基体的天地简称"基地"

court0

YXR7作为一种基体高速钢（matrix high speed steel），在以前贴出的图表中优势比较突出。于是引出了这方面的兴趣，通过查找一些资料，进行汇集，写这个贴子。参考来源至少有二十处，不便一一写出，事先致谢吧。“基地”是一个恐怖词汇，用以形容我对材料发展的心情，同时又不离题太远，以博一笑罢。写一些文字出来，主要的愿望是和有兴趣的朋友讨论，以期透过现象看本质，也算玩刀的一个乐趣了。


一、乱谈

基体钢(matrix steel)其实并非新事物，对于古代“乌兹钢”做出研究之后，人们就已经明白了基体钢的作用，而当代高速钢(例如M2,粉末M2等)的作业机制也基于材料内部的基体。钢种不同，基体也不同，高速钢尤其如此。只不过，基体钢也自成一个钢种，通常基体钢比同类高速钢的基体的碳含量低一点。进一步，基于基体钢的高速钢又成了一个新变种，叫基体高速钢（matrix high speed steel）。对于有兴趣的钢痴，首先弄清楚何为基体很有必要。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:34 编辑 ]

court0

我在老贴《高端收藏系列之五：紫色幽灵》中，引入的图片形象地显示出古乌兹钢的基体（老贴中也称之为钢矩阵）其实就是针状马氏体和残余奥氏体。这一点上，当代高速钢与它的基体理论上是类似的。以高钒高速钢（V10）和粉末M2高速钢为例。

1、高钒高速钢（V10）
下图显示出V10的显微组织，为“VC + 马氏体+ 奥氏体+ M7 C3 + Mo2 C”, VC主要呈球状、块状均匀分布于由针状马氏体和残余奥氏体组成的基体中。在切割工作中，就是看VC与基体镶嵌结合得紧密与否，这又取决于VC颗粒的大小和镶嵌嵌密度。颗粒太大，它就易碎；颗粒太密，整个材料就会太脆。如上公式所述，基体则包括马氏体、残余奥氏体，在公式中的其它东西也非常重要，它们是热处理过程中形成的金属碳化物，有铁基钒碳化物（MC），有共晶反应形成的铬的铁基碳化物（M7C3）等等（总之，M指的是铁基的微量元素碳化物，包括钨、钼、钒、铬、锰等），它们刀具切割性能所做贡献也由含量和大小决定。特别地，M7C3与基体的结合紧密度远不能与VC相比，这是宏观上V10高速钢的耐磨性远超高铬合金的真正原因。由此，基体的作用在于镶嵌住一定数量和一定大小的碳化物颗粒，基体的优劣就是看它镶的牢不牢以及镶了多少。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:38 编辑 ]

court0

两者的微结构和成分是相同的，所不同只在晶体的致密程度，因此它们的基体也就是一回事。下图中的网状或枝状晶体显示了该高速钢中的M2C-MC以及M6C-MC共晶，它们周边的即是基体。与上面的V10相比，M2显然不行，因为它的晶粒（及团块）太大，晶粒内部结构疏松，亦即，从整体上来看，M2的基体不如V10的基体。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:44 编辑 ]

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基体钢的研制目的在于保留高速钢优点的同时剔除其中过多的剩余碳化物，正如上面图文所阐述的，由于多余的碳化物使高速钢产生了固有的裂损、屑碎和微观破耗进而表现为韧性太差的问题。

美国在70年代已经研制出了基体钢，但由于没有得到广泛应用而被一度忽视了。

中国近年来也研发了五六种较新的基体钢，其中最有代表性的是华中科技大学研制的65Nb。65Nb的材料代号为6Cr4W3Mo2VNb，也曾用65Cr4W3Mo2VNb表示，其成分接近高速钢（W6Mo5Cr4V2）的基体成分，具有高速钢的高硬度和高强度，又因无过剩的碳化物，钢中适量的铌（Nb）起到了细化晶粒的作用，故而比高速钢具有更高的韧性和抗疲劳强度，但耐磨性要弱于高速钢。

而日本的日立、那智、大同等公司已经开发出了系列较全的基体钢以及基体高速钢，并在世界范围得到应用。

事实上，金属基体复合材料的优势已经在实践中得到了广泛证明，下图是美国一家材料打磨和抛光研究所总结出来的材料大类的应用性能比照图，可供参考。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:47 编辑 ]

court0

基体钢除了耐磨性不优于高速钢，其它方面都比高速钢有优势，而如前所述，基体高速钢是基于基体钢的高速钢，我们知道高速钢的一个重要用途是切割金属，那么基体高速钢又有什么优势呢？无疑，应该是在保持基体钢优势的同时，进一步提高耐磨性。

