高速工具钢主要用于制造高效率的切削刀具。由于其具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性,也用于制造性能要求高的模具、轧辊、高温轴承和高温弹簧等。高速工具钢经热处理后的使用硬度可达HRC63以上,在600℃左右的工作温度下仍能保持高的硬度,而且其韧性、耐磨性和耐热性均较好。退火状态的高速工具钢的主要合金元素有钨、钼、铬、钒,还有一些高速工具钢中加入了钴、铝等元素。这类钢属于高碳高合金莱氏体钢,其主要的组织特征之一是含有大量的碳化物。铸态高速工具钢中的碳化物是共晶碳化物,经热压力加工后破碎成颗粒状分布在钢中,称为一次碳化物;从奥氏体和马氏体基体中析出的碳化物称为二次碳化物。这些碳化物对高速工具钢的性能影响很大,特别是二次碳化物,其对钢的奥氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影响。碳化物的数量、类型与钢的化学成分有关,而碳化物的颗粒度和分布则与钢的变形量有关。钨、钼是高速工具钢的主要合金元素,对钢的二次硬化和其他性能起重要作用。铬对钢的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用,对二次硬化也有一定的作用。钒对钢的二次硬化和耐磨性起重要作用,但降低可磨削性能。

含钴高速工具钢是在通用高速工具钢的基础上加入一定量的钴,可显著提高钢的硬度、耐磨性和韧性。

粉末高速工具钢是用粉末冶金方法产生的。首先用雾化法制取低氧高速工具钢预合金粉末,然后用冷、热静压机将粉末压实成全致密的钢坯,再经锻、轧成材。粉末高速工具钢的碳化物细小、分布均匀,韧性、可磨削性和尺寸稳定性等均很好,可生产用铸锭法个可能产生更高合金元素含量的超硬高速工具钢。粉末高速工具钢可分为3类,第一类是含钴高速工具钢,其特点是具有接近硬质合金的硬度,而且还具有良好的可锻性、可加工性、可磨性和强韧性。第二类是无钴高钨、钼、钒超硬高速工具钢。第三类是超级耐磨高速工具钢。其硬度不太高,但耐磨性极好,主要用于要求高耐磨并承受冲击负荷的工作条件。

高速钢按所含合金元素可分为:①钨系高速钢(W 9~18%)、②钨钼系高速钢(W5~12%,Mo 2~6%)、③高钼系高速钢(W 0~2%,Mo 5~10%)。各系又可按含钒量的多少分为一般含钒量(V 1~2%)和高含钒量(V 2.5~5%)。任何高速钢如含钴 (Co 5~10%)时,又归入钴高速钢。

高速钢按用途可分为综合性通用型高速钢和特种用途高速钢两类。通用高速钢广泛用于制作各种金属切削普通刀具(如钻头、丝锥、锯条)和精密刀具(如滚刀、插齿刀、拉刀)。被切削材料一般硬度 HB≤300。特种用途高速钢又可分为高钒高速钢,一般含钴高速钢和超硬型(HRC 68~70)高速钢(表2)。 高速钢主要用途是制造高速切削工具,除具有高硬度(一般大于HRC 63,高的可达HRC 68~70),高耐磨性和足够韧性外,还要有在高速切削下刀刃不因发热而软化的耐热性。耐热性通常用红硬性衡量,也就是在580~650℃把钢先后加热4次,每次保温 1小时后空冷,然后在室温下测定其硬度值。高速钢的韧性通常用弯曲强度和冲击值来衡量。高速钢应用于制造冷作模具,在使用性能上主要要求有高的抗压屈服强度,高的耐磨性和高韧性,而对耐热性则要求不高,因此可采用较低的温度淬火。

