高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構(gòu)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桩皿，它使刀具具有較好的韌性和吸收沖擊、防止碎裂的能力幢炸。
   
    高速鋼（HSS, High SpeedSteel）是我進(jìn)入刀具行業(yè)時接觸最多的一類刀具材料业簿。那時最常見的被稱為“ㄙ18”（ㄙ的發(fā)音為拼音“si”），其來源應(yīng)該是來自前蘇聯(lián)阳懂。

    后來知道梅尤，我們當(dāng)時所用的高速鋼應(yīng)被稱為“普通高速鋼”，還有比它性能更好的岩调，如從合金成分上要明顯優(yōu)于它的鋁高速鋼巷燥，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沛狱，PowderMetallurgy High SpeedSteel）的闹；當(dāng)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”這個名字有些不解尤乎，因為它的速度比起眼下正在流行的硬質(zhì)合金來要低許多翼养。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波寓。

    在大約1900年前后缘嗦，當(dāng)美國機械工程師泰勒（F·WTaylor）和冶金工程師懷特（M·White）發(fā)明它時蝇居，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(chǎn)的W18Cr4V（即ㄙ18烦草，又稱T1刮锹，18-4-1，現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)代號為18-0-1）高速鋼在巴黎博覽會上的公開演示幽摔，成為高速鋼發(fā)展史上第一個無可置疑的里程碑惯狠。十年后的1910年，一位英國人這樣寫道：“在1900年巴黎博覽會上刮便，一些工程師看到了一部高速運轉(zhuǎn)的車床空猜，上面裝有一個工具，正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍(lán)色碎片恨旱，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辈毯。”

    高速鋼的發(fā)明使切削中碳鋼的速度由提高到大約30m/min窖杀。拿一個直徑65mm漓摩，長度1000mm的45鋼工件來說裙士，原來的加工時間需要100分鐘入客，而應(yīng)用高速鋼只需要約25分鐘。因此腿椎，人們對它的速度驚嘆不已桌硫，稱其為“高速鋼”。W18Cr4V作為一個經(jīng)典的高速鋼牌號啃炸，一直延續(xù)使用至今铆隘。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南用，在近20年里膀钠，它的統(tǒng)治地位才逐漸被W6Mo5Cr4V2（即M2）所取代。

    碳化鎢（WC）在大幅度提高高速鋼的切削速度方面的貢獻(xiàn)是決定性的末径，我個人的看法俺媳，是這一發(fā)現(xiàn)對于以后硬質(zhì)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(zhì)合金肉棕，其主要的硬質(zhì)相（對刀具硬度驮桐、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(fēng)鋼”披腻。我在30年前進(jìn)入上海工具廠時寝丹，絕大多數(shù)的工人師傅都是這么稱呼高速鋼的。在學(xué)習(xí)有關(guān)熱處理的知識時唱撩，老師告訴我肩堡，其它許多鋼材在進(jìn)行淬火時珍霉，當(dāng)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(zhì)中急速冷卻以得到堅硬的“馬氏體”組織嘶违，如果冷卻速度慢了（例如在空氣中冷卻）怎猜，就會變成較軟的珠光體、滲碳體等組織旭贬，硬度就會比較低怔接；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”組織稀轨，即高速鋼能夠在“風(fēng)”中淬硬扼脐，它“風(fēng)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(chǎn)生著巨大的影響奋刽。在網(wǎng)站上曾經(jīng)發(fā)過一份資料瓦侮，是《W18Cr4V鋼奧氏體晶粒度參考圖》，其中號碼數(shù)字較大的高速鋼（如11號）比號碼數(shù)字較小的（如8.5號）的性能優(yōu)越許多佣谐。有資料稱肚吏，制備普通高速鋼時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模狭魂，使其緩慢冷卻凝固罚攀。此時，金屬碳化物從溶液中析出雌澄，并形成較大的團(tuán)塊斋泄。高速鋼中添加的合金含量越多，碳化物團(tuán)塊就越大略雪。達(dá)到某一臨界點時癌蚂，可形成尺寸極大的碳化物團(tuán)塊（直徑可達(dá)40μm）。出現(xiàn)大的碳化物團(tuán)塊的臨界點根據(jù)鋼錠的尺寸以及其它因素而略有不同摩赎，但一般是在碳化釩含量達(dá)到約4%時發(fā)生在策。通過對鋼錠進(jìn)行鍛造、軋制等后續(xù)加工隘唁，可以粉碎其中一部分碳化物團(tuán)塊敌灰，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(shù)量可以改善材料的耐磨性默峦，但隨著合金含量的增加剿液，碳化物的尺寸及團(tuán)塊數(shù)量也會隨之增加，這對于鋼材的韌性會產(chǎn)生極其不利的影響袱类，因為大的碳化物團(tuán)快可能成為產(chǎn)生裂紋的起始點寨支。因此，國外很早就開展研究，追求高速鋼的細(xì)晶敛咽妫化晒来。

