性能介紹
高速鋼較低合金工具鋼有好得多的紅硬性, 可將切削速度提高到50m/ min 以上, 故稱高速切削鋼。為保證高速鋼的紅硬性, 必須加入W 、Mo 、Cr 、V 等碳化物形成元素。為進一步提高紅硬性, 還加入了價格昂貴的Co 。世界聞名的M42即Co-Mo 高速鋼, 價格是M2 的5 倍。儘管M42 的σbb及aK等性能並不高, 但為了追求高硬度與高紅硬性, 工廠不惜以5倍的高價購買M42 製作刀具。但遺憾的是往往結果並不理想, M42 不如M2Al 的報導時有所聞, 在立銑刀的對比試驗中M42 的切削性能也僅相當於碳含量稍高的通用高速鋼W9。原因何在, 有待弄清。另外, 我們新發展的用以取代M42 的M2Si-3 及取代M2Al 的M2Si-4在600℃以上的紅硬性究竟如何也是大家十分關心的。
提高淬火溫度, 使更多的碳化物溶入奧氏體中可以提高紅硬性, 這已是公認的。但隨淬火溫度提高, 奧氏體晶粒將長大、性能將變壞, 故提高淬火溫度有一限度。為儘可能提高淬火溫度, 細化碳化物是主要途徑, M2Si 系列高速鋼就是按此指導思想研製的。
為了弄清幾種常用高速鋼的紅硬性, 我們查閱了大量資料。但遺憾的是查得的數據十分分散, 矛盾百出, 無法從中得出明確結論。究其原因, 不難理解。因影響紅硬性的因素很多, 其中包括鋼料成分的波動、原始組織的差異、淬火溫度的選擇、硬度測量的誤差等等。因此對同一種鋼而言, 就可能在一個相當大的範圍內波動。而各種鋼的紅硬性的差異本來就不大, 因此, 對兩種鋼來說, 在實際生產中就很難分出高低。為弄清上述問題, 我們取6 種常用的高速鋼在完全相同的條件下進行了系統試驗 。
高速鋼性能
選用了M42、Co3N 、M2Al、M2Si-4、M2 及M2Si-3 6 種常用鋼進行對比試驗。6 種鋼均為電渣重熔鋼, 均為 20mm 圓棒, 車加工成( 17 ～ 20mm)×8mm 試樣(為防止搞混, 除打號外, 還用不同外徑區別)。在鹽浴爐中淬火加熱, 每種鋼取兩個淬火溫度, 加熱時間按15s/ mm 計算。淬火加熱時, 試樣離液面距離保持固定。為防止分級淬火時有碳化物析出, 全部採用油淬。
在各種鋼的常用回火溫度下回火。觀察淬火組織, 測出淬火回火後硬度, 最後分組在小箱式爐中加熱到600 、625 及650℃測紅硬性。每組3 個試樣, 加熱到指定溫度後保溫2h , 快冷至室溫, 測硬度, 每個試樣測2 ～ 3 次取3 個試樣的平均值。再重新加熱到指定溫度保溫2h 後快冷至室溫, 測總保溫時間為4h 的硬度, 此即通常所說的紅硬性。第3 次再加熱到指定溫度, 保溫4h , 快冷至室溫, 測出總保溫8h的硬度, 繪出HRC-τ曲線, 計算軟化過程激活能Q , 最後對全部數據進行綜合分析。
為保證測量硬度的準確, 每次測量時均用標準塊對硬度計進行校對, 以確保測量值的波動範圍<±0.2HRC 。
Co的作用
出乎意料, 600 ℃以上, Co 不僅不能提高紅硬性, 反使M42 的硬度迅速下降, 使625 ℃及650 ℃紅硬性反而低於M2Al 及M2Si-4。與文獻中數據相比, M42 的數據還略高於文獻中的數據, 這表明本試驗結果無誤。看來Co的作用主要是提高二次硬化效應, 對紅硬性的影響可能不如碳。試驗用M42 的平衡碳量並不高, 碳飽和度略高於M2Al及M2Si-4。經1170 ℃及1190 ℃淬火後硬度也不高, 但經540 ℃回火後硬度均高於69HRC , 高出M2Al 及M2Si-4 約2HRC, 經600℃×4h 回火M42 還能勉強保持這一優勢。在某些情況下M42 的切削性能優於M2 及M2Al, 靠的就是600 ℃以下較高的硬高。如成分偏下限, 切削溫度較高, 價格昂貴的M42 的切削性能很可能只有W9 的水平。