工艺性能也是高速钢的重要指标。首先,要有良好的热塑性,以便充分破碎共晶碳化物和加工成形;其次,要有低的退火硬度,以便在生产过程中进行冷成形和切削加工。其他工艺性能如过热不敏感性,脱碳不敏感性,低的淬火变形性,在电阻焊和摩擦焊中与柄部碳钢结合的良好焊接性能等也很重要,尤其是磨削性,对于制造复杂刀具是极其重要的。

保证碳化物充分破碎、细化并均匀分布(见图),历来是高速钢生产工艺和提高质量的关键问题。为此,高速钢应采用低温浇铸工艺,选择良好锭型,并根据钢材规格选用足够大的压缩比。中国自1965年以来采用扁锭生产高速钢,其优点为显著加快钢锭凝固速度,从而改善了钢材的碳化物不均匀度和低倍组织。大尺寸钢材多采用电渣重熔钢锭。锻造开坯、轧制成材的工艺有利于提高质量。高速钢的热加工温度、变形量和退火制度,对钢材的热处理性能,尤其是对淬火后的晶粒度有明显的影响,须严加控制。热加工中如终锻(轧)温度过高,变形量不足或已经过一次淬火,但未经充分退火又进行第二次淬火,会出现特殊闪光的萘状断口(见金属宏观检验),从而显著降低钢的韧性,使刀具脆崩。还采用快锻液压机开坯、精锻机成材的新工艺。

高速钢需通过特殊的热处理才能获得所需的性能。一般淬火温度均接近这种钢的熔化温度,例如高钨钢为1270~1290℃,钨钼钢为1210~1240℃,高钼钢为1180~1210℃,一般采用540~560℃回火三次,以得到二次硬化的最佳效果。对韧性和红硬性有不同要求时,可适当调整淬火温度。

粉末冶金高速钢可保证碳化物细小和均匀分布,对改善高碳高钒高速钢的磨削性、改进热加工性,减少淬火变形以及提供碳化物质量优异的大尺寸钢材确有独特优点;可以生产出合金含量更高和切削能力较大的高速钢。高速钢刀具的真空热处理获得广泛应用;刀具的氧氮化、碳氮氧共渗等表面化学热处理,也正在普遍采用,尤其是化学气相沉积法和物理气相沉积法的发展,可进一步提高刀具的使用寿命。

高速工具钢的淬火温度很高,接近熔点,其目的是使合金碳化物更多的溶入基体中,使钢具有更好的二次硬化能力。高速工具钢淬火后硬度升高,此为第一次硬化,但淬火温度越高,则回火后的强度和韧性越低。淬火后在350℃以下低温回火硬度下降在350℃以上温度回火硬度逐渐提高,至520~580℃范围内回火(化学成分不同,回火温度不同)出现第二次硬度高峰,并超过淬火硬度,此为二次硬化。这是高速工具钢的重要特性。

高速工具钢除了具有高的硬度、耐磨性、红硬性等使用性能外,还具有一定的热塑性、可磨削性等工艺性能。

钨系高速工具钢主要合金元素是钨,不含钼或含少量钼。其主要特性是过热敏感性小,脱碳敏感性小、热处理和热加工温度范围较宽,但碳化物颗粒粗大,分布均匀性差,影响钢的韧性和塑性。

钨钼系高速工具钢的主要合金元素是钨和钼。其主要特性是碳化物的颗粒度和分布均优于钨系高速工具钢,脱碳敏感性和过热敏感性低于钼系高速工具钢,使用性能和工艺性能均较好。

钼系高速工具钢的主要合金元素是钼,不含钨或含少量钨。其主要特性是碳化物颗粒细,分布均匀、韧性好,但脱碳敏感性和过热敏感性大、热加工和热处理范围窄。

物理性能

硬度

工具钢制成工具经热处理后具有足够高的硬度,如用于金属切削加工的工具一般在HRC60以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所产生高温的受热条件下,仍能保持高的硬度和良好的红硬性。碳素工具钢和合金工具钢一般在180℃~250℃、高速工具钢在600℃左右的工作温度下,仍能保持较高的硬度。红硬性对热变形模具和高速切削刀具用钢是非常重要的性能。

