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高速钢进入了高速时代

高速钢进入了高速时代 2011年12月04日 来源： 虽然从市场的全局而言，和整体硬质合金刀具相比，高速钢刀具的份额在下降，但在某些应用场合中，刀具韧性仍至关重要。所以高速钢刀具仍不失为一种经济实用的选择。高速钢刀具至今仍在加工业占有一席之地，主要归功于其制造工艺上的一项巨大进步：粉末冶金高速钢诞生。这个方法在1970年开始引入特殊钢工业后，迅速促进了高速钢性能的提高。在保持原有耐磨性的情况下，使其硬度接近硬质合金的水平。粉末冶金高速钢的主要工艺过程是：把已加入合金元素的预炼高速钢，用感应炉熔化，然后用气体喷雾制粒。这个过程有点像从瓶里喷香水。但和喷香水不同之处是，钢水喷出后迅速固化成均匀的颗粒。然后把颗粒装入一个大型的可压缩圆桶，进行热等静压，形成致密毛坯，然后进行锻造或轧制。这种方法的最大特点是多种合金元素能在钢材内得到均匀分布，从而解决了原来铸锭法炼钢的一个固有难题：合金元素在钢内的偏析。偏析造成产品的不一致性，会影响材料的使用性能。此外，粉末冶金方法可以使钢中的合金元素含量大大增加，这在传统的铸锭炼钢工艺是做不到的。Carpenten粉末制品公司的技术服务经理BudCarnes指出，该公司生产的一种名为Micro-Melt Maxanet的粉末高速钢，含钨13%，钴10%，钒6%，铬4.75%，含碳量达2.15%。若不采用粉末冶金法，不可能达到如此高的合金含量。他说："也许我们用如此高合金含量的钢铸出了钢锭，也许这个钢锭在冷却和凝固时没有产生裂纹。但是最终内部结构不均匀的问题是无法避免的，钢锭将形成大块碳化物偏析。"Crucible材料公司的技术副总裁Jelly Wright同意这种观点，即传统的铸锭工艺限制了合金元素的含量。他说："粉末高速钢工艺的不同之处在于，喷雾制粒时迅速凝固，形成了特别细的碳化物，直径最大3µm，平均1micro;m。而铸锭工艺中形成的碳化物直径达到40micro;m。高速钢典型的合金元素有：碳、铬、钼、钨、钒和钴。钨、钼、钴的作用是改善材料的"红硬性"，使之能承受刀具和工件摩擦产生的热量。按照美国金属协会的"材料手册"，钒形成的碳化物最硬，从而提高了高温耐磨性。Griggr Steel公司副总裁兼总经理Mark Mullen指出，该公司粉末高速钢开发中心，在合金元素大量加入高速钢的工艺方面，正在取得一系列具体进展。他说："随着制作方法的不断改进，炼钢人员现在已能炼出含量越来越高的合金材料。而通过这些不同的合金成分，就可针对用途获得不同的特性。"Carpenter公司的新型高合金高速钢Micro-Melt Maxanet，在测试温度为1000°F(538℃)时，其红硬性为63.0HRC。热处理参数为：奥氏体转变温度为2250°F(1232℃)，回火温度为1025°F(552℃)。与之对比的T-15常规高速钢，在类似条件下的红硬性为580HRC。为了展示Maxamet的耐磨性能，该公司做了一轮Maxamet和M-4常规高速钢的对比试验：在被试材料和旋转的橡胶轮之间，注入一股流砂。经过一段规定时间后，Maxanet被磨耗体积为9mm3，而M-4为12mm3。Cricible公司近来引入一种粉末高速钢新牌号Rex121，其中合金含量为：钨10%，钒9.5%，钴9.0%，钼5.0%，铬4.0%，碳3.4%。该公司报告称，Rex121的耐磨损性能，比老牌号的粉末高速钢(如RexT15 Rex76和10-V)要高出50～100%。此外，Crucible公司称，Rex121的红硬性高于Rex76，即使在1200°F(650℃)高温回火后，室温硬度仍可达60HRC。据报导，Rex121替代常规含钴高速钢时，切削速度可提高25～50%。粉末高速钢可以通过改变其合金成分来优化材料的内在韧性，或者使高速钢承受应力和磨损的适应范围大大超过硬质合金。看来含碳量最低的工作性能较好，和硬质合金相比，高速钢材料抗弯强度的可变范围较大。按照"国际高速钢研究论坛"提供的数据，粉末高速钢抗弯(抗拉)强度的变化范围约从2500Mpa到6000Mpa，而硬质合金的强度偏低，且变化范围约1250Mpa到2250Mpa。

