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世界高速钢生产工艺及质量进展分析
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世界高速钢生产工艺及质量进展分析
发布者-1  来源:未知  发布时间:2014-11-17 08:30
世界高速钢生产工艺及质量进展分析

一、市场需求对高速钢发展的影响
1.高速钢应用
    随着现代制造技术的发展,高速钢应用也在发生变化,一方面,由于硬质合金引入超细化制造技术,韧性提高,从而挤占部分高速钢在金属切削刀具领域的用量;另一方面,高速钢应用领域不断拓宽,除金属切削刀具外,高速钢在以下领域的应用逐步增加:冷作模具、轧辊、木工刀具及其它非金属切刀、耐磨件、油泵油嘴针阀等。

高速钢应用领域及产品形态

应用领域 所需产品形态 主要钢种 应用领域 所需产品形态 主要钢种
金属切削刀具 棒材、钢丝、钢板、钢带、锻件 M2、W9、W18、W4、M2Al、M42、M35 木工刀具及其它非金属切刀 钢板、扁钢、钢带 M2、W4
冷作模具 预硬化模板、棒材 M2、V3N、M35、W4 耐磨性 扁钢、棒材 M2
轧辊 离心铸造或复合重熔、棒材 专用钢种 油泵油嘴针阀 钢丝 M2、W9

    预计金属切削刀具用高速钢会有所减少,而冷作模具、轧辊、木工刀具及其它非金属切刀用高速钢会稳步增加。

2.工具行业生产动向

    在金属切削刀具领域,尽管有硬质合金的竞争,高速钢刀具仍占有相当比重(约 50%),其中麻花钻、丝锥、立铣刀、齿轮刀具和拉刀主要用高速钢制造。下表为1989年欧洲发达国家各类刀具及使用材料的销售额的相对值。

各类刀具的销售额相对值及材料构成

单位:%

刀具品种项目 车刀 麻花钻 螺纹刀具 铣刀 齿轮刀具 绞刀扩孔钻 拉刀
销售额占总额比例 25 23 20 12 5.7 5.4 4.8
材料构成 高速钢 17 96 ~100 60 98 60 100
硬质合金 81 4 - 40 2 40 -
陶瓷 2   - -   - -
 