耐磨性

工具钢具有良好的耐磨性,即抵抗磨损的能力。工具在承受相当大的压力和摩擦力的条件下,仍能保持其形状和尺寸不变。

强度和韧性

工具钢具有一定的强度和韧性,使工具在工作中能够承受负荷、冲击、震动和弯曲等复杂的应力,以保证工具的正常使用。

其他性能

由于各种工具的工作条件不同,工具用钢还具有一些其他性能,如模具用钢还应具有一定的高温力学性能、热疲劳性、导热性和耐磨腐蚀性能等。

工艺性能

工具钢除了具有上述使用性能外,还应具有良好的工艺性能。

1、加工性

工具钢应具有良好的热压力加工性能和机械加工性能,才能保证工具的制造和使用。钢的加工性取决于化学成分、组织的质量。

2、淬火温度宽泛性

工具钢的淬火温度应足够宽,以减少过热的可能性。

3、淬硬性和淬透性

淬硬性是钢在淬火后所能达到最高硬度的性能。淬硬性主要与钢的化学成分特别是碳含量有关,碳含量越高,则钢的淬硬性越高。

淬透性表示钢在淬火后从表面到内部的硬度分布状况。淬透性的高低与钢的化学成分、纯洁度、晶粒度有关。

根据用于制造不同的工具,对这两种性能各有一定的要求。

4、脱碳敏感性

工具表面发生脱碳,将使表面层硬度降低,因此要求工钢的脱碳敏感性低。在相同的加条件下,钢的脱碳敏感性取决于其化学成分。

5、热处理变形性

工具在热处理时,要求其尺寸和外形稳定。

6、 耐削性

对于制造刀具和量具用钢,要求具有良好的磨削性。钢的磨削性与其化学成分有关,特别是钒含量,如果钒质量分数不小于0.50%则磨削性变坏。

高速工具钢是一种高碳高合金工具钢,wC=0.70~1.25%,常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等,W、Mo、V是提高热硬性的主要元素,V可形成高硬度的碳化物,显著提高钢的硬度及耐磨性,Cr可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢,这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95 %以上。

主要有碳、钨、钼、铬、钒、钴等,其作用分述如下:

碳一般含碳量为0.70~1.65%,以保证足够的碳与各种碳化物形成元素相配合。通常采用平衡碳(Cs)近似计算公式求得最佳的二次硬化效果的含碳量:

Cs%=0.033W%+0.063Mo%+0.060Cr%+0.200V%

式中Cs是假设W、Mo、Cr、V与C形成W2C(或Fe4W2C)、Mo2C(或Fe4Mo2C)、Cr26C6、V4C3时碳与各元素的定比关系而定出的。随着钢中含碳量逐渐接近Cs,二次硬化效果(硬度和红硬性)也逐步上升到最高值,而韧性则随之下降。因此只在超硬高速钢中含碳量采用接近Cs的成分,为了保持通用型高速钢的高韧性,含碳量一般比Cs低0.15~0.30%。至于用于载荷较低的低合金高速钢,实际含碳量可能还超过Cs。

钨和钼高速钢回火时产生二次硬化最基本的合金元素。钨和钼作用相似,Mo的原子量约为W的一半,一般可用 1%Mo取代2%W。高速钢中最主要的碳化物M6C(M代表金属)是以Fe、Mo、W为主的复合碳化物,它在淬火时部分固溶,回火时又以M2C碳化物弥散析出,使钢强化,提高硬度和耐磨性,剩下未溶的M6C碳化物(主要来自共晶碳化物)可阻止淬火加热时的晶粒长大和增加耐磨性。含钼的高速钢铸态共晶碳化物网较细薄,易于加工破碎,分布较均匀,颗粒较小,热塑性和韧性也较高;但含钼的钢易脱碳,淬火过热敏感性也较大,而钨钢在此方面正与之相反。因此钨和钼适当配合,能获得综合性能更好的钢种。

