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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。當切削溫度高達600℃以上時,硬度仍無明顯下降,用其製造的刀具切削速度可達每分鐘60米以上,而得其名。高速鋼按化學成分可分為普通高速鋼及高性能高速鋼,按製造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼。
普通高速鋼

普通高速鋼可滿足一般需求。常見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
典型牌號為W18Cr4V,熱處理硬度可達63-66HRC,抗彎強度可達3500MPa,可磨性好。 鎢鉬系高速鋼

典型牌號為W6Mo5Cr4V2,目前正在取代鎢系高速鋼,具有碳化物細小分佈均勻,耐磨性高,成本低等一系列優點。熱處理硬度同上,抗彎強度達4700MPa,韌性及熱塑性比w18Cr4V提高50%。常用於製造各種工具,例如鑽頭、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。 另一牌號的普通高速鋼為W9Mo3Cr4V,這是中國近幾年發展起來的新品種。強度及熱塑性略高於W6Mo5Cr4V2,硬度為HRC63-64,與韌性相配合,容易軋制、鍛造,熱處理工藝範圍寬,脫碳敏感性小,成本更低。這三個牌號的普通高速鋼在中國市場的比例分別為: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,這是通過改變高速鋼的化學成分,提高性能而發展起來的新品種。它具有更高的硬度、熱硬性,切削溫度達攝氏650度時,硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性為普通高速鋼的1.5-3倍,適用於製造加工高溫合金、不鏽鋼、鈦合金、高強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。用其製造的刀具在切削不鏽鋼、耐熱合金等難加工材料時,壽命顯著提高,但其抗彎強度為3000MPa,衝擊韌性較低,熱處理工藝要求嚴格。 高釩系高速鋼
牌號有W12Cr4V4Mo及W6Mo5Cr4V3(美國牌號M3),含釩量達3-4%,使耐磨性大大提高,但隨之帶來的是可磨性變差。高釩系高速鋼的使用及發展還需要依賴於磨削工藝及砂輪技術的發展。 鈷高速鋼
牌號有W2Mo9Cr4VCo8(美國牌號M42)。其特點為: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。熱處理硬度可達67-70HRC,但也有採取特殊熱處理方法,得到67-68HRC硬度,使其切削性能(特別是間斷切削)得到改善,提高衝擊韌性。鈷高速鋼可製成各種刀具,用於切削難加工材料效果很好,又因其磨削性能好,可製成複雜刀具,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。 鋁高速鋼
牌號為W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V5SiNbAl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。國際市場上高性能高速鋼使用量已經超過普通高速鋼25-30%。 粉末冶金高速鋼
近幾年來高速鋼的最大變革就是發展了粉末冶金高速鋼,它的能優於熔煉高速鋼。用高壓氬氣或氮氣霧化熔融高速鋼水,得到細小高速鋼粉末,篩選後為0.4mm以下的顆粒;在真空(0.04Hg)狀態下,密閉燒結達到密度65%;再在1100℃高溫、300MPa高壓下製成密度100%的鋼坯,然後鍛軋成鋼材,這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄錠時要產生粗大碳化物偏析的問題,而它無論截面多大,其碳化物級別均為一級。碳化物晶粒極細,小於0.002mm,而熔煉高速鋼碳化物晶粒為0.008-0.02mm。
牌號為CPM T15的粉末冶金高速鋼,它的強度、韌性分別是同化學成分的熔煉高速鋼的2倍及2.5倍。儘管含釩量達5%,但由於碳化物晶粒細,可磨性依然很好。高溫熱硬度也比熔煉高速鋼提高0.5-1HRC。
又由於其物理機械性能高度各向同性,淬火變形小。碳化物顆粒均勻分佈的表面較大,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性能,適合製造:間斷切削條件下易崩刃的刀具、強度高而切削刃又必須鋒利的刀具,如插齒刀、滾刀、銑刀,高壓動載荷下使用的刀具。
它的碳化物偏析小,晶粒細,可磨性好,適合製造:大尺寸刀具、精密刀具、複雜刀具。這類材料的高溫熱硬度高,又適合製造難加工材料所用的刀具,確實是面面俱到。

粉末冶金高速鋼生產過程較複雜,造價較高。中國鋼廠提供的品種較少,市場用量也很少。國際上著名鋼廠如美國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,供應量也在迅速增長。日本著名的OSG公司用粉末冶金高速鋼製造了鑽頭、銑刀、絲錐,NACHI公司製造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。有理由相信技術性能高的粉末冶金高速鋼將會得到更廣泛的應用,為金屬加工業帶來新的發展。
高速鋼的市場定位及發展趨勢

圖三:高速鋼材料按製造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼。
自二十世紀初發現高速鋼以來,對現代工業發展起到了重要作用。可以說沒有高速鋼,就沒有現代的金屬加工業。儘管六十年代起,硬質合金等材料崛起,但是對於製造形狀複雜、磨削困難的刀具,如拉刀、剃齒刀、插齒刀等,高速鋼始終處於主導地位。特別是要求刀具具備高韌性時,就非高速鋼莫屬了。
高速鋼的主要應用領域是機械和工具製造業,必然要適應這個行業的發展,近幾年來機械加工採用了高速度的數控機床,例如加工中心、車削中心等,金屬切削速度越來越快,要求刀具必須具有高速使用性能,即熱硬性、耐磨性、衝擊韌性要好,因此,廠家紛紛研發符合上述要求的高速鋼材料。
在機加工費用中,材料約佔15-20%,刀具約佔25-35%。用戶對刀具的選用也越來越趨向合理,即選用性能與價格比好的刀具。
高速鋼刀具佔主導地位的領域,如精密零件、複雜零件、成形加工零件的市場也越來越大,對可磨性的要求也越來越高。
高速鋼-走過一個世紀的鋼種,應瞄準特定市場空間,提高自身技術含量,去抗衡其它材料的挑戰。


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