   据有关统计数据,2000年国际工具市场的总销售额约100亿?105亿美元,欧洲、北美、日本等制造业发达国家和地区,已占据市场75%-80%;国内工具市场销售额约为50亿人民币。其中国有企业约占市场份额60%,民营乡镇企业约占市场份额的 30%,进口工具约占10%。
    随着市场的发展,工具行业同冶金行业类似,生产格局已发生巨大变化,江苏天工和飞达两厂,集高速钢生产和工具制造于一体,大量生产出口麻花钻,国内消费高速钢约1.5万吨/年,占全国总量的37%。
    加入WTO后,国外刀具产品纷纷进人中国市场,国内工具厂家十分重视名牌和产品升级,对含Co含Al高性能高速钢需求增加,少数厂家希望提供粉末冶金高速钢。为降低成本提高竞争力对高速钢质量要求明显提高,重点是性能一致性要求,同时对表面质量和尺寸精度提出更高要求。
3.其它行业对高速钢的需求
模具制造行业 
    全国模具钢消耗8-10万吨,其中有一部分是用高速钢替代的。目 前对于耐磨性及硬度要求较高的模具,逐渐采用低合金高速钢制造以提高生产效率。而对于强韧性及耐磨性要求更高的精加工模具趋向用高性能高速钢(特别是高碳高钒类)制造。估计国内每年模具用高速钢消耗在2000吨以上。
油泵油嘴行业 
    目前用于加工油泵油嘴针阀的高速钢规格单一、技术要求苛刻,国内年用量200吨左右。
耐磨性 
    其典型产品如空调压缩机用滑片多为M2高速钢制造,要求极为严格,年用量200吨左右。
高速钢轧辊 
    高速钢轧辊具有良好的耐磨性,与传统的高铬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊相比,高速钢轧辊具有使用寿命长,轧件质量好等优点,在带钢热连轧和精轧机得对广泛应用。
4.高速钢生产工艺和品种的变化
    为不断满足顾客需要,高速钢生产工艺、产品形态和质量不断发展变化,生产工艺 的发展以粉末冶金高速钢为代表,此外高速钢连铸及电渣重熔高速钢的广泛应用,也体现了对市场需求的满足。产品形态的变化主要表现在多样化(棒、丝、板、带)、精品化(光亮材)、制品化(预硬化、近终成型、直至高速钢与刀具产品联合生产)。
二、国外高速钢生产简况
1.近年来世界高速钢产量
    据不完全统计,世界高速钢产量为16?18万吨,其中中国4.5万吨,俄罗斯约3万吨,欧、美、日8万吨(日本1.6万吨),其它0.5?2.5万吨。主要生产国为中国、法国(瑞典)、日本、奥地利、德国、俄罗斯。
2.世界著名高速钢生产企业
    世界上生产高速钢最多的三个工厂,依次为法国欧拉司蒂(Erasteel)厂,奥地利百 禄钢厂(Bohler)和日本日立金属安来钢厂(Yasugi)。
    Erasteel(欧拉司蒂)厂  法国欧拉司蒂厂建立于1993年,由法国的Commentryenne 和瑞典的Fagersta、Uddeholm、Speedsteel等公司合并而成,其中Fagersta和Uddeholm均有 百年历史。现有员工1000人,年产量25000吨(钢锭),年销售额2亿欧元,1998年产量为18000吨高速钢材,为世界第一。品种齐全,有长型材(棒材和钢丝)、扁平材 (钢板、钢带)及粉末冶金高速钢三类产品,所占比例分别为65%、25%、10%。Erasteel是欧洲最大高速钢钢板生产厂,年产近4000吨,主要为0.63毫米厚的手用锯条坯料。ASP系列粉末冶金高速钢是世界名牌。
    Erasteel高速钢产品62%销售在欧洲,23%销售在北美,10%在亚洲。
    Erasteel设备先进,拥有粉末冶金生产线、30吨AOD精炼炉、精锻机、线材连轧 机、激光焊接双金属带机组等。 
    Erasteel粉末冶金高速钢于1972年建成生产厂投产,有ASP23、30和60等三个牌 子。1990掉在钢水熔炼上引入ESH方法(钢液面有冶金活动性强的电渣层,钢液用电 极加热)可去除90%的非金属夹杂,开始生产ASP2000系列的粉末冶金高速钢。该厂 30年共生产了50000吨粉末高速钢供应市场,1994和1995年的产量均为2100吨/年。 现有ASP2030、2060等8个牌号的粉末冶金高速钢。 
    在中国重点推销C8及M9V,C8钢(S5?6?2?8/C?1.05%):强度、韧性优于 M42,硬度可达67-68HRC:M9V(S3.5?8.5?2.7/C?1.20%)以碳化物细小著称, 适宜制造高耐磨性丝锥。  
    Bohler(百禄,又译作伯乐)钢厂  奥地利的Bohlor钢厂1870年创建;为世界第二 高速钢生产厂。1998年的总销售值为3.6亿美元(44亿奥先令)折合30亿人民币;共 生产各种特殊钢125500吨,其中20%为25000吨的高速钢钢锭。2001年生产28000吨, 其中粉末高速钢2800吨。该厂的高速钢钢锭除自用外,还要供应已独立出去,但在同 一控股公司内的Bohler钢板厂生产高速钢钢板(平均年产量为2200吨高速钢板,主要 部分2?3毫米厚,供机用锯条及切口铣刀用)及用连铸法生产的小型高速钢钢坯。供 Bohler易北钢厂生产双金属带锯锯带;这两项高速钢产品均不计人鼬妇钢厂的高速钢材产量内。
    近年Bholer高速钢材产量为10000-12000吨/年。由于技术进步,全厂职工人数从 1989年的8000多人,降到1998年的1800多人。品种包括棒材(最大Φ350豪米,经粗 机械加工),方钢、扁钢、钢丝和粉末冶金高速钢,以含Co钢及Φ150-350ISORAPID(各向同性)2000为特色。在90年代中期后,该厂高速钢库存已无黑皮热轧品种;热轧 黑皮高速钢板要提前半年订货。Bohler高速钢销售值占世界市场的10.5%扩其产品58% 销往欧洲、18%销往美洲、12%销往亚洲。  
