高速鋼刀具提高耐用度

對(duì)拉刀、滾刀、鉸刀、銑刀等復(fù)雜高速鋼刀具，在低溫條件下，進(jìn)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?yàn)檫@些元素滲入刀具表層后，使刃具表層的化學(xué)成分發(fā)生了變化，在切削過(guò)程中起到了減小摩擦和自潤(rùn)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(chǎn)成本。

此工藝簡(jiǎn)單，工作溫度低，是一種提高復(fù)雜高速鋼刀具耐用度的有效措施。

100年前，美國(guó)機(jī)械工程師泰勒(F.W Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)在經(jīng)過(guò)廣泛而系統(tǒng)的切削試驗(yàn)之后，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(dāng)時(shí)切削中碳鋼速度為30m/min，比之前提高了十幾倍。這一成果帶來(lái)了機(jī)械加工的劃時(shí)代革命，也因此使得刀具材料在進(jìn)入19世紀(jì)后呈現(xiàn)出異乎尋常的發(fā)展速度，創(chuàng)造了前所未有的輝煌。100年來(lái)，盡管不斷出現(xiàn)各種新的刀具材料，但高速鋼依然沒(méi)有被歷史所淘汰，一直沿用并發(fā)展至今，甚至曾長(zhǎng)期 占據(jù)霸主地位。

刀具材料的發(fā)展因其對(duì)切削技術(shù)、機(jī)械加工的直接影響，從而間接地影響了人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，而刀具材料史上最具里程碑意義的事件莫過(guò)于高速鋼的成功研制。

更多的人愿意用1900年巴黎博覽會(huì)上高速鋼刀具的公開(kāi)演示作為“高速鋼元年”，不僅因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間的簡(jiǎn)單易記，或許更因?yàn)楦咚黉摰毒弋?dāng)年所引起的轟動(dòng)效應(yīng)；有人則愿意記錄泰勒和懷特研制成功高速鋼的1898年，因?yàn)槟鞘且粋€(gè)從無(wú)到有的突破；另有一些文獻(xiàn)記錄則強(qiáng)調(diào)1906年，那一年泰勒和懷特確立了真正影響后世百年的W18Cr4V。哪一年對(duì)今天的我們而言，或許已不再那么重要，重要的是高速鋼乃至其他刀具材料的發(fā)展到底將去向何方？

1910年，一位英國(guó)人這樣寫道：“在1900年巴黎博覽會(huì)上，一些工程師看到了一部高速運(yùn)轉(zhuǎn)的車床，上面裝有一個(gè)工具，正用它尖頭的熾熱消除一個(gè)暗藍(lán)色 碎片，工程師們意識(shí)到他們親眼見(jiàn)證了工具鋼和機(jī)床方面的一個(gè)革命的開(kāi)始?！?

巴黎的這件展覽品是匹茲堡伯利恒鋼鐵公司的產(chǎn)品，它正是泰勒和懷特所進(jìn)行的試驗(yàn)的刀具材料，是由制造時(shí)經(jīng)過(guò)一種熱處理的鉻鎢鋼制成的，其車削速度比碳鋼高出十幾倍。盡管刀具由于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(wú)不瞠目結(jié)舌。此后，這種鋼就獲得了“高速鋼(high-speed steel)”的美名。

人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到這種鋼的優(yōu)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)可以利用這種鋼的有效刀具——車刀、刨刀、鉆頭、銑刀等等。一場(chǎng)革命開(kāi)始了。最初高速鋼只用于粗切，但是隨著不斷的改進(jìn)，各種刀具都紛紛變成了高速鋼材料。人們逐漸發(fā)現(xiàn)高速鋼具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等特點(diǎn)，有較好的工藝性能，強(qiáng)度和韌性配合好，而且具有很好的紅硬性。于是，高速鋼成為了刀具材料市場(chǎng)上幾十年的“霸主”。

在隨后的時(shí)間里，隨著被加工材料的不斷變化以及生產(chǎn)加工的需要，人們不斷改變高速鋼的成分，先后出現(xiàn)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(guó)Crucible Steels公司發(fā)明了粉末冶金高速鋼，之后由瑞典Stora廠于1970年投入生產(chǎn)。

高速鋼常用于鉆頭、絲錐、鋸條以及滾刀、插齒刀、拉刀等精密刀具，尤適用于制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具。

高速鋼刀具100年來(lái)的發(fā)展大致可以分為兩半，前半個(gè)世紀(jì)是高速鋼刀具的輝煌，高速鋼被用來(lái)制造幾乎所有品種的刀具以實(shí)現(xiàn)各種切削加工。但隨著各種被加工材料機(jī)械性能的不斷提高，高速鋼逐漸難以招架。

