高速钢较低合金工具钢有好得多的红硬性, 可将切削速度提高到50m/ min 以上, 故称高速切削钢。为保证高速钢的红硬性, 必须加入W 、Mo 、Cr 、V 等碳化物形成元素。为进一步提高红硬性, 还加入了价格昂贵的Co 。世界闻名的M42即Co-Mo 高速钢, 价格是M2 的5 倍。尽管M42 的σbb及aK等性能并不高, 但为了追求高硬度与高红硬性, 工厂不惜以5倍的高价购买M42 制作刀具。但遗憾的是往往结果并不理想, M42 不如M2Al 的报导时有所闻, 在立铣刀的对比试验中M42 的切削性能也仅相当于碳含量稍高的通用高速钢W9。原因何在, 有待弄清。另外, 我们新发展的用以取代M42 的M2Si-3 及取代M2Al 的M2Si-4在600℃以上的红硬性究竟如何也是大家十分关心的。

提高淬火温度, 使更多的碳化物溶入奥氏体中可以提高红硬性, 这已是公认的。但随淬火温度提高, 奥氏体晶粒将长大、性能将变坏, 故提高淬火温度有一限度。为尽可能提高淬火温度, 细化碳化物是主要途径, M2Si 系列高速钢就是按此指导思想研制的。

为了弄清几种常用高速钢的红硬性, 我们查阅了大量资料。但遗憾的是查得的数据十分分散, 矛盾百出, 无法从中得出明确结论。究其原因, 不难理解。因影响红硬性的因素很多, 其中包括钢料成分的波动、原始组织的差异、淬火温度的选择、硬度测量的误差等等。因此对同一种钢而言, 就可能在一个相当大的范围内波动。而各种钢的红硬性的差异本来就不大, 因此, 对两种钢来说, 在实际生产中就很难分出高低。为弄清上述问题, 我们取6 种常用的高速钢在完全相同的条件下进行了系统试验 。

选用了M42、Co3N 、M2Al、M2Si-4、M2 及M2Si-3 6 种常用钢进行对比试验。6 种钢均为电渣重熔钢, 均为 20mm 圆棒, 车加工成( 17 ～ 20mm)×8mm 试样(为防止搞混, 除打号外, 还用不同外径区别)。在盐浴炉中淬火加热, 每种钢取两个淬火温度, 加热时间按15s/ mm 计算。淬火加热时, 试样离液面距离保持固定。为防止分级淬火时有碳化物析出, 全部采用油淬。

在各种钢的常用回火温度下回火。观察淬火组织, 测出淬火回火后硬度, 最后分组在小箱式炉中加热到600 、625 及650℃测红硬性。每组3 个试样, 加热到指定温度后保温2h , 快冷至室温, 测硬度, 每个试样测2 ～ 3 次取3 个试样的平均值。再重新加热到指定温度保温2h 后快冷至室温, 测总保温时间为4h 的硬度, 此即通常所说的红硬性。第3 次再加热到指定温度, 保温4h , 快冷至室温, 测出总保温8h的硬度, 绘出HRC-τ曲线, 计算软化过程激活能Q , 最后对全部数据进行综合分析。

为保证测量硬度的准确, 每次测量时均用标准块对硬度计进行校对, 以确保测量值的波动范围<±0.2HRC 。

出乎意料, 600 ℃以上, Co 不仅不能提高红硬性, 反使M42 的硬度迅速下降, 使625 ℃及650 ℃红硬性反而低于M2Al 及M2Si-4。与文献中数据相比, M42 的数据还略高于文献中的数据, 这表明本试验结果无误。看来Co的作用主要是提高二次硬化效应, 对红硬性的影响可能不如碳。试验用M42 的平衡碳量并不高, 碳饱和度略高于M2Al及M2Si-4。经1170 ℃及1190 ℃淬火后硬度也不高, 但经540 ℃回火后硬度均高于69HRC , 高出M2Al 及M2Si-4 约2HRC, 经600℃×4h 回火M42 还能勉强保持这一优势。在某些情况下M42 的切削性能优于M2 及M2Al, 靠的就是600 ℃以下较高的硬高。如成分偏下限, 切削温度较高, 价格昂贵的M42 的切削性能很可能只有W9 的水平。