    钴高速钢在其高速钢总量中的比例,1989年为14.4%/1840吨,1991年为21.2%/ 1650吨,钴高速钢S705(5%Co)在欧洲获得广泛的应用,不同于美国、日本,这也是 其特点之一。高速钢冶炼皆采用VOD(真空脱氧脱气)精炼。
    1998年,Bohler钢厂的研究费用为5000万奥地利先令(9折合人民币3400万元)。在技术发展方面,于2000年投产了一个新的粉末冶金工具钢车间,投资近3亿奥地利 先令(2亿人民币)建立制粉设备及新的HIP热等静压机,其粉末工具钢能力据称当时 为世界第2位。1998,Bohler钢厂销售了约1000吨粉末冶金高速钢,现共有P/MS390等 4个牌号的粉末冶金高速钢及从其衍生的高硫易切削晶种。
    Yasugi(安来)钢厂  日本日立金属安来钢厂始建与1899年,属综合特殊钢厂。现 有员工1800人,年产各种合金钢材约132000吨,其中高速钢材产量约为1000吨,自称 为世界第三大高速钢生产厂,其产量占日本高速钢总产量的50%左右,该厂的高速钢 材80%在国内销售,只有20%产量用于出口。近年对中国的高速钢出口几乎停顿,只 有极少量的M42钢。品种包括:棒材、钢板、钢带、钢丝及预硬化钢丝。含Co钢产量 占总量的近20%。在钴高速钢中以YXM60(S5.5?6.5?1.6?8)的最多(40-50吨/ 月)。该厂每年销售600?700吨粉末冶金高速钢,共有4个切削用牌号,其中以HAP40 (S6?5?3?8,相当于ASP2030)销量最大。主要市场为日本国内,少量销往我国台湾省。  
    该厂共有从10吨?40吨的电弧炉6座(总能力115吨)。高速钢在10吨电弧炉熔 炼,经钢包精炼,铸锭尺寸Φ60毫米,重1吨。炉外精炼设备采用瑞典ABB?ASCC设 备。
    在硬度要求较低的模具用高速钢方面,安来工厂已推出了3个有专利的牌号,属低 合金高速钢,工作硬度为56-62HRC,其产量已占到安来厂高速钢总产量的1/3,这是 一个不可忽视的动向。用于冷作和热作模具,以其优异的轫性和耐磨性取代M2钢,此 类基体钢经ESR电渣重熔后,做模具性能更好。
    该厂另一个特色产品为淬硬的高速钢定尺钢丝,直径0.3?3.0毫米,定尺长度15 -900毫米,硬度900±30HV(67±1HRC),脱碳层深度视直径大小≤0.02-0.05毫米。
    20世纪70-80年代,我国曾大量进口安来厂生产的小直径(Φ5.5-10mm)热轧盘 条及冷拔钢丝。热轧盘条的脱层几乎没有,冷拔钢丝直接投产四辊扭轧直柄麻花钻,轧 裂率≤3%。其产品质量在我国工具厂有较好的声誉。  
3.工艺技术发展趋势
粉末冶金高速钢
     粉末冶金高速钢是近代高速钢新品种、新工艺、新技术的综合体 现,20世纪70年代初开始投入生产应用。首先由美国的Crucible公司和瑞典的Soderfoes 开发生产,以后日本的神户制铁、日立金属、奥地利的Boher等公司也先后投产。粉末 冶金高速钢的主要质量指标是密度、氧含量和夹杂物。Erasteel粉末氧含量低于50ppm。 粉末冶金高速钢碳化物检验最大尺寸≤4μm,尺寸分布在很窄范围内,不同方向的强韧 性趋于一致。
    从1983年公布的统计数据看,气雾法热等静压粉末高速钢生产能力为8000吨; 水雾法烧结钢为1000吨,实际年产量5000吨,目前粉末冶金高速钢并来象当初人们预测 的那样高速增长,但在部分国家明显增加。如Erasteel年产粉末冶金高速钢2500吨; Bohlerl999年粉末冶金高速钢1000吨,2000年增产一个新的粉末冶金工具钢车间;美 国Crucible公司通过改进HIP工艺成本大幅度下降,粉末冶金高速钢生产能力已达1000 吨/月,估计实际生产能力600吨/月,其粉末冶金高速钢用量可能已超过熔炼高速钢。
铸锭法生产高速钢工艺 
炉外精炼  国外冶炼高速钢多用30吨以上电弧炉,配有电磁搅拌装置,均配有炉 外精炼设备,如Erasteel采用AOD,日立金属安来钢厂采用LF。
电渣重熔  电渣重熔能提高钢的纯净度,改善铸态组织,对于大断面高速钢材的生 产尤为必要,直径100(150)mm以上的钢材,必须用电渣重熔精炼;Bolder公司的电渣重熔高速钢(ISORAPID2000)为国际名牌,其高速钢电渣锭直径为Φ550mm,并耀用 孕育处理,据称ISORAPID2000大规格棒材整个断面与长度内的性能达到各向同性。
连续浇涛  众所周知,特钢连铸难于普钢连铸,而高速钢连铸难度更大6为解决高 速钢连铸问题,各国进行了大量的试验研究,比较成功报道有奥地利BreitenfeldD厂1998 年用四流立式机连铸高速钢100mm方坯,已投入正常生产。奥地利Bohler钢厂1993年 水平连铸M2钢130mm方坯成功,仅限于生产规格小于Φ24mm的M2一种钢种。
    有人预测未来的高速钢生产工艺流程应为以下两种:
    一是通用型钢种、中小型材及钢丝生产流程;
    二是大断面材及高牌号高速钢材生产流程。
4.标准及质量情况
    世界各国高速工具钢标准都各有本国特点。其中美国的ASTMA600标准比较完整全面,也是各国高速钢钢号的基础。

