高速钢工具的历史
刀具材料的发展直接影响着切削技术和机械加工,间接影响着人类经济和社会的发展,而刀具材料史上最具标志性的事件就是高速钢的研制成功。
更多的人愿意用1900年巴黎博览会上高速钢工具的公开演示作为“高速钢元年”,不仅是因为这个时间简单好记,更是因为当年高速钢工具引起的轰动效应;还有人愿意记录泰勒和怀特成功研制高速钢的1898年,因为那是从无到有的突破;其他文献记载强调的是1906,当时泰勒和怀特建立了W18Cr4V,真正影响后世百年。哪一年对今天的我们来说可能已经不那么重要了,重要的是高速钢等工具材料的发展将何去何从?
在1910中,一个英国人写道:“在1900年的巴黎博览会上,一些工程师看到一台高速车床,上面有一个工具,他们正在利用刀尖的热量去除一个深蓝色的碎片。工程师们意识到,他们见证了工具钢和机床革命的开始。”
这次在巴黎展出的是匹兹堡伯利恒钢铁公司的产品。是泰勒和怀特测试的刀具材料。它由制造时经过热处理的铬钨钢制成,其转速比碳钢高十倍。虽然工具因与工件摩擦产生的热量而呈暗红色,但它锋利无比,切铁如泥,观众无不瞠目结舌。从此,这种钢获得了“高速钢”的美誉。
人们开始意识到这种钢的优点,并设计出有效的工具——车刀、刨刀、钻头、铣刀等等。一场革命已经开始。起初高速钢只是用于粗加工,但是随着不断的改进,各种刀具都变成了高速钢材料。人们逐渐发现,高速钢具有高硬度、高耐磨、高耐热的特点,工艺性能好,强韧性结合好,红硬性好。于是,几十年来,高速钢成了工具材料市场的“霸主”。
在随后的时间里,随着加工材料的不断变化和生产加工的需要,人们不断改变高速钢的成分,先后出现了钴高速钢、高钼高速钢M1、钨钼高速钢M2、高碳高钒高速钢(超高速钢)、加硫易切削高速钢和超硬高速钢M40系列;直到1965年,美国Crucible Steels公司发明了粉末冶金高速钢,然后在1970年由瑞典Stora工厂投产。
目前,高速钢常用于钻头、丝锥、锯片、滚刀、插齿机、拉刀等精密工具,特别适用于制造复杂的薄刃、耐冲击的金属切削工具。
100年来高速钢工具的发展大致可以分为两半。前半个世纪是高速钢工具的辉煌,高速钢被用来制造几乎各种工具,实现各种切削加工。但随着各种加工材料力学性能的不断提高,高速钢逐渐难以应对。
1923年,硬质合金的出现将切削速度提高到每分钟100多米到几百米,硬度更高,可以切削高速钢无法加工的材料。但硬质合金由于脆性大、切削加工性差,只能在部分加工范围内替代高速钢,并没有在很长一段时间内撼动高速钢的霸主地位。
但后来硬质合金性能不断提高,开发了很多新品种,逐渐蚕食了高速钢刀具的市场份额。
后来出现了陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等更先进的工具材料,其硬度和耐磨性都超过了硬质合金。虽然它们因为脆性大,价格高,很难占据很大的市场份额,但这无疑造成了高速钢工具的衰落和萎缩,尤其是最近三四十年。到目前为止,硬质合金刀具已经取代了很大一部分高速钢刀具。由此,逐渐形成了以硬质合金工具和高速钢工具为主体的行业格局。
现在高速钢工具的风光真的没了。据有关统计,硬质合金刀具已占世界刀具总消耗量的55%,高速钢刀具的40%,超硬刀具的5%。近20年来,高速钢刀具产值每年递减1.25%,硬质合金刀具产值每年递增1.1%。
另一方面,高速钢材料中的一些主要元素如钨的储量资源在全球范围内逐渐枯竭,估计其储量仅够重新开采使用40 ~ 60年,因此高速钢本身也面临着严峻的发展危机。
国际生产工程学会(CIRP)在一份研究报告中指出:“由于刀具材料的改进,允许的切削速度几乎每十年翻一番。”在100年间,新材料不断出现,原有材料不断改进。
虽然世界范围内高速钢刀具的销量在减少,但高性能钴高速钢和粉末冶金高速钢的使用在增加,主要用于切削钛合金等难加工材料。它们比普通高速钢具有更好的耐磨性、红硬性和可靠性,尤其是粉末冶金高速钢的性能更好,综合评价甚至优于硬质合金刀具。
粉末冶金技术可以在不破坏材料的强度、韧性或耐磨性的前提下,在高速钢中添加更多的合金元素,使其制成具有高硬度、高耐磨性、吸收切削冲击、适用于高去除率加工和断续切削加工的刀具,有逐步取代脆性大、在切削冲击下易折断的整体硬质合金刀具的巨大趋势。
近年来,高性能高速钢刀具在普通机械加工中得到广泛应用,成为国外高速钢刀具的常规产品。粉末冶金高速钢在刀具中的应用及在世界各种刀具中所占的百分比,齿轮刀具达到70%,拉刀达到30%,立铣刀达到20%,钻头达到1%,有助于维持高速钢刀具的应用领域。
虽然世界已经全面进入硬质合金工具时代,但高速钢工具在中国仍占据相当强的份额。但我国的高速钢工具仍以普通高速钢为主,高速钢的牌号有待提高。
由于矿产资源的枯竭和其他工具材料的不断侵蚀,高速钢工具能否在100年内继续活跃在历史舞台上还真不好说,但显而易见的是,它们肯定会继续存在,并长期发挥重要作用。国内经常有声讨普通高速钢生产的声音,甚至带有扼杀和遏制的意味。一位行业专家坚持认为,“国内市场对普通高速钢的需求依然旺盛(虽然这并不符合世界刀具发展的主流),有需求的厂商自然愿意供应。现在应该做的是引导而不是遏制,引导企业提升高速钢工具的档次,减少大量低附加值产品的生产。