表1 Rex121的淬火硬度变化特性热处理硬度变化特性(HRC)油或盐浴淬火※回火温度°F℃淬火后1000 5401875°F1025℃(HRC)71.068.52050°F1120℃(HRC)69.070.02150°F1175℃(HRC)67.070.52200°F1205℃(HRC)65.070.52240°F1225℃(HRC)63.070.5使韧性最好和应力有效释放的最佳条件1025105055056567.566.569.568.570.570.070.569.070.069.511100120059565063.055.066.056.067.558.068.059.068.560.0在奥代体转变温度停留的最短时间(分钟)302015105最少回火次数23344※结果会随淬硬方法和试件截面尺寸而变化。盐浴和油淬对硬度变化特性影响最大， 真空或空气冷却会使硬度低1HRC左右。

表2 Micro-Melt Maxamet淬火硬度变化特性从奥氏体转变温度油淬真空淬火可能使硬度稍有下降回火温度淬火后1000°F(538℃)1205°F(552℃)1050°F(566℃)回火操作淬火温度2225°F(1218℃)(HRC)59.070.069.068.52+2+2淬火温度2250°F(1232℃)(HRC)56.570.069.568.52+2+2每次回火应保持2小时，然后在下次回火前冷却至室温

Enasteel公司的技术发展部主任Heney Wisell说："低含碳量的高速钢韧性最好。"Carnes同意这个看法。他同时指出，普通高速钢牌号如M-3和M-4，若采用粉末冶金工艺生产，其韧性将大大优于用铸锭工艺生产的同类牌号。然而，为了改善刀具寿命，炼钢人员还得在另一个方面开展工作，那就是提高合金含量。增加合金成分也能促进材料红硬性的提高，使之能经受高温并在一段时间内不显著软化。Carnes说："随着新的合金成分的开发，我们现在已经能够提供性能接近硬质合金刀具的高速钢。这引起高合金含量的高速钢，可以用于干式切削等普通高速无法胜任的埸合。"Carnes指出，采用粉末高速钢来达到要求的高硬度，比硬质合金价格便宜，所以要经济些。从工具制造的角度来看，高速钢(特别是粉末高速钢)容易磨削。而硬质合金很硬，较难磨，而且要整体磨削。因为你不能把硬质合金象高速钢那样，用退火的办法把硬度降下来，加工完后再淬火，磨削只用在精加工。而硬质合金必须全部采用磨削。很多工具既可用高速钢也可用整体硬质合金制造。如滚刀、冲头、成形刀具、丝锥、立铣刀、各种铣刀和滚丝轮等。但目前还不能说在高速钢和硬质合金的竞争中，已经决出胜负。Wright指出，四年前出现了硬质合金滚刀。当时人们认为，制造这种复杂形状的刀具，非硬质合金莫属。这种情况促进了高速钢制造商进一步研发新的牌号，使之能够达到目前使用硬质合金滚刀的加工中心的要求。他进而说："在硬质合金向高速钢的传统领域推进的时候，我们正在发展更多的抗磨损、高红硬性、高速度的新牌号，试图把硬质合金占领的一部分市场夺回来。"为了在这个市场领域开展竞争，Carpenter公司做了一次滚齿对比试验，齿轮材料为SAE2060钢，滚刀材料为Maxanet粉末高速钢和硬质合金。由于高速钢滚刀能在较高的进给速率下工作，试验结果是：Maxanet滚刀每小时切齿轮105件，硬质合金滚刀每小时切齿85件。此外，在成形刀具领域，某螺丝车床加工不锈钢零件，Maxanet刀具每隔12小时重磨一次，每次修磨量为0.508mm，T-15常规高速钢则每8小时需重磨一次，每次修磨量为1.016mm。总之，Wright强调指出，硬质合金和高速钢之间的竞争，最终受益的除了用户以外，也包括工具制造商和硬质合金生产厂家。他说："什么地方有需求，有竞争，人们就会努力思考开发新的东西，并取得成果。这样会使我们大家都得到进步。"

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