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[刀具论文] 粉末冶金高速钢应用的局限性 姚红飞, 朱冬伟, 沈哲明

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    发表于 2019-8-9 11:10:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    粉末冶金高速钢应用的局限性
    ■姚红飞,朱冬伟,沈哲明
    摘要:钢板钻试用ASP2053、ASP2030、ASP2052三种粉末高速钢来替代国产高速钢M2Al,发现其寿命不及M2Al并分析原因。
    关键词:粉末冶金高速钢;M2Al;耐磨性;试用

    我公司主导产品之一是高性能高速钢钢板钻,尺寸φ12~φ65mm,主要用于钢板和铁路钢轨的钻孔,产品有相当部分出口。为应对国内外市场竞争,需进一步提高产品切削寿命及其耐磨性能。数年前在国外最大粉末冶金高速钢(HSSPM)生产厂经销人员的推荐下,曾进行了3种HSSPM的试用。

    1. 钢板钻材料分析

    我公司钢板钻现主要用国产W6Mo5Cr4V2Al(M2Al钢,见表1),热处理硬度66~67HRC。以往曾用W6Mo5Cr4V2(M2钢,见表1)制造,热处理硬度64~65HRC,其切削寿命不及M2Al。钻孔是连续切削,切削速度25m/min,在冷却条件一般或欠佳(特别是横打孔)情况下工作,而钢板钻的失效以刃口的高温黏附磨损为主,故钢板钻需要有较佳的高温(600℃)硬度。M2Al钢产品性能优于M2钢,也证明了这一点。

    2. HSS PM ASP2053的试用

    HSS PM生产厂商经销人员提出“高速钢中含钒量高者,比含钒量低的钢种耐磨”这样一个似是而非的说法。此结论经两轮验证,现在看来该经销人员当时对ASP2053钢性能的认识是很片面的。

    (1)在国外高速钢公司的样本上,ASP2053是列在高速钢品目中,故该厂经销人员以其作为耐磨性好的HSS推荐给我公司。但仔细推敲ASP2053的[W]当量为9.8%,此值高于低合金HSS要求的≥6.5%,而低于普通HSS要求的≥11.5%,ASP2053在不同回火温度的硬度变化见表2。

    从表2可以看出,在560~600℃工作温度段,ASP2053的回火硬度下降比其他钢种剧烈,甚至不如低合金HSS 301钢;其与M2Al钢的相应硬度差距随回火温度的升高而拉大到600℃,已达3.7HRC。本文已经提到,钢板钻需要在钻孔时有较高的高温硬度,M2Al钢在500℃测定的高温硬度为724HV10(折≈61HRC),ASP2053钢的高温硬度要比M2Al的相应值低,结合表2值考虑,显然用ASP2053替代M2Al做钢板钻来提高刀具寿命是不适合的。

    [size=0.8em]表1 各钢种的化学成分及热处理硬度
    0bee3e66f187974ce360de80431e8069.jpg

    (2)从表1的钢材成分看,ASP2053的各个合金元素含量均高于301钢,但其在560℃以上回火的硬度却低于301钢,现试用其回火后碳化物组成相来解释(见表3)。

    ASP2053钢在淬火后未溶碳化物中只有数量巨大(14.7%)的高硬度(2800HV)MC,没有M6C,此MC为钢液雾化过程中直接从液相中析出的先共晶碳化物。其化学成分中合金元素以钒为主,也含有一定量的W和Mo元素(质量分数,约20%)。这大大减少了其后生成的以W和Mo为主的M6C碳化物数量。在1180℃淬火加热时,此少量M6C碳化物全部溶入奥氏体(未达到W和Mo在1180℃的饱和溶解度),所以表3中ASP2053钢在淬火后无未溶一次M6C碳化物。相反301钢的W、Mo元素总含量虽较ASP2053钢低,但其低的V含量,使1.7%的未溶一次MC碳化物(见表3),只需少量W和Mo,301钢有足够量的M6C碳化物,供淬火加热时奥氏体溶入的W和Mo元素达到饱和,并有1.3%未溶M6C。