因Co3N 僅含3 %Co , 故二次硬化效果不如M42, 但Co3N含有N, N 對紅硬性的貢獻可能與C 同, 故Co3N 的紅硬性優於M42 。但在650℃, 仍低於較高溫度淬火的M2Al。
目前, 鋼廠為降低成本, 有走下限的傾向, 後果是降低了鋼的平衡碳量, 這就有可能降低硬度及紅硬性。某廠在採用Co3N 時曾因此一次損失50 萬元。
據此, 一方面我們應破除對Co 高速鋼的迷信, 另一方面也要求鋼廠保證Co 高速鋼的質量 。
碳的作用
根據已有的資料及我們所得結果, 高速鋼的紅硬性主要決定於淬火加熱時溶入奧氏體的合金碳化物量。這既決定於鋼的化學成分, 也決定於淬火加熱溫度及保溫時間。鋼的平衡碳量及碳飽和度愈高, 淬火加熱溫度愈高, 保溫時間愈長,熔入奧氏體的碳化物愈多, 則淬火回火後的硬度及紅硬性也愈高。用M2Al 的平衡碳量最高, 碳飽和度A >1 , 經較高溫度淬火後具有最高的紅硬性。但隨淬火溫度提高, 奧氏體晶粒將長大, 性能將變壞。
M2Al 經1240℃淬火後, 奧氏體晶粒度為8 ～ 9.5 級, 出現混晶, 淬火溫度已偏高。由此可見, 為提高紅硬性, 必須同時提高平衡碳量及碳飽和度, 但這將加重碳化物偏析及出現粗大碳化物使σbb 、σK 等下降。故最好的解決辦法仍是採用粉末高速鋼及少無萊氏體高速鋼 。
相關比較
M2Si-4 鋼與M2Al 鋼的對比
M2Si-4 鋼與M2Al 鋼具有相同的平衡碳量, 但M2Si-4 鋼的碳飽和度低於M2Al 鋼的, 故M2Si-4 鋼淬火回火後的硬度低於M2Al 鋼。但Si 使碳化物變細, 在碳化物總量相同的情況下可以增加碳化物顆粒數, 因而可以更加有效地阻止淬火加熱時奧氏體晶粒的長大。故可在較高溫度下加熱使碳化物更充分溶入奧氏體中。M2Al 鋼適宜的加熱溫度為1220℃, 1240℃加熱雖可獲得更高的紅硬性, 但奧氏體晶粒已太粗大, 而M2Si-4 鋼經1240 ℃加熱奧氏體晶粒度仍為10 級, 碳化物溶解尚不充分, 淬回火後的硬度與紅硬性已與1220℃淬火的M2Al 鋼相同, 其它性能則優於M2Al鋼。由此可見, M2Si-4 鋼完全可以取代M2Al 鋼, 甚至M42 鋼 。
通用高速鋼
通用高速鋼M2 的平衡碳量雖與M2Si-4 鋼及M2Al 鋼相同, 但因碳飽和度低, 故紅硬性也低, 如用含碳較高的M2Si-3鋼取代, 由於碳飽和度提高, 不僅可以提高淬火回火後硬度,還可提高紅硬性 。
總結
(1) 高速鋼的紅硬性主要取決於淬火加熱時溶入奧氏體中的碳化物的量,合金元素對紅硬性的影響還有待進一步研究。
(2)Co 能顯著提高二次硬化效應, 也有可能提高高溫硬度, 但不能提高紅硬性, M42 鋼在600℃以上的紅硬性低於M2Al 鋼及M2Si-4 鋼。
(3)M2Si-4 鋼的碳含量雖低於M2Al 鋼, 但在最佳溫度下淬火, 其紅硬性與M2Al 鋼相同, 而其它性能均優於M2Al鋼, 故可用M2Si-4 鋼取代M2Al 鋼。
(4) 用碳飽和度較高的M2Si-3 鋼取代M2 鋼, 可以在不降低其它性能的前提下提高淬火回火後的硬度與紅硬性 。
