这三种高速钢的切削性能和力学性能近似,称为通用型。

  20世纪中期以后,科学技术迅速发展,各种难加工材料不断涌现,通用高速钢的性能已不复使用,于是高性能高速钢和粉末冶金高速钢相继出现,使高速钢刀具材料的性能得到了很大提高。因为高速钢刀具的综合性能好,可加工性优于其他刀具材料,各种刀具都可用高速钢制作,加上它的性能不断提高,故至今仍是用得最多的刀具材料之一。

  近年,全世界高速钢年产量约为16万~22万吨,中国高速钢年产量已达5万~6万吨。河冶科技公司和江苏天工工具公司是国内生产高速钢的大户,他们占有全国高速钢产量中的极大份额。

  高性能高速钢

  在通用型高速钢的基础上,通过调整基本化学成分并添加其他合金元素,使其常温与高温力学性能得到显着提高。

  1)高碳高速钢

  在W18Cr4V基础上增加0.2%含碳量,形成95W18Cr4V,根据化学平衡碳理论,可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量,加强回火时的弥散硬化作用,从而提高了常温和高温硬度。与W18Cr4V相比95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高,刃磨性能相当。这个钢种的切削性能虽不及高钴、钒高速钢,但价格便宜,切削刃可以刃磨得很锋利,故有应用价值。同样,还有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速钢,但这种高性能高速钢用得不多。

  2)高钴高速钢

  在高速钢中加钴,可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化钨,提高弥散硬化效果,并提高热稳定性,故能提高常温、高温硬度及耐磨性。增加钴含量还可改善钢的导热性,降低刀具、工件间的摩擦系数,M42是美国在这方面的代表性钢种,其综合性能甚为优越。瑞典的HSP-15也是这一类的钢种,但其含钒量为3%,刃磨加工性不如M42。钴含量高、价格昂贵,不适合中国国情。我国研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si,性能优越,价格低于M42和HSP-15,但Co5Si含钒量亦达3%,刃磨加工性亦较差,故不宜用其制造刃形复杂的刀具。

  3)高钒高速钢

  高钒高速钢的钒含量为3%~5%,同时加大含碳量,形成VC与V4C3,使高速钢得到高的硬度和耐磨性。高钒高速钢的耐热性也好,但高钒高速钢的刃磨加工性差,导热性也不好,冲击韧性较低,故不宜用于复杂刀具。在高钒高速钢中也可加入适当的钴,成为高钒含钴高速钢。

  我国研制的高钒含氮高速钢V3N,价格便宜,切削性能也好,惟刃磨较难。后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N(W12Mo3Cr4Co3N),切削性能很好,刃磨性能亦佳,但价格高于V3N。

  4)含铝高速钢

  我国研制出无钴、廉价的含铝高性能高速钢501(M2Al),其中铝含量约为1%。铝能够提高钨、钼在钢中的溶解度,从而产生固溶强化,由于铝化合物在钢中能起"扎钉"作用,故钢的常温、高温硬度和耐磨性均得以提高,强度和韧性也都比较高,切削性能与M42相当。501的钒含量为2%,刃磨性能稍逊于M42。含铝高速钢是中国的一个独创。501在国内得到广泛应用,在国外也得到应用。

  20世纪后期,中国在熔炼高性能高速钢的研制和应用方面已有很大进展,不仅仿制了国外的优秀钢种,如M42、M35等,还研制开发了具有中国特色的无钴含铝、少钴含硅、无钴高钒含氮等高性能高速钢种,性能很好。由于当时的客观状况,产量和应用都受到限制。近年,河冶和天工两家公司大批量的生产各类高性能高速钢,两家的钢号基本相同,为推广应用高性能高速钢刀具创造了有利条件。

  除高性能熔炼高速钢外,中国还有自行研制的、性能优良的高性能高速钢W13Mo3Cr4V3N(V3N)、W12Mo3Cr4V3Co5Si(Co5Si)和W12Mo3Cr4VCo3N(Co3N)等。根据订货,各大工具厂可以提供各种高性能高速钢刀具产品。

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