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我國高速鋼的發展歷程簡明報告
發布者-1??來源:未知??發布時間:2020-07-09 17:55

  概述

  高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼,又稱高速工具鋼或鋒鋼。因其工藝性能好,強度和韌性配合好,主要用來制造復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具,也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。高速鋼自19世紀末誕生以來,在鋼種系列、鋼材品種、冶金質量等方面不斷完善、提高(表1),雖然面臨被硬質合金等材料替代的挑戰,至今在刀具材料領域仍占有重要地位(圖1)。

  近十年國內高速鋼材料的發展

  生產模式和生產技術

  高速鋼生產特點是多品種、小批量、質量要求高,世界著名高速鋼制造商多為專業化生產廠,如Erasteel、Bohler、Nachi等。冶煉多采用電爐+模鑄,盡管超高功率電爐+二次精煉+連鑄已用于大多數特殊鋼種,至今未見采用連鑄工藝規模生產高速鋼。

  九十年代后期,國內高速鋼生產格局發生巨大變化,大連特鋼、重慶特鋼、寶鋼特鋼等國有綜合特鋼廠調整產品結構,逐步放棄高速鋼,河冶科技、江蘇天工、江蘇福達等專業化生產廠取而代之成為高速鋼生產主力軍。

  目前高速鋼生產流程有兩種,即傳統熔煉工藝和粉末冶金工藝。高速鋼的品質基礎是純凈度和鑄態組織,為改善純凈度,冶煉工序廣泛采用了精煉技術,如爐外精煉LF、真空脫氣VD、電渣重熔ESR和真空感應熔煉VIM;為改善鑄態組織,研究了電渣重熔ESR、粉末冶金工藝PM和噴射成型工藝SF。目前國內高速鋼生產流程以傳統熔煉工藝為主,典型流程有兩種:

  電弧爐冶煉生產工藝流程

  10-30t電弧爐冶煉(+LF+VD)→模鑄下注,300-1000kg鋼錠→退火或熱送→(快鍛機,精鍛機,3-5t電液錘,750-850初軋)開坯→一次坯退火,修磨→二次開坯或加工成材→成品退火→精整→檢驗→包裝→入庫。

  電渣重熔生產工藝流程

  1-5t感應爐冶煉→澆注自耗電極→電渣重熔,50~1000Kg鋼錠→退火→開坯→退火修磨→成材→退火→精整→檢驗→包裝→入庫。

  流程1)適于規?;?1萬噸以上)生產,流程2)適于小批量生產。關鍵工序關鍵技術得到廣泛應用和發展,主要有以下幾個方面:冶煉工序精煉技術,開坯工序精鍛開坯技術和以軋代鍛技術;軋制工序精軋技術;精整工序剝皮工藝和檢測技術。

  高速鋼產銷量

  正常情況下世界高速鋼總產量在13.8-17.3萬噸/年(表2)。其中工業發達日本1980年以來高速鋼產量基本穩定在1.5-2萬噸范圍(圖2)。受經濟危機影響2009年全球高速鋼產量大幅度減產,其中日本減產50%以上,僅0.7萬噸,歐美減少40%以上,僅3萬噸。

  根據中國特鋼行業高速鋼專業組統計,2000-2009年中國高速鋼產量見表3和圖3。受益于制造業向中國轉移,2000-2008年我國高速鋼產量增加1倍,特別是2002、2003、2006和2007年增速明顯。受經濟危機影響2009年我國高速鋼減產22%,明顯低于西方減產比例。中國高速鋼產量在世界總量中所占比例已超過50%,預計我國高速鋼產量將進一步增加,2015年可望達到10萬噸。

