漫談刀具材料中的高速鋼

    高速鋼(HSS, High SpeedSteel)是我進入刀具行業(yè)時接觸最多的一類刀具材料。那時最常見的被稱為“ㄙ18”(ㄙ的發(fā)音為拼音“si”)，其來源應該是來自前蘇聯(lián)。

    后來知道，我們當時所用的高速鋼應被稱為“普通高速鋼”，還有比它性能更好的，如從合金成分上要明顯優(yōu)于它的鋁高速鋼，鈷高速鋼(HSS-Co)等，或從冶煉方法上要明顯優(yōu)于它的粉末冶金高速鋼(PM-HSS，PowderMetallurgy High SpeedSteel)；當然也有比它性能更低一些的所謂“低合金高速鋼”。

    現(xiàn)在有些人對“高速鋼”這個名字有些不解，因為它的速度比起眼下正在流行的硬質合金來要低許多。但就高速鋼誕生的時候，它的速度的確比原有的刀具材料高很多。

    在大約1900年前后，當美國機械工程師泰勒(F·WTaylor)和冶金工程師懷特(M·White)發(fā)明它時，人們普遍用來切削的刀具是合金工具鋼。 1900年由美國匹茲堡伯利恒鋼鐵公司生產的W18Cr4V(即ㄙ18，又稱T1，18-4-1，現(xiàn)國際標準代號為18-0-1)高速鋼在巴黎博覽會上的公開演示，成為高速鋼發(fā)展史上第一個無可置疑的里程碑。十年后的1910年，一位英國人這樣寫道：“在1900年巴黎博覽會上，一些工程師看到了一部高速運轉的車床，上面裝有一個工具，正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色碎片，工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方面的一個革命的開始。”

    高速鋼的發(fā)明使切削中碳鋼的速度由提高到大約30m/min。拿一個直徑65mm，長度1000mm的45鋼工件來說，原來的加工時間需要100分鐘，而應用高速鋼只需要約25分鐘。因此，人們對它的速度驚嘆不已，稱其為“高速鋼”。W18Cr4V作為一個經典的高速鋼牌號，一直延續(xù)使用至今。只是由于鎢資源的缺乏，以及高鎢高速鋼在熱成形工藝性方面的一些不足，在近20年里，它的統(tǒng)治地位才逐漸被W6Mo5Cr4V2(即M2)所取代。

    高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構成：一種是金屬碳化物(碳化鎢、碳化鉬或碳化釩)，它賦予刀具較好的耐磨性；二是分布在周圍的鋼基體，它使刀具具有較好的韌性和吸收沖擊、防止碎裂的能力。

    碳化鎢(WC)在大幅度提高高速鋼的切削速度方面的貢獻是決定性的，我個人的看法，是這一發(fā)現(xiàn)對于以后硬質合金的發(fā)明也具有奠基石的作用。如今我們大量使用的鎢基硬質合金，其主要的硬質相(對刀具硬度、耐磨性其決定作用的成分)依然是碳化鎢。

    高速鋼后來有被稱為“風鋼”。我在30年前進入上海工具廠時，絕大多數的工人師傅都是這么稱呼高速鋼的。在學習有關熱處理的知識時，老師告訴我，其它許多鋼材在進行淬火時，當材料被加熱到完全奧氏體的相變溫度以后，必須放入水或其它介質中急速冷卻以得到堅硬的“馬氏體”組織，如果冷卻速度慢了(例如在空氣中冷卻)，就會變成較軟的珠光體、滲碳體等組織，硬度就會比較低；而高速鋼在加熱到“奧氏體”組織后即使在空氣中冷卻，也會得到“馬氏體”組織，即高速鋼能夠在“風”中淬硬，它“風鋼”的名稱由此而來。

    實踐發(fā)現(xiàn)高速鋼的晶粒大小對高速鋼的性能產生著巨大的影響。在網站上曾經發(fā)過一份資料，是《W18Cr4V鋼奧氏體晶粒度參考圖》，其中號碼數字較大的高速鋼(如11號)比號碼數字較小的(如8.5號)的性能優(yōu)越許多。有資料稱，制備普通高速鋼時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模，使其緩慢冷卻凝固。此時，金屬碳化物從溶液中析出，并形成較大的團塊。高速鋼中添加的合金含量越多，碳化物團塊就越大。達到某一臨界點時，可形成尺寸極大的碳化物團塊(直徑可達40μm)。出現(xiàn)大的碳化物團塊的臨界點根據鋼錠的尺寸以及其它因素而略有不同，但一般是在碳化釩含量達到約4%時發(fā)生。通過對鋼錠進行鍛造、軋制等后續(xù)加工，可以粉碎其中一部分碳化物團塊，但不可能將其完全消除。雖然增加鋼材中金屬碳化物顆粒的數量可以改善材料的耐磨性，但隨著合金含量的增加，碳化物的尺寸及團塊數量也會隨之增加，這對于鋼材的韌性會產生極其不利的影響，因為大的碳化物團快可能成為產生裂紋的起始點。因此，國外很早就開展研究，追求高速鋼的細晶�；�。

