刀具材料的高速钢应用

　　高速钢（HSS, High SpeedSteel）进入刀具行业时接触最多一类刀具材料。那时最常见被称为“ㄙ18”（ㄙ发音为拼音“si”），其来源应该来自前苏联。

　　后来知道，我们当时所用高速钢应被称为“普通高速钢”，还有比它性能更好，如从合金成分上要明显优于它铝高速钢，钴高速钢（HSS-Co）等，或从冶炼方法上要明显优于它粉末冶金高速钢（PM-HSS，PowderMetallurgy High SpeedSteel）；当然也有比它性能更低一些所谓“低合金高速钢”。

　　现有些人对“高速钢”这个名字有些不解，因为它速度比起眼下正流行硬质合金来要低许多。但就高速钢诞生时候，它速度确比原有刀具材料高很多。

　　大约1900年前后，当美国机械工程师泰勒（F·WTaylor）冶金工程师怀特（M·White）发明它时，人们普遍用来切削刀具合金工具钢。 1900年由美国匹兹堡伯利恒钢铁公司生产W18Cr4V（即ㄙ18，又称T1，18-4-1，现国际标准代号为18-0-1）高速钢巴黎博览会上公开演示，成为高速钢发展史上第一个无可置疑里程碑。十年后1910年，一位英国人这样写道：“1900年巴黎博览会上，一些工程师看到了一部高速运转车床，上面装有一个工具，正用它尖头炽热消除一个暗蓝色碎片，工程师们意识到他们亲眼见证了工具钢机床方面一个革命开始。”

　　高速钢发明使切削碳钢速度由提高到大约30m/min。拿一个直径65mm，长度1000mm45钢工件来说，原来加工时间需要100分钟，而应用高速钢只需要约25分钟。因此，人们对它速度惊叹不已，称其为“高速钢”。W18Cr4V作为一个经典高速钢牌号，一直延续使用至今。只由于钨资源缺乏，以及高钨高速钢热成形工艺性方面一些不足，近20年里，它统治地位才逐渐被W6Mo5Cr4V2（即M2）所取代。

　　高速钢刀具材料主要由两种基本成分构成：一种金属碳化物（碳化钨、碳化钼或碳化钒），它赋予刀具较好耐磨性；二分布周围钢基体，它使刀具具有较好韧性吸收冲击、防止碎裂能力。

　　碳化钨（WC）大幅度提高高速钢切削速度方面贡献决定性，我个人看法，这一发现对于以后硬质合金发明也具有奠基石作用。如今我们大量使用钨基硬质合金，其主要硬质相（对刀具硬度、耐磨性其决定作用成分）依然碳化钨。

　　高速钢后来有被称为“风钢”。我30年前进入上海工具厂时，绝大多数工人师傅都这么称呼高速钢。学习有关热处理知识时，老师告诉我，其它许多钢材进行淬火时，当材料被加热到完全奥氏体相变温度以后，必须放入水或其它介质急速冷却以得到坚硬“马氏体”组织，如果冷却速度慢了（例如空气冷却），就会变成较软珠光体、渗碳体等组织，硬度就会比较低；而高速钢加热到“奥氏体”组织后即使空气冷却，也会得到“马氏体”组织，即高速钢能够“风”淬硬，它“风钢”名称由此而来。

　　实践发现高速钢晶粒大小对高速钢性能产生着巨大影响。网站上曾经发过一份资料，《W18Cr4V钢奥氏体晶粒度参考图》，其号码数字较大高速钢（如11号）比号码数字较小（如8.5号）性能优越许多。有资料称，制备普通高速钢时，将熔化钢水从钢水包注入铸模，使其缓慢冷却凝固。此时，金属碳化物从溶液析出，并形成较大团块。高速钢添加合金含量越多，碳化物团块就越大。达到某一临界点时，可形成尺寸极大碳化物团块（直径可达40μm）。出现大碳化物团块临界点根据钢锭尺寸以及其它因素而略有不同，但一般碳化钒含量达到约4%时发生。通过对钢锭进行锻造、轧制等后续加工，可以粉碎其一部分碳化物团块，但不可能将其完全消除。虽然增加钢材金属碳化物颗粒数量可以改善材料耐磨性，但随着合金含量增加，碳化物尺寸及团块数量也会随之增加，这对于钢材韧性会产生极其不利影响，因为大碳化物团快可能成为产生裂纹起始点。因此，国外很早就开展研究，追求高速钢细晶粒化。