  說明:GB/T9943-2008發布之前,低合金高速鋼概念模糊,有部分達不到高速鋼低要求的合金工具鋼未能全部剔除。

  鑒于高速鋼專業廠增加品種,高速鋼鋼錠按鋼種易于區分,鋼材產量按品種統計,難于按鋼種區分,因此有修訂。

  鋼種和品種

  高速鋼定義:至少含有W、Mo、V中兩種,且W+Mo+V≥7%(W+1.8Mo≥6.5%);C≥0.6%;Cr=3-6%。高速鋼按生產工藝分為傳統高速鋼(Conv.HSS)、粉末冶金高速鋼(HSS-PM)和鑄造高速鋼(HSS-CF),傳統高速鋼按成分性能差異可分為普通高速鋼(HSS)、低合金高速鋼(HSS-L)和高性能高速鋼(HSS-E)三類(圖4、表4),其中高性能又分為含鈷(>4.5%Co)、含鋁和高釩(>2.5%V)三種。

  發展趨勢表明,高速鋼性能不斷提高,高性能高速鋼比例逐步提高。由表5可知,美國市場消耗高速鋼總量中高性能高速鋼已占30%,粉末冶金高速鋼約占15%。國產高性能高速鋼比例增長雖然緩慢(圖5),但產量成倍增長鋼種結構趨于合理(前期以我國自主研發的無Co和低Co高性能高速鋼如M2Al、W12V3N、W8Co3N為主,近期以國際通用的M35、M42為主)。低合金高速鋼所占比例與合金元素W、Mo、V價格變動有關,2004-2005年國內低合金高速鋼所占比例大幅度增長還與家用工具無序出口、社會投機、缺乏監管有關。

  隨著全球經濟一體化進展,各國高速鋼鋼種系列基本與國際標準接軌,雖然各國標準所列鋼種眾多,實際應用集中在5-7種。傳統高速鋼常用鋼種:西方以EM2(HS6-5-2C)、M3(HS6-5-3)、M35、M42、HS10-4-3-10(T42)和HS3-3-2為主,我國以M2、W9、M2Al、M35、M42、W4Mo3Cr4VSi和HYW3為主。

  粉末冶金高速鋼(HSS-PM)是高速鋼中高質量、高性能的代表,HSS-PM無碳化物偏析,抗彎強度是傳統高速鋼的2倍以上,耐磨性和高溫硬度均大幅度提高,對滿足機械加工的高難度要求十分有效,用于大模數重載切削滾刀等關鍵刀具、模具和關鍵部件,是能源、重大裝備、軍工、大飛機等“十二.五”期間發展重點行業所需提供的支撐材料。由表6可知,齒輪刀具和拉刀中粉末冶金高速鋼比例已超過50%。

  近十年國內高速鋼材料的發展

  粉末冶金高速鋼常用鋼種以S390和S590為主。國內粉末冶金高速鋼年用量已有200噸以上。HSS-PM是我國亟待重點開發的高速鋼產品,河冶科技與航空材料研究院、安泰科技、北京科技大學共同承擔了科技部支撐計劃項目“粉末冶金高速鋼現代工業制備技術的開發”,已完成中試,河冶科技擬安排產業化生產線建設。

  國產的高速鋼品種規格范圍見表7,基本滿足國內需求,并部分出口。直徑20mm以上熱軋圓鋼多數已實現剝皮或扒皮交貨。隨市場發展,為用戶創造價值,一些高速鋼生產廠向用戶提供鍛制毛坯、空心拉刀坯、縮柄絲錐毛坯等,免除了用戶的再變形加工和部分粗加工。此外出現了一些品種專業廠,如高速鋼鋼板和扁鋼生產廠等,豐富了品種和市場。

  質量

  以Bohler為代表的西方高速鋼制造商由于生產歷史悠久,經驗豐富,其產品質量優良穩定,1996-2005年我國高速鋼生產經歷了由綜合特鋼企業向高速鋼專業生產廠轉移,高速鋼產品質量一度下滑,近十年來特別是2005年以來專業廠逐漸發展并成長,我國高速鋼實物質量明顯提高,不僅外資企業所用高速鋼逐步被國產高速鋼替代,還有10%左右的高速鋼出口。但國產高速鋼在個別品種質量上仍有差距,如3.0mm以下小規格鋼絲產品質量不能滿足要求,有賴進口,M35、M42棒材質量不穩定,部分依賴進口。

