粉末高速钢在刀具制造领域的应用
虽然从市场的全局而言,和整体硬质合金刀具相比,高速钢刀具的份额在下降,但在某些应用场合中,刀具韧性仍至关重要。所以高速钢刀具仍不失为一种经济实用的选择。
高速钢刀具至今仍在加工业占有一席之地,主要归功于其制造工艺上的一项巨大进步:粉末冶金高速钢诞生。这个方法在1970年开始引入特殊钢工业后,迅速促进了高速钢性能的提高。在保持原有耐磨性的情况下,使其硬度接近硬质合金的水平。
粉末冶金高速钢的主要工艺过程是:把已加入合金元素的预炼高速钢,用感应炉熔化,然后用气体喷雾制粒。这个过程有点像从瓶里喷香水。但和喷香水不同之处是,钢水喷出后迅速固化成均匀的颗粒。然后把颗粒装入一个大型的可压缩圆桶,进行热等静压,形成致密毛坯,然后进行锻造或轧制。
这种方法的最大特点是多种合金元素能在钢材内得到均匀分布,从而解决了原来铸锭法炼钢的一个固有难题:合金元素在钢内的偏析。偏析造成产品的不一致性,会影响材料的使用性能。
此外,粉末冶金方法可以使钢中的合金元素含量大大增加,这在传统的铸锭炼钢工艺是做不到的。
Carpenten粉末制品公司的技术服务经理BudCarnes指出,该公司生产的一种名为Micro-Melt Maxanet的粉末高速钢,含钨13%,钴10%,钒6%,铬4.75%,含碳量达2.15%。若不采用粉末冶金法,不可能达到如此高的合金含量。他说:"也许我们用如此高合金含量的钢铸出了钢锭,也许这个钢锭在冷却和凝固时没有产生裂纹。但是最终内部结构不均匀的问题是无法避免的,钢锭将形成大块碳化物偏析。"
Crucible材料公司的技术副总裁Jelly Wright同意这种观点,即传统的铸锭工艺限制了合金元素的含量。他说:"粉末高速钢工艺的不同之处在于,喷雾制粒时迅速凝固,形成了特别细的碳化物,直径最大3μm,平均1μm。而铸锭工艺中形成的碳化物直径达到40μm。
高速钢典型的合金元素有:碳、铬、钼、钨、钒和钴。钨、钼、钴的作用是改善材料的"红硬性",使之能承受刀具和工件摩擦产生的热量。按照美国金属协会的"材料手册"钒形成的碳化物最硬,从而提高了高温耐磨性。
Griggr Steel公司副总裁兼总经理Mark Mullen指出,该公司粉末高速钢开发中心,在合金元素大量加入高速钢的工艺方面,正在取得一系列具体进展。他说:"随着制作方法的不断改进,炼钢人员现在已能炼出含量越来越高的合金材料。而通过这些不同的合金成分,就可针对用途获得不同的特性。"
Carpenter公司的新型高合金高速钢Micro-Melt Maxanet,在测试温度为1000°F(538℃)时,其红硬性为63.0HRC。热处理参数为:奥氏体转变温度为2250°F(1232℃),回火温度为1025°F(552℃)。与之对比的T-15常规高速钢,在类似条件下的红硬性为580HRC。
为了展示Maxamet的耐磨性能,该公司做了一轮Maxamet和M-4常规高速钢的对比试验:在被试材料和旋转的橡胶轮之间,注入一股流砂。经过一段规定时间后,Maxanet被磨耗体积为9mm3,而M-4为12mm3。Cricible公司近来引入一种粉末高速钢新牌号Rex121,其中合金含量为:钨10%,钒9.5%,钴9.0%,钼5.0%,铬4.0%,碳3.4%。该公司报告称,Rex121的耐磨损性能,比老牌号的粉末高速钢(如RexT15 Rex76和10-V)要高出50~100%。此外,Crucible公司称,Rex121的红硬性高于Rex76,即使在1200°F(650℃)高温回火后,室温硬度仍可达60HRC。据报导,Rex121替代常规含钴高速钢时,切削速度可提高25~50%。
粉末高速钢可以通过改变其合金成分来优化材料的内在韧性,或者使高速钢承受应力和磨损的适应范围大大超过硬质合金。看来含碳量最低的工作性能较好,和硬质合金相比,高速钢材料抗弯强度的可变范围较大。按照"国际高速钢研究论坛"提供的数据,粉末高速钢抗弯(抗拉)强度的变化范围约从2500Mpa到6000Mpa,而硬质合金的强度偏低,且变化范围约1250Mpa到2250Mpa。
Enasteel公司的技术发展部主任Heney Wisell说:"低含碳量的高速钢韧性最好。"Carnes同意这个看法。他同时指出,普通高速钢牌号如M-3和M-4,若采用粉末冶金工艺生产,其韧性将大大优于用铸锭工艺生产的同类牌号。
然而,为了改善刀具寿命,炼钢人员还得在另一个方面开展工作,那就是提高合金含量。增加合金成分也能促进材料红硬性的提高,使之能经受高温并在一段时间内不显著软化。Carnes说:"随着新的合金成分的开发,我们现在已经能够提供性能接近硬质合金刀具的高速钢。这引起高合金含量的高速钢,可以用于干式切削等普通高速无法胜任的埸合。"Carnes指出,采用粉末高速钢来达到要求的高硬度,比硬质合金价格便宜,所以要经济些。从工具制造的角度来看,高速钢(特别是粉末高速钢)容易磨削。而硬质合金很硬,较难磨,而且要整体磨削。因为你不能把硬质合金象高速钢那样,用退火的办法把硬度降下来,加工完后再淬火,磨削只用在精加工。而硬质合金必须全部采用磨削。
很多工具既可用高速钢也可用整体硬质合金制造。如滚刀、冲头、成形刀具、丝锥、立铣刀、各种铣刀和滚丝轮等。但目前还不能说在高速钢和硬质合金的竞争中,已经决出胜负。
Wright指出,四年前出现了硬质合金滚刀。当时人们认为,制造这种复杂形状的刀具,非硬质合金莫属。这种情况促进了高速钢制造商进一步研发新的牌号,使之能够达到目前使用硬质合金滚刀的加工中心的要求。他进而说:"在硬质合金向高速钢的传统领域推进的时候,我们正在发展更多的抗磨损、高红硬性、高速度的新牌号,试图把硬质合金占领的一部分市场夺回来。"
为了在这个市场领域开展竞争,Carpenter公司做了一次滚齿对比试验,齿轮材料为SAE2060钢,滚刀材料为Maxanet粉末高速钢和硬质合金。由于高速钢滚刀能在较高的进给速率下工作,试验结果是:Maxanet滚刀每小时切齿轮105件,硬质合金滚刀每小时切齿85件。
此外,在成形刀具领域,某螺丝车床加工不锈钢零件,Maxanet刀具每隔12小时重磨一次,每次修磨量为0.508mm,T-15常规高速钢则每8小时需重磨一次,每次修磨量为1.016mm。
总之,Wright强调指出,硬质合金和高速钢之间的竞争,最终受益的除了用户以外,也包括工具制造商和硬质合金生产厂家。他说:"什么地方有需求,有竞争,人们就会努力思考开发新的东西,并取得成果。这样会使我们大家都得到进步