切削技术的发展依靠刀具技术和高速机床技术的进步,刀具与机床的正确选用常起着决定性作用。采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层、公道设计刀具结构与几何参数、选择最佳的切削速度是实现切削加工优化的重要保障。在目前高性能刀具材料如硬质合金、金属陶瓷、金刚石、立方氮化硼等超硬材料不断发展的同时,高速钢尤其是粉末冶金高速钢,凭借其在强韧性、 工艺性及可加工性等方面优良的综合性能,在复杂刀具特别是切齿刀具、拉刀和各类铣刀制造中仍占有明显上风,应用相当广泛。
1 高速钢发展及粉末高速钢冶炼工艺特点
以切削刀具为主要用途的高速钢已经历了百年的发展历程。1900 年法国巴黎世界展览会上, 美国人Taylor和White成功进行的高速切削演示标志着高速钢的应用拉开了序幕。多年来,高速钢刀具一直占据着机械加工领域的主导地位,其发展简史见表1。
表1 高速钢发展简史
年代 |
主要大事记 |
1870~1898 |
英国人Mushet发明应用Mn-W自硬工具钢,切削中碳钢速度8m/min |
1898~1900 |
美国人Taylor、White以Cr-W钢取代Mn-W自硬钢,创立了高速钢。切削中碳钢速度达20m/min |
1910 |
确立T1(W18Cr4V)钢成分,切削中碳钢速度达30m/min |
1937~ |
美国人Breelor发明W-Mo系高速钢M2 |
1939 ~ |
美国发明高碳高钒高速钢,含钒3~5%,淬回火硬度达67~68HRC,耐磨性好,可磨削性差。 |
1958~1963 |
平衡碳理论提出与应用,美国发明M40系高速钢,硬度达70HRC,如M41,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 |
1980 ~ |
欧、美、日、俄等国开始生产粉末冶金高速钢;氮化钛涂层用于高速钢切削刀具,寿命大幅进步 |
1990 ~ |
粉末冶金高速钢实现高合金冶炼,新钢种热处理硬度达70~72HRC |
高速钢传统冶炼制造工艺通常采用大吨位电弧炉冶炼、模铸浇铸成锭。电弧炉冶炼,钢水容量大,成分均匀,可通过炉外精炼、真空脱气等进步钢水质量;但由于钢锭浇铸尺寸较大,钢水冷却缓慢,且高速钢化学成分复杂,合金元素含量高,使其莱氏体组织粗大,碳化物偏析严重。碳化物偏析程度反映了高速钢质量的优劣,严重的偏析降低了高速钢的性能,使钢的锻、轧加工困难,高合金、高性能高速钢的发展受限。
粉末冶金高速钢改变了传统的高速钢浇铸与成锭工艺,采用了雾化制粉及压力加工成形。国际上较先进的粉末高速钢制造基本工艺是将冶炼完、符合化学成分要求的钢水经强力高压氮气雾化,细小液滴瞬间迅速凝固成合金粉末颗粒,其粒度相当于一般铸锭亿万分之一的“超细小钢锭”,形成了极快冷凝固制粉。雾化制粉完成后,合金粉末颗粒经筛分、装包套、摇实、抽真空脱气等工序,再经冷、热等压力加工成锭。粉末冶金高速钢的优点为成分均匀、碳化物无偏析,易实现高合金化;与电炉钢比较,其强韧性大幅度进步,热处理变形小,尺寸稳定性高,可磨削性能好。
2 粉末冶金高速钢主要牌号及成分
传统冶炼生产的高速钢牌号均可运用粉末冶金方法生产,而高钒、高钴等高合金高性能高速钢却是粉末冶金高速钢所独占的牌号(如ASP2060、ASP2080等)。表2为粉末冶金高速钢主要牌号及成分范围。
表2 粉末冶金高速钢主要牌号及成分(wt%)
序号 |
牌号 |
C |
Cr |
W |
Mo |
V |
Co |
其它 |
1 |
M2-PM |
0.95~1.05 |
3.75~4.50 |
5.50~6.75 |
4.50~5.50 |
1.75~2.20 |
max0.50 |
|
2 |
M3-PM |
1.15~1.25 |
3.75~4.50 |
5.00~6.75 |
4.75~6.50 |
2.75~3.25 |
max0.50 |
|
3 |
M4-PM |
1.25~1.40 |
3.75~4.75 |
5.25~6.50 |
4.25~5.50 |
3.75~4.50 |
max0.50 |
|
4 |
M7-PM |
0.97~1.05 |
3.50~4.00 |
1.40~2.10 |
8.20~9.20 |
1.75~2.25 |
max0.50 |
|
5 |
M35-PM |
0.88~0.95 |
3.80~4.50 |
6.00~6.70 |
4.70~5.20 |
1.70~2.00 |
4.50~5.00 |
|
6 |
M42-PM |
1.05~1.15 |
3.50~4.25 |
1.15~1.85 |
9.00~10.0 |
0.95~1.35 |
7.75~8.75 |
|
7 |
M48-PM |
1.42~1.52 |
3.50~4.00 |
9.50~10.50 |
4.75~5.50 |
2.75~3.25 |
8.00~10.00 |
S≤0.07 |
8 |
M50-PM |
0.78~0.88 |
3.75~4.50 |
max0.20 |