各国标准在各项目差异
国家项目 美国 前苏联 日本 法国 德国 中国
尺寸偏差 + / - / + -
弯曲度 + - / / / /
长度与偏差 + / / / / /
表面质量 / / / + + -
低倍 + + x x x /
脱碳 + + + + + +
淬回火硬度 + / / + / /
共晶碳化物不均匀度 / + x / / +
断口 x + x x x x
红硬性 x + x x x x
“+”代表要求较严,“-”表示要求较松,“/”表示有检验要求,“x”表示不做要求。
    总的来看,国外标准规定的比较抽象。从检验项目看,美国标准和前苏联标准检验项目较多而且较严。除前苏联和中国几乎都没有规定检验共晶碳化物不均匀度和大块角 状碳化物等重要项目。事实上各生产厂家为了竞争的需要,企业标准更为严格,特别是 在化学成分,尺寸精度和表面质量方面,如Bohler不仅化学成分范围窄,而且根据用途 不用,化学成分控制范围不同,形成不同钢号。
    从实物质量水平看,一般说来评价高速钢产品的实物质量水平,应从工具制造时材 料利用率,工艺性能的稳定性,以及制成品的性能方面加以评定。
    20世纪80年代,国内工具厂用进口M2小型材较多,他们认为日立公司的SKH9及 奥地利Bohle公司的S614质量比较稳定,热扭轧废品率在30%以下。这两种产品的其 它质量特性值如下:①碳化物颗粒度≤11μm;②淬回火硬度65?67HRC;③红硬性 (600℃)≥63HRC;④脱碳层深度≤1%D;⑤表面裂纹率≤1%。
    近10年来,进口高速钢很少,仅少量进口含Co高速钢。据介绍进口M35、M42热 处理硬度波动范围△HRC≤1,尺寸精度、表面质量、脱碳优于国产钢材。含钴钢主要 用于使用条件苛刻、综合性能要求高的复杂刀具上。2001年河北冶金院对市售的国内 外特钢厂M42钢进行了抽样检验,结合以往其他单位分析结果有以下几方面:一是所 有受检材料化学成分,高低倍组织,符合相应的标准,从统计数据来看,国外M42化 学成分一致性好成分范围比较窄。有害元素含量S、P、As、Pb、Sn等都比较低,P含 量一般在0.020%左右。说明国外炼钢炉料控制比较严;二是交货状态的硬度不一致, 有的高、有的低。S500钢交货硬度相对较高;三是国外产品尺寸精度好,Φ30-80mm 圆钢基本上只有上公差、公差为±~1.5/?0mm,相当于GB908?97、GBT02?86相同 组距公差的1/3-1/2,表面质量好,均为扒皮材;

四是据统计部分检验进口碳化物不 均度的数据如下:

规格 1/4D处碳化物平均级别 1/8D处碳化物平均级别 规格 1/4D处碳化物平均级别 1/8D处碳化物平均级别
Φ30-40 3.12 1.75 Φ60-80 4.38 2.88
Φ40-60 3.5 2.16      
 

 说明进口材1/4D处碳化物与国内水平相当,但1/8D处即刀具刃口部分碳化物非 常良好,B9948?88相同组距降1.5-2.0级,这对提高刀具寿命非常有利;五是进口产 品基本没有C类及D类夹杂,A类粗0.5级,细1级、B类粗≤1.5级,极个别有B类 细系超长夹杂,国产钢夹杂物比进口钢低0.5-1.0级,与电渣重熔有关。
    总的来说,国外钢材在外观质量尺寸精度上明显优于国产钢材,日本及奥地利还涂 防锈漆,尺寸一致性好,没有短尺。