1923年，硬質(zhì)合金的出現(xiàn)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，但由于硬質(zhì)合金脆性較大，可加工性又差，因此只能在部分加工范圍內(nèi)代替高速鋼，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有撼動(dòng)高速鋼的霸主地位。

但后來(lái)，硬質(zhì)合金的性能不斷提高，發(fā)展了許多新品種，逐漸蠶食著高速鋼刀具的市場(chǎng)份額。

隨后又出現(xiàn)了陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石等更為先進(jìn)的刀具材料，它們的硬度和耐磨性又超過(guò)了硬質(zhì)合金。盡管它們由于脆性大、價(jià)格昂貴等原因難以占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，但這對(duì)高速鋼刀具而言，尤其是近三四十年以來(lái)，無(wú)疑使其下滑萎縮十分明顯，硬質(zhì)合金刀具至今已經(jīng)替代了很大一部分高速鋼刀具。于是，逐漸形成了以硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具為主體的行業(yè)架構(gòu)。

如今，高速鋼刀具的確是風(fēng)光不再了。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，硬質(zhì)合金刀具已占世界刀具消費(fèi)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(chǎn)值每年遞減1.25%，而硬質(zhì)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(chǔ)藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計(jì)其儲(chǔ)量只夠再開(kāi)采使用40～60年，因此高速鋼本身也面臨嚴(yán)峻的發(fā)展危機(jī)。

國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)在一項(xiàng)研究報(bào)告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔十年幾乎提高一倍?！痹谶@100年中，不斷有新的材料出 現(xiàn)，原有的材料也不斷改進(jìn)。

盡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，主要用于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(píng)價(jià)中優(yōu)于硬質(zhì)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(huì)損害材料的強(qiáng)韌性或耐磨性，從而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削沖擊、適合高切除率加工和斷續(xù)切削加工的刀具，大有逐漸取代脆性較大、在切削沖擊下易發(fā)生碎裂的整體硬質(zhì)合金刀具的趨勢(shì)。

近幾年，用高性能高速鋼制造的刀具已擴(kuò)大應(yīng)用到一般的加工中，成為國(guó)外高速鋼刀具的常規(guī)產(chǎn)品。世界粉末冶金高速鋼在刀具上的應(yīng)用及各類刀具占的百分比已達(dá)到齒輪刀具占70%，拉刀占30%，立銑刀占20%，鉆頭占1%，這有助于維持高速鋼刀具的應(yīng)用領(lǐng)域。

盡管世界范圍來(lái)講，已全面進(jìn)入硬質(zhì)合金刀具時(shí)代，但就國(guó)內(nèi)而言，高速鋼刀具依然占有相當(dāng)強(qiáng)勢(shì)的份額。不過(guò)，我國(guó)高速鋼刀具仍舊主要是普通高速鋼，高速鋼的品級(jí)有待提升。

由于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臺(tái)上繼續(xù)活躍100年，實(shí)難可知，但顯而易見(jiàn)的是，它肯定會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)存在并繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。國(guó)內(nèi)頻頻有聲討普通高速鋼生產(chǎn)的聲音，甚至大有打殺圍堵的意味，一位行業(yè)專家則堅(jiān)稱，“國(guó)內(nèi)普通高速鋼的市場(chǎng)需求依然旺盛(盡管這并不符合世界刀具發(fā)展的主流)，有需求生產(chǎn)企業(yè)自然樂(lè)意供應(yīng)，我們更應(yīng)該做的恐怕是引導(dǎo)而不是圍堵，引導(dǎo)企業(yè)提升高速鋼刀具的品級(jí)，減少大量低附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。

由于機(jī)械制造中使用的刀具基本上都用于切削金屬材料，所以，越是堅(jiān)韌的刀具越能被廣泛應(yīng)用，高速鋼刀具完全符合這一特點(diǎn)。

高速鋼刀具一般不做抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)，而以金相、硬度檢驗(yàn)為主。

鎢系和鉬系高速鋼經(jīng)正確的熱處理后，洛氏硬度能達(dá)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(jiàn)的縮孔 、翻皮。中心疏松，一般疏松應(yīng)小于1級(jí)。

金相檢驗(yàn)的內(nèi)容主要包括脫碳層、顯微組織和碳化物不均勻度3個(gè)項(xiàng)目。

1.高速鋼不應(yīng)有明顯的脫碳。顯微組織不得有魚(yú)骨狀共晶萊氏體存在。

2.高速鋼中碳化物不均勻度對(duì)質(zhì)量影響最大，冶金和機(jī)械部門對(duì)碳化物不均勻度的級(jí)別 十分重視。根據(jù)鋼的不同用途可對(duì)碳化物不均勻度提出不同的級(jí)別要求，通常情況下應(yīng)小于3級(jí)。

