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高性能熔炼高速钢 |
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作者：北京理工大学 于启勋 |
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高速钢材料发明于19世纪末，一般用熔炼方法制成。普通高速钢的典型牌号是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。在加工效率和加工质量要求日益提高的现代切削加工中，它们的性能已嫌不足。在20世纪后期，逐步出现了许多高性能高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使其常温和高温机械性能得到显著提高。附表中列出了国内外有代表性的高性能高速钢的化学成分和机械性能，现分述其特点于下：
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、高钒高速钢，但价格便宜，切削刃可以磨得很锋利，故有应用价值。同样，还有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速钢。
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、钼碳化物，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。增加含钴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(如B201、B211、B212)的钒含量为3%～5%，同时加大碳含量，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，唯刃磨较难。后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，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、价廉的含铝高性能高速钢501。其中铝含量约为1%。铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起“钉扎”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。5F6也是含铝1%的高性能高速钢，B201、B211、B212中也含铝。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；其他含铝高速钢的应用不如501广泛。
在切削难加工材料时，应当合理选用不同牌号的高性能高速钢。切削常见的难加工材料，如高强度钢、奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金等，上述各种高性能高速钢都可以选用，选用时主要应考虑高速钢的机械性能和刃磨性能：在粗加工或断续切削条件下，应选用抗弯强度与冲击韧性较高的高性能高速钢；在精加工时，对高速钢的抗弯强度与冲击韧性的要水较低，这时主要考虑其耐磨性；工艺系统刚性差时，选用高速钢的牌号与粗加工时相同；工艺系统刚性好时，选用高速钢的牌号与精加工相同；刃型复杂的刀具，应选用刃磨性能较好的低钒高钴或低钒含铝高速钢；刃型简单的刀具，可选用刃磨性能差的高钒高速钢。高性能高速钢的化学成分和机械性能表
| 高速钢牌号 | 化学成分(%) | 常温硬度
HRC | 高温硬度
600℃
HRC | 抗弯强度
GPa | 冲击韧性
MJ/m2 | | C | W | Mo | Cr | V | Co | Mn | Si | Al | 其它 | | 95W18Cr4V | 0.90～1.00 | 17.5～19.0 | ≤0.3 | 3.80～4.40 | 1.00～1.40 | - | ≤0.40 | ≤0.40 | - | - | 67～68 | 52 | 3.00 | 0.17～0.22 | | W6Mo5Cr4V2Al (501) | 1.05～1.20 | 5.50～6.75 | 4.50～5.50 | 3.80～4.40 | 1.75～2.20 | - | ≤0.40 | ≤0.60 | 0.30～1.20 | - | 68～69 | 54～55 | 3.50～3.80 | 0.20 | | W12Mo3Cr4V3N (V3n) | 1.10～1.25 | 11.0～12.5 | 2.50～3.50 | 3.50～4.10 | 2.50～3.10 | - | - | - | - | N0.04～0.10 | 67～70 | 55 | 2.00～3.50 | 0.15～0.40 | | W12Mo3Cr4V3Co5Si (Co5Si) | 1.20～1.35 | 11.5～13.0 | 2.80～3.40 | 3.80～4.40 | 2.80～3.40 | 4.70～5.10 | ≤0.40 | 0.80～1.20 | - | - | 59～70 | 54 | 2.40～2.70 | 0.11 | | W10Mo4Cr4V3Al (5F6) | 1.30～1.45 | 9.00～10.50 | 3.50～4.50 | 3.80～4.50 | 2.70～3.20 | - | ≤0.50 | ≤0.50 | 0.70～1.20 | - | 68～69 | 54 | 3.07 | 0.20 | | W6Mo5Cr4V5SiNbAl (B201) | 1.55～1.65 | 5.00～6.00 | 5.00～6.00 | 3.8～4.40 | 4.20～5.20 | - | ≤0.40 | 1.00～1.40 | 0.30～0.70 | Nb0.20～0.50 | 66～68 | 51 | 3.60 | 0.27 | | W6Mo5Cr4V5Co3SiNbAl (B211) | 1.60～1.90 | 6.00 | 5.50 | 4.00 | 5.00 | 3.00 | - | 1.00～1.40 | 1.20 | Nb0.35 | - | - | - | - | | W18Cr4V4SiNbAl (B212) | 1.48～1.58 | 17.5～18.5 | - | 3.80～4.40 | 3.80～4.40 | - | - | 1.00～1.40 | 1.00～1.60 | Nb0.10～0.20 | 67～69 | 51 | 2.30～2.50 | 0.11～0.22 | | 110W1.5Mo9.5Cr4VCo8(M42) | 1.05～1.15 | 1.00～2.00 | 9.00～10.00 | 3.80～4.40 | 0.80～1.50 | 7.50～8.50 | ≤0.40 | ≤0.40 | - | - | 67～69 | 55 | 2.70～3.80 | 0.23～0.30 | | W9Mo3Cr4V3Co10 (HSP-15) | 1.20～1.30 | 8.50～10.0 | 2.90～3.50 | 3.80～4.40 | 2.80～3.40 | 9.00～10.00 | - | - | - | - | 67～69 | 56 | 2.35 | 0.15 |
作者曾做过多种高性能高速钢车刀与普通高速钢(W18Cr4V)车刀切削高强度钢36CrNi4MoVA(调质，HRC43-46)的对比试验。刀具几何参数；前角γ0=4°，主偏角κr=45°，刀尖圆弧半径γε=0.2mm。切削深度αp=1mm，进给量f=0.1mm。部分刀具的磨损曲线见图1。T-ν曲线见图2。由图可见，各种高性能高速钢刀具的耐磨性和使用寿命均高于W18Cr4V甚多。而V3N与Co5Si尤为领先。36CrNi4MoVA是难加工材料，高性能高速钢在切削难加上材料时其优势尤为显著。
图1 高性能高速钢与普通高速钢车削高强度钢的磨损曲线
工件材料：36CrNi4MoVA
刀具材料：1.V3N 2.Co5Si 3.B201 4.M42 5.W18Cr4V
图2 高性能高速钢与普通高速钢车削高强度钢的T-ν曲线
(end)
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(3/22/2007) |
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