    ASP2053在1180℃淬火加热时溶入奥氏体中的W、Mo元素量低于301钢的相应值,其量为W0.7%,Mo1.1%[1](质量分数)(此值已低于M2钢的正常值W0.8%,Mo1.67%(1230℃淬火)。ASP2053淬火后奥氏体中W、Mo含量较少,使其在560~620℃回火时的硬度低于301钢,更低于M2Al钢[1]。

    3. HSS PM ASP2030的试用

    HSSPM ASP2030 试用于钻铁道钢轨。根据钢板钻的使用要求,我公司又试用HSSPM ASP2030制造钢板钻(φ31mm)进行钻铁路钢轨试验。对比材料为M2Al钢(见表1),ASP2030的高温硬度(560~600℃)与M2Al钢的相同,或略高一点。当时的钢轨材料为热处理后的U75V钢。三种有关材料的特点见表4,U75V钢的高硬度及共析片状珠光体组织,使其难加工。

    在钢轨U75V钢热处理后,组织中高硬度(960HV,相当于67HRC)的细片状碳化物(20~25μm×0.2~0.4μm)的尺寸比HSSPM ASP2030刀具中的碳化物(φ1~φ2μm)尺寸大。在切削过程中,刀具刃口上微微凸起于基体的细小碳化物,要不断经受钢轨上长细高硬度Fe3C碳化物的刮削及巨大切削力的推挤,使刀具刃口上的微小碳化物较快脱落,撕裂HSS晶界,使晶粒缺失,而刀具磨损。

    [size=0.8em]表2 几种高速钢在不同回火温度的硬度
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    [size=0.8em]注:1. 301钢为低合金高速钢W3Mo2Cr4VSi,见表1。
    2. 在钢种代号下标的为其淬火温度℃。

    [size=0.8em]表3 淬火后几种高速钢的未溶一次碳化物数量(体积分数,%)
    8a81493e73f9e63d8f8abfb9c8898957.jpg
    [size=0.8em]注:1. ASP2053/2030成分见表1。
    2. 在钢种代号下标的为其淬火温度。

    M2Al钢为普通熔炼HSS,其碳化物尺寸较H S S P M的粗大,其表面积大,与HSS基体结合力较强,不易受切削力推挤而脱落,因此尽管ASP2030比M2Al钢有较多的高硬度MC碳化物(2800HV),二者的热硬度也几乎相同(见表2),但实际切削寿命两种钢几乎相同。由于ASP2030钢材的单价几乎为M2Al钢的8倍,使二者的性价比有较大差异,不能采用HSSPMASP2030替代M2Al做钻钢轨的钢板钻。

    4. HSSPM ASP2052的试用

    HSS PM ASP2052(见表1)试用于钢板钻螺旋槽的铣槽刀(φ63mm)。铣螺旋槽的铣刀是各工具厂都要用到的自用刀具,一般用M2-HSS制造。由于被加工件也是HSS,故磨损较快。为提高M2Al钢钢板钻铣槽刀寿命,试将铣槽刀材料由M2改用HSSPM ASP2052。ASP2052为目前高速滚齿滚刀和干切滚齿滚刀的首选材料(见表1),其是高钒(5%)高钴(8%)高性能HSS。M2、ASP2052和M2Al三种材料的特征见表5。

    高碳M2Al HSS退火组织难加工的特点为:

    (1)大量高硬度碳化物质点总量达23.5%(体积分数,%),而一般工程材料此值甚低(见图4)。

    (2)通用高速钢中铬的碳化物为M23C6(硬度1000HV),在高碳HSS中部分为M7C3(硬度1800HV)。

    (3)有较大的碳化物(12~16μm),形成硬质点。

    切削试验的结果ASP2052钢铣槽刀并不比M2钢的优越,尽管ASP2052钢铣槽刀在淬火硬度、未溶碳化物数量及高硬度MC碳化物数量(9.5%)上均比M2钢优越(见表5),但其刃口上众多微细碳化物在铣削M2Al钢沟槽组织中遇到数量众多,尺寸较大,特别是大尺寸的碳化物时,前文所述的ASP2030钢的失效情况照样在ASP2052钢上发生。此处不再重复,是以ASP2052钢铣槽刀未显其比M2钢的优越性。由于ASP2052与M2钢的性价比相差较大,我公司仍使用M2钢制作铣槽刀。

    [size=0.8em]表4 M2Al,ASP2030和U75V的材料性能特征
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    [size=0.8em]① 淬火温度1180℃。
    ② 数据来自成都工具研究所M2Al钢研究报告 淬火温度1220℃。
    ③ 参见金相图1~图3。

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    [size=0.8em]图1 M2Al淬回火态组织

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    [size=0.8em]图2 钢轨U75V组织

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    [size=0.8em]图3 ASP2030淬回火态组织

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    [size=0.8em]图4 M2Al退火态组织

    [size=0.8em]表5 M2、ASP2052和M2Al的材料性能特征
    a6c854c4dbe4e227eec0daeb3c934542.jpg
    [size=0.8em]① 淬火温度1240℃。
    ② 数据来自成都工具研究所M2Al钢研究报告。
    ③ 淬火温度1230℃。

    5. 讨论

    世界上著名HSSPM生产厂发表的HSSPM刀具应用案例,皆为成功案例。文中的HSSPM应用案例结果,到底是工厂试验不严密所致,还是正确的结果,难免引人怀疑。日本日立金属安来钢厂(日本最大的HSS生产厂)在20世纪80年代有一篇关于HSS PM XVC5(见表1)和超硬高速钢YXM60(见表1)制立铣刀性能对比试验。其中有两种被加工材料对我们有很好的参考价值。

    HS PMS XVC5和YXM60的淬回火硬度均为66~67HRC,均有很好的热硬性,第一种被加工材为耐磨冷作模具钢Cr12MoV(见表1),退火硬度240HBW。HSSPM XVC5的切削寿命只为YXM60的60%,要低很多。原因为Cr12MoV的退火组织中有18%(体积分数)的高硬度M7C3碳化物,其硬度达1800HV,颗粒尺寸大,达18~24μm,且大颗粒数量多。

    此例的结果与本文的论点是相同的,另一种被加工材料是调质到硬度345HBW的耐热钢4Cr11Si2Mo(见表1),其组织为索氏体与铁素体。HSS PM XVC5的切削寿命为YXM60的140%,要高不少。原因为此耐热钢的调质硬度高达345HBW,使立铣刀的切削力要增大约50%(相对硬度170HBW者而言)。HSSPM淬回火后的力学性能优于普通熔炼HSS,特别是韧性。这减少了立铣刀刃口的微崩刃,降低了刀具磨损,增长刀具寿命。

    反观文中的钢轨硬度也高达360~380HBW,理应对HSSPM ASP2030的钢板钻工作寿命有利,但U75V钢轨的粗片Fe3C硬碳化物还是导致其失利。附带申明一点,本文论及的HSS PM ASP2030、ASP 2052和ASP 2053皆为销量不错的名牌HSSPM,皆有其能发挥效能的众多场合。

    6. 结语

    具有均匀细小碳化物的“HSSPM 刀具”不适宜加工普通熔炼的高速钢(如M2、W 9)、高性能高速钢(如M2A l、M35)、高铬冷作模具钢(如Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1),以及共析调质钢轨U75V等钢种,上述被加工材料的共同特点为组织中有数量较多、尺寸较大的高硬度碳化物。

    参考文献:

    [1] 吴立志.低合金高速钢组织性能及合金化探讨[J].河北冶金,1991,02.

    作者简介:姚红飞、朱冬伟、沈哲明,浙江欣兴工具有限公司。

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