高速鋼的生產(chǎn)應(yīng)用

高速鋼是一種具有高硬度、高耐酒精性和耐磁性的工具鋼，也稱為高速工具鋼或千斤頂鋼。該種鋼淬火時(shí)即使在空氣中冷卻也能硬化,并且很鋒利。高速鋼是一種成分十分復(fù)雜的合金鋼,其典型的合金元素有:碳、鉻、鉬、鎢、釩和鈷。鎢、鉬、鈷的作用是改善材料的高溫性能,使之能承受刀具和工件摩擦產(chǎn)生的熱量,還能提高高溫耐磨性。含碳量一般為0.70%~1.65%,合金元素總量達(dá)10%~25%。它在高速切削時(shí),即使溫度達(dá)到500℃仍能保持高的硬度,HRC為60以上。這種性能稱為紅硬性,是高速鋼最主要的特性。而普通碳素工具鋼經(jīng)淬火和低溫回火后,在室溫下雖有很高的硬度,但當(dāng)溫度高于200℃時(shí),硬度便急劇下降,在500℃硬度已降到與退火狀態(tài)相當(dāng)?shù)某潭?完全喪失了切削金屬的能力,這就限制了碳素工具鋼制作切削工具用。而高速鋼由于紅硬性好,彌補(bǔ)了碳素工具鋼的致命缺點(diǎn),可以用來(lái)制造切削工具。高速鋼的工藝性能好,強(qiáng)度和韌性配合好,主要用來(lái)制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具,也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。20世紀(jì)60年代以后出現(xiàn)了粉末冶金高速鋼,碳化物呈極細(xì)小的顆粒均勻地分布于基體,避免了熔煉法生產(chǎn)所造成的碳化物偏析而引起機(jī)械性能降低和熱處理變形,能夠大幅度提高鋼的使用壽命。粉金鋼-鐵鋼鐵鋼高速鋼誕生以來(lái),對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展起到了重要作用?？梢哉f(shuō)沒(méi)有高速鋼,就沒(méi)有現(xiàn)代的金屬加工業(yè)。盡管從上世紀(jì)六十年代起,硬質(zhì)合金等材料崛起,但是對(duì)于制造形狀復(fù)雜、磨削困難的刀具,如拉刀、剃齒刀、插齒刀等,高速鋼始終處于主導(dǎo)地位。特別是要求刀具具備高韌性時(shí),就非高速鋼莫屬了?，F(xiàn)代工具鋼的發(fā)展可追溯到1740年,英國(guó)人采用坩鍋爐熔化得到成分均勻的高碳鋼,碳含量為0.75%~1.50%,制成機(jī)床切削工具,切削速度為5m/min。1868年發(fā)展了Mushet自硬鋼,使切削低碳鋼的速度達(dá)到8m/min。典型成分為:C2.0%,W7%,Mn2.5%。隨著19世紀(jì)工業(yè)革命的進(jìn)展,工業(yè)用鋼大量生產(chǎn)對(duì)機(jī)床和工具的要求日益迫切。19世紀(jì)末,在美國(guó)出現(xiàn)了低錳含鉻的Cr-W系自硬鋼。1898年,篩選出兩種成分的鋼,一種是Mushet的Mn-W鋼(C2.15%,Mn1.58%,W5.44%),另一種是Cr-W鋼(C1.44%,Cr1.83%,W7.72%),研究發(fā)現(xiàn)Cr-W鋼經(jīng)接近熔化溫度淬火后得到最高的切削性能。1900年巴黎世界博覽會(huì)上工具鋼的切削表演時(shí),切削速度、吃刀深度和進(jìn)刀量均可成倍提高,使生產(chǎn)能力提高340%,引起了轟動(dòng),迄今公認(rèn)這就是高速鋼的正式誕生。進(jìn)入20世紀(jì)后,1903年出現(xiàn)現(xiàn)代高速鋼的原始成分:C0.7%、W14%、Cr4%;1904年美國(guó)科學(xué)家向高速鋼中加入0.3%V;1910年確立T1(W18Cr4V)鋼成分(C0.75%、W18%、Cr4.0%、V1.0%),切削中碳鋼速度達(dá)30m/min;1912年德國(guó)科學(xué)家向鋼中加入3%~5%Co,提高了鋼的熱硬度;1918年3t電弧爐試煉高速鋼成功,生產(chǎn)處理較大尺寸的鋼錠和鋼材;1923年加入鈷量達(dá)12%~15%,切削速度達(dá)40m/min以上;1932年美國(guó)科學(xué)家發(fā)明以了Mo代替W的高鉬鋼M1;1937年美國(guó)科學(xué)家發(fā)明W-Mo系鋼M2;1939年美國(guó)發(fā)明高碳高釩鋼,稱SuperHSS,含釩3%~5%,淬回火硬度達(dá)67~68HRC,耐磨性好;1953年出現(xiàn)了易切削高速鋼(加硫);1958~1963年美國(guó)發(fā)明M40系列鋼,硬度達(dá)到70HRC的超硬(Extra-hard)鋼,最早為M41和M42;1965年美國(guó)發(fā)明粉末冶金法生產(chǎn)高速鋼;1970年瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速鋼投產(chǎn);電渣重熔高速鋼開始用于大截面材生產(chǎn);高速鋼用于高載荷冷作模具日益增多;1980年物理氣相沉積法(PVD)成功用于部分高速鋼刀具的氮化鈦涂層,使用壽命成倍提高;1990年粉末高速鋼新鋼種熱處理硬度達(dá)70~72HRC。