1、透视磨损

提升冷作钢与高速钢的性能，粉末冶金术的贡献明显超越了传统冶金方法。在生产过程中，使每颗高合金钢尘粒都拥有同样的晶粒结构和碳化物含量，这足以让粉末钢的制作者们声称其产品具备高性能。尤其是相对于传统钢材磨损上存在的问题，关于粉末钢优秀性能的声明在实践中得到了诸多映证。

然而在日本工具产业界，长久以来人们就明白：磨损并非总是工具过早失效的原因。通常，裂损、屑碎和微观破耗，即单颗或成堆的碳化物从工具切口表面崩离，才是使工具过早失效的真正罪魁。工具使用者们想得到一种能够改善韧性问题、疲劳问题的成本相对较低的材料，针对此需求，日本专业冶钢界研发出了一类锻造合金。

“那智—不二越”（Nachi-Fujikoshi）、“大同”（Daido），以及其它一些专业钢材企业研究努力的结果是一系列基体高速钢（matrix high-speed steels）；在日本，基体高速钢的分类基本不遵循AISI或JIS标准（关于AISI & JIS标准，可参阅http://www.custeel.com/5001/member/kf/index_kf_pxkt_gczs-2.shtml   和   http://www.cnsaw.com/news_info.asp?id=3634 ），厂家以销售编号来命名钢种。那智公司经营的MDS系列包括MDS1、MIS3、MDS7等基体高速钢以及编号为MDS9的高韧性冷作钢，而大同公司则销售MH85、MH88等基体高速钢和编号为DC53的高韧性冷作硬模钢。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:50 编辑 ]

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2、碳化物颗粒大小和含量限定材料应用效能

先看看D2钢。作为一个低成本、高淬透性的冷作模具钢种，大碳化物颗粒及其导致的韧性缺乏使D2钢刀具在特定应用领域中寿命很短，而且，大碳化物颗粒也降低了D2钢的机械加工性和易磨性。在1980s年代，日本研究者意识到通过降低合金成分，同时提升高温晶粒的精细程度，他们就能够生产出优于D2的高韧性、精细晶粒的冷作模具钢。在机械加工性和易磨性方面比D2钢提升30%，抗冲击和耐疲劳强度方面的进步，更高的淬透性和回火温度，日本工具界在整个1990s年代都倾向于使用这类新型的高韧性冷作模具钢。（贴士：D2钢曾经被当成高速钢应用过一段时间，显然效果并不理想，毕竟它是冷作（业）钢；类似的，新型日本高韧性冷作模具钢也有过这样的经历。）

接着，日本专业炼钢界把关注点转向了如何克服高速钢和粉末钢固有的低抗裂性。开发基体高速钢的前提在于：碳化物恰恰是问题而不是出路。研发人员已经证明了把高韧性冷作钢中的碳化物颗粒大小和含量降下来有利于提高抗裂性。在基体高速钢的开发上，通过添加合金成分形成各类碳化物的思维再次让位于对整块基体进行处理的解决方案，以降低碳化物含量。最终的成果，表明了基体高速钢具备了高韧性和高抗裂性，附加优势则包括更优秀的机械加工性和易磨性；作为平衡结果的基体高速钢比M2和粉末钢的磨损程度更小。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:53 编辑 ]

court0

3、基体高速钢的特征

（1）韧性

基体高速工具钢展现出高韧性和高抗裂性，原因在于其特有的微结构。图1表明了MDS系列钢的却氏冲击值（即却贝冲击实验极值），图2表明了挠曲强度（即横向挠曲抗断强度）。将同硬度下的却氏值作横向比较，可看出基体高速钢比M2或D2更优；而挠曲强度值的比较也是这个情况。图3和图4则反映了类似的优劣对比结果，基体高速钢的挠曲强度和却氏冲击值比同等硬度下的高钒粉末高速钢（V10）的值都更高一些。各类比较结果突显出基体钢的保持性和抗裂性。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:56 编辑 ]

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（2）机械加工性

优良的微结构和降低了的碳化物含量提升了基体高速钢在热处理之后的切削性和易磨性。图5比较了以打磨比（打磨时，钢材吃肉重量除以磨料吃肉重量）为指标的易磨性。比值更高，即意味着钢材的打磨性更优。钢材的加工成本和打磨成本下降，也就减少了工具成本支出。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:57 编辑 ]