3.用高速鋼制造切削工具，除因其具有高硬度、高耐磨性和足夠的韌性之外，還有一個(gè)重要因素是具有紅硬性。（紅硬性是指刀具在高速切削時(shí)，刀刃在紅熱狀態(tài)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(shí),然后冷卻,這樣反復(fù)4次后測(cè)量其硬度值。高速鋼的淬火溫度一般均接近鋼的熔點(diǎn)，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(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，如低溫氰化、氮化、硫氮共滲等。

近年來(lái)，中國(guó)的刀具消耗連續(xù)位居世界首位。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的需求下，減少和控制刀具磨損，是延長(zhǎng)刀具壽命、節(jié)約制造成本的有效手段之一。生物為了適應(yīng)環(huán)境和滿足生存需要，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，在自然法則下優(yōu)化出具有極其優(yōu)異功能的生物體表面。本項(xiàng)目根據(jù)仿生學(xué)原理，提出一種刀具表面結(jié)構(gòu)仿生的新構(gòu)想，研制一種基于激光強(qiáng)化的高速鋼刀具結(jié)構(gòu)仿生表面。本項(xiàng)目以高速鋼刀具為研究對(duì)象，以提高刀具表面的耐磨性為研究目標(biāo)，通過(guò)將激光強(qiáng)化和刀具表面結(jié)構(gòu)仿生相結(jié)合的手段，共同提高刀具的耐磨性。研究?jī)?nèi)容包括：探索刀具結(jié)構(gòu)仿生表面的設(shè)計(jì)方法，研究激光強(qiáng)化仿生結(jié)構(gòu)單元的加工方法，分析結(jié)構(gòu)仿生表面的摩擦學(xué)特性，研究激光強(qiáng)化仿生刀具的切削性能。開(kāi)展本項(xiàng)目研究，將解決激光強(qiáng)化高速鋼仿生刀具在設(shè)計(jì)與加工中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提供提高刀具表面耐磨性的新途徑，建立切削刀具表面結(jié)構(gòu)仿生的基本原理和方法。

《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):硬質(zhì)涂層高速鋼刀具 技術(shù)條件(GB/T 25671-2010)》由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。

中國(guó)是切削刀具的消耗大國(guó)，如果能夠合理設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)，則可以減少刀具磨損，提高刀具性能，延長(zhǎng)刀具壽命。本項(xiàng)目應(yīng)用仿生學(xué)原理，開(kāi)展切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，在高速鋼刀具的后刀面設(shè)計(jì)出提高耐磨性能的微凹坑以及網(wǎng)紋等仿生結(jié)構(gòu)表面，在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的前刀面設(shè)計(jì)出具有良好斷屑性能的激光熔覆斷屑臺(tái)，設(shè)計(jì)出易于再制造的組合式電鍍金剛石砂輪。研究了結(jié)構(gòu)仿生表面的摩擦磨損性能，分析仿生單元特征對(duì)表面磨損的影響，建立了結(jié)構(gòu)仿生表面的磨損量數(shù)學(xué)模型，對(duì)仿生單元的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索了高速鋼刀具材料粉末熔覆仿生強(qiáng)化表面的制造方法，分析高速鋼粉末熔覆仿生強(qiáng)化表面的組織結(jié)構(gòu)與磨損性能。針對(duì)金屬和氟金云母玻璃陶瓷材料，研究了高速鋼刀具結(jié)構(gòu)仿生表面的磨損特性。設(shè)計(jì)并制造了高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺(tái)，研究了高速鋼表面激光粉末熔覆刀具的切削過(guò)程與斷屑效果。通過(guò)本項(xiàng)目的研究工作，設(shè)計(jì)并制造出高速鋼刀具的表面仿生結(jié)構(gòu)，可以改善高速鋼刀具的表面耐磨性，提供了一種刀具表面仿生設(shè)計(jì)的新方法。基于仿生原理設(shè)計(jì)出便于拆卸的組合式砂輪基體，實(shí)現(xiàn)了電鍍金剛石砂輪的綠色再制造，提供一種新的可回收金剛石砂輪設(shè)計(jì)方案，為報(bào)廢金剛石工具的回收和再制造提供了新思路。設(shè)計(jì)并制造出一種高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺(tái)，有效實(shí)現(xiàn)了切削過(guò)程的斷屑，可以應(yīng)用于高速鋼刀具以及硬質(zhì)合金刀具。 2100433B