高速鋼材料

   高速鋼是一種含多量碳(C)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等元素的高合金鋼，熱處理后具有高熱硬性。當(dāng)切削溫度高達(dá)600℃以上時(shí)，硬度仍無(wú)明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達(dá)每分鐘60米以上，而得其名。高速鋼按化學(xué)成分可分為普通高速鋼及高性能高速鋼，按制造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼。 

普通高速鋼

              圖一： 高速鋼是制造形狀復(fù)雜、磨削困難的刀具的主要材料。普通高速鋼可滿足一般需求。常見(jiàn)的普通高速鋼有兩種，鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。 鎢系高速鋼 典型牌號(hào)為W18Cr4V，熱處理硬度可達(dá)63-66HRC，抗彎強(qiáng)度可達(dá)3500MPa，可磨性好。

鎢鉬系高速鋼 

典型牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2，目前正在取代鎢系高速鋼，具有碳化物細(xì)小分布均勻，耐磨性高，成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。熱處理硬度同上，抗彎強(qiáng)度達(dá)4700MPa，韌性及熱塑性比w18Cr4V提高50%。常用于制造各種工具，例如鉆頭、絲錐、銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等，可以滿足加工一般工程材料的要求。只是它的脫碳敏感性稍強(qiáng)。

另一牌號(hào)的普通高速鋼為W9Mo3Cr4V，這是中國(guó)近幾年發(fā)展起來(lái)的新品種。強(qiáng)度及熱塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度為HRC63-64，與韌性相配合，容易軋制、鍛造，熱處理工藝范圍寬，脫碳敏感性小，成本更低。這三個(gè)牌號(hào)的普通高速鋼在中國(guó)市場(chǎng)的比例分別為:W18Cr4V，16.5%W6Mo5Cr4V2，69%;W9Mo3Cr4V，11%。 

高性能高速鋼

高性能高速鋼具有更好的硬度和熱硬性，這是通過(guò)改變高速鋼的化學(xué)成分，提高性能而發(fā)展起來(lái)的新品種。它具有更高的硬度、熱硬性，切削溫度達(dá)攝氏650度時(shí)，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性為普通高速鋼的1.5-3倍，適用于制造加工高溫合金、不銹鋼、鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的刀具。 

主要品種有4種，分別為高碳系高速鋼、高釩系高速鋼、含鈷系高速鋼和鋁高速鋼。 

高碳系高速鋼 

牌號(hào)為9w18Cr4V，因含碳量高(0.9%)，故硬度、耐磨性及熱硬性都比較好。用其制造的刀具在切削不銹鋼、耐熱合金等難加工材料時(shí)，壽命顯著提高，但其抗彎強(qiáng)度為3000MPa，沖擊韌性較低，熱處理工藝要求嚴(yán)格。

高釩系高速鋼 

牌號(hào)有W12Cr4V4Mo及W6Mo5Cr4V3(美國(guó)牌號(hào)M3)，含釩量達(dá)3-4%，使耐磨性大大提高，但隨之帶來(lái)的是可磨性變差。高釩系高速鋼的使用及發(fā)展還需要依賴于磨削工藝及砂輪技術(shù)的發(fā)展。

鈷高速鋼 

牌號(hào)有W2Mo9Cr4VCo8(美國(guó)牌號(hào)M42)。其特點(diǎn)為：含釩量不高(1%)，含鈷量高(8%)，鈷能促使碳化物在淬火加熱時(shí)更多地溶解在基體內(nèi)，利用高的基體硬度來(lái)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。熱處理硬度可達(dá)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(fù)雜刀具，國(guó)際上用得很普遍。但中國(guó)鈷資源缺乏，鈷高速鋼價(jià)格昂貴，約為普通高速鋼的5-8倍。

鋁高速鋼 

牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V5SiNbAl等,主要加入鋁(Al)和硅(Si)、鈮(Nb)元素，來(lái)提高熱硬性、耐磨性。適合中國(guó)資源情況，價(jià)格較低。熱處理硬度可達(dá)到68HRC，熱硬性也不錯(cuò)。但是這種鋼易氧化及脫碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改進(jìn)。國(guó)際市場(chǎng)上高性能高速鋼使用量已經(jīng)超過(guò)普通高速鋼25-30%。

本站注：按照通常的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，只有含鈷量在2%以上的高速鋼才稱為高性能高速鋼，代號(hào)為HSS-E。其它如鋁高速鋼等，雖然性能較普通高速鋼有所提高，但尚未有證據(jù)表明可以達(dá)到鈷高速鋼的同等性能。