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（3）热处理

基体高速钢在真空热处理过程中对慢速冷却的敏感性要小于其它高速钢。例如，在热处理过程中让100毫米直径的M2钢棒在真空炉里慢速冷却，其中心硬度将失去3个RC硬度点值，而基体高速度不会有任何硬度损失。表1列出了奥氏体化和回火温度区间，以及MDS钢材将形成的对应硬度值。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:58 编辑 ]

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（4）耐磨性

冷作模具钢通常有较宽的硬度区间，介于HRC58到65，而基体高速钢则不同于宽区间硬度模式，其钢材系列中的每一钢种拥有一个窄区间，各个窄区间互不重叠。在耐磨性水平上也是如此。例如，基体高速钢系列中的某个钢种硬度为HRC58，其它的钢种则分布在硬度62到64之间，等等。硬度决定耐磨性，而硬度水平则取决于钢材中基体的数量。对于基体含量控制的结果可以看图6，其中低磨损率表示高耐磨性。图7比较了基体高速钢与高钒粉末高速钢（V10）的抗磨损性。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 17:59 编辑 ]

court0

仍以粉末高速钢V10为例，而基体高速钢目前只能去猜想，通过性能优劣，辅以V10的已知材料进行。

1、V10的特征

(1) V10 中的VC 形态好，主要呈球状或近似球状，且在基体中呈不连续均匀分布，在磨损过程中受到较大应
力时，近球状的VC 不易碎裂，裂纹主要于VC 与基体的界面萌生,并沿VC 的近球形表面扩展. V10 中的大量裂纹扩展到VC 侧面时，扩展速度减慢或停止扩展，从而减慢了材料的失效速度，耐磨性提高。

(2) V10 淬透性好,基体硬度高。V10 是在普通高速钢的基础上研制的，保留了提高淬透性和淬硬性的Cr 、Mo 元素，热处理后基体由高硬度的高碳片状马氏体和残余奥氏体组成，磨损过程中可对VC 提供更有力的支撑，充分发挥VC 抗磨骨架的作用。

(3) V10 中VC 的硬度很高。在磨损过程中,微观切削不可避免，但在磨损表面的每一疲劳剥落块剥落之前，其表面突出的碳化物有助于抵御配磨材料的显微切削，从而更有效地保护基体，提高耐磨性。

2、对MDS系列进而YXR7等基体高速钢的猜测

首先，从先前的材料可知，基体高速钢是锻造钢，而非粉末钢。

其次，基体高速钢的各项性能都超过粉末高速钢V10。

再次，基体高速钢的形成机制是减少高速钢中过多的碳化物，同时增强基体，而并非通过添加微量元素来生成。

根据上述三方面事实，可以断定，基体高速钢的制造必须以基体钢为前提，为了增加耐磨性，它应当在基体钢的基础上进一步细化和圆化晶粒，把以前重量百分比下的晶体面积进一步扩大，纯化基体马氏体的同时，减少共晶的发生。这也就意味着，必须添加新的元素，以完成这项工作，并非如引用资料中所称的不考虑添加剂而只考虑基体固化的问题。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 18:19 编辑 ]

court0

由于基体高速钢是一个低成本高成效的治金方案，它并不能否认粉末冶金的独特作用，所以，在特定的应用领域，不过多考虑成本的情况下，将会进一步出现粉末基体高速钢。由于这类材料是非热敏性的，所以，粉末基体高速钢将是未来一段时间的最佳制刀钢材，它的效能会远超YXR7。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-9-25 18:22 编辑 ]

cqulxd

看不懂也顶

verilog

看不懂啊

canvasmaster

专业有余 通俗不足 帮顶

瑞士自动

不懂

AC米兰

有几个问题值得商榷.
基体钢按照国内通常的说法就是指高速钢基体钢.65Nb就是一种高速钢基体钢.
基体钢的抗弯强度、韧性、塑性和疲劳抗力高于高速钢，但耐磨性低于高速钢.
基体高速钢的各项性能都超过粉末高速钢V10说法有点问题.我没记错的话, V10按照生产厂家的介绍并不属于高速钢.另外,V10的耐磨性比几个粉末高速钢还强.不是基体钢能比的。
忘说了,PM就是指粉末钢的意思.PM HSS就是指粉末高速钢.

[ 本帖最后由 AC米兰 于 2006-9-25 19:22 编辑 ]

御神雾夜

学习贴!要顶!

fseal

文章越来越高渗了，看不懂！慢慢看吧。

dgl

他复杂了,懒的看