    20 世紀(jì)60年代后期，粉末冶金高速鋼制造工藝在瑞典開發(fā)成功郑现，并于70年代初期進(jìn)入市場湃崩。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接箫、高耐磨性攒读、可吸收切削沖擊、適合高切除率加工和斷續(xù)切削加工的刀具辛友。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薄扁，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(jìn)行霧化废累，噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細(xì)小的鋼粒（直徑小于1μm）邓梅。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(tuán)快，因此獲得的鋼粒中碳化物顆粒細(xì)小且分布均勻邑滨。將這些鋼粉過篩后置入一個鋼桶中日缨，并將鋼粉中間的空氣抽凈形成真空狀態(tài)，然后在高溫掖看、高壓下將鋼桶中的鋼粉壓制成型匣距，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）成型敌夜。然后可對毛坯進(jìn)行鍛造盔锦、軋制等后續(xù)加工塞这。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(xì)小数凫，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窜鳍。

    采用粉末冶金高速鋼制備工藝森烦，鋼材生產(chǎn)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稻嘱。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(zhì)合金的“混血兒”维愈，但實際上它只是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細(xì)化的鋼基體粒子結(jié)構(gòu)的高速鋼。不過罢令，它確實將高速鋼良好的韌性與硬質(zhì)合金的高耐磨性很好地結(jié)合于一身林狈。由于粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細(xì)小且分布均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比媒埃，其強韌性大大提高菜碌。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（如撓曲切削题山、斷續(xù)切削等）兰粉。此外故痊，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(chǎn)商可以在鋼中添加大量合金元素玖姑，以提高刀具材料的性能愕秫。

    同時，由于鎢（W）資源屬于戰(zhàn)略性資源焰络，現(xiàn)代的硬質(zhì)合金又比較大量地使用鎢資源戴甩，低鎢高速鋼成為高速鋼研發(fā)的一個方向∩帘耍科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了鉬（Mo）可以作為鎢的良好的替代品等恐。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(dāng)备蚓，因此開發(fā)出高速鋼的另一個經(jīng)典牌號W6Mo5Cr4V2（即美國牌號M2课蔬，中國又有許多人將其簡稱為6-5-4-2，國際標(biāo)準(zhǔn)代號為6-5-2）郊尝。在中國使用M2高速鋼的過程中二跋，許多人認(rèn)識到其熱成形工藝性要比經(jīng)典的 W18Cr4V（也稱為18-4-1）更好。我在上海工具廠工作時艺扑，該廠長期生產(chǎn)軋制直柄麻花鉆和扭制錐柄麻花鉆哭练。我發(fā)現(xiàn)在熱成形時6-5-4-2的廢品率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于18-4-1。因此米法，他們在生產(chǎn)熱成形鉆頭時基本上都使用6-5-4-2僧憾。但在其它產(chǎn)品上還有許多使用18-4-1，因為當(dāng)時18-4-1似乎價格更低一些短户。

    后來又研發(fā)了所謂“低合金高速鋼”荐呵。當(dāng)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唇锡，即它允許的切削速度比普通高速鋼要低蔬聚。由于涂層技術(shù)的出現(xiàn)，在傳統(tǒng)加工時如果使用涂層的低合金高速鋼矗绅，涂層減少切削熱的產(chǎn)生并阻礙切削熱向刀具的傳遞墙违，如果不改變原有加工參數(shù)，它應(yīng)該同樣可以使用原來普通高速鋼的切削速度叼枝。但我現(xiàn)在認(rèn)為诽表，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，提高加工效率應(yīng)該是我們的首選隅肥，即使在傳統(tǒng)機床上使用高速鋼刀具竿奏，材料的低合金化并不可取。它現(xiàn)有的生存空間應(yīng)該在家庭、手工作業(yè)等場合议双。至于目前有些生產(chǎn)商為了降低成本痘番，極度降低高速鋼的合金含量，我本人認(rèn)為是不可取的平痰。