粉末冶金高速鋼

 

                            圖二：粉末冶金高速鋼及其制品。

近幾年來(lái)高速鋼的最大變革就是發(fā)展了粉末冶金高速鋼，它的能優(yōu)于熔煉高速鋼。用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融高速鋼水，得到細(xì)小高速鋼粉末，篩選后為0.4mm以下的顆粒；在真空(0.04Hg)狀態(tài)下，密閉燒結(jié)達(dá)到密度65%；再在1100℃高溫、300MPa高壓下制成密度100%的鋼坯，然后鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄錠時(shí)要產(chǎn)生粗大碳化物偏析的問(wèn)題，而它無(wú)論截面多大，其碳化物級(jí)別均為一級(jí)。碳化物晶粒極細(xì)，小于0.002mm，而熔煉高速鋼碳化物晶粒為0.008-0.02mm。牌號(hào)為CPM T15的粉末冶金高速鋼，它的強(qiáng)度、韌性分別是同化學(xué)成分的熔煉高速鋼的2倍及2.5倍。盡管含釩量達(dá)5%，但由于碳化物晶粒細(xì)，可磨性依然很好。高溫?zé)嵊捕纫脖热蹮捀咚黉撎岣?.5-1HRC。 
又由于其物理機(jī)械性能高度各向同性，淬火變形小。碳化物顆粒均勻分布的表面較大，不易從刀具的切削刃上剝落，小尺寸刀具耐磨性提高1.5-2倍，大尺寸刀具提高20-30%。 

粉末冶金高速鋼具有良好的力學(xué)性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、強(qiáng)度高而切削刃又必須鋒利的刀具，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動(dòng)載荷下使用的刀具。 

它的碳化物偏析小，晶粒細(xì)，可磨性好，適合制造：大尺寸刀具、精密刀具、復(fù)雜刀具。這類材料的高溫?zé)嵊捕雀�，又適合制造難加工材料所用的刀具，確實(shí)是面面俱到。

粉末冶金高速鋼生產(chǎn)過(guò)程較復(fù)雜，造價(jià)較高。中國(guó)鋼廠提供的品種較少，市場(chǎng)用量也很少。國(guó)際上著名鋼廠如美國(guó)Crucible公司已可提供近二十種粉末冶金高速鋼，日本神戶制鋼所、日立金屬公司均可提供近十種粉末冶金高速鋼，供應(yīng)量也在迅速增長(zhǎng)。日本著名的OSG公司用粉末冶金高速鋼制造了鉆頭、銑刀、絲錐，NACHI公司制造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。有理由相信技術(shù)性能高的粉末冶金高速鋼將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，為金屬加工業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展。 

高速鋼的市場(chǎng)定位及發(fā)展趨勢(shì)

 

              圖三：高速鋼材料按制造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼

自二十世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)高速鋼以來(lái)，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展起到了重要作用�？梢哉f(shuō)沒(méi)有高速鋼，就沒(méi)有現(xiàn)代的金屬加工業(yè)。盡管六十年代起，硬質(zhì)合金等材料崛起，但是對(duì)于制造形狀復(fù)雜、磨削困難的刀具，如拉刀、剃齒刀、插齒刀等，高速鋼始終處于主導(dǎo)地位。特別是要求刀具具備高韌性時(shí)，就非高速鋼莫屬了。 

高速鋼的主要應(yīng)用領(lǐng)域是機(jī)械和工具制造業(yè)，必然要適應(yīng)這個(gè)行業(yè)的發(fā)展，近幾年來(lái)機(jī)械加工采用了高速度的數(shù)控機(jī)床，例如加工中心、車削中心等，金屬切削速度越來(lái)越快，要求刀具必須具有高速使用性能，即熱硬性、耐磨性、沖擊韌性要好，因此，廠家紛紛研發(fā)符合上述要求的高速鋼材料。 
在機(jī)加工費(fèi)用中，材料約占15-20%，刀具約占25-35%。用戶對(duì)刀具的選用也越來(lái)越趨向合理，即選用性能與價(jià)格比好的刀具。 

高速鋼刀具占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域，如精密零件、復(fù)雜零件、成形加工零件的市場(chǎng)也越來(lái)越大，對(duì)可磨性的要求也越來(lái)越高。 

高速鋼-走過(guò)一個(gè)世紀(jì)的鋼種，應(yīng)瞄準(zhǔn)特定市場(chǎng)空間，提高自身技術(shù)含量，去抗衡其它材料的挑戰(zhàn)。