  我國高速鋼面臨的挑戰和發展機遇

  高速鋼進口和出口

  2007-2009年進口高速鋼總量分別為5486.346噸、6196.409噸和3282.058噸??鄢齺砹霞庸ず蠓謩e為5181.857噸、4707.310噸和2699.429噸。2007-2009年進口高速鋼品種見圖6,以高速鋼棒材、盤條(用于加工鋼絲)、鋼絲和板材為主;進口貨源地(圖7-8)主要是瑞典、日本、法國和奧地利。其中進口瑞典產品以盤條為主,其鋼種主要是M2、M35和C8。進口日本、法國和奧地利產品則以棒材為主,其鋼種主要是高性能高速鋼(M35、M42)和粉末冶金高速鋼。2009年多數進口量下降,唯有奧地利產品進口量保持增長,可見Bohler產品的品牌地位。

  2009年我國高速鋼出口量為8297噸,占當年高速鋼鋼材產量的13%,比2008年減少2123噸,減幅20%。出口廠家有河冶科技、江蘇天工、江蘇飛達、江蘇精工和江蘇福達。出口品種以冷拉材、剝皮材和熱軋棒材為主,鋼板和鋼板加工后的鋸片毛坯也有出口。

  國內主要差距

  實物質量

  從進口和出口高速鋼品種結構對比,以及表8對比可以看出國產高速鋼產品質量與國外產品尚有一定差距,主要體現在:70mm以上鍛材碳化物不均勻度超標,特別是M35、M42和W9鋼易出現未變形萊氏體。碳化物組織不良猶如增大了裂紋源尺寸,導致材料淬回火后抗彎強度降低(圖9),大規格刀具易發生崩刃掉齒。冷拉鋼絲表面脫滲碳層深度時有超標,特別是直徑3.0mm以下鋼絲經常發現滲碳現象。高性能高速鋼質量不穩定。

  開發能力和工藝技術水平

  質量差距的背后是開發能力和工藝技術水平的差距。開發能力體現在擁有研究機構、技術專家和專有技術情況,目前我國高速鋼在這些方面差距甚大,我國曾有一批高速鋼研究機構和專家,但隨著生產主體轉移,原有機構削弱,新型專業廠研究開發能力不足、投入不足,長期處于技術落后狀態。

  高速鋼生產主體的轉移和流程的改變帶來我國高速鋼制造技術的重新探索,使得我國高速鋼制造技術的發展滯后了若干年。應該看到我們在高速鋼精煉技術、碳化物改善技術、拉拔技術等方面由于生產主體的轉移和流程的改變拉大了與國外的差距。

  服務

  我們的服務與國外同行相比差距更大,特別是面對下游客戶的多樣性、不系統性和依賴性需要我們提供更系統、更具針對性的服務,應該說與其他合金特殊鋼相比要求更高。特別要指出很多新型的民營工具企業試圖憑借其價格優勢很快贏得市場優勢,對高速鋼質量和價格要求苛刻,但對高速鋼的選擇與應用缺乏經驗,因此高速鋼供應商的服務面臨嚴峻挑戰。

  替代產品和技術的挑戰

  硬質合金的發展

  硬質合金通過超細化技術強度和韌性顯著提高,應用面擴大,成為主要的刀具材料。傳統硬質合金WC顆粒尺寸為1.0-6.0μm,目前工業生產的硬質合金WC顆粒尺寸已達到0.5-0.8μm(超細顆粒)甚至0.2-0.5μm(超微顆粒),其抗彎強度與淬回火硬度為65HRC的高速鋼相當。整體硬合金刀具,尤其是通用的量大面廣的中小規格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具,用來代替傳統的高速鋼刀具,使切削速度和加工效率提高了數倍,把量大面廣的通用刀具帶入了高速切削的范圍,為切削加工全面進入高速切削階段奠定了基礎。目前硬質合金刀具已成為國內外工具公司的常規產品,并將隨著整個切削加工水平的提高獲得更為廣泛的應用。