    國外大量發(fā)展的是含鈷高速鋼（HSS-Co）汞舱，后來國際上統(tǒng)一認(rèn)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宗雇，它能促使碳化物在淬火加熱時更多地溶解在基體內(nèi)昂芜，利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度赔蒲、熱硬性泌神、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%库樊。例如W2Mo9Cr4VCo8（美國牌號M42）棠裹，其特點為含釩量不高（1%），含鈷量高（8%）数壤，熱處理硬度可達(dá) 67-70HRC效迹，但也有采取特殊熱處理方法，得到67-68HRC硬度趣闻，使其切削性能（特別是間斷切削）得到改善啰蕴，提高沖擊韌性。鈷高速鋼可制成各種刀具存学，用于切削難加工材料效果很好码承，又因其磨削性能好，可制成復(fù)雜刀具优生，國際上用得很普遍城离。但中國鈷資源缺乏，鈷高速鋼價格昂貴疫遵，約為普通高速鋼的5-8 倍那惜。

    因此算行，中國發(fā)展了鋁高速鋼色鸳。鋁高速鋼的牌號為 W6Mo5Cr4V2Al（又稱501鋼）童擎、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl（又稱5F6鋼）等,主要加入鋁（Al）和硅 （Si）、鈮（Nb）元素牢撼，來提高熱硬性、耐磨性聋迎。適合中國資源情況飞涂，價格較低。熱處理硬度可達(dá)到68HRC，熱硬性也不錯胚股。但是這種鋼易氧化及脫碳笼痛，可塑性、可磨性稍差琅拌，仍需改進(jìn)缨伊。國內(nèi)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(yīng)屬于西南工具總廠）能夠批量生產(chǎn)鋁高速鋼刀具（主要是銑刀）进宝。但目前似乎在國際上刻坊，并不認(rèn)為鋁高速鋼可以作為高性能高速鋼，因為沒有證據(jù)表明佩嘀，它在各方面可以與鈷高速鋼相提并論——雖然在個別領(lǐng)域上可以易祖。

    國際上高速鋼的發(fā)展簡史，如下表所列（哈爾濱第一工具有限公司宋學(xué)全提供）沫杜。

表 高速鋼發(fā)展簡史 年代 主要大事記
1870～1898 英國人Mushet發(fā)明應(yīng)用Mn-W自硬工具鋼悍写，切削中碳鋼速度8m/min
1898～1900 美國人Taylor、White以Cr-W鋼取代Mn-W自硬鋼垛岛，創(chuàng)立了高速鋼蚜遥。切削中碳鋼速度達(dá)20m/min
1910 確立T1（W18Cr4V）鋼成分，切削中碳鋼速度達(dá)30m/min
1937～ 美國人Breelor發(fā)明W-Mo系高速鋼M2
1939 ～ 美國發(fā)明高碳高釩高速鋼翠笛，含釩3～5%由饵，淬回火硬度達(dá)67～68HRC，耐磨性好桦徘，可磨削性差故咽。
1958～1963 平衡碳理論提出與應(yīng)用，美國發(fā)明M40系高速鋼橄文，硬度達(dá)70HRC化刻，如M41，M42
1965～ 美國CrucibleSteels公司發(fā)明粉末冶金法生產(chǎn)高速鋼
1970～ 瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速鋼投產(chǎn)上陕；電渣重熔高速鋼開始用于大截面材生產(chǎn)
1980 ～ 歐桩砰、美、日释簿、俄等國開始生產(chǎn)粉末冶金高速鋼亚隅；氮化鈦涂層用于高速鋼切削刀具，壽命大幅提高
1990 ～ 粉末冶金高速鋼實現(xiàn)高合金冶煉庶溶，新鋼種熱處理硬度達(dá)70～72HRC
 
 
 

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