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现代刀具材料系列讲座高性能熔炼高速钢  摘 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 关键词：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 高碳高速钢 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 高钴高速钢 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 高钒高速钢 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 含铝高速钢 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M425F6也是含铝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γ0=4°，主偏角κr=45°，刀尖圆弧半径γε=0.2mm。

切削深度αp=1mm，进给量f=0.1mm部分刀具的磨损曲线见图1T-ν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-ν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 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 粉末冶金高速钢的优点 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2～3μm以下因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出20～50％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1～1.5HRC，高温硬度(550℃～600℃)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 粉末冶金高速钢的切削试验 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及熔炼高性能高速钢Co5Si，V3N进行切削对比 切削用量：ν=40m/min，αp=3mm，f=0.15mm/r。

刀具几何参数：γ0=20°，κr=75°，κr′=l5°，γε=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：ν=12m/min，αp=6.2mm,f=0.025mm/双行程 刀具几何参数：γ0=18°，κr=90° 加硫化切削油 刀具磨损曲线如图2所示由图2可见，GF3拉刀的耐用度高于Co5Si4 国内外情况 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：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5～10μm 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 涂层高速钢刀具的优点 TiN的硬度为HV1800～2000，密度为5.44g/c㎡，热导率为29.31W/(m?℃)，线膨胀系数为(9.31～9.39)×10-6/℃而高速钢基体的硬度仅为HV800～850故涂层后的高速钢刀具，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5～10％，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 切削实验数据 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：γ0=16°，α0=8°，κr=45°，λε=-4°，γε=0.5mm 切削用量：αp=0.5mm，f=0.2lmm/r，ν=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：γ0=10°，α0=8°，κr =45°，λε=0°，γε=0.5mm 切削用量：αp =O.5mm，f=0.21mm/r，ν=25m/min，干切削 磨损曲线如图2听示 实验三：工件材料：38CrNi3MoVA(调质，HRC36～40) 车刀几何角度：γ0=8α0=8κr =75λε=-4γε=0．8ram 切削用量：αp =1mm，f=。