高速鋼發(fā)展大事記見表1。高速鋼刀具至今仍在加工業(yè)占有一席之地,主要?dú)w功于其制造工藝上的一項(xiàng)巨大進(jìn)步:粉末冶金高速鋼誕生。粉末冶金高速鋼的主要工藝過(guò)程是:把已加入合金元素的預(yù)煉高速鋼,用感應(yīng)爐熔化,然后高速鋼自1900年問(wèn)世以來(lái),高速鋼的生產(chǎn)大多采用傳統(tǒng)冶金方法,即鑄錠—鍛軋工藝。由于鋼的合金量高,化學(xué)成分復(fù)雜,鑄錠尺寸大,冷卻速度緩慢等緣故,在其凝固時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生粗大的萊氏體碳化物偏析組織。碳化物偏析是高速鋼中存在的一個(gè)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題,偏析的存在不僅給鋼的鍛、軋等熱加工造成困難,而且還明顯地?fù)p害了鋼的各種性能,限制了高速鋼合金含量的增加,影響了高速鋼的發(fā)展。用高壓氣體(氬氣或氮?dú)?噴射使之霧化,再急冷而得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織(粉末)。也可用高壓水噴霧化形成粉末,然后把顆粒裝入一個(gè)大型的可壓縮圓桶,進(jìn)行熱等靜壓,形成致密毛坯,然后進(jìn)行鍛造或軋制,制成刀具形狀。圖1是熔化高速鋼的設(shè)備,圖2是熱等靜壓法制備高速鋼的流程圖。粉末高速鋼的特點(diǎn)還可以采用噴射成形技術(shù)制備粉末冶金高速鋼。噴射成形是制備新材料的一種半固態(tài)加工技術(shù),霧化后不是形成單個(gè)的粉末顆粒,而是沉積為塊狀坯體。與粉末冶金工藝相比較工序比較簡(jiǎn)單,不需要熱等靜壓等設(shè)備昂貴的投資,且所生產(chǎn)的材料具有與粉末冶金材料組織性能相似的特點(diǎn)。沉積塊脫模后直接進(jìn)行后續(xù)鍛造,其余熱也得到了充分的利用。圖3是噴射成形技術(shù)制備粉末冶金高速鋼的示意圖。粉末冶金高速鋼的最大特點(diǎn)是多種合金元素能在鋼材內(nèi)得到均勻分布,解決了原來(lái)鑄錠法煉鋼的一個(gè)固有的合金元素在鋼內(nèi)偏析的難題。偏析造成產(chǎn)品的不一致性,會(huì)影響材料的使用性能。此外,粉末冶金方法可以使鋼中的合金元素含量大大增加,這在傳統(tǒng)的鑄錠煉鋼工藝是做不到的粉末冶金高速鋼組織均勻,晶粒細(xì)小,其碳化物分布均為1級(jí),碳化物晶粒尺寸在2~3μm以下。比相同成分的熔鑄高速鋼具有更高的抗彎強(qiáng)度、韌性和耐磨性,一般能高出20%~50%。同時(shí)還具有熱處理變形小、鍛軋性能和磨削性能良好等優(yōu)點(diǎn)。粉末高速鋼中的碳化物含量大大超過(guò)熔鑄高速鋼的允許范圍,使硬度提高到67HRC以上,從而使耐磨性能得到進(jìn)一步提高。含釩5%時(shí)其可磨削性能相當(dāng)于含釩2%的熔煉高速鋼,故粉末冶金高速鋼中允許適當(dāng)提高釩含量。如果采用燒結(jié)致密或粉末鍛造等方法直接制成外形尺寸接近成品的刀具、模具或零件的坯件,更可取得省工、省料和降低生產(chǎn)成本的效果。粉末高速鋼性能優(yōu)越、使用壽命長(zhǎng),適用于制造承受沖擊載荷的刀具,如銑刀、插齒刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具、以及昂貴的多刃刀具如拉刀、齒輪滾刀、銑刀等,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái),粉末冶金領(lǐng)域霧化法制取高質(zhì)量預(yù)合金粉末得到了迅速發(fā)展,加上冷、熱等靜壓機(jī)的問(wèn)世和應(yīng)用,使得采用粉末冶金工藝生產(chǎn)高性能合金材料成為可能,粉末冶金高速鋼就是采用這種全新工藝而得到新型高合金鋼的成功先例。