铬为保证钢的高淬透性,各种高速钢都含铬4%左右。钢中形成以铁铬为主的M26C6碳化物,铬也可溶于M6C与MC中形成合金碳化物,促使这些难溶碳化物淬火时较多地固溶。使淬火马氏体具有足够的碳和合金元素,有利于回火时大量析出 M2C与MC。所以铬对二次硬化也有间接作用。此外,含 4%铬对高速钢的抗氧化性起重要作用。

钒所有高速钢都含钒 1%以上。碳化钒淬火加热时可部分固溶,回火时析出弥散的MC型碳化钒,有力地增强二次硬化作用;未溶的碳化钒有助于阻止淬火加热时晶粒长大,而且由于硬度极高,能显著提高钢的耐磨性;但降低了可磨削性。高钒钢中如能采取措施细化一次碳化物MC的颗粒,可改善磨削性。最有效的办法是用雾化法快速冷却钢液得到合金粉末,制成粉末冶金高速钢,使一次碳化物得到细化。

钴钴本身不形成碳化物,其作用主要是增加回火时析出 MC、M2C的形核率,减缓其聚集长大速度。此外,钴可提高高速钢晶界熔化温度,因而提高钢的淬火温度,使奥氏体内的合金度增大。这些作用都有效地提高了高速钢的耐热性,但钴含量过高时也会降低钢的韧性。

高速钢主要用来制造中、高速切削刀具,如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。

W18Cr4V钢的最终热处理为高温淬火和多次回火。 W18Cr4V钢的淬火温度高达1270~1280℃,淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体(20%~30%)。回火采用560℃三次回火,多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体,使其转变成马氏体;三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物,产生二次硬化,提高热硬性。热处理后高速钢的硬度可达63~65HRC。

高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物,这种碳化物硬而脆,若不消除这种碳化物的不均匀性,制成刀具后将出现早期损坏,使刀具易出现"崩刃",故必须用反复锻打的方法将其击碎,使碳化物细化并均匀分布在基体上。W18Cr4V钢锻造后进行退火,以消除内应力,降低硬度改善切削加工性能,并为淬火做好组织准备。

一、产量创历史最高水平。2013年1-6月,全国累计生产粗钢3.9亿吨,同比增长7.4%,增速较去年同期提高5.6个百分点。前6个月,粗钢日均产量215.4万吨,相当于年产粗钢7.86亿吨水平。其中,2月份达到历史最高的220.8万吨,3-6月份虽有回落,但仍保持在210万吨以上较高水平。分省区看,1-6月,河北、江苏两省粗钢产量同比分别增长6.8%和13.2%,两省合计新增产量占全国2694万吨增量的42.4%,另有山西、辽宁、河南和云南等省增产也在100万吨以上。分企业类型看,1-6月,重点大中型钢铁企业粗钢产量同比增长5.5%,低于全国平均增幅2个百分点,但仍有60%的增产来自重点大中型钢铁企业。

二、钢材价格低位运行。2013年1-6月,国内钢材市场整体表现低迷。随着粗钢产能大幅释放,市场供需陷入失衡状态,钢材价格步入下降通道,已弱势下跌4个多月。截止2013年7月26日,钢材价格指数降到100.48点,低于年初6.6点。钢铁工业协会重点统计的八个钢材品种价格比年初均有不同程度的下降,平均跌幅5.7%。分品种来看,占我国钢材产量比重较大的建筑用线材、螺纹钢价格跌幅分别达4.9%和6.7%,中厚板和热轧卷板价格跌幅分别达5.7%和9.7%。

