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高速钢刀具材料技术水平的新进展 |
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作者：王瑞新 于启勋 来源：《金属切削》 |
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第十届中国国际机床展览会(CIMT2007)于2007年4月9-15日在北京国际展览中心隆重举行，刀具是展览中的重要内容，来自15个国家和地区的100余家刀具厂商参加了展出。其中，中国大陆约有70余家，台湾地区有十余家。
本次展览会上的刀具展品，标志着当今世界上刀具技术的最高水平，显示了刀具技术的发展趋势。刀具技术的进步，体现在刀具材料、刀具结构、刀具几何形状和刀具系统四个方面，刀具材料新产品更是琳琅满目。当代正在应用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石。其中，高速钢和硬质合金是用得最多的两种刀具材料，分别约占刀具总量的30%～40%和50%～60%。本文重点介绍从展览会看中国高速钢刀具材料的进步。
高速钢刀具材料的发展历史
1898年，美国机械与管理工程师泰勒(Taylor F.W.)和冶金学家怀特(White M.)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世纪中叶以后，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著提高。
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)、W12 Mo3Cr4V3Co5Si(Co5Si)和W12Mo3 Cr4VCo3N(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。
粉末冶金高速钢
用熔炼方法制成的高速钢，存在着碳化物偏析和非金属夹杂物含量多的缺陷，难以克服。20世纪70年代初，出现了用粉末冶金方法制成的高速钢，消除了碳化物偏析现象，减少了夹杂物含量，使高速钢的抗弯强度、硬度和切削性能显著提高。我国在上世纪80年代初，已有几个科研院所研制成功了粉末冶金高速钢，但由于用户认识不够，机械工业不够景气、价格昂贵和质量不够稳定等原因，后来完全停顿下来。令人欣慰的是，在本次展览会上看到了国产粉末冶金高速钢产品，河冶科技公司的粉末冶金高速钢的产品见表1。 表1 河冶粉末冶金高速钢
| 河冶钢号 | Erasteel
对照钢号 | 主要成分(%) | 硬度>br>(HRC) | | C | W | Mo | Cr | V | Co | | AHP M3 | ASP2023 | 1.30 | 6.2 | 5.0 | 4.0 | 3.0 | / | 64～66
| | AHP M4 | EM4 | 1.35 | 5.5 | 4.7 | 4.2 | 4.0 | / | 64～66 | | AHP T15 | ASP2015 | 1.55 | 12.0 | / | 4.0 | 5.0 | 5.0 | 64～68 | | AHP 15E | ASP2052 | 1.60 | 10.0 | 2.2 | 4.7 | 4.8 | 8.0 | 65～69 | | AHP 30 | ASP2030 | 1.30 | 6.5 | 4.9 | 4.0 | 2.9 | 8.3 | 65～69 |
在工业先进的国家，粉末冶金高速钢刀具的用量约占高速钢总量的10%，主要用于齿轮刀具和航空、汽车生产的某些刀具。中国目前还差得很远，粉末冶金高速钢刀具多依赖进口，用量尚很有限。有了国产的粉末冶金高速钢产品，为推广应用创造了条件。
本次展览会上的韩国大龙精密刀具株式会社(Dragon Precision Tools Co. Ltd.)展出汽车工业用的齿轮刀具产品，多为粉末冶金高速钢制造，钢材购自Erasteel及其它公司。
切削试验
作者曾用粉末冶金高速钢GF3制成车刀，在相同的切削条件下与普通高速钢W18Cr4V及熔炼高性能高速钢Co5Si、V3N进行切削比较。
切削用量：V=40m/min，ap=3mm，f=0.15mm/r。
刀具几何参数：g0=20°，Kr=75°，
Kr′=75°，re=1mm。
刀具磨损曲线可以看出，粉末冶金高速钢GF3的耐磨性不仅高出普通高速钢W18Cr4V甚多，且高于熔炼高性能高速钢Co5Si、V3N。
作者又用GF3制成拉制膛线的拉刀，在相同切削条件下，与Co5Si拉刀进行切削对比。工件材料为高强度38CrNi3MoVA，HRC36。
切削用量：V=12m/min，ap=6.2mm，f=0.025mm/双行程。
刀具几何参数：g0=18°，Kr=90°。
加硫化切削油。
刀具磨损曲线可见，GF3拉刀的耐用度高于Co5Si拉刀。
高速钢是当今世界使用最多的刀具材料之一。高速钢技术水平的提高，重点反映在高性能高速钢和粉末冶金高速钢的出现。高性能高速钢优于通用型高速钢，粉末冶金高速钢又优于高性能高速钢。中国已成为通用型与高性能高速钢的生产大国，产量居世界第一,工作重点在于保证产品质量。中国在粉末冶金高速钢的制造和应用上，与工业先进国家相比，尚存在较大差距，应当奋起直追。
中国兵器工业新技术推广所 王瑞新 北京理工大学 于启勋(end)
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(7/2/2007) |
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