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第一种工具钢的历史

目录:技术支持点击率:发布时间:2021-07-05 13:54:15

这种钢在很大程度上被公认为是“第一种工具钢”,是由英国冶金学家罗伯特·福雷斯特·穆舍特 (Robert Forester Mushet) 于 1868 年开发的 。Mushet 通过添加少量锰来改进贝塞麦炼钢工艺 。后来穆舍特尝试添加各种元素,发现他的一根钢条虽然没有经过淬火,但已经变得非常坚硬。这被称为“自硬化”和后来的“空气硬化”钢,因为它可以在空气中完全硬化,而不需要水淬甚至油淬。自硬化能力的原因是由于可硬化的特性,我在 Bladeforums 的帖子  中已经介绍过。淬透性本质上是钢从淬火温度冷却的速度有多慢,同时仍能获得坚硬的马氏体微观结构而不是柔软的铁素体-渗碳体微观结构的特性。这种钢的钨和锰含量很高,有时错误地报告说是钨赋予了它高的淬透性;然而,主要是锰赋予其在空气中硬化的能力,因为钨对硬化性几乎没有增加 。

这是钨钢发展的早期阶段。在过去十年左右的时间里,奥地利有一些研究人员一直在开发钨钢,因为钨会导致硬质碳化钨的形成 。这些碳化物对耐磨性有很大贡献;简单的钨钢是所有非工具钢中最耐磨的 。我使用 Thermo-Calc 热力学软件计算了添加和不添加 5.5% 钨的 Mushet 钢的碳化物体积

渗碳体的量略有减少,但 Mushet 钢中存在大量碳化钨,这对耐磨性有很大贡献。空气硬化和高耐磨性的结合被称为“R. Mushet 的特殊钢”导致许多竞争对手创造了他们自己的“自硬”钢,因为它们可以在空气中硬化,从而减少严重水淬时可能发生的变形和开裂,并且由于钨提高了耐磨性,切削工具可以以更高的速度运行 。

Mushet 钢导致了许多更重要的发展。宾夕法尼亚州伯利恒钢铁公司的 Frederick Winslow Taylor 和 Maunsel White 对热处理参数和不同的钢合金进行了许多实验,试图最大限度地提高钢的切削速度。钢可达到的切削速度存在一定的基本限制,因为在高速下钢会升温,因此在使用过程中会过度回火和软化

在此之前,钢在淬火形成马氏体之前被加热到大约 1400-1600°F 的硬化或奥氏体化温度。然而,泰勒和怀特抛弃了旧的约定,并尝试了他们能想到的每一个参数来最大限度地提高切割速度。虽然有问题的发现通常归因于泰勒,有时也归因于怀特,但正如泰勒在列出几位贡献者  后所说,参与其中的人很多:

在这些年里,我们在与这些实验有关的所有问题上都如此自由地进行了协商,几乎没有采取任何可以说起源于任何一个人的步骤。因此,无论对这项工作有什么功劳或指责,我们都应该公平地分配。因此,在撰写本文时,我们不会努力区分一个人和另一个人的工作,就我们调查中获得的结果而言。怀特先生无疑是一位比我们其他任何人都更有成就的冶金学家。甘特先生是一个更好的全能经理,这篇论文的作者也许比其他任何人都更能咬紧牙关。

他们用Mushet钢进行了实验,并对它进行了几次修改。过去的传统观点认为,在过高温度下进行奥氏体化会导致晶粒长大和性能下降。Taylor 和 White 还发现,在高于常规温度的情况下,性能有所下降,但也有所下降。他们的重大发现是,当 Mushet 钢在非常高的温度下硬化时,最大切削速度实现了大幅提高我不清楚最初减少的原因,后来受到质疑 。然而,现在已经很好地理解了为什么在更高温度下会有所改善的机制。在更高的温度下,更多的碳化钨被溶解,使钨在硬化后溶解。溶液中的钨会延迟高回火温度下硬度的降低,甚至在适当温度下增加硬度 一种是简单的 1.5%C 钢 (1),另一种是添加了 8% 钨的 1.5%C 钢 (2)。左图显示了在 1470°F 下奥氏体化的两种钢,其中两种钢在高于 550°F 左右回火时表现出相似的行为,因为添加钨的钢在溶液中几乎没有钨。然而,当从非常高的温度 (2190°F) 奥氏体化时,钨钢会随着温度的升高而软化得更慢。因此,泰勒和怀特发现切削刀具可以以非常高的速度运行,因为它们可以加热到相对较高的温度,同时保持其硬度。我使用 JMatPro 来计算溶液中的钨与奥氏体化温度的关系可以看到溶液中的钨具有非常好的相关性。钨在高回火温度下增加硬度的机制是一个太大的话题,无法在这篇文章中涵盖,但总结一下,较高的钨量会导致非常细的碳化钨沉淀,从而在较高的回火温度下增加硬度。
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