三、钢材出口增长较快。国内钢材市场供需失衡刺激企业出口。1-6月,我国累计出口钢材3069万吨,同比增长12.6%;进口钢材683万吨,下降1.8%,进口钢坯和钢锭32万吨,增长50%。将坯材折合粗钢,累计净出口2506万吨,同比增长17.3%,占我国粗钢产量的6.4%。从出口价格看,1-6月出口棒线材均价624.3美元/吨,同比下降18%;板材835.2美元/吨,同比下降2.8%。

四、钢厂及社会库存高位运行。市场供需矛盾向流通领域蔓延,国内钢材库存延续上年末增长态势。3月15日达到历史最高的2252万吨,比上年最高点增加351万吨,其中建筑钢材库存1432万吨,占库存总量的63.6%。之后,随着季节性消费增加,库存逐渐回落,7月26日降至1540万吨。市场供大于求也推高钢厂库存,3月中旬重点企业钢材库存创历史记录,达到1451万吨,同比增长29.7%,6月下旬降至1268万吨,仍比年初增长29.9%,比2012年同期增长11.4%。

五、钢厂盈利水平逐月下滑。2013年上半年,冶金行业实现利润736.9亿元,同比增长13.7%,其中黑色金属冶炼和压延加工业实现利润454.4亿元,同比增长22.7%。1-5月份重点大中型钢铁企业的盈利状况远不如行业总体水平,并呈逐月下降态势,尽管实现利润增长34%,但也仅有28亿元,销售利润率为0.19%。5月当月,86家重点大中型钢铁企业仅实现利润1.5亿元,连续5个月环比下滑,其中34家亏损,亏损面高达40%。

六、钢铁行业固定资产投资增幅明显回落。2013年1-6月,钢铁行业固定资产投资3035亿元,同比增长4.3%,其中黑色金属冶炼及压延投资2356亿元,同比增长3.3%,比2012年同期回落6.1个百分点;黑色金属矿采选投资679亿元,同比增长7.8%,增速大幅回落15个百分点。

基本信息

标准号StandardNo:GB/T 9943-2008

中文标准名称StandardTitlein Chinese:高速工具钢

英文标准名称:High-speedtool steels

发布日期IssuanceDate: 2008-05-13

实施日期ExecuteDate:2008-11-01

首次发布日期FirstIssuanceDate :1984-06-05

标准状态StandardState:现行

复审确认日期ReviewAffirmanceDate :

计划编号Plan No:20060825-T-605

代替国标号ReplacedStandard:GB/T4462-1984,GB/T 9942-1988,GB/T 9943-1988

被代替国标号ReplacedStandard:

废止时间RevocatoryDate:

采用国际标准号AdoptedInternationalStandard No:ISO 4957:1999

采标名称AdoptedInternationalStandard Name:工具钢

采用程度ApplicationDegree:NEQ

采用国际标准AdoptedInternationalStandard :

国际标准分类号(ICS) :77.140.35

中国标准分类号(CCS) :H40

标准类别StandardSort:产品

标准页码NumberofPages:

标准价格(元)Price(￥) :

主管部门Governor :中国钢铁工业协会

归口单位TechnicalCommittees:全国钢标准化技术委员会

起草单位DraftingCommittee:东北特殊钢集团有限责任公司、河冶科技股份有限公司、重庆东华特殊钢有限公司等

范围

本标准规定了高速工具钢的订货内容、分类、尺寸、外形及其允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志及质量证明书等。

本标准适用于截面尺寸(直径、边长、厚度或对边距离)的不大于250mm的热轧、锻制、冷拉等高速工具钢棒(圆钢、方钢、扁钢、六角钢等的总称,以下简称钢棒),盘条及银亮钢棒,其化学成分同样适用于锭、坯。

规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可适用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。

GB/T223.5 钢铁及合金化学分析方法还原型硅钼酸盐光度法测定酸溶硅含量

GB/T 223.8 钢铁及合金化学分析方法氟化钠分离-EDTA滴定法测定铝含量

GB/T 223.11钢铁及合金化学分析方法 过硫酸铵氧化容量法测定铬量 ......