　　20 世纪60年代后期，粉末冶金高速钢制造工艺瑞典开发成功，并于70年代初期进入市场。该工艺可高速钢加入较多合金元素而不会损害材料强韧性或易磨性，从而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削冲击、适合高切除率加工断续切削加工刀具。粉末冶金高速钢制备工艺与普通高速钢制备工艺不同，熔化钢水不直接注入铸模，而通过一个小喷嘴将其吹入氮气流进行雾化，喷出雾状钢水迅速冷却为细小钢粒（直径小于1μm）。由于钢水溶液碳化物快速冷却过程来不及沉淀形成团快，因此获得钢粒碳化物颗粒细小且分布均匀。将这些钢粉过筛后置入一个钢桶，并将钢粉间空气抽净形成真空状态，然后高温、高压下将钢桶钢粉压制成型，即可得到致密度为100%粉末冶金高速钢毛坯。这一制备工艺被称为热等静压 （hotisostaticpressing,HIPing）成型。然后可对毛坯进行锻造、轧制等后续加工。利用热等静压成型工艺制备粉末冶金高速钢碳化物颗粒非常细小，而且不管其合金含量为多少，这些碳化物颗粒都可均匀分布于整个高速钢基体。

　　采用粉末冶金高速钢制备工艺，钢材生产商可以充分增加钢金属碳化物含量，而不会对材料韧性或易磨性造成有害影响。虽然一些偏爱粉末冶金高速钢人喜欢将其誉为高速钢与整体硬质合金“混血儿”，但实际上它只一种具有尺寸微小碳化物颗粒细化钢基体粒子结构高速钢。不过，它确实将高速钢良好韧性与硬质合金高耐磨性很好地结合于一身。由于粉末冶金高速钢碳化物颗粒细小且分布均匀，因此与碳化物含量相同普通高速钢相比，其强韧性大大提高。凭借这一优势，粉末冶金高速钢刀具非常适合用于切削冲击大金属切除率高加工场合（如挠曲切削、断续切削等）。此外，由于粉末冶金高速钢强韧性不会因金属碳化物含量增加而削弱，因此钢材生产商可以钢添加大量合金元素，以提高刀具材料性能。

　　同时，由于钨（W）资源属于战略性资源，现代硬质合金又比较大量地使用钨资源，低钨高速钢成为高速钢研发一个方向。科学家们发现了钼（Mo）可以作为钨良好替代品。研究发现，高速钢一份钼可以与两份钨作用基本相当，因此开发出高速钢另一个经典牌号W6Mo5Cr4V2（即美国牌号M2，国又有许多人将其简称为6-5-4-2，国际标准代号为6-5-2）。国使用M2高速钢过程，许多人认识到其热成形工艺性要比经典 W18Cr4V（也称为18-4-1）更好。我上海工具厂工作时，该厂长期生产轧制直柄麻花钻扭制锥柄麻花钻。我发现热成形时6-5-4-2废品率要远远低于18-4-1。因此，他们生产热成形钻头时基本上都使用6-5-4-2。但其它产品上还有许多使用18-4-1，因为当时18-4-1似乎价格更低一些。

　　后来又研发了所谓“低合金高速钢”。当时我觉得低合金高速钢有一定生存空间。低合金高速钢红硬性要低于普通高速钢，即它允许切削速度比普通高速钢要低。由于涂层技术出现，传统加工时如果使用涂层低合金高速钢，涂层减少切削热产生并阻碍切削热向刀具传递，如果不改变原有加工参数，它应该同样可以使用原来普通高速钢切削速度。但我现认为，工业生产领域，提高加工效率应该我们首选，即使传统机床上使用高速钢刀具，材料低合金化并不可取。它现有生存空间应该家庭、手工作业等场合。至于目前有些生产商为了降低成本，极度降低高速钢合金含量。

　　国外大量发展含钴高速钢（HSS-Co），后来国际上统一认定含钴量2%以上含钴高速钢为高性能高速钢（HSSE）。钴对于提高高速钢性能作用也明显，它能促使碳化物淬火加热时更多地溶解基体内，利用高基体硬度来提高耐磨性。这种高速钢硬度、热硬性、耐磨性及可磨性都很好。国际上常规钴高速钢含钴量通常5%8%。例如W2Mo9Cr4VCo8（美国牌号M42），其特点为含钒量不高（1%），含钴量高（8%），热处理硬度可达 67-70HRC，但也有采取特殊热处理方法，得到67-68HRC硬度，使其切削性能（特别间断切削）得到改善，提高冲击韧性。钴高速钢可制成各种刀具，用于切削难加工材料效果很好，又因其磨削性能好，可制成复杂刀具，国际上用得很普遍。但国钴资源缺乏，钴高速钢价格昂贵，约为普通高速钢5-8 倍。

　　因此，国发展了铝高速钢。铝高速钢牌号为 W6Mo5Cr4V2Al（又称501钢）、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl（又称5F6钢）等,主要加入铝（Al）硅 （Si）、铌（Nb）元素，来提高热硬性、耐磨性。适合国资源情况，价格较低。热处理硬度可达到68HRC，热硬性也不错。但这种钢易氧化及脱碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改进。国内铝高速钢工艺没有得到普遍解决，似乎只有原贵阳工具厂（现应属于西南工具总厂）能够批量生产铝高速钢刀具（主要铣刀）。但目前似乎国际上，并不认为铝高速钢可以作为高性能高速钢，因为没有证据表明，它各方面可以与钴高速钢相提并论——虽然个别领域上可以。

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