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1、现现代代刀刀具具材材料料系系列列讲讲座座高性能熔炼高速钢摘摘 要要： 介绍了高性能熔炼高速钢的种类与性能。列出了某些切削试验数据。关关键键词词： 高性能高速钢；熔炼；金属切削高速钢材料发明于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
2、高高碳碳高高速速钢钢在 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 高高钴钴高高速速钢钢在高速钢中加钴，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
3、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 高高钒钒高高速速钢钢高钒高速钢 (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
4、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 含含铝铝高高速速钢钢我国研制出无钴、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
5、铝 1的高性能高速钢，B201、B211、B212 中也含铝。含锚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
6、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0=4，主偏角r=45，刀尖圆弧半径=0.2mm。切削深度 p=1mm，进给量 f=0.1mm。部分刀具的磨损曲线见图1。T-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
7、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图 2 高性能高速钢与普通高速钢车削高强度钢的 T- 曲线工件材料： 36CrNi4MoVA刀具材料： 1.V3N 2.Co5Si 3.B201 4.M42 5.W18Cr4V粉末冶金高速钢摘要：介绍了粉末冶金高速钢刀具的切削性能，并列出了这类刀具与熔炼高速钢刀具的对比切削数据。关键词：粉末冶金；高速钢；刀具；切削性能。1 前前 言言普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的，它们经过冶炼、铸锭和锻轧等工艺制成刀具，熔炼高速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速钢中
8、分布不均匀，且晶粒粗大 (可达几十个微米 )，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产 生不利影响。粉末冶金高速钢的制造过程是：将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体 (氩气或氮气 )喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(粉末 )。上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末。再将所得的粉末在高温(约1100)、高压 (约 100MPa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。2 粉粉末末冶冶金金高高速速钢钢的的优优点点粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均为 1 级，碳化物晶粒尺寸在23m 以下。因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一般
9、比熔炼高速钢高出2050。它适用于制造承受冲击载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高11.5HRC，高温硬度 (550600)提高尤为显著，故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高。由于碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含钒5时其可磨削性能相当于含钒 2的熔炼高速钢，故粉冶高速钢中允许适当提高钒含量，且便于制造刃型复杂的刀具。粉冶高速钢的热处理变形亦较小。3 粉粉末末冶冶金金高高速速钢钢的的切切削削试试验验作者用粉末冶金高速钢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
10、高速钢Co5Si，V3N 进行切削对比。切削用量： =40m/min，p=3mm，f=0.15mm/r。刀具几何参数： 0=20，r=75，r=l5，=1mm。刀具磨损曲线如图1 所示。由图 1 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 与 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。工件材料为高强度钢38CrNi3MoVA，HRC36。切削用量： =12m/min，p=6.2mm,f=0.025mm/双行程。刀具几何参数： 0=18，r=90。加硫化切削油。刀具磨损曲线
11、如图2 所示。由图 2 可见， GF3 拉刀的耐用度高于Co5Si。4 国国内内外外情情况况20 世纪 70 年代初，国外已有粉末冶金高速钢刀具商品。20 余年来发展较快，在高速钢刀具材料中已占有一定份额。以ERASTEEL，国际工业集团 (瑞典与法国为主 )为例，它的各种高速钢产品的总和在世界高速钢市场中占有30的份额。它的高速钢产品中，熔炼高速钢有20 个牌号，粉末冶金高速钢有8个牌号。后者称为ASP2000 系列，其钢号与化学成分见表1。表 1 ERASTEEL 集团粉末冶金高速钢ASP2000 系列的化学成份 ()我国自 20 世纪 70 年代中期以来，亦对粉末冶金高速钢进行了研制。如
12、冶金工业部钢铁研究总院有粉末冶金高速钢FW12Cr4V5(牌号为 FT15)和FWl0Mo5Cr4V2Co12(FR71)，北京工具研究所有水雾化的W18Cr4V(GF1)、W6Mo5Cr4V2(GF2)、W10.5Mo5Cr4V3Co9(GF3)。上海材料研究所有粉末冶金高速钢 W18Cr4V(PT1)和 W12Mo3Cr4V3N(PVN)，机械性能和切削性能俱佳，在加工高强度钢、高温合金，钛合金和其他难加工材料中，发挥了优越性。但是，近年来我国因市场、效益等因素的困扰，粉末冶金高速钢的研制和生产，一度陷于停顿。随着经济形势的改变，相信粉末冶金高速钢在国内将大有发展前景。涂层高速钢刀具摘要：
13、介绍了涂层高速钢刀具的切削性能，并列出了涂层与未涂层高速钢刀具的对比切削数据。关键词：涂层高速钢；刀具；切削性能1 概概述述在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。般，涂层材料用TiN、TiC 等，但多采用 TiN。涂层后，刀具表面呈金黄色。涂层厚度为510m。涂层高速钢刀具约在1980 年出现在国际市场。发展极为迅速，20 年来，它已在高速钢刀具中占有一定比重。在美国、日本、德国，近一半的齿轮加工刀具及立铣刀、钻头等采用涂层，提高了切削效率，获得了显著的经济效益。我国对涂层高速钢刀具的研究从80 年代开始。近十年中，刀具制造
14、行业已从美国、日本引进了近 10 套 PVD 涂层设备，已出售各种涂层高速钢刀具产品。在各地区和各部门，拥有数量众多的国内制造的涂层设备，所用的物理气相沉积方法不同，有电弧发生等离子体气相沉积法、等离子枪发射电子束离子镀法、中空阴极枪发射电子束离子镀法、e 形枪发射电子束离子镀法等，各有特色和优缺点，涂层产品质量亦有差异，电弧发生等离子体气相沉积法用得最多。2 涂涂层层高高速速钢钢刀刀具具的的优优点点TiN 的硬度为 HV18002000，密度为 5.44g/c，热导率为 29.31W/(m?)，线膨胀系数为 (9.319.39)10-6/。而高速钢基体的硬度仅为HV800850。故涂层后的高
15、速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。实用情况表明，与未涂层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低510，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；工件已加工表面粗糙度减小；刀具使用寿命显著提高。3 切切削削实实验验数数据据作者用 W18Cr4V 或 W6Mo5Cr4V2 高速钢车刀与涂层后的刀具进行切削实验对比，主要对比它们的刀具磨损与使用寿命。实验一：工件材料：60Si2Mn(调质， HRC40)。车刀几何角度： 0=16，0=8，r=45，=-4，=0.5mm。切削用量： p=0.5mm，f=0.2lmm/r，
16、=25m/min 干切削。磨损曲线如图1 所示。实验二：工件材料：60Si2Mn(调质， HRC40)车刀几何角度： 0=10，0=8，r =45，=0，=0.5mm。切削用量： p =O.5mm，f=0.21mm/r，=25m/min，干切削。磨损曲线如图2 听示。实验三：工件材料：38CrNi3MoVA(调质， HRC3640)。车刀几何角度： 0=8。 ，0=8。 ，r =75。 ，=-4。 ，=08ram。切削用量： p =1mm，f=0.2mmr，VB=0.5mm，干切削。T- 曲线如图 3 所示。图 3 中， T- 公式的 Taylor 方程如下：=58/T0.37 (W18Cr4V)=57/T0.21 (W18Cr4V+TiN)式中： 切削速度， m/min；T刀具使用寿命， min。由图 1