粉末冶金工藝不僅解決了傳統(tǒng)冶金工藝中存在的問(wèn)題,而且還開辟了一條一般鑄鍛工藝難于或不可能生產(chǎn)的超高合金含量的高速鋼的新途徑,粉末冶金高速鋼作為一種新型鋼類在高速鋼中占有重要的地位。添加密封劑為復(fù)合高速鋼如高速鋼按化學(xué)成分可分為普通高速鋼及高性能高速鋼;按制造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼。普通高速鋼可滿足一般需求,常見的普通高速鋼有兩種:鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。鎢系高速鋼(含鎢9%~18%):典型牌號(hào)有W18Cr4V,經(jīng)熱處理后硬度可達(dá)63~66HRC,抗彎強(qiáng)度可達(dá)3500MPa,且可磨性好。鎢鉬系高速鋼(含鎢5%~12%,含鉬2%~6%):典型牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2(美國(guó)牌號(hào)M2,國(guó)內(nèi)俗稱W6),可以取代鎢系高速鋼,具有碳化物細(xì)小分布均勻,耐磨性高,成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。熱處理后抗彎強(qiáng)度可達(dá)4700MPa,韌性及熱塑性能夠提高50%。常用于制造各種工具,例如鉆頭、絲錐、銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪刀具、鋸片等,可以滿足加工一般工程材料的要求,但其脫碳敏感性稍強(qiáng)。牌號(hào)為W9Mo3Cr4V(無(wú)國(guó)際牌號(hào),國(guó)內(nèi)俗稱W9)的普通高速鋼是中國(guó)近幾年發(fā)展起來(lái)的新品種。強(qiáng)度及熱塑性略高于W6Mo5Cr4V2,硬度為63~64HRC,與韌性相配合,容易軋制、鍛造,熱處理工藝范圍寬,脫碳敏感性小,成本更低。另一牌號(hào)為W5Mo2Cr4V(無(wú)國(guó)際牌號(hào),國(guó)內(nèi)俗稱W5)的普通高速鋼是06年發(fā)展起來(lái)的新品種,強(qiáng)度及熱塑性略低于W9Mo3Cr4V,硬度為62~63HRC,與韌性相配合,容易軋制、鍛造,熱處理工藝范圍寬,脫碳敏感性小,成本更低。高性能高速鋼具有更好的硬度和熱硬性,通過(guò)改變高速鋼的化學(xué)成分,提高性能,從而發(fā)展起來(lái)的新品種。高性能高速鋼具有更高的硬度、熱硬性,切削溫度達(dá)650℃時(shí),硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性可以達(dá)到普通高速鋼的1.5~3倍,適用于制造加工高溫合金、不銹鋼、鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的刀具。主要品種有4種,分別為高碳系高速鋼、高釩系高速鋼、含鈷系高速鋼和鋁高速鋼。高碳系高速鋼:牌號(hào)為9W18Cr4V,因含碳量高(0.9%),所以硬度、耐磨性及熱硬性都比較好。用其制造的刀具在切削不銹鋼、耐熱合金等難加工材料時(shí)壽命可顯著提高。高釩系高速鋼:牌號(hào)有W12Cr4V4Mo及W6Mo5Cr4V3(美國(guó)牌號(hào)M3),含釩量為3%~4%,耐磨性大大提高,但可磨性稍差。高釩系高速鋼的使用及發(fā)展還需要依賴于磨削工藝及砂輪技術(shù)的發(fā)展。鈷高速鋼主要用于制造切削難加工金屬(如高溫合金、鈦合金和高強(qiáng)鋼等)的刀具,有以下牌號(hào):a、W6Mo5Cr4VCo5(美國(guó)牌號(hào)M35,國(guó)內(nèi)稱W6+鈷)。鈷能促使碳化物在淬火加熱時(shí)更多地溶解在基體內(nèi),利用高的基體硬度來(lái)提高耐磨性。這種高速鋼硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好,熱處理硬度可達(dá)65~67HRC。b、W2Mo9Cr4VCo8(美國(guó)牌號(hào)M42)。含釩量不高(1%),含鈷量高(8%),熱處理硬度可達(dá)67~70HRC,采取特殊熱處理方法,得到67~68HRC硬度,使其切削性能(特別是間斷切削)得到改善,提高沖擊韌性。