    20 世紀60年代后期，粉末冶金高速鋼制造工藝在瑞典開發(fā)成功，并于70年代初期進入市場。該工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或易磨性，從而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削沖擊、適合高切除率加工和斷續(xù)切削加工的刀具。粉末冶金高速鋼的制備工藝與普通高速鋼的制備工藝不同，熔化的鋼水不是直接注入鑄模，而是通過一個小噴嘴將其吹入氮氣流中進行霧化，噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細小的鋼粒(直徑小于1μm)。由于鋼水溶液中的碳化物在快速冷卻過程中來不及沉淀和形成團快，因此獲得的鋼粒中碳化物顆粒細小且分布均勻。將這些鋼粉過篩后置入一個鋼桶中，并將鋼粉中間的空氣抽凈形成真空狀態(tài)，然后在高溫、高壓下將鋼桶中的鋼粉壓制成型，即可得到致密度為100%的粉末冶金高速鋼毛坯。這一制備工藝被稱為熱等靜壓 (hotisostaticpressing,HIPing)成型。然后可對毛坯進行鍛造、軋制等后續(xù)加工。利用熱等靜壓成型工藝制備的粉末冶金高速鋼中的碳化物顆粒非常細小，而且不管其合金含量為多少，這些碳化物顆粒都可均勻分布于整個高速鋼基體中。

    采用粉末冶金高速鋼制備工藝，鋼材生產商可以充分增加鋼中的金屬碳化物含量，而不會對材料的韌性或易磨性造成有害影響。雖然一些偏愛粉末冶金高速鋼的人喜歡將其譽為高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”，但實際上它只是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細化的鋼基體粒子結構的高速鋼。不過，它確實將高速鋼良好的韌性與硬質合金的高耐磨性很好地結合于一身。由于粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細小且分布均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比，其強韌性大大提高。憑借這一優(yōu)勢，粉末冶金高速鋼刀具非常適合用于切削沖擊大和金屬切除率高的加工場合(如撓曲切削、斷續(xù)切削等)。此外，由于粉末冶金高速鋼的強韌性不會因金屬碳化物含量的增加而削弱，因此鋼材生產商可以在鋼中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。

    同時，由于鎢(W)資源屬于戰(zhàn)略性資源，現(xiàn)代的硬質合金又比較大量地使用鎢資源，低鎢高速鋼成為高速鋼研發(fā)的一個方向�？茖W家們發(fā)現(xiàn)了鉬(Mo)可以作為鎢的良好的替代品。研究發(fā)現(xiàn)，在高速鋼中一份鉬可以與兩份鎢的作用基本相當，因此開發(fā)出高速鋼的另一個經典牌號W6Mo5Cr4V2(即美國牌號M2，中國又有許多人將其簡稱為6-5-4-2，國際標準代號為6-5-2)。在中國使用M2高速鋼的過程中，許多人認識到其熱成形工藝性要比經典的 W18Cr4V(也稱為18-4-1)更好。我在上海工具廠工作時，該廠長期生產軋制直柄麻花鉆和扭制錐柄麻花鉆。我發(fā)現(xiàn)在熱成形時6-5-4-2的廢品率要遠遠低于18-4-1。因此，他們在生產熱成形鉆頭時基本上都使用6-5-4-2。但在其它產品上還有許多使用18-4-1，因為當時18-4-1似乎價格更低一些。

    后來又研發(fā)了所謂“低合金高速鋼”。當時我覺得低合金高速鋼有一定的生存空間。低合金高速鋼的紅硬性要低于普通高速鋼，即它允許的切削速度比普通高速鋼要低。由于涂層技術的出現(xiàn)，在傳統(tǒng)加工時如果使用涂層的低合金高速鋼，涂層減少切削熱的產生并阻礙切削熱向刀具的傳遞，如果不改變原有加工參數，它應該同樣可以使用原來普通高速鋼的切削速度。但我現(xiàn)在認為，在工業(yè)生產領域，提高加工效率應該是我們的首選，即使在傳統(tǒng)機床上使用高速鋼刀具，材料的低合金化并不可取。它現(xiàn)有的生存空間應該在家庭、手工作業(yè)等場合。至于目前有些生產商為了降低成本，極度降低高速鋼的合金含量，我本人認為是不可取的。

    國外大量發(fā)展的是含鈷高速鋼(HSS-Co)，后來國際上統(tǒng)一認定含鈷量在2%以上的含鈷高速鋼為高性能高速鋼(HSSE)。鈷對于提高高速鋼的性能的作用也是明顯的，它能促使碳化物在淬火加熱時更多地溶解在基體內，利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好。國際上常規(guī)的鈷高速鋼的含鈷量通常是5%和8%。例如W2Mo9Cr4VCo8(美國牌號M42)，其特點為含釩量不高(1%)，含鈷量高(8%)，熱處理硬度可達 67-70HRC，但也有采取特殊熱處理方法，得到67-68HRC硬度，使其切削性能(特別是間斷切削)得到改善，提高沖擊韌性。鈷高速鋼可制成各種刀具，用于切削難加工材料效果很好，又因其磨削性能好，可制成復雜刀具，國際上用得很普遍。但中國鈷資源缺乏，鈷高速鋼價格昂貴，約為普通高速鋼的5-8 倍。

    因此，中國發(fā)展了鋁高速鋼。鋁高速鋼的牌號為 W6Mo5Cr4V2Al(又稱501鋼)、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl(又稱5F6鋼)等,主要加入鋁(Al)和硅 (Si)、鈮(Nb)元素，來提高熱硬性、耐磨性。適合中國資源情況，價格較低。熱處理硬度可達到68HRC，熱硬性也不錯。但是這種鋼易氧化及脫碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改進。國內鋁高速鋼的工藝沒有得到普遍的解決，似乎只有原貴陽工具廠(現(xiàn)應屬于西南工具總廠)能夠批量生產鋁高速鋼刀具(主要是銑刀)。但目前似乎在國際上，并不認為鋁高速鋼可以作為高性能高速鋼，因為沒有證據表明，它在各方面可以與鈷高速鋼相提并論——雖然在個別領域上可以。