  涂層技術的發展

  刀具的涂層技術在現代切削加工和刀具的發展中起著十分重要的作用,自從問世以來發展非常迅速,尤其是近幾年取得了重大的進展。物理涂層(PVD)的進展尤為引人注目,在爐子結構、工藝過程、自動控制等方面都取得了重大進展,不僅開發了適應高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層,如超級TiAlN,及綜合性能更好的TiAlCN 通用涂層和DLC、W/C減摩涂層,而且通過對涂層結構的創新,開發了納米、多層結構,大幅度提高了涂層硬度和韌性。

  PVD涂層技術的新進展,向我們展示了涂層技術對提高刀具性能的巨大潛力和獨特的優勢:可以通過對涂層工藝參數控制和靶材、反應氣體的調整不斷開發出新的涂層,以滿足加工多樣性的需要,是提高和改善刀具性能一項又快又好的技術,有著十分廣闊的應用前景。

  進口刀具的沖擊

  2008年國內刀具消費總額41億美元,其中國產刀具27億美元(約190億人民幣),進口刀具14億美元(約100億人民幣),約占總消費的35%,以硬質合金、粉末冶金/高性能高速鋼刀具為主。

  發展機遇

  制造業發展

  我國制造業的快速發展帶動了工具和工具材料產業的發展。以國外著名汽車品牌企業為代表的國外投資帶動了一批著名工/模具品牌企業如YG1、OSG等到中國投資辦廠,這些企業的材料供應商曾經主要是國外供應商,材料本土化是必然趨勢。

  高速鋼工具及高速鋼出口

  2008年出口刀具85億元,約11億美元,以低合金高速鋼和刃具鋼家用工具為主。受資源影響特別是經濟危機影響,世界著名工具制造商紛紛調整經營模式和產品結構,或在中國建廠或通過OEM采購中國產品,甚至放棄高速鋼刀具產品。

  高速鋼主要合金元素有鎢、鉬、鉻、釩,其中鎢、鉬、釩屬貴重金屬,世界范圍內資源有限,各國高速鋼發展都受到資源的制約,相比之下我國擁有鎢、鉬、釩資源優勢,高速鋼具有價格優勢,因此2006年以來吸引了眾多歐美、韓國、印度等客戶,高速鋼出口前景良好。2008年高速鋼出口量達到10420噸,受經濟危機影響2009年出口量有所減少,但可以預測我國高速鋼出口前景良好。

  產業聯合

  國內高速鋼生產模式有兩個特點,一是專業化,二是高速鋼與高速鋼工具聯合生產,如大連遠東、江蘇天工和江蘇晶工等,這些企業由生產刀具發展到生產高速鋼,2008年消耗高速鋼2.5萬噸以上,約占全國總量的30%。有的企業還投資礦山,形成鎢鉬礦產-鐵合金-高速鋼-工具產品完整的產業鏈。這種產業聯合降低了成本,加快了信息反饋和產品研發,增強了企業競爭力和抗擊風險的能力。

  提高我國高速鋼產品質競爭力的幾點建議

  高速鋼企業在支持下努力實現重點技術突破,如粉末冶金高速鋼制備技術,爭取實現50%以上自給;高速鋼噴射成型技術,滿足裝備制造業對高質量大截面高速鋼需求;300kg盤重高速鋼熱軋盤條生產技術;高品質小規格(直徑3.0mm以下)高速鋼鋼絲制備技術。

  設立級高速鋼工程技術研究中心,培養高層次人才;廣泛開展產學研用合作研究和開發,廣泛開展高速鋼生產企業與工具企業高層技術人員互訪溝通,廣泛開展國內外交流互訪;深入研究進口刀具材料和涂層。在高速鋼領域扶強放小,重點支持優勢企業,打造世界級高速鋼品牌。強化服務-選擇應用、失效分析、熱處理技術支持。

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