高速度钢的起源之谜:穆希特钢如何改变工具制造历史?

高速度钢(HSS或HS)是一种工具钢的子集,广泛用作切削工具材料。它相较于高碳钢工具的优势在于可以承受更高的温度而不会失去硬度,这一特性使得HSS能以更快的速度进行切割。因此得名高速度钢。在一般建议的热处理下,高速度钢的各个等级通常在室温下展现出高硬度(超过60洛克韦尔C)与耐磨性,这使得它们在各种工业应用中极具竞争力。

历史

1868年,英国冶金学家罗伯特·福斯特·穆希特(Robert Forester Mushet)发展了穆希特钢,这被认为是现代高速度钢的前驱。这种钢含有2%的碳、2.5%的锰和7%的钨,其主要优势在于它能在大多数钢需淬火硬化的温度下通过空冷而硬化。随着时间的推移,最显著的变化是用铬取代了锰。

在1899年至1900年,弗雷德里克·温斯洛·泰勒(Frederick Winslow Taylor)与马恩塞尔·怀特(Maunsel White)在美国宾夕法尼亚州贝ethlehem钢铁公司进行了一系列的实验。他们对现有的高品质工具钢进行热处理,并将它们加热至通常行业中被认为不可取的高温。这些实验以科学实证法为特征,灵活试验不同的组合,详细记录每一批的结果。

这些实验产生了一种热处理过程,使现有的合金变为可以在更高温度下保持硬度的钢,这样切割速度可以从每分钟30英尺提升至90英尺。

1900年巴黎展会上,使用新钢制成的切削工具引起了轰动。その后,泰勒-怀特工艺被专利认证,并在机械加工工业中引起革命。随着新钢材的全力使用,对更坚固、高刚性的机械工具的需求推动了现有工厂设备的重新设计与更换。最初被正式分类为高速度钢的合金是AISI指定的T1,于1910年推出。这种钢在20世纪初由铸钢公司申请专利。

高速度钢的种类

高速度钢是一种通过添加各种合金金属来获得性能的合金,这些金属通常包括钨和钼,或两者的组合,通常还包括其他合金。它们属于Fe–C–X多成分合金系统,其中X代表铬、钨、钼、钒或钴。一般来说,X成分的比例超过7%,同时碳含量超过0.60%。在统一编号系统(UNS)中,钨类等级(如T1、T15)被赋予T120xx系列的编号,而钼类(如M2、M48)和中间类型则为T113xx。 ASTM标准承认7种钨型和17种钼型合金。

加入约10%的钨与钼,可以最大化高速度钢的硬度与韧性,并维持这些性能于切削金属时所产生的高温下。

应用领域

高速度钢的主要用途仍然是制造各种切削工具,这些工具包括钻头、钢刀、铣刀、工具刀头、齿轮切割刀、锯片、刨刀和铣刀等。尽管对于冲头和模具的使用正在增加,高速度钢仍然在一些精密手工具市场中受到青睐。其相对较好的韧性与高硬度结合的高耐磨性,使其适合用于需要耐用的锋利边缘的低速应用,如锯、凿子、手动刨子、和大马士革厨刀等。

高速度钢的未来

高速度钢工具是木工转动中最受欢迎的选择,因为工件与工具边缘之间的速度相对较快,且HSS的边缘保持能力优于高碳钢工具。随着科技的进步,未来工具制造将如何进一步受益于材料的革新与改进?

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