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高速钢的过去 现在与未来

放大字体  缩小字体 发布日期:2009-06-13 来源:数控刀具 浏览次数:544


  高速钢是高速工具钢的简称,在我国冶金工业部门习惯称为高工钢,民间还俗称为锋钢。是一种主要用于机床切削刀具的高合金工具钢。高速钢一般分为通用型、高性能型、经济型(低合金高速钢)三类,经济型钨当量〔W〕=W+2Mo>5%~12%。

  高速钢的诞生

  现代工具钢可追溯至1740年,英国人由坩锅炉熔化得到成分均匀的高碳钢,碳含量为0.75~1.50%,制成机床切削工具,切削速度不超过5m/min。1868年发展了Mushet自硬钢。属Mn-W系工具钢,使切削低碳钢的速度达到8m/min。典型成分为:C2.0%,W7%,Mn2.5%。随着19世纪工业革命的进展,工业用钢大量生产迫切要求机床和工具必须跟上。因此如何提高Mushet钢的性能使其所制工具切削速度能大幅度提高,已成为当时客观迫切的要求。Mushet钢的锰含量高因而降低Ac1临界点,使其很难软化退火,而且热脆性大,可锻性很差,淬火时易过热。因此19世纪末,在美国出现了低锰含铬的Cr-W系自硬钢。1898年,Fred W.Taylor及助手M.White等人通过几百次切削试验,筛选出两种成分的钢,一种是Mushet 的Mn-W钢(C 2.15%,Mn1.58%,W5.44%),另一种是Cr-W钢(C1.44%,Cr1.83%,W7.72%),通过试验发现Cr-W钢经接近熔化温度淬火后得到最高的切削性能。1900年巴黎世界博览会上,经Taylor-White工艺处理的Cr-W钢(c1.85%,W8%,Cr3.8%)工具的切削表演时,切削速度、吃刀深度和进刀量均可成倍提高。使生产能力提高340%。引起当时机床与工具业的革命性变革。因此迄今公认高速钢正式诞生于1900年(巴黎博览会表演时间)。

  高速钢发展简史

  1870~1898 英国Mushet自硬钢(C2%,W7%,Mn2.5%),切削中碳钢速度达到8m/min
  1898~1900 美国F.W.Taylor和英国M.White发明接近钢熔点的高温淬火和高温回火,并以Cr-W钢(C1.85%,W8%,Cr3.8%)取代Mushet的Mn-W自硬钢,从而创立了高速钢。切削中碳钢的切削速度达20 m/min。
  1900年在巴黎国际博览会上表演高速切削成功
  1903 出现现代高速钢的原始成分(%):C0.7、W14、Cr4
  1904 美国John Mathew向高速钢中加入0.3%V
  1906 试用电炉冶炼高速钢
  1910 确立T1(W18Cr4V)钢成分(C0.75%、W18%、Cr4.0%、V1.0%),切削中碳钢速度达30 m/min
  1912 德国Becker向钢中加入3%~5%Co,提高了钢的热硬度
  1918 3t电弧炉试炼高速钢成功,替代了坩埚炉,得以生产较大尺寸的钢锭和钢材
  1923 加入钴量达12%~15%,切削速度达40 m/min以上
  1932 美国J.V.Emmons发明以Mo代替W的高钼钢M1
  1937 美国W.Breelor发明W-Mo系钢M2
  1939 美国J.P.Gill发明高碳高钒钢,称Super HSS,含钒3%~5%,淬回火硬度达HRC67~68,耐磨性好,但可磨削性差
  1953 出现加硫(0.05%~0.2%)易切削高速钢
  1958~1963 平衡碳原理提出与应用,美国发明M40系列钢,硬度达到HRC70的超硬(Extra-hard)钢,最早为M41和M42
  1965 美国Crucible Steels公司发明粉末冶金法生产高速钢
  1970 瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速钢投产;电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产;高速钢用于高载荷冷作模具日益增多
  1980 氮化钛涂层的物理气相沉积法(PVD)成功用于部分高速钢刀具,使用寿命成倍提高,对高速钢的应用和发展具有重要意义
  1990~ 粉末高速钢新钢种热处理硬度达HRC70-72;综合性能优良的低合金高速钢重新受到重视和发展,替代部分通用高速钢,以节约合金资源。

  刀具材料的发展因其对切削技术、机械加工的直接影响,从而间接地影响了人类经济社会的发展,而刀具材料史上最具里程碑意义的事件莫过于高速钢的成功研制。

  更多的人愿意用1900年巴黎博览会上高速钢刀具的公开演示作为“高速钢元年”,不仅因为这个时间的简单易记,或许更因为高速钢刀具当年所引起的轰动效应;有人则愿意记录泰勒和怀特研制成功高速钢的1898年,因为那是一个从无到有的突破;另有一些文献记录则强调1906年,那一年泰勒和怀特确立了真正影响后世百年的W18Cr4V。哪一年对今天的我们而言,或许已不再那么重要,重要的是高速钢乃至其他刀具材料的发展到底将去向何方?

  美其名曰“高速钢”

  1910年,一位英国人这样写道:“在1900年巴黎博览会上,一些工程师看到了一部高速运转的车床,上面装有一个工具,正用它尖头的炽热消除一个暗蓝色碎片,工程师们意识到他们亲眼见证了工具钢和机床方面的一个革命的开始。”

  巴黎的这件展览品是匹兹堡伯利恒钢铁公司的产品,它正是泰勒和怀特所进行的试验的刀具材料,是由制造时经过一种热处理的铬钨钢制成的,其车削速度比碳钢高出十几倍。尽管刀具由于与工件磨擦生热而呈暗红色,但却锋利不减,削铁如泥,观众无不瞠目结舌。此后,这种钢就获得了“高速钢(high-speed steel)”的美名。

  人们开始认识到这种钢的优点,并设计可以利用这种钢的有效刀具——车刀、刨刀、钻头、铣刀等等。一场革命开始了。最初高速钢只用于粗切,但是随着不断的改进,各种刀具都纷纷变成了高速钢材料。人们逐渐发现高速钢具有高硬度、高耐磨性和高耐热性等特点,有较好的工艺性能,强度和韧性配合好,而且具有很好的红硬性。于是,高速钢成为了刀具材料市场上几十年的“霸主”。

  在随后的时间里,随着被加工材料的不断变化以及生产加工的需要,人们不断改变高速钢的成分,先后出现了钴高速钢、高钼高速钢M1、钨钼高速钢M2、高碳高钒高速钢(超高速钢)、加硫易切削高速钢、超硬高速钢M40系列;直至1965年,美国Crucible Steels公司发明了粉末冶金高速钢,之后由瑞典Stora厂于1970年投入生产。

  目前,高速钢常用于钻头、丝锥、锯条以及滚刀、插齿刀、拉刀等精密刀具,尤适用于制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具。

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