因Co3N 仅含3 %Co , 故二次硬化效果不如M42, 但Co3N含有N, N 对红硬性的贡献可能与C 同, 故Co3N 的红硬性优于M42 。但在650℃, 仍低于较高温度淬火的M2Al。

目前, 钢厂为降低成本, 有走下限的倾向, 后果是降低了钢的平衡碳量, 这就有可能降低硬度及红硬性。某厂在采用Co3N 时曾因此一次损失50 万元。

据此, 一方面我们应破除对Co 高速钢的迷信, 另一方面也要求钢厂保证Co 高速钢的质量 。

根据已有的资料及我们所得结果, 高速钢的红硬性主要决定于淬火加热时溶入奥氏体的合金碳化物量。这既决定于钢的化学成分, 也决定于淬火加热温度及保温时间。钢的平衡碳量及碳饱和度愈高, 淬火加热温度愈高, 保温时间愈长,熔入奥氏体的碳化物愈多, 则淬火回火后的硬度及红硬性也愈高。用M2Al 的平衡碳量最高, 碳饱和度A >1 , 经较高温度淬火后具有最高的红硬性。但随淬火温度提高, 奥氏体晶粒将长大, 性能将变坏。

M2Al 经1240℃淬火后, 奥氏体晶粒度为8 ～ 9.5 级, 出现混晶, 淬火温度已偏高。由此可见, 为提高红硬性, 必须同时提高平衡碳量及碳饱和度, 但这将加重碳化物偏析及出现粗大碳化物使σbb 、σK 等下降。故最好的解决办法仍是采用粉末高速钢及少无莱氏体高速钢 。

M2Si-4 钢与M2Al 钢的对比

M2Si-4 钢与M2Al 钢具有相同的平衡碳量, 但M2Si-4 钢的碳饱和度低于M2Al 钢的, 故M2Si-4 钢淬火回火后的硬度低于M2Al 钢。但Si 使碳化物变细, 在碳化物总量相同的情况下可以增加碳化物颗粒数, 因而可以更加有效地阻止淬火加热时奥氏体晶粒的长大。故可在较高温度下加热使碳化物更充分溶入奥氏体中。M2Al 钢适宜的加热温度为1220℃, 1240℃加热虽可获得更高的红硬性, 但奥氏体晶粒已太粗大, 而M2Si-4 钢经1240 ℃加热奥氏体晶粒度仍为10 级, 碳化物溶解尚不充分, 淬回火后的硬度与红硬性已与1220℃淬火的M2Al 钢相同, 其它性能则优于M2Al钢。由此可见, M2Si-4 钢完全可以取代M2Al 钢, 甚至M42 钢 。

通用高速钢M2 的平衡碳量虽与M2Si-4 钢及M2Al 钢相同, 但因碳饱和度低, 故红硬性也低, 如用含碳较高的M2Si-3钢取代, 由于碳饱和度提高, 不仅可以提高淬火回火后硬度,还可提高红硬性 。

(1) 高速钢的红硬性主要取决于淬火加热时溶入奥氏体中的碳化物的量,合金元素对红硬性的影响还有待进一步研究。

(2)Co 能显著提高二次硬化效应, 也有可能提高高温硬度, 但不能提高红硬性, M42 钢在600℃以上的红硬性低于M2Al 钢及M2Si-4 钢。

(3)M2Si-4 钢的碳含量虽低于M2Al 钢, 但在最佳温度下淬火, 其红硬性与M2Al 钢相同, 而其它性能均优于M2Al钢, 故可用M2Si-4 钢取代M2Al 钢。

(4) 用碳饱和度较高的M2Si-3 钢取代M2 钢, 可以在不降低其它性能的前提下提高淬火回火后的硬度与红硬性 。

适合要求具有红硬性要求的切削工具。2100433B