鈷高速鋼可制成各種刀具,用于切削難加工材料效果很好,又因其磨削性能好,可制成復(fù)雜刀具,國(guó)際上用得很普遍。但中國(guó)鈷資源缺乏,鈷高速鋼價(jià)格昂貴。鋁高速鋼:牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V5SiNbAl等,主要加入鋁(Al)、硅(Si)、鈮(Nb)元素,來(lái)提高熱硬性、耐磨性。適合中國(guó)資源情況,價(jià)格較低。熱處理硬度可達(dá)到68HRC,熱硬性也不錯(cuò)。但是這種鋼易氧化及脫碳,可塑性、可磨性稍差,仍需改進(jìn)。高速鋼的熱處理工藝比較復(fù)雜,必須經(jīng)過(guò)退火、淬火、回火等一系列熱處理過(guò)程。退火的目的是為了消除應(yīng)力,降低硬度,使顯微組織均勻,便于淬火。退火溫度一般為860~880℃。淬火一般分兩階段進(jìn)行,先在800~850℃預(yù)熱(以免引起大的熱應(yīng)力),然后迅速加熱到淬火溫度1190~1290℃,之后油冷或空冷或充氣體冷卻。工廠采用鹽爐加熱,現(xiàn)真空爐使用也相當(dāng)廣泛。淬火后因內(nèi)部組織還保留一部分(約30%)殘余奧氏體沒(méi)有轉(zhuǎn)變成馬氏體,這會(huì)影響高速鋼的性能。為使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變,進(jìn)一步提高硬度和耐磨性,一般要進(jìn)行2~3次回火,回火溫度560℃,每次保溫1h。我國(guó)粉末高速鋼發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代初,國(guó)外已有粉末冶金高速鋼刀具商品。20余年來(lái)發(fā)展較快,在高速鋼刀具材料中已占有一定份額。以ERASTEEL國(guó)際工業(yè)集團(tuán)(瑞典與法國(guó)為主)為例,它的各種高速鋼產(chǎn)品的總和在世界高速鋼市場(chǎng)中占有30%的份額。它的高速鋼產(chǎn)品中,熔煉高速鋼有20個(gè)牌號(hào),粉末冶金高速鋼有8個(gè)牌號(hào)。Carpenten粉末制品公司生產(chǎn)的一種名為Micro-MeltMaxanet的粉末高速鋼,含鎢13%,鈷10%,釩6%,鉻4.75%,含碳量達(dá)2.15%。若不采用粉末冶金法,不可能達(dá)到如此高的合金含量。他說(shuō):“也許我們用如此高合金含量的鋼鑄出了鋼錠,也許這個(gè)鋼錠在冷卻和凝固時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生裂紋。但是最終內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻的問(wèn)題是無(wú)法避免的,鋼錠將形成大塊碳化物偏析。”Crucible材料公司認(rèn)為:粉末高速鋼工藝的不同之處在于,噴霧制粒時(shí)迅速凝固,形成了特別細(xì)的碳化物,直徑最大3μm,平均1μm。而鑄錠工藝中形成的碳化物直徑達(dá)到40μm。GriggrSteel公司的粉末高速鋼開發(fā)中心,在合金元素大量加入高速鋼的工藝方面,取得一系列具體進(jìn)展。“隨著制作方法的不斷改進(jìn),煉鋼人員現(xiàn)在已能煉出含量越來(lái)越高的合金材料。而通過(guò)這些不同的合金成分,就可針對(duì)用途獲得不同的特性?！盋arpenter公司的新型高合金高速鋼Micro-MeltMaxanet,在測(cè)試溫度為1000°F(538℃)時(shí),其紅硬性為63HRC。熱處理參數(shù)為:奧氏體轉(zhuǎn)變溫度為2250°F(1232℃),回火溫度為1025°F(552℃)。與之對(duì)比的T-15常規(guī)高速鋼,在類似條件下的紅硬性為58HRC。我國(guó)自20世紀(jì)70年代中期以來(lái),亦對(duì)粉末冶金高速鋼進(jìn)行了研制。如冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院有粉末冶金高速鋼FW12Cr4V5(牌號(hào)為FT15)和FWl0Mo5Cr4V2Co12(FR71),北京工具研究所有水霧化的W18Cr-4V(GF1)、W6Mo5Cr4V2(GF2)、W10.5Mo5Cr4V3Co9(GF3)。上海材料研究所有粉末冶