3.90~4.75 |
0.80~1.25 |
max0.50 |
|
9 |
M61-PM |
1.75~1.85 |
3.50~4.25 |
12.10~12.9 |
6.00~6.75 |
4.50~5.25 |
max1.00 |
P≤0.02 |
10 |
ASP2015 |
1.50~1.60 |
3.75~5.00 |
11.75~13.0 |
max1.00 |
4.50~5.25 |
4.75~5.25 |
|
11 |
ASP2017 |
0.80~0.85 |
3.80~4.50 |
2.85~3.25 |
3.90~4.20 |
0.95~1.35 |
7.75~8.75 |
Nb:1.00 |
12 |
ASP2030 |
1.25~1.35 |
3.80~4.50 |
6.00~6.70 |
4.70~5.20 |
2.70~3.20 |
8.10~8.80 |
|
13 |
ASP2053 |
2.30~2.60 |
3.80~4.50 |
4.00~4.50 |
2.80~3.50 |
7.75~8.20 |
Max0.50 |
|
14 |
ASP2060 |
2.15~2.45 |
3.80~4.50 |
6.00~6.80 |
6.70~7.30 |
6.20~6.80 |
10.10~10.8 |
|
15 |
ASP2080 |
2.30~2.60 |
3.8~4.30 |
10.50~11.5 |
4.80~5.30 |
5.80~6.20 |
15.50~16.5 |
|
16 |
S390-PM |
1.55~1.65 |
4.50~5.00 |
9.50~11.00 |
2.00~2.40 |
4.60~5.20 |
7.60~8.30 |
|
17 |
S390-PM-MOD |
1.65~1.75 |
5.95~6.35 |
10.0~10.75 |
3.10~3.40 |
4.00~4.50 |
7.70~8.30 |
S≤0.02 |
18 |
HS10-4-3-10PM |
1.21~1.34 |
3.80~4.50 |
9.00~10.00 |
3.20~3.90 |
3.00~3.50 |
9.50~10.5 |
|
19 |
HS18-1-2-5-PM |
0.75~0.83 |
3.80~4.50 |
17.5~18.50 |
0.50~0.80 |
1.40~1.70 |
4.50~5.00 |
|
20 |
HS12-1-4-PM |
1.20~1.35 |
3.80~4.50 |
11.5~12.50 |
0.70~1.00 |
3.50~4.50 |
max |
0.50 |
21 |
PM-10V |
2.35~2.55 |
4.75~5.50 |
max0.50 |
1.10~1.45 |
9.3~10.25 |
max0.50 |
S≤0.09 |
22 |
CPM10V-MOD |
2.80~3.00 |
7.75~8.25 |
max1.00 |
1.20~1.60 |
9.25~10.25 |
max0.50 |
|
注:上表中一般均要求,P≤0.03%,S≤0.03%,N≤0.08%,O≤0.015%,Ar≤0.05ppm;*为合金工具钢 |
3 粉末冶金高速钢的选用
高速钢含有大量W、Mo、Cr、V等元素,其与碳形成的合金碳化物进步了钢材性能。由于粉末高速钢冶炼的独特性,合金元素含量更高,尤其是高V、高Co钢的应用较为普遍。高速钢中的W、Mo作用相似,与碳形成的合金碳化物通过溶解及析出强化,使高速钢具有特殊的二次硬化效果,红硬性大大进步;钢中V是强的碳化物形成元素,VC细小弥散,进步了钢的耐磨性,随着V含量的进步,高速钢的抗磨粒磨损性能大幅提升;Co是固溶强化最强的合金元素之一,通过固溶基体强化来进步高速钢的硬度及热硬性,改善了刀具切削性能,使刀具寿命大为进步。图1为几种粉末高速钢与典型高速钢的性能特点对比。
图1 几种粉末高速钢与典型高速钢的性能特点对比
刀具材料的选择需要考虑刀具种别、机床及切削条件、被加工材料及硬度等因素。随着数控机床、中硬材料切削及高强钢的大量应用,对切削刀具的性能要求越来越高,刀具必须具备更高的硬度、红硬性、耐磨性及韧性。一般来讲,对于要求高耐磨、高韧性的刀具,如遐龄命丝锥、拉刀、单齿薄刃刀具等,可选择高碳高钒粉末高速钢,典型牌号有M3-PM、M4-PM、M61-PM等;对于要求高速切削、高热硬性、遐龄命的刀具,如齿轮滚刀、插齿刀、数控机床用各类铣刀,可选择高钒高钴粉末高速钢,典型牌号有ASP2015、ASP2030、ASP2060等。
4 结语
粉末高速钢由于良好的组织一致性和碳化物的无偏析,弥补了普通冶炼高速钢的严重缺陷,使钢材质量和性能全面进步。粉末冶金高速钢刀具在加工铁基高温合金、钛合金、超高强钢等难加工材料时表现出了良好的切削性能及综协力学性能。由于粉末高速钢冶炼及雾化制粉的特殊性,工艺及设备要求相对复杂,钢材制造本钱较高,目前在精密复杂刀具生产中应用较多,还有待进一步推广应用。(end)