高速钢的现状及发展方向

         高速钢是一种含多量碳(C)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等元素的高合金工具钢，热处理后具有高热硬性。当切削温度高达600℃以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟60米以上，而得其名。高速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。

         高速钢材料按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。自二十世纪初发现高速钢以来，对现代工业发展起到了重要作用。可以说没有高速钢，就没有现代的金属加工业。尽管六十年代起，硬质合金等材料崛起，但是对于制造形状复杂、磨削困难的刀具，如拉刀、剃齿刀、插齿刀等，高速钢始终处于主导地位。特别是要求刀具具备高韧性时，就非高速钢莫属了。高速钢的主要应用领域是机械和工具制造业，必然要适应这个行业的发展，近几年来机械加工采用了高速度的数控机床，例如加工中心、车削中心等，金属切削速度越来越快，要求刀具必须具有高速使用性能，即热硬性、耐磨性、冲击韧性要好，因此，厂家纷纷研发符合上述要求的高速钢材料。在机加工费用中，材料约占15-20％，刀具约占25-35％。用户对刀具的选用也越来越趋向合理，即选用性能与价格比好的刀具。高速钢刀具占主导地位的领域，如精密零件、复杂零件、成形加工零件的市场也越来越大，对可磨性的要求也越来越高。高速钢-走过一个世纪的钢种，应瞄准特定市场空间，提高自身技术含量，去抗衡其它材料的挑战。

         高速钢是制造形状复杂、磨削困难的刀具的主要材料。普通高速钢可满足一般需求。常见的普通高速钢有两种，钨系高速钢和钨钼系高速钢。钨系高速钢的典型牌号为W18Cr4V，热处理硬度可达63-66HRC，抗弯强度可达3500MPa，可磨性好。钨钼系高速钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2(AISI M2,JIS SKH51,W-Nr. 1.3343)，目前正在取代钨系高速钢，具有碳化物细小分布均匀，耐磨性高，成本低等一系列优点。热处理硬度同上，抗弯强度达4700MPa，韧性及热塑性比W18Cr4V提高50％。常用于制造各种工具，例如钻头、丝锥、铣刀、铰刀、拉刀、齿轮刀具等，可以满足加工一般工程材料的要求。只是它的脱碳敏感性稍强。另一牌号的普通高速钢为W9Mo3Cr4V，这是中国近几年发展起来的新品种。强度及热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度为HRC63-64，与韧性相配合，容易轧制、锻造，热处理工艺范围宽，脱碳敏感性小，成本更低。这三个牌号的普通高速钢在中国市场的比例分别为:W18Cr4V，16.5％；W6Mo5Cr4V2, 69％;W9Mo3Cr4V,11％。

         高性能高速钢具有更好的硬度和热硬性，这是通过改变高速钢的化学成分，提高性能而发展起来的新品种。它具有更高的硬度、热硬性，切削温度达摄氏650度时，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性为普通高速钢的1.5-3倍，适用于制造加工高温合金、不锈钢、钛合金、高强度钢等难加工材料的刀具。主要品种有4种，分别为高碳系高速钢、高钒系高速钢、含钴系高速钢和铝高速钢。高碳系高速钢的典型牌号为9W18Cr4V，因含碳量高(0.9％)，故硬度、耐磨性及热硬性都比较好。用其制造的刀具在切削不锈钢、耐热合金等难加工材料时，寿命显著提高，但其抗弯强度为3000MPa，冲击韧性较低，热处理工艺要求严格。高钒系高速钢的典型牌号有W12Cr4V4Mo及W6Mo5Cr4V3(美国牌号AISI M3)，含钒量达3-4％，使耐磨性大大提高，但随之带来的是可磨性变差。高钒系高速钢的使用及发展还需要依赖于磨削工艺及砂轮技术的发展。钴高速钢的牌号有W2Mo9Cr4VCo8(美国牌号AISI M42)。其特点为：含钒量不高(1％)，含钴量高(8％)，钴能促使碳化物在淬火加热时更多地溶解在基体内，利用高的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。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(特别是间断切削)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。但中国钴资源缺乏，钴高速钢价格昂贵，约为普通高速钢的5-8倍。铝高速钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al及W6Mo5Cr4V5SiNbAl等,主要加入铝(Al)和硅(Si)、铌(Nb)元素，来提高热硬性、耐磨性。适合中国资源情况，价格较低。热处理硬度可达到68HRC，热硬性也不错。但是这种钢易氧化及脱碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改进。国际市场上高性能高速钢使用量已经超过普通高速钢25-30％。

         近几年来高速钢的最大变革就是发展了粉末冶金高速钢，它的性能优于熔炼高速钢。用高压氩气或氮气雾化熔融高速钢水，得到细小高速钢粉末，筛选后为0.4mm以下的颗粒；在真空(0.04Hg)状态下，密闭烧结达到密度65％；再在1100℃高温、300MPa高压下制成密度100％的钢坯，然后锻轧成钢材，这样有效地解决了熔炼高速钢在铸锭时要产生粗大碳化物偏析的问题，而它无论截面多大，其碳化物级别均为一级。碳化物晶粒极细，小于0.002mm，而熔炼高速钢碳化物晶粒为0.008-0.02mm。牌号为APM T15的粉末冶金高速钢，它的强度、韧性分别是同化学成分的熔炼高速钢的2倍及2.5倍。尽管含钒量达5％，但由于碳化物晶粒细，可磨性依然很好。高温热硬度也比熔炼高速钢提高0.5-1HRC。又由于其物理机械性能高度各向同性，淬火变形小。碳化物颗粒均匀分布的表面较大，不易从刀具的切削刃上剥落，小尺寸刀具耐磨性提高1.5-2倍，大尺寸刀具提高20-30％。粉末冶金高速钢具有良好的力学性能，适合制造：间断切削条件下易崩刃的刀具、强度高而切削刃又必须锋利的刀具，如插齿刀、滚刀、铣刀，高压动载荷下使用的刀具。它的碳化物偏析小，晶粒细，可磨性好，适合制造：大尺寸刀具、精密刀具、复杂刀具。这类材料的高温热硬度高，又适合制造难加工材料所用的刀具，确实是面面俱到。

         粉末冶金高速钢生产过程较复杂，造价较高。中国钢厂提供的品种较少，市场用量也很少。国际上著名钢厂如美国熔炉斯伯公司Crucible已可提供近二十种粉末冶金高速钢(如：CPM M4HCHS(AISI M4)、CPM M35HCHS(AISI M35)、CPM Rex45(AISI M3改进型)、HSCPM Rex54HS(AISI M4改进型)、CPM Rex20HS(AISI M62)、CPM T15HS(AISI T15)、CPM Rex76HS(AISI M48)、CPM Rex21、CPM3V、CPM10V、CPMM4等)，瑞典乌德霍姆联合钢铁UDDEHOLM TOOLING高纯洁粉末高速钢(如：VANADIS-4(V4)、VANADIS-10(V10)、VANADIS-23(ASP-23)、VANADIS-30(ASP-30)、VANADIS-60(ASP-60)等)日本神户制钢所、日立金属株式会社HITACHI METALS（如：HAP5R、HAP10、HAP40、HAP72等）、日本大同特殊钢株式会社DAIDO STEEL(如：DEX20、DEX40、DRM1、DRM2、DRM3等)均可提供近十种粉末冶金高速钢，供应量也在迅速增长。日本著名的OSG公司用粉末冶金高速钢制造了钻头、铣刀、丝锥，日本不二越NACHI公司(如：FAX18、FAX31、FAX38、FAX40、FAX55、FAXG1、FAXG2等)制造了滚刀、插齿刀、剃齿刀。有理由相信技术性能高的粉末冶金高速钢将会得到更广泛的应用，为金属加工业带来新的发展。