1概述

高速鋼刀具是一種比普通刀具要堅韌,更容易切割的刀具,是一種新產品。在機械製造中用於切削加
高速鋼

  高速鋼

工,絕大多數的刀具是機用的,也有手用的。由於機械製造中使用的刀具基本上都用於切削金屬材料,所以,越是堅韌的刀具越能被廣泛應用,高速鋼刀具完全符合這一特點。

2高速鋼刀具歷史

100年前,美國機械工程師泰勒(F.W Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)在經過廣泛而系統的切削試驗之後,確立了切削用高速鋼的最佳成分W18Cr4V(C 0.75%,W 18%,Cr 4.0%,V 1.0%),當時切削中碳鋼速
高速鋼刀具

  高速鋼刀具

度為30m/min,比之前提高了十幾倍。這一成果帶來了機械加工的劃時代革命,也因此使得刀具材料在進入19世紀后呈現出異乎尋常的發展速度,創造了前所未有的輝煌。100年來,儘管不斷出現各種新的刀具材料,但高速鋼依然沒有被歷史所淘汰,一直沿用並發展至今,甚至曾長期 佔據霸主地位。
刀具材料的發展因其對切削技術、機械加工的直接影響,從而間接地影響了人類經濟社會的發展,而刀具材料史上最具里程碑意義的事件莫過於高速鋼的成功研製。
更多的人願意用1900年巴黎博覽會上高速鋼刀具的公開演示作為「高速鋼元年」,不僅因為這個時間的簡單易記,或許更因為高速鋼刀具當年所引起的轟動效應;有人則願意記錄泰勒和懷特研製成功高速鋼的1898年,因為那是一個從無到有的突破;另有一些文獻記錄則強調1906年,那一年泰勒和懷特確立了真正影響後世百年的W18Cr4V。哪一年對今天的我們而言,或許已不再那麼重要,重要的是高速鋼乃至其他刀具材料的發展到底將去向何方?
1910年,一位英國人這樣寫道:「在1900年巴黎博覽會上,一些工程師看到了一部高速運轉的車床,上面裝有一個工具,正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色 碎片,工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方面的一個革命的開始。」
巴黎的這件展覽品是匹茲堡伯利恆鋼鐵公司的產品,它正是泰勒和懷特所進行的試驗的刀具材料,是由製造時經過一種熱處理的鉻鎢鋼製成的,其車削速度比碳鋼高出十幾倍。儘管刀具由於與工件磨擦生熱而呈暗紅色,但卻鋒利不減,削鐵如泥,觀眾無不瞠目結舌。此後,這種鋼就獲得了「高速鋼(high-speed steel)」的美名。
人們開始認識到這種鋼的優點,並設計可以利用這種鋼的有效刀具——車刀、刨刀、鑽頭、銑刀等等。一場革命開始了。最初高速鋼只用於粗切,但是隨著不斷的改進,各種刀具都紛紛變成了高速鋼材料。人們逐漸發現高速鋼具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等特點,有較好的工藝性能,強度和韌性配合好,而且具有很好的紅硬性。於是,高速鋼成為了刀具材料市場上幾十年的「霸主」。
在隨後的時間裡,隨著被加工材料的不斷變化以及生產加工的需要,人們不斷改變高速鋼的成分,先後出現了鈷高速鋼、高鉬高速鋼M1、鎢鉬高速鋼M2、高碳高釩高速鋼(超高速鋼)、加硫易切削高速鋼、超硬高速鋼M40系列;直至1965年,美國Crucible Steels公司發明了粉末冶金高速鋼,之後由瑞典Stora廠於1970年投入生產。
目前,高速鋼常用於鑽頭、絲錐、鋸條以及滾刀、插齒刀、拉刀等精密刀具,尤適用於製造複雜的薄刃和耐衝擊的金屬切削刀具。
高速鋼刀具100年來的發展大致可以分為兩半,前半個世紀是高速鋼刀具的輝煌,高速鋼被用來製造幾乎所有品種的刀具以實現各種切削加工。但隨著各種被加工材料機械性能的不斷提高,高速鋼逐漸難以招架。
1923年,硬質合金的出現使得切削速度提高到每分鐘一百多米至幾百米,而且其硬度更高,可以切削高速鋼所加工不了的材料,但由於硬質合金脆性較大,可加工性又差,因此只能在部分加工範圍內代替高速鋼,在很長一段時間內並沒有撼動高速鋼的霸主地位。
但後來,硬質合金的性能不斷提高,發展了許多新品種,逐漸蠶食著高速鋼刀具的市場份額。
隨後又出現了陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石等更為先進的刀具材料,它們的硬度和耐磨性又超過了硬質合金。儘管它們由於脆性大、價格昂貴等原因難以佔據較大的市場份額,但這對高速鋼刀具而言,尤其是近三四十年以來,無疑使其下滑萎縮十分明顯,硬質合金刀具至今已經替代了很大一部分高速鋼刀具。於是,逐漸形成了以硬質合金刀具和高速鋼刀具為主體的行業架構。
如今,高速鋼刀具的確是風光不再了。根據有關統計,硬質合金刀具已佔世界刀具消費總額的55%,高速鋼刀具為40%,超硬刀具為5%。近20年高速鋼刀具產值每年遞減1.25%,而硬質合金刀具則每年遞升1.1%。
另一方面,高速鋼材料中的一些主要元素如鎢的儲藏資源在世界範圍內日漸枯竭,據估計其儲量只夠再開採使用40~60年,因此高速鋼本身也面臨嚴峻的發展危機。
國際生產工程學會(CIRP)在一項研究報告中指出:「由於刀具材料的改進,允許的切削速度每隔十年幾乎提高一倍。」在這100年中,不斷有新的材料出 現,原有的材料也不斷改進。
儘管高速鋼刀具在全世界的銷售額不斷減少,但是高性能的鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用量卻在不斷增加,主要用於鈦合金等難加工材料的切削。它們比普通的高速鋼有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性,尤其是粉末冶金高速鋼的性能更好,甚至在綜合評價中優於硬質合金刀具。
粉末冶金工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或耐磨性,從而可製成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削衝擊、適合高切除率加工和斷續切削加工的刀具,大有逐漸取代脆性較大、在切削衝擊下易發生碎裂的整體硬質合金刀具的趨勢。
近幾年,用高性能高速鋼製造的刀具已擴大應用到一般的加工中,成為國外高速鋼刀具的常規產品。世界粉末冶金高速鋼在刀具上的應用及各類刀具占的百分比已達到齒輪刀具佔70%,拉刀佔30%,立銑刀佔20%,鑽頭佔1%,這有助於維持高速鋼刀具的應用領域。
儘管世界範圍來講,已全面進入硬質合金刀具時代,但就國內而言,高速鋼刀具依然佔有相當強勢的份額。不過,中國高速鋼刀具仍舊主要是普通高速鋼,高速鋼的品級有待提升。
由於礦藏資源日益枯竭以及其他刀具材料的不斷侵蝕,高速鋼刀具是否真能在歷史舞台上繼續活躍100年,實難可知,但顯而易見的是,它肯定會在較長時間內繼續存在並繼續發揮重要的作用。國內頻頻有聲討普通高速鋼生產的聲音,甚至大有打殺圍堵的意味,一位行業專家則堅稱,「目前國內普通高速鋼的市場需求依然旺盛(儘管這並不符合世界刀具發展的主流),有需求生產企業自然樂意供應,我們目前更應該做的恐怕是引導而不是圍堵,引導企業提升高速鋼刀具的品級,減少大量低附加值產品的生產。

3提高高速鋼刀具耐用度的有效措施

對拉刀、滾刀、鉸刀、銑刀等複雜高速鋼刀具,在低溫條拌下,進行碳、氮、硫、硼、氧等多元素共滲,使刀具的耐用度平均提高2 倍~5倍。這是因為這些元素滲人刀具表層后,使刃具表層的化學成分發生了變化,在切削過程中起到了減小摩擦和自潤滑作用,從而降低了切削力和切削熱,提高了刀具耐用度,降低了生產成本。
此工藝簡單,工作溫度低,是一種提高複雜高速鋼刀具耐用度的有效措施。

4物理性能

高速鋼刀具一般不做抗拉強度檢驗,而以金相、硬度檢驗為主。
鎢系和鉬系高速鋼經正確的熱處理后,洛氏硬度能達到63以上,鈷系高速鋼在65以上。鋼材的酸浸低倍組織不得有肉眼可見的縮孔 、翻皮。中心疏鬆,一般疏鬆應小於1級。
金相檢驗的內容主要包括脫碳層、顯微組織和碳化物不均勻度3個項目。
1.高速鋼不應有明顯的脫碳。顯微組織不得有魚骨狀共晶萊氏體存在。
2.高速鋼中碳化物不均勻度對質量影響最大,目前冶金和機械部門對碳化物不均勻度的級別 十分重視。根據鋼的不同用途可對碳化物不均勻度提出不同的級別要求,通常情況下應小於3級。
3.用高速鋼製造切削工具,除因其具有高硬度、高耐磨性和足夠的韌性之外,還有一個重要因素是具有紅硬性。(紅硬性是指刀具在高速切削時,刀刃在紅熱狀態下抵抗軟化的能力。)
一種衡量紅硬性的方法是先把鋼加熱至580~650℃,保溫1小時,然後冷卻,這樣反覆4次后測量其硬度值。高速鋼的淬火溫度一般均接近鋼的熔點,如鎢系高速鋼為1210~1240℃,高鉬系高速鋼為1180~1210℃。淬火后一般需在 540~560℃之間回火3次。提高淬火溫度可以增加鋼的紅硬性。為了提高高速鋼刀具的使用壽命,可對其表面進行強化處理,如低溫氰化